第二章燃烧计算
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实际空气量与理论空气量之差称为过量空气量 (△L或△V) △V = V - Vo= (α-1) Vo 这部分空气并不参加反应, 但它吸收炉内热量后随烟气
将热量排放到大气中,造成排烟热损失,所以说,α过大,过剩空 气量△V过大,就会增加排烟热损失, 对热能利用不利。但α 值过小时,又会增加不完全燃烧的程度,也对燃烧不利,使燃料 的化学热不能充分发挥。由此可见,α过大或过小都将使燃 烧设备的热效率下降, 这就要求我们要正确选择和控制燃烧 过程中的α值, 尽可能使α值处于一个较为合理的范围内。当 然,对于不同的燃料,不同的燃烧室 ,α值的最佳范围值是不一 样。但是, 先进的燃烧设备总是应该在保证燃烧完全的前提 下，尽量使过量空气系数趋近于1。
二.燃烧用空气量计算: 1.理论空气量计算:
人们在进行燃烧计算时, 都把燃烧产物中不 再有可燃物质的燃烧过程称为完全燃烧。否 则就叫不完全燃烧。
理论空气量就是从理论上分析，燃料完全 燃烧时所需的空气量。理论空气量可以根据 燃料中各可燃成分在燃烧时所需的理论空气 量相加而计算出。
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That is 1.理想气体 (air、smoke)
2.单位燃料 (kg、kmol、m3)
3.标准状况 (0℃,1atm)
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第一节 燃烧过程的物质平衡计算
一.燃烧反应方程式: 燃烧是燃料中的可燃元素成分C、H、S与空
气中的氧在适当条件下(温度和时间)所产生的一 种 强烈的化学反应 ,因此,各元素与氧反应的方 程式即燃烧反应方程式,即 C + O2 → CO2 2H2 + O2 → 2H2O S + O2 → SO2
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2.理论氮气体积 VN20 VN20有两个来源 (1)燃料中的氮气成分 (2)理论空气量V0中的氮 VN20 =22.4/28×Nar/100+ 0.79V0 = 0.8Nar/100+ 0.79V0 Nm3/Kg燃料 式中0.79是干空气中氮气的容积组成。
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对燃料中的碳氢化合物CnHm来说, 燃烧反应 方程式可由待定系数法写出:
设 CnHm + xO2→ yCO2 + zH2O 列出平衡方程: 2x =2y + z
y=n
可得通式为:
2z = m
CnHm + (n+m/4)O2 → nCO2 + (m/2)H2O
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4.理论水蒸汽体积VH2O0 VH2O0有四个来源: (1)燃料中水分带来的水蒸汽体积为 22.4/18×Mar/100= 0.0124Mar/100 (2)燃料中氢燃烧生成的水蒸汽体积 H2+ 1/2·O2→H2O Har/100Kg 氢产生的水蒸汽为: 22.4/2×Har/100= 0.112Har Nm3/Kg
S → SO2 H → H2O
N2→ N2 O2消耗于各反应中；过量空气中: O2, N2, H2O 即燃烧 所用的实际空气中还有过量的氧(O2) 以及惰性气体N2和少 量H2O也都混入烟气之中。
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下面我们来分析各项的数值 1.二氧化碳和二氧化硫体积VRO2 C + O2 → CO2 S + O2 → SO2 VRO2=VCO2+VSO2=1.866Car/100+0.7Sar/100 = 1.866Kar/100 Nm3/Kg燃料 其中 Kar = Car + 0.375Sar
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因空气的密度为γ=1.293 Kg/Nm3(标况下：0℃、1atm)
也可得到按质量计的理论空气量为:
Lo=1.293Vo=0.115Kar+0.342Har－0.043Oar Kg空气/Kg燃料 从理论空气量公式可看出,每1Kg氢所需的理论空气量是
26.5Nm3 (22.4/4×1.008×0.21),1Kg 碳所需的理论空气量为 8.89Nm3,氢需的理论空气量等于碳的三倍左右。另一方面 : 氢的热值是 120370KJ/Kg, 碳的热值是32866KJ/Kg氢热值也 等于碳热值的三倍左右。所以对这两种可燃元素来说,理论 空气量大致和发热量成正比。
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(3)理论空气量带入的水蒸汽体积:
设空气中相对于1Kg干空气中含有的水蒸汽量为d(g/Kg 干空气),1Kg干空气─指1Kg纯干空气和d 克水汽的湿蒸汽, 干空气的密度为1.293Kg/ Nm3,水蒸汽的密度为: 18/22.4= 0.804 Kg/ Nm3
则得每Nm3空气中所含水蒸汽的体积应为
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如何选取α呢?α主要取决于下面几个因素: (1)燃料的种类:
◆对气体燃料:因它易与空气混合,α可小些,
工业设备一般控制在 α= 1.05～1.20 民用燃具一般控制在 α= 1.3～1.8
◆对液体燃料:α值比气体燃料的α较大些,
工业设备一般控制在 α= 1.10～1.30
3.过量空气中的氮及氧气体积 过量空气的体积为 △V=(α-1)V0 Nm3干空气/Kg燃料 ,其中 氮气体积为:△VN2 = VN2 - VN20 = 0.79(α-1) Vo= 0.79△V Nm3/Kg 氧气体积为:VO2=0.21△V =0.21(α-1)V0 Nm3/Kg
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第二章燃烧计算
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◆考虑到空气和烟气的所有组成成分所处的状态, 都可以相当准 确地把它们当作理想气体来处理, 这在工程上进行燃烧计 算是足够准确的。
◆在讨论燃烧计算时,仅考虑单位燃料的情况,单位燃料就是指每 kmol、每kg或每m3的燃料。
◆在计算过程中, 涉及到的所有空气和气体容积的单位都是"标准 立方米"用"Nm3"表示:即以标准状态(0℃,1atm)下的立方 米为单位.因此,1kmol气体在标准状况下的容积都是 22.4Nm3。
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同理,氢燃烧方程式为:
2H2 + O2 → 2H2O 4×1.008Kg 22.4Nm3 2×22.4Nm3
Har/100Kg的氢完全燃烧所需氧量为: Vo2H=22.4/4×1.008×Har/100=5.55×Har/100 Nm3/Kg燃料 硫燃烧反应式是:
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因固体燃料和液体燃料中含有大量的碳和氢, 粗略地 说, 这两类燃料的热值大致等于所含元素成分的发热量 之和(由于化合物的结构不同,这种说法是不十分准确的)。 而燃料燃烧时所需的理论空气量则无疑地等于各元素成 分的理论空气量之和,这样,虽然各种燃料所含碳和氢的 百分比相差甚大, 但由于碳和氢的理论空气量与发热量 (Vo/Qnet)的比值几乎相同,所以各种燃料的理论空气量与发热量
平均含湿量×干空气的密度
d/1000×1.293
───────────── = ────────
水汽密度
0.804
=共六十七页。
理论空气量Vo带入的水蒸汽体积为0.00161dVo Nm3/Kg燃料,
一般取d=10g/Kg,因此,理论空气量Vo带入的水汽体 积为0.00161Vo Nm3/Kg燃料
在1Kg燃料中,包含的可燃物质: 碳为Car/100 Kg, 氢为Har/100 Kg, 硫为Sar/100 Kg. 碳燃烧反应方程式为:
C + O2 → CO2
12Kg 22.4Nm3 22.4Nm3
Car/100 Kg 碳燃烧所需的理论氧量为 Vo2C=22.4/12×Car/100=1.866×Car/100 m3/kg燃料
之比也大致是一个常数。从这个观点出发, 就出现了一些计算 理论空气量的经验公式,这个大家请参看表2-4,表2-5两个表中所 列公式。这两个表都是录自外国文献,在使用上有一定的局限性, 我国近年来也出现了一些经验公式,例如中国煤炭科学研究总院 提出的:
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◆对贫煤及无烟煤(Vdaf<15％) Vo=0.264×10-6 Qnet,ar +0.158 Nm3/Kg ◆对Vdaf>15％的烟煤 Vo= 250×10-6 Qnet,ar +0.278 Nm3/Kg ◆对劣质煤(Qnet,ar<12500 KJ/Kg) Vo= 240×10-6 Qnet,ar +0.108 Nm3/Kg
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三.烟气量计算 燃烧产物的计算,一般包括下列内容: (1)烟气组成 (2)烟气量计算 (3)燃烧前后工质的摩尔数变化
课上仅讲烟气量计算方法
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对固体或液体燃料完全燃烧时,燃料中的各元素成分C.H.O.N.S 便形成了各种烟气. 燃料中: C → CO2
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2.实际空气需要量及过量空气系数 在各种燃烧设备的实际运行中, 由于现有的
燃烧设备难于保证燃料和空气的彻底混合,因 此,为了使燃料尽可能地完全燃烧,就必须供应 比理论空气量更多的空气,这样才能保证燃料 有充分接触空气的机会, 实际供给燃烧室燃烧 的空气量就称为实际空气量(V或L), 实际空气 量总是大于理论空气量,两者的比值称过量空 气系数：α= L/Lo 或 α=V/Vo
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5.过量空气中的水蒸汽体积
△VH2O=VH2O-VH2Oo=0.00161d(α-1)Vo Nm3/Kg 有时并入过量空气体积 (α-1)Vo, 而得到 (1+0.00161d)(α-1)VoNm3湿空气。如取d=10, 则得到1.016(α-1) VoNm3/Kg .
(4)在采用蒸汽雾化的工业炉窑中,随同燃料一同喷入的水蒸 汽体积为
22.4/18×1*Wwh = 1.24 Wwh Nm3/Kg燃料 Wwh─雾化用的蒸汽消耗率 Kg/Kg燃料 这样就得到理论水汽体积为: VH2Oo=0.0124Mar+0.112Har+0.0161Vo+1.24Wwh Nm3/Kg 燃料
0.7×Oar/100
Nm3/Kg燃料
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空气中氧的容积百分比是21％,所以1Kg燃 料燃烧所需的理论空气量为
Vo=1/0.21·Vo20 =0.0889Car+0.265Har+0.0333Sar－0.0333Oar =0.0889Kar+0.265Har－ 0.0333Oar Nm3/Kg燃料 式中:Kar=Car+0.375Sar, 引入这一系数Kar的理由 是因为烟气分析时CO2和SO2通常是一起测定的, 统称为RO2 (三原子气体),因此,这里也把Car和Sar 合并一起。
Vo2inh=22.4/32×Oar/100=0.7×Oar/100 Nm3/Kg燃料 所以可见:
1Kg燃料完全燃烧所需的氧,就等于上述各可燃物质完全燃烧所 需氧量之和再扣除燃料本身的含氧量,即:
Vo20= Vo2C + Vo2H + Vo2S - Vo2inh 代入各式得:
Vo20==1.866×Car/100+5.55×Har/100+0.7×Sar/100－
S + O2 → SO2 32Kg 22.4m3 22.4Nm3 Sar/100 Kg硫完全燃烧所需氧量为 Vo2S= 22.4/32×Sar/100=0.7×Sar/100 Nm3/Kg燃料
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另外,每Kg燃料中本身还含有Oar/100 Kg的氧, 这些氧的 体积为:
◆人工操作燃烧室 α= 1.50～1.70 (手烧炉窑)
◆机械燃烧室 α= 1.20～1.40
◆悬燃炉
α= 1.15～1.20
◆链条炉
α= 1.3～1.40
此外,对正在运行的设备进行热平衡测算中,常常根据烟气分析来计算出 α值, 进而控制燃烧过程总处于最佳的α范围内,以实现节能。这在烟气
计算中详细讲述。
◆对固体燃料:因它与空气的接触最差,α最大
链条锅炉 一般控制在 α= 1.3～1.4 农用柴炉柴灶 一般控制在 α= 1.4～2.0
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(2)燃料的粒度
燃料的粒度越小,愈易和空气混合α值就可愈小。
(3)燃烧设备的构造和操作方法
这个因素也对α值选取有很大影响,例如:
同样使用烟煤时:
实际空气量与理论空气量之差称为过量空气量 (△L或△V) △V = V - Vo= (α-1) Vo 这部分空气并不参加反应, 但它吸收炉内热量后随烟气
将热量排放到大气中,造成排烟热损失,所以说,α过大,过剩空 气量△V过大,就会增加排烟热损失, 对热能利用不利。但α 值过小时,又会增加不完全燃烧的程度,也对燃烧不利,使燃料 的化学热不能充分发挥。由此可见,α过大或过小都将使燃 烧设备的热效率下降, 这就要求我们要正确选择和控制燃烧 过程中的α值, 尽可能使α值处于一个较为合理的范围内。当 然,对于不同的燃料,不同的燃烧室 ,α值的最佳范围值是不一 样。但是, 先进的燃烧设备总是应该在保证燃烧完全的前提 下，尽量使过量空气系数趋近于1。
二.燃烧用空气量计算: 1.理论空气量计算:
人们在进行燃烧计算时, 都把燃烧产物中不 再有可燃物质的燃烧过程称为完全燃烧。否 则就叫不完全燃烧。
理论空气量就是从理论上分析，燃料完全 燃烧时所需的空气量。理论空气量可以根据 燃料中各可燃成分在燃烧时所需的理论空气 量相加而计算出。
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That is 1.理想气体 (air、smoke)
2.单位燃料 (kg、kmol、m3)
3.标准状况 (0℃,1atm)
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第一节 燃烧过程的物质平衡计算
一.燃烧反应方程式: 燃烧是燃料中的可燃元素成分C、H、S与空
气中的氧在适当条件下(温度和时间)所产生的一 种 强烈的化学反应 ,因此,各元素与氧反应的方 程式即燃烧反应方程式,即 C + O2 → CO2 2H2 + O2 → 2H2O S + O2 → SO2
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2.理论氮气体积 VN20 VN20有两个来源 (1)燃料中的氮气成分 (2)理论空气量V0中的氮 VN20 =22.4/28×Nar/100+ 0.79V0 = 0.8Nar/100+ 0.79V0 Nm3/Kg燃料 式中0.79是干空气中氮气的容积组成。
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对燃料中的碳氢化合物CnHm来说, 燃烧反应 方程式可由待定系数法写出:
设 CnHm + xO2→ yCO2 + zH2O 列出平衡方程: 2x =2y + z
y=n
可得通式为:
2z = m
CnHm + (n+m/4)O2 → nCO2 + (m/2)H2O
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4.理论水蒸汽体积VH2O0 VH2O0有四个来源: (1)燃料中水分带来的水蒸汽体积为 22.4/18×Mar/100= 0.0124Mar/100 (2)燃料中氢燃烧生成的水蒸汽体积 H2+ 1/2·O2→H2O Har/100Kg 氢产生的水蒸汽为: 22.4/2×Har/100= 0.112Har Nm3/Kg
S → SO2 H → H2O
N2→ N2 O2消耗于各反应中；过量空气中: O2, N2, H2O 即燃烧 所用的实际空气中还有过量的氧(O2) 以及惰性气体N2和少 量H2O也都混入烟气之中。
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下面我们来分析各项的数值 1.二氧化碳和二氧化硫体积VRO2 C + O2 → CO2 S + O2 → SO2 VRO2=VCO2+VSO2=1.866Car/100+0.7Sar/100 = 1.866Kar/100 Nm3/Kg燃料 其中 Kar = Car + 0.375Sar
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因空气的密度为γ=1.293 Kg/Nm3(标况下：0℃、1atm)
也可得到按质量计的理论空气量为:
Lo=1.293Vo=0.115Kar+0.342Har－0.043Oar Kg空气/Kg燃料 从理论空气量公式可看出,每1Kg氢所需的理论空气量是
26.5Nm3 (22.4/4×1.008×0.21),1Kg 碳所需的理论空气量为 8.89Nm3,氢需的理论空气量等于碳的三倍左右。另一方面 : 氢的热值是 120370KJ/Kg, 碳的热值是32866KJ/Kg氢热值也 等于碳热值的三倍左右。所以对这两种可燃元素来说,理论 空气量大致和发热量成正比。
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(3)理论空气量带入的水蒸汽体积:
设空气中相对于1Kg干空气中含有的水蒸汽量为d(g/Kg 干空气),1Kg干空气─指1Kg纯干空气和d 克水汽的湿蒸汽, 干空气的密度为1.293Kg/ Nm3,水蒸汽的密度为: 18/22.4= 0.804 Kg/ Nm3
则得每Nm3空气中所含水蒸汽的体积应为
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如何选取α呢?α主要取决于下面几个因素: (1)燃料的种类:
◆对气体燃料:因它易与空气混合,α可小些,
工业设备一般控制在 α= 1.05～1.20 民用燃具一般控制在 α= 1.3～1.8
◆对液体燃料:α值比气体燃料的α较大些,
工业设备一般控制在 α= 1.10～1.30
3.过量空气中的氮及氧气体积 过量空气的体积为 △V=(α-1)V0 Nm3干空气/Kg燃料 ,其中 氮气体积为:△VN2 = VN2 - VN20 = 0.79(α-1) Vo= 0.79△V Nm3/Kg 氧气体积为:VO2=0.21△V =0.21(α-1)V0 Nm3/Kg
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第二章燃烧计算
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◆考虑到空气和烟气的所有组成成分所处的状态, 都可以相当准 确地把它们当作理想气体来处理, 这在工程上进行燃烧计 算是足够准确的。
◆在讨论燃烧计算时,仅考虑单位燃料的情况,单位燃料就是指每 kmol、每kg或每m3的燃料。
◆在计算过程中, 涉及到的所有空气和气体容积的单位都是"标准 立方米"用"Nm3"表示:即以标准状态(0℃,1atm)下的立方 米为单位.因此,1kmol气体在标准状况下的容积都是 22.4Nm3。
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同理,氢燃烧方程式为:
2H2 + O2 → 2H2O 4×1.008Kg 22.4Nm3 2×22.4Nm3
Har/100Kg的氢完全燃烧所需氧量为: Vo2H=22.4/4×1.008×Har/100=5.55×Har/100 Nm3/Kg燃料 硫燃烧反应式是:
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因固体燃料和液体燃料中含有大量的碳和氢, 粗略地 说, 这两类燃料的热值大致等于所含元素成分的发热量 之和(由于化合物的结构不同,这种说法是不十分准确的)。 而燃料燃烧时所需的理论空气量则无疑地等于各元素成 分的理论空气量之和,这样,虽然各种燃料所含碳和氢的 百分比相差甚大, 但由于碳和氢的理论空气量与发热量 (Vo/Qnet)的比值几乎相同,所以各种燃料的理论空气量与发热量
平均含湿量×干空气的密度
d/1000×1.293
───────────── = ────────
水汽密度
0.804
=共六十七页。
理论空气量Vo带入的水蒸汽体积为0.00161dVo Nm3/Kg燃料,
一般取d=10g/Kg,因此,理论空气量Vo带入的水汽体 积为0.00161Vo Nm3/Kg燃料
在1Kg燃料中,包含的可燃物质: 碳为Car/100 Kg, 氢为Har/100 Kg, 硫为Sar/100 Kg. 碳燃烧反应方程式为:
C + O2 → CO2
12Kg 22.4Nm3 22.4Nm3
Car/100 Kg 碳燃烧所需的理论氧量为 Vo2C=22.4/12×Car/100=1.866×Car/100 m3/kg燃料
之比也大致是一个常数。从这个观点出发, 就出现了一些计算 理论空气量的经验公式,这个大家请参看表2-4,表2-5两个表中所 列公式。这两个表都是录自外国文献,在使用上有一定的局限性, 我国近年来也出现了一些经验公式,例如中国煤炭科学研究总院 提出的:
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◆对贫煤及无烟煤(Vdaf<15％) Vo=0.264×10-6 Qnet,ar +0.158 Nm3/Kg ◆对Vdaf>15％的烟煤 Vo= 250×10-6 Qnet,ar +0.278 Nm3/Kg ◆对劣质煤(Qnet,ar<12500 KJ/Kg) Vo= 240×10-6 Qnet,ar +0.108 Nm3/Kg
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三.烟气量计算 燃烧产物的计算,一般包括下列内容: (1)烟气组成 (2)烟气量计算 (3)燃烧前后工质的摩尔数变化
课上仅讲烟气量计算方法
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对固体或液体燃料完全燃烧时,燃料中的各元素成分C.H.O.N.S 便形成了各种烟气. 燃料中: C → CO2
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2.实际空气需要量及过量空气系数 在各种燃烧设备的实际运行中, 由于现有的
燃烧设备难于保证燃料和空气的彻底混合,因 此,为了使燃料尽可能地完全燃烧,就必须供应 比理论空气量更多的空气,这样才能保证燃料 有充分接触空气的机会, 实际供给燃烧室燃烧 的空气量就称为实际空气量(V或L), 实际空气 量总是大于理论空气量,两者的比值称过量空 气系数：α= L/Lo 或 α=V/Vo
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5.过量空气中的水蒸汽体积
△VH2O=VH2O-VH2Oo=0.00161d(α-1)Vo Nm3/Kg 有时并入过量空气体积 (α-1)Vo, 而得到 (1+0.00161d)(α-1)VoNm3湿空气。如取d=10, 则得到1.016(α-1) VoNm3/Kg .
(4)在采用蒸汽雾化的工业炉窑中,随同燃料一同喷入的水蒸 汽体积为
22.4/18×1*Wwh = 1.24 Wwh Nm3/Kg燃料 Wwh─雾化用的蒸汽消耗率 Kg/Kg燃料 这样就得到理论水汽体积为: VH2Oo=0.0124Mar+0.112Har+0.0161Vo+1.24Wwh Nm3/Kg 燃料
0.7×Oar/100
Nm3/Kg燃料
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空气中氧的容积百分比是21％,所以1Kg燃 料燃烧所需的理论空气量为
Vo=1/0.21·Vo20 =0.0889Car+0.265Har+0.0333Sar－0.0333Oar =0.0889Kar+0.265Har－ 0.0333Oar Nm3/Kg燃料 式中:Kar=Car+0.375Sar, 引入这一系数Kar的理由 是因为烟气分析时CO2和SO2通常是一起测定的, 统称为RO2 (三原子气体),因此,这里也把Car和Sar 合并一起。
Vo2inh=22.4/32×Oar/100=0.7×Oar/100 Nm3/Kg燃料 所以可见:
1Kg燃料完全燃烧所需的氧,就等于上述各可燃物质完全燃烧所 需氧量之和再扣除燃料本身的含氧量,即:
Vo20= Vo2C + Vo2H + Vo2S - Vo2inh 代入各式得:
Vo20==1.866×Car/100+5.55×Har/100+0.7×Sar/100－
S + O2 → SO2 32Kg 22.4m3 22.4Nm3 Sar/100 Kg硫完全燃烧所需氧量为 Vo2S= 22.4/32×Sar/100=0.7×Sar/100 Nm3/Kg燃料
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另外,每Kg燃料中本身还含有Oar/100 Kg的氧, 这些氧的 体积为:
◆人工操作燃烧室 α= 1.50～1.70 (手烧炉窑)
◆机械燃烧室 α= 1.20～1.40
◆悬燃炉
α= 1.15～1.20
◆链条炉
α= 1.3～1.40
此外,对正在运行的设备进行热平衡测算中,常常根据烟气分析来计算出 α值, 进而控制燃烧过程总处于最佳的α范围内,以实现节能。这在烟气
计算中详细讲述。
◆对固体燃料:因它与空气的接触最差,α最大
链条锅炉 一般控制在 α= 1.3～1.4 农用柴炉柴灶 一般控制在 α= 1.4～2.0
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(2)燃料的粒度
燃料的粒度越小,愈易和空气混合α值就可愈小。
(3)燃烧设备的构造和操作方法
这个因素也对α值选取有很大影响,例如:
同样使用烟煤时: