第7章 燃气燃烧的基本理论

1、三原子气体体积：
VRO2 VCO2 VSO2 CO2 CO mCm Hn H2 S
2、水蒸气体积：
V
0 H 2O
n H 2 H 2 S Cm H n 1.20(d g V0 d a ) 2
3、氮气体积：
V 0.79V0 N2
0 N2
4、理论烟气量总体积：

V0
2、在燃烧过程中，正确选择和控制 Байду номын сангаас的大小十分 重要，过大和过小都会导致不良后果：
过小：导致不完全燃烧，造成能源的浪费和对环境
的污染； 导致换热设备换热效率的降低与排烟热损失的增大， 同样造成能源的浪费。
过大：使烟气体积增大，炉膛温度与烟气温度降低，
3、在实际中，α 的值决定于所采用的燃烧方法及燃 烧设备的运行状况。 在工业设备中，α 一般控制在1.05～1.20； 在民用燃具中α 一般控制在1.3～1.8。
RO2 VRO2 Vf 100 %
N2
O2

VN 2 Vf
VO2 Vf
Vf
100%
100%
100%
H 2 O
VH 2O
RO2 N 2 O2 H 2O 100
（五）烟气的密度：
1． 加和法——各组分密度加和计算
3 0 f i i 100 ，kg/m （烟气）
V VRO2 V
0 f
0 H 2O
V
0 N2
（二）实际烟气量（α>1）：
如果忽略过剩空气带入的，则实际烟气量即理论烟气 量与过剩空气量之和。
V f V f0 ( 1)V0
（三）按热值计算的理论烟气量（近似）：
1、天然气、石油伴生气、LPG：
天然气：a=2；
0.239 H l V a 1000
I f (VRO2 cRO2 VH2O cH2O VN2 cN2 VO2 cO2 ) t f
tf H l (c g 1.2cH 2O d g )t g V0 (ca 1.2cH 2O d a )t a Q2 Q3 Q4 VRO2 cRO2 VH 2O cH 2O VN 2 cN 2 VO2 cO2
0.268 H l V0 1000
对于人工燃气：
0.209 H l H l 10500 kJ / m 时, V0 1000
3
0.26 H l H l 10500 kJ / m 时, V0 0.25 1000
3
（二）实际空气需要量：
1、过剩空气系数：实际供给的空气量V与理论空气需 要量V0之比，即： V
四、燃烧产物的计算：
理论烟气量V f —— 1 时，只供给理论空气量，完全燃烧
0
条件下，产生的烟气量，m3/m3，组成包括：CO2、SO2、N2、 H2O。 实际烟气量V f —— 1 时，供应过量空气，燃气完全燃烧 后产生的烟气量，除上述四组分外，还含有过量氧。即包括： CO2、SO2、N2、O2、H2O。
3. 化学动力学
对化学反应的速率及其影响因素进行定量研究，并用反
应机理来解释一些经验性动力学定律，主要包括反应速 率的实验研究以及发展一些新理论解释实验结果并预测 今后的实验结果。
§7-1 燃气的燃烧计算
一、燃烧及燃烧计量方程式
1、燃烧：气体中的可燃成分在一定条件下与氧气发 生激烈的氧化作用，并产生大量的热和光的物理化学 反应过程。 2、燃烧必备的条件： ①燃气中的可燃成分和(空气中的)氧气需按一定比例 呈分子状态混合； ②参与反应的分子在碰撞时必须具有破坏旧分子和生 成新分子所需的能量； ③具有完成反应所必需的时间。
§7-1 燃气的燃烧计算
3、燃烧反应计量方程式： 是进行燃烧计算的依据。它可以表示出燃烧前后， 燃气中的各可燃物质与其燃烧产物间的量值比例关系。 如： CH 2O CO 2H O H 4 2 2 2 任何一种形式的碳氢化合物 Cm H n 的燃烧反应方程 式都可用以下通式表示：
n n Cm H n (m )O2 mCO 2 H 2O H 4 2
3、理论燃烧温度tth：
在绝热完全燃烧（Q2=0，Q3=0）条件下所得到的 烟气温度。
tth
H l (c g 1.2cH 2O d g )t g V0 (ca 1.2cH 2O d a )t a Q4 VRO2 cRO2 VH 2O cH 2O VN 2 c N 2 VO2 cO2
2、燃烧热量温度tther：
Q2=0，Q3=0，Q4=0；不计由燃气和空气带入的物 理热（Ig=Ia=0）；且假设α =1。
tther
Hl
0 VRO2 cRO2 V H0 O cH O VN c 2 N2
2 2
tther 只与燃气组成有关，即只取决于燃气性质，是燃 气的热工特性之一，是从燃烧温度的角度评价燃气性 质的一个指标。
t f 即为烟气的实际燃烧温度tact 。其影响因素很 多，很难精确计算。
1、热量计温度tc：
假设燃烧过程在绝热条件下（Q2=0）进行，且完 全燃烧（Q3=0），忽略烟气成分的高温分解（Q4=0）， 由燃气和空气带入的全部热量完全用于加热烟气本身。
tc
H l (c g 1.2cH 2O d g )t g V0 (ca 1.2cH 2O d a )t a VRO2 cRO2 VH 2O cH 2O VN 2 c N 2 VO2 cO2
第七章 燃气燃烧基本理论
第七章 燃气燃烧的基本理论
7.1 燃气的燃烧计算
7.2 燃气燃烧过程
7.3 燃气燃烧方法
7.4 燃气燃烧过程的污染物的控制 7.5 燃气的互换性
概 述（1）
燃烧是一个十分复杂的现象，它与流体流动、传热 传质、化学动力学、热力学及湍流等过程密切相关。 在热能动力、火灾防护、污染控制、材料加工、火 箭推进等领域有广泛应用。燃烧学主要涉及： 燃烧基本知识：化学热力学、化学动力学、多组分 流动守恒方程组
Ia Hl
Q3
Q1
If
Q4
1m3干燃气的湿燃气；
单位kJ/m3 (干燃气)。
五、燃气燃烧温度及焓温图： （一）燃气燃烧温度：
燃气燃烧时所放出的热量加热烟气,使之能达到的 温度。由燃烧过程的热量平衡来确定。 带入热量： ①由燃气和空气带入的物理热（燃气和空气的热焓Ig 和Ia）； ②燃气的化学热（热值Hl）。
干空气中N 2与O2 的容积比为：
yN2 : yO2 79: 21 3.76
燃气燃烧所需的理论空气量为： 1 n V0 0.5H 2 0.5CO (m )Cm H n 1.5H 2 S O2 0.21 4
一般情况下，燃气的热值越高，燃烧所需的理论 空气量越多，还可用以下近似公式进行估算： 对于天然气和LPG：
支出项：
①烟气带走的物理热（烟气的热焓If）；
②向周围介质散失的热量Q2；
③由于不完全燃烧所损失的热量Q3；
④烟气中的CO2和H2O在高温下分解所消耗的热量Q4。
燃烧过程的热平衡方程为：
Hl I g I a I f Q2 Q3 Q4
其中：
I g (cg 1.20cH2O d g ) t g I a V0 (ca 1.20cH2O da ) ta
式中 i——烟气中不同组分 2． 质量守衡——参加燃烧反应的物质总量除以燃烧产物的 总体积
0 g 1.293 V0 (d g V0 d a )
0 f
Vf
，kg/m3（烟气）
五、燃气燃烧温度及焓温图：
燃气燃烧温度属于计算
热平衡的内容
燃烧温度——燃气燃烧 时所放出的热量加热气 态的燃烧产物，使之能 达到的温度。燃烧温度 由燃烧过程的热量平衡 来确定。 热平衡基准——含有
tth 是燃气燃烧过程控制的一个重要指标，它表明某种 燃气在一定条件下燃烧，其烟气所能达到的最高温度。
4、实际燃烧温度tact：
实际燃烧温度与理论燃烧温度的差值随工艺过程 和炉窑结构的不同而不同，很难精确计算出来。经验 公式为：
tact tth
μ—高温系数。对一般工业炉窑可取0.65～0.85，无 焰燃烧器的火道可取0.9。
着火现象
火焰传播 两相流系统的燃烧
燃烧模化
概 述（2）
1. 传热学
研究系统内部或系统与环境之间由于有温度梯度而产生
的能量传递过程。
2. 化学热力学
研究处于平衡状态的系统，只能给出最终的平衡状态，
适用于流动现象和稍稍偏离平衡状态的不可逆化学反应。 （温度、压力、体积、质量，焓等）
0 f
石油伴生气：a=2.2； LPG：a=4.5；
0 f
2、焦炉煤气：
0.272 H l V 0.25 1000
3、热值小于12600 kJ / m3 的人工煤气：
0.173 H l V 1 .0 1000
0 f
（四）烟气的组成：
烟气的组成一般用容积成分（体积百分数）来表示，即：
二、燃气热值的确定：
1、定义：1m 燃气完全燃烧后所放出的全部热量。
2、燃气热值的计算： ①直接用实验方法测定； ②用各单一气体的热值根据混合法则计算。
3
H H1 y1 H 2 y2 H n yn
三、燃烧所需空气量：
（一）理论空气需要量：
按燃烧反应计量方程式，1 m 3 （或1kg）燃气完 全燃烧所需的空气量，是实现燃气完全燃烧所需要的 最小空气量。单位为： m3 / m3干燃气或 m3 / kg
（三）化学反应速率
反应速度——单位时间内、单位体积中反应物消耗或产物 生成的摩尔数，mol/(m3•s)。燃烧技术中常采用炉膛容积热强 度 qv 和面积热强度 q F 来表征燃烧反应速度。 炉膛容积热强度 qv ——单位时间内在单位体积 ( 面积 ) 中 反应物消耗掉的燃料所释放出来的热量，kJ/(m3•h)、kJ/(m2•h) 燃气的燃烧反应速度的大小取决于反应物质与进行反应 的条件。影响反应速度的主要因素有反应物质的浓度、压力、 温度和催化剂等
一、燃气燃烧反应机理
（一）化学反应 化学反应通常和化学键的形成与断裂有关。
化学反应的实质就是旧的化学键断裂，分子破
裂成原子，原子重新排列组合形成新的化学键 从而生成新物质的过程。
一、燃气燃烧反应机理
（二）基元反应速率理论
反应物分子通过一次碰撞即转化为生成物分子的反应称
为基元反应。 能够发生化学反应的碰撞称为有效碰撞。 具有较高的能量，能够发生有效碰撞而引起化学反应的 分子称为活化分子。 由反应物分子到达活化分子所需的最小能量称为活化能。 反应的活化能越低，则在指定温度下的活化分子数越多， 反应就越快。
（一）化学反应 （二）基元反应速率理论 （三）化学反应速率 （四）链反应
一、燃气燃烧反应机理
（一）化学反应 分子运动论是研究化学反应的重要基础。 分子运动论的主要内容有三点： 1. 一切物体有大量分子构成，分子间有空隙； 2. 分子处于永不停息的无规则运动状态，即热运动；
3. 分子间存在相互作用的分子力（引力和斥力）。
g V 干烟气 f ——实际烟气量中扣除水分的烟气 V fs
湿烟气
——实际烟气量中包含水分的烟气
三原子气体RO2——烟气中CO2、SO2经常合在一起。
四、燃烧产物的计算：
根据燃烧反应方程式，可以计算出燃气中各可燃 组分单独燃烧后产生的理论烟气量，求和即可得该燃 气的理论烟气量。
（一）理论烟气量（α=1）：
由于燃烧设备中各部分的过剩空气系数α 不完全 一样（越接近排烟口，α 值越大），烟气的焓也需要 分别计算。利用烟气的焓温图，可以方便地查得在不 同α 时，不同温度下烟气的焓If；反之，在一定温度 下，若已知烟气的焓，也可确定此时的α 值。
例题9-1（pp.217）
§7-2 燃气的燃烧过程
一、燃气燃烧反应机理
（二）烟气的焓温图：
在进行工业炉和锅炉热力计算时，需要知道烟气 在不同温度下的焓。1 m3燃气燃烧后所生成的烟气在不 同温度下的焓等于理论烟气的焓与过剩空气的焓之和， 即：
I f I ( 1)I
0 f
0 a
0 I0 ( V c V c V f RO2 RO2 H 2O H 2O f cN2 ) t f 0 Ia V0 (ca 1.20cH2O da ) ta