燃气的燃烧计算

n 2
CmHn

120(d g

V0da
)]
VN2 0.79V0 0.01N2
VO2 0.21( 1)V0

Vf VRO2 VH2O VN2 VO2
三、烟气量计算的近似公式
１、理论烟气量
( Vf0 H l )
Hl 12600k J/ Nm3的燃气，
Vf0
燃气燃烧与应用
绪论
本课程的目的：燃烧器的设计计算
燃气的燃烧计算
燃气燃烧反应动力学
燃气燃烧的气流混合过程
内容
燃气燃烧的火焰传播 燃气燃烧方法
燃烧器的设计计算
燃气的互换性
第一章 燃气的燃烧计算
绪论
燃气：各种气体燃料的总称
按 天然气：纯天然气、石油伴生气 制
备 方
液化石油气
法 分
人造燃气 煤制气：炼焦煤气、水煤气等
方法一：用某一组分所占燃气的容积百分比表示。 ∑riw =1
方法二：某一组分占干燃气的容积百分比，外加含湿量。
含湿量dg单位：kg/Nm3干燃气 例： 某一燃气的组分CH4W75%，若该燃气的含湿量12.5g/Nm3， 求CH4在干燃气中的容积成分。
CH4 CH4w(1 dgvH2O ) 75(1 0.01251.20) 76.125
CO2 SO2 CO N2 O2 100
烟气中的RO2和 O2 可以通过烟气分析测得。要求
出CO，必须先求出 N2 。
一、 N2的确定
N2

VN2 Vfdr
100
N2 N2(CO)
VN2

0.79V0

N2 Vfdr (O2 0.5CO)
二、燃烧热量温度tther
绝热条件，tg=ta=0，且=1 时的烟气温度，称
为燃烧热量温度tther。
tther
V c RO2 RO2
Hl VH2OcH2O VN2 cN2
VO2 cO2
三、理论燃烧温度tth
tth

V c RO2 RO2
Hl Qc Ig Ia V c H2O H2O VN2 cN2
lw与H
dr l
之间的关系
H
w l
思考：

H
dr l
1 1 1.20dg
H dr h
①
H
dr l
③
④
H
w h
②
H
w l
H
hdr与H
w之间、
l
Hhw与H
dr l
之间的关系
?
第二节 燃烧所需的空气量
一、空气的组成 干空气的容积成分：O221%、N279％
N2 79 3.76 O2 21
二、理论空气需要量 理论空气需要量V0：含有1Nm3干燃气的湿燃气完全燃烧
Βιβλιοθήκη Baidu
式中：Q5，向周围介质的散热量，kJ/Nm3干燃气 经验公式：
tact=μtth
第七节 烟气焓的计算
If

I
0 f
(

1)I
0 a
If0
(VRO2 cRO2

V0 N2
cN2
VH02OcH2O )tf
Ia0 V0(ca 1.20dacH2O)ta
式中：I，以标准状态为基准的焓，kJ/ Nm3干燃气； V，完全燃烧１ Nm3干燃气所产生的烟气或
Vfdr

VRO2 RO2

CO2
CO
mCmHn RO2
H2S
三、 α的确定


21

79
N2

CO
2

21 CO
O2 N2


RO2 mC m H n

H 2S
燃气完全燃烧时，存在
N2 100 RO2 O2
21 O2 RO2(1 ) 0
（二）燃烧所需的理论空气量
（三）完全燃烧时的烟气量(当α=1和α=1.2时) （四）燃料特性系数
解: (一)高热值及低热值
Hh Hh1 r1 Hh2 r2 Hh3 r3 Hh4 r4 12753 0.56 12644 0.06 39842 0.22 70351 0.02 18073kJ/ Nm3干燃气
H2O(g) 0.833k g/Nm3
vH2O(g) 1.20Nm3/k g
思考： 热值的两个单位kJ/Nm3和kJ/kmol之间如何进行转换？
2、干燃气（混合气体）的热值
H=∑Hiri Hi：燃气中某一可燃组分的热值，kJ/Nm3； ri：燃气中某一可燃组分的容积百分比。
3、燃气的组分表示
V
V0
工业设备中，＝1.05～1.20 ；民用燃具中＝1.3～1.8。 在保证完全燃烧的情况下，使 →1.0。
第三节 完全燃烧产物的计算
一、烟气量
烟气:燃气燃烧后的产物。 烟气量：含有1Nm3干燃气的湿燃气完全燃烧后产生 的烟气量。 单位：Nm3/ Nm3干燃气
=1 理论烟气量 RO2(包括CO2、SO2)、N2、H2O >1 实际烟气量 RO2 、N2、H2O、O2
第六节 燃气燃烧温度的确定
一、热量计温度tc
如果燃烧在绝热条件下进行，燃气完全燃烧后烟气所能达到的
温度，称为热量计温度tc。 含有1Nm3干燃气的湿燃气完全燃烧前后的热平衡方程式：
Hl Ig Ia If
式中：I，以标准状态为基准的焓，kJ/ Nm3干燃气。
Ig (cg 1.20dgcH2O )tg
Ia V0 (ca 1.20dacH2O )ta
c，平均定压容积比 热，kJ/Nm3·K
If (VRO2 cRO2 VH2OcH2O VN2 cN2 VO2 cO2 )tc
tc

V c RO2 RO2
Hl Ig Ia VH2OcH2O VN2 cN2
VO2 cO2
思考：完全燃烧时，烟气中的RO2 的体积与供给的 空气量有关吗？
二、烟气量计算的理论公式
1、 =1 时的理论烟气量
VRO2 VCO2 VSO2 0.01(CO2 CO mCmHn H2S)
V 0 H2O

0.01[H2

H2S

n 2
CmHn
]

1.20(dg

V0da

0.173 Hl 1000

1.0
炼焦煤气，
Vf0

0.272H l 1000

0.25
烷烃类燃气，
Vf0

0.239 Hl 1000

a
式中：天然气，a 2；石油伴生气，a 2.2；液化石油气，a 4.5。
2、实际烟气量（ >1 ）
Vf Vf0 ( 1)V0
四、烟气的密度
n2CmHnw H2Sw H2Ow )
Hhw

H
w l
[19.59(H2

n
1
2CmHn H2S) 2352dg ]1 1.20dg
Hhw与Hlw的单位：kJ/Nm3湿燃气
③
H
hw与H
dr h
之间的关系
Hhw

( Hhdr

1 2352dg ) 1 1.20dg
④
H
1
21

第五节 完全燃烧时 的确定

V V0
V
V V

1

1 V
V
一、 ΔV 的确定
V

O2 21
Vfdr
二、 V 的确定
V

N2a 79
Vfdr

N2
N2g 79
Vfdr

N2

VN 2g Vfdr
79
Vfdr

N2

N2 100Vfdr
79
Vfdr
N2a，干烟气中由空气 带入的氮的容积成分； N2g，干烟气中由燃气 带入的氮的容积成分；
所需的干空气量。 单位：Nm3干空气/Nm3干燃气
1、理论公式 V0的计算：求出每Nm3干燃气完全燃烧所需要的氧气量，
进而可求出对应的干空气量。
1 1
n
3
1
V0

[ 21 2
H2

(m 4 )CmHn 2 H2S 2 CO O2 ]
2、近似公式
燃气的热值越高，所需的理论空气量越大。
)
V0 N2
0.79V0
0.01N2

Vf0
VRO2

V0 H2O

V0 N2
式中 da，空气含湿量，kg/Nm3干空气
2、 α>1时的实际烟气量
VRO2 VCO2 VSO2 0.01(CO2 CO mCmHn H2S)
VH2O 0.01[H2 H2S
类
油制气：热裂解～、催化裂
解～
按组分分类
燃气燃烧计 算的内容
可燃气体：CmHn、H2、CO、H2S 不可燃气体：N2、CO2、O2、H2O（g） • 燃气热值的确定 • 燃烧所需的空气量 • 燃烧产生的烟气量 • 燃烧温度的确定 • 烟气焓的计算
第一节 燃气的热值
一、燃烧的条件 燃烧：燃气中的可燃成分在一定条件下与氧发生
激烈的氧化反应，并产生大量的热和光的 物理化学过程。
燃烧必须具 备的条件
1、燃气和氧气按一定比例呈分子状态混合 2、进行反应所需的能量 3、具有完成反应所需的时间
二、燃烧反应化学计量式
CH4+2O2=CO2+2H2O+ΔH 表示物质量之间的关系。 由于各种气体的摩尔体积近似相等，故也可表示气体
100
100
79 21
式中：0.5CO'，由于CO未燃尽而少耗的氧量。
Vfdr

100(VRO2 VCO ) RO2 CO

RO2

CO

VRO2 VCO Vfdr
100
CO

mCmHn CO2 H2S
RO2 CO
二、 CO的确定
RO2 CO N2 (CO) O2 100
标准状态下的烟气密度：
f0

dr g
1.293V0
Vf

dg
V0da
第四节 运行时烟气中的CO含量
虽然 >1 ，但仍有可能发生不完全燃烧。工程上
常将CO含量视为烟气中的不完全燃烧产物量。 燃气中干燃气的容积成分：
H2+CO+ΣCmHn+H2S+O2+CO2+N2=100 燃烧后得到的干烟气的容积成
VO2 cO2
式中：Qc，由于化学不完全燃烧（包括CO2和H2O的
分解吸热）而损失的热量，kJ/Nm3干燃气
1、Hl、If
理论燃烧温度的影响因素： 2、α
3、 Ig、 Ia
四、实际燃烧温度tact
tact

Hl Ig Ia V c RO2 RO2 VH2OcH2O
Qc Q5 VN2 cN2 VO2 cO2
1、高热值、低热值 高热值Hh：1Nm3或1kmol燃气完全燃烧后被冷却至 原始温度且水蒸气以凝结水状态排出时所 放出的热量。 单位：kJ/Nm3或kJ/kmol 低热值Hl：～，水蒸气以蒸汽状态排出。
所以 高热值Hh －低热值Hl ＝水蒸气的汽化潜热r
r=1959kJ/Nm3 水蒸气v=21.629m3/kmol 水蒸气M=18.0154kg/kmol ∴ r=2352kJ/kg
三、完全燃烧基本方程式
当 燃 气 完 全 燃 烧 时 ，CO 0， 则
21 O2 RO2 (1 ) 0
或写成
RO2＝
21 1

O2

由 此 可 知 ， 完 全 燃 烧 时烟 气 中 的RO2与 过 剩 氧O2有 关 。

， 则RO2
。

1时
，RO2max＝
3、燃气热值之间的关系
①
H
dr h
与H
dr l
之间的关系
Hhdr

H
dr l
19.59(H2

n2CmHn H2S)
H hdr 与H ldr的单位：k J/Nm 3干燃气
H dr h
①
H
dr l
③
④
H
w h
②
H
w l
②
H
hw与H
w之间的关系
l
Hhw

H
w l
19.59(Hw2

容积之间的关系。 ΔH称为反应焓、燃烧焓或燃气热值，可由燃烧试验确
定或者由反应前后物系的焓差确定。
各种燃气的化学反应计量式：
CmHn

(m

n 4 )O2

mCO2

n 2
H2O

ΔH
CO

1 2 O2

CO2

ΔH
H2

1 2
O2

H2O

ΔH
H2S

3 2
O2

SO2

H2O

ΔH
三、燃气热值的确定
CO 21 O2 RO2 (1 ) 0.605
式中：
0.395(H 2 CO) 0.79

(m

n 4
)C
m
H
n
1.18H2S
0.79O2

0.21N2
0.79
CO mCmHn CO 2 H2S
，燃料特性系数。它只与燃料的组成有关。
烟气中某一组份的体积， Nm3 / Nm3干燃气
第八节 例题
已知炼焦煤气的容积成分如下：H256%，CO6%， CH422%，C2H62%，CO23%，N210%，O21%。
煤气的含湿量dg=0.0125kg/Nm3干燃气，空气的含湿量 da=0.01kg/Nm3干空气，煤气与空气的温度tg=ta=20℃。 试求：（一）高热值及低热值
V0 H l
当燃气的Hl<10500kJ/Nm3时，
0.209 V0 1000 Hl
当人造燃气的Hl>10500kJ/Nm3时，
0.26 V0 1000 Hl 0.25
烷烃类燃气（天然气、液化石油气）采用
0.268 V0 1000 Hl
三、实际空气需要量
实际空气需要量V>理论空气需要量V0 过剩空气系数：