燃气燃烧所需空气量及燃烧产物.doc

燃气燃烧所需空气量及燃烧产物燃气的燃烧计算，是按照燃气中可燃成分与氧进行化学反应的反应方程式，根据物质平衡和热量平衡的原理，来确定燃烧反应的诸参数，包括：燃烧所需要的空气量、燃烧产物的生成量及成分、燃烧完全程度、燃烧温度和烟气焓。

这些参数是燃气燃烧设备设计、热工管理必要的数据，也是评定生产操作、提高热效率、进行传热和空气动力计算不可缺少的依据。

考虑到燃气、空气和燃烧产物各组成所处的状态，可以相当精确地把它们当作理想气体来处理。

所以，燃烧计算中气体的体积都按标准状态(0℃、101325Pa)计算，其摩尔体积均为22．4L，计算基准可以用1m3的湿燃气，也可以用1m3干燃气。

必须注意的是，后者还要带入所含的饱和水汽量，这就是大多数场合下所使用的基准——含有1m3干燃气的湿燃气。

确定燃气燃烧所需空气量和燃烧产物量，属于燃烧计算的物料平衡的内容。

一、空气需要量(一)理论空气需要量V0V0是指1m3燃气按燃烧反应方程式完全燃烧所需要供给的空气量，m3空气／m3干燃气，它是燃气完全燃烧所需的最小空气量。

V0的计算方法为，先按照燃烧反应方程式和燃烧计算的氧化剂条件(假设干空气体积仅由21％的氧和79％的氮组成)，确定燃烧所需的理论氧气量，然后换算成理论空气需要量。

从单一可燃气体着手。

例如，CO的燃烧反应方程式，连同随氧带入的氮，可表示为CO+0．502+3．76×0．5N2=C02+1．88N2 上式表明，1m3的C0完全燃烧，理论需氧量为0．5m3，随氧带入的氮量为1．88m3，相当的理论空气需要量是0．5/0．21=2.38m3。

对气态重碳氢化合物CmHn，燃烧反应方程式为CmHn+(m+n/4)O2+3．76(m+n/4)N2=mC02+ (n／2)H20+3．76(m+n／4)N2 (1—1) 也清楚地表明，1m3的CmHn完全燃烧，需要(m+n／4)m3的理论氧，同时带入3．76(m+n／4)m3的氮，故理论空气需要量为(m+n／4)／0．21=4．76(m+n／4)m3。

以此类推，对组成为ψ(CO)+ψ(H2)+ψ(CH4)+ψ(CmHn)+ψ(H2S)+ψ(N2)+ψ(02)=100％的1m3干燃气，需要的理论氧量，用符号V(O2)O表示为：V(O2)O=O．01[0．5ψ(CO)+0．5ψ(H2)+2ψ(CH4)+∑(m+n／4)ψ(CmHn)+1．5ψ(H2S)-ψ(02)]m3 (1—2) 需要的理论空气量为：V0=1／21[0．5ψ(CO)+0．5ψ(H2)+2ψ(CH4)+∑(m+n／4)ψ(CmHn)+1．5ψ(H2S)-ψ(02)]m3 (1—3) 显然，V0完全取决于燃气的组成。

燃气中可燃组分含量愈多，热值愈高，燃烧所需的V0也愈多。

所以在实际应用中V0有基于热值或组成的各种类型的近似计算公式；而在粗略计算时，常常按每4186.8kJ发热量的燃料，需要1m3V0估算。

(二)实际空气需要量V为了保证燃气完全燃烧，实际供给的空气量Vm3／m3(干燃气)均大于理论空气需要量，这个空气量多供给的比例，就称为空气过剩系数，表示为：α=V／V0 (1—4) 即，燃气燃烧的实际空气需要量为V=αV0，m3(空气)／m3(干燃气) (1—5) 显然，这里的V是干空气需要量，可表示为Vg。

空气中的水汽含量，可比照燃气中的水汽含量的确定方法，但要考虑空气的相对湿度ψ(空气中的湿含量相对于同温度下饱和湿含量的百分比)。

首先，按空气温度由附录3查出空气的饱和湿含量d’a，kg／m3(干空气)，则空气中实际湿含量da=ψd’a，kg／m3(干空气)。

所以实际湿空气量Vs=αV0+1．2αV0da=(1+1．2da)αV0，m3/m3(干燃气) (1—6) 如，空气20℃，相对湿度0．6时，查附录3，d’a=0．0189kg/m3(干空气)，这时空气的da=O．6×0．0189=0.0113kg／m3(干空气)，Vs=αV0+1．2×0.0113αV0=(1+0．0136)αV0，m3(湿空气)／m3(干燃气)。

一般将10g／m3(干空气)，或0．012m3/m3(干空气)，作为空气湿含量近似计算的取值。

显然，燃气燃烧的实际空气需要量V，不仅取决于燃气的组成，同时与燃烧条件。

有关，影响因素主要有燃气燃烧方法、燃烧设备运行工况等。

通常，α1，在工业燃烧设备中α为1．05～1．20，在民用燃具中α为1．30～1．80。

在燃气燃烧设备中，正确选择和控制空气过剩系数α是十分重要的。

α过小或过大都将导致不良后果。

前者，α小于1，空气供应不足，燃气不完全燃烧，燃气的化学热不能充分发挥，使设备的热效率下降，热耗量增加；后者α大于，或远大于1，使燃烧产物生成量过大，增加了烟气带走的热损失，也使燃烧设备的热效率下降，热耗增加。

因此，先进的燃烧设备应在保证完全燃烧的前题下，使α值大于并趋近于1，即采用低氧燃烧法。

二、完全燃烧产物的计算燃气燃烧后的产物，统称为烟气。

严格地说，燃烧产物不仅限于烟气，还应包括烟气中所携带的灰粒和未燃烬的固体碳粒，但由于它们在烟气中所占容积百分比极小，因此，在一般的计算中都略去不计。

(一)烟气量当α=1时，只供给理论空气量，如果燃气完全燃烧，产生烟气的量称为理论烟气量Vofm3(烟气)／m3(干燃气)，它的组成包括：C02、S02、N2、H20。

当αl时，供应空气过剩，燃气完全燃烧后产生的烟气量则称之为实际烟气量Vfm3(烟气)／m3(干燃气)，这时烟气中除含有上述四组分之外，还含有过剩氧，即包含CO2、S02、N2、O2和H20。

前3种组分合在一起称为干烟气Vgf；包括H2O在内的烟气则称为湿烟气Vsf。

烟气中C02和S02，都是三原子气体，又同属酸性氧化物，在化学吸收法进行气体分析时它们的含量经常合在一起分析，因此，通常合称为三原子气体，用符号R02表示。

对于混合气体燃烧产生的烟气量，为各燃气组分产生烟气量之和，如表3—1—1。

表3-1-1 烟气量表实际上V0f和Vf的差别，仅在于α=1和α1相比燃烧产物生成量少一部分过剩空气量，即所以同样，烟气量也有多种类型的近似计算式，可参考各种工具书。

(二)烟气的组成烟气的组成一般也用容积成分(体积百分数ψ)来表示。

即ψ(RO’2)=V(RO2)／Vf×100％ψ(N’2) =V(N2)／Vf×100％ψ(O’2)M=V(O2)／Vf×100％ψ(H2O’)=VH2O／Vf×100％烟气组成(体积百分数)：ψ(R02)+ψ(N2)+ψ(02)+ψ(H20)=100 (1—8)(三)烟气的密度烟气的密度ρof,kg/m3(烟气)，有两种计算方法。

一种，按烟气各组分的密度，用加和法计算。

式中用i代表烟气中的不同组分。

另一种方法，按质量守衡，用参加燃烧反应的物质总量，除以燃烧产物的总体积。

三、燃料燃烧方程式及空气过剩系数(一)燃料燃烧方程式燃料燃烧方程，或称气体分析方程，表示燃料燃烧产物各组分之间的关系。

它可用来鉴定燃烧的质量；验证燃烧产物气体成分的准确性；在核实烟气分析结果后，还可用来求某一未知组分。

燃料燃烧方程式的推导是基于燃烧的物料平衡。

针对燃气，可推导如下。

干燃气组成(体积)为，ψ(CO)+ψ(H2)+∑ψ(CmHn)+ψ(H2S)+ψ(O2)+ψ(N2)=100从不完全燃烧产物量考虑，如前所述，当燃气不完全燃烧时，烟气中含有C0、H2、CH4等可燃物，但由于H2、CH4的含量比CO少得多，因此工程上的不完全燃烧产物常常仅考虑CO。

这样，上述燃气不完全燃烧的干烟气的组成(体积百分数)为：ψ(RO’2)+ψ(CO’)+ψ(O’2)+ψ(N’2)=100根据燃气燃烧过程的氮平衡，烟气中的氮只能有三个来源，即燃气带入、理论空气带入、过剩空气带入。

式中以上标符号“△”表示过剩量。

而干烟气中氮含量将式中干烟气总量用烟气成分表示则上述燃气不完全燃烧的干烟气的组成(体积％)可改写为：各项乘以0．21，整理后得：这就是不完全燃烧成分只考虑CO时的燃气燃烧方程式。

如果燃气完全燃烧，ψ(CO’)=0，就得到完全燃烧方程式：(1+β)ψ(RO’2)+ψ(O’2)=21 (1—13) 用燃烧方程，可判别燃烧过程的好坏，还可求未知组分，如，适用于多种不完全燃烧组分的燃气燃烧方程式，可以按类似方法推导。

(二)燃料特性系数上述燃烧方程式中的β，为无因次系数。

严格地说，它除与燃料组成有关外，还与发生不完全燃烧时的烟气成分有关。

但对于完全燃烧情况，β公式第一项分母仅有V(R02)；对于不完全燃烧，也因V(CO)、V(H2)及V(CH4)一般很小，可忽略不计。

因此，β的表达式也可统一为：并且认为它只取决于燃料的组成。

故称之为燃料特性系数。

燃气的β数值变化较大，有正有负，见表3—1—2。

表3—1—2燃气的β值燃气氢一氧化碳甲烷天然气焦炉煤气高炉煤气发生炉煤气β -0.3950.790.75～0.800.90-0.160.04～0.06 (三)三原子气体含量ψ(RO’2)和它的极大值ψ(R0’2)max。

由燃气完全燃烧方程式得：当燃气完全燃烧时，烟气分析结果必然满足上述关系。

上式也表明，烟气中ψ(RO’2)与过剩氧ψ(O’2)含量有关，即与α有关。

对于某种燃气，β值一定，燃烧烟气的ψ(RO’2)含量随α增大而降低。

在燃烧设备运行时，如检测发现三原于气体量ψ(BO’2)过小，这就意味着供应的空气量过多或者漏风增加。

如果完全燃烧时烟气中无过剩氧量，即ψ(0’2)=0，则此的相当α=1的完全燃烧情况，因而α(R0’2)达到一个最大值，式(1—15)可写成可以看出，ψ(RO’2)一值只取决于燃料特定系数β。

对于给定的燃气，β值一定，因而ψ(R0’2)max也一定。

所以燃烧装置在实际运行中，烟气的ψ(R0’2)值均小于ψ(RO’2)max。

(四)空气过剩系数。

从前面讨论中可知，α的大小对燃烧过程有很大的影响，诸如燃料消耗、燃烧温度、热效率等。

因此，α是燃烧过程控制的重要指标，必须及时根据烟气分析结果检查确定。

在实际燃烧中，最好的办法是通过烟气中的组分来判断燃烧的质量，从而达到控制燃烧过程的目的。

烟气分析用烟气分析仪。

烟气分析仪，按其工作原理可分为三类：化学吸收式、物理检测式、物理化学分析式。

按烟气组分计算α的公式很多，比较常用的有两种：氧平衡公式和氮平衡公式。

1．氧平衡公式根据α的定义，可写出；式中V、V(02)——实际空气量和实际氧气量；下标“0”表示理论量，“△”表示过剩量。

经过代换，可得到完全燃烧氧平衡公式：系数K=V(RO2)／V(O’2)0，由燃气组成决定。

对于不完全燃烧，氧平衡公式为：2．氮平衡公式同样，根据α的定义，有：(1—20) 已知燃气组分，ψ(N2)、ψ(C02)、ψ(CO)……，又有烟气分析结果ψ(RO’2)、ψ(O’2)，就可确定此时的α。