燃烧原理与设备燃烧反应计算教学PPT.ppt

第二篇 燃烧反应计算,又称作燃烧静力学计算，是按照燃料中的可燃物分子与氧化剂分子进行化学反应的反应式，根据物质平衡和热量平衡原理，确定燃烧反应的各参数。这些参数主要是：单位数量燃料燃烧所需要的氧化剂（空气或氧气）的量、燃烧产物的量、燃烧产物的成分、燃烧温度和燃烧完全程度。,计算中有以下条件（或假设）：非常重要！,燃料成分是应用成分或湿成分； 空气仅为氧、氮和水蒸汽组成。干空气的成分按质量百分比为o223.2%，n276.8%；按照体积百分比为o221%， n279%；空气中的水蒸汽含量按某温度下（大气温度）饱和水蒸汽含量计算； 气体体积均为标准状态下的体积（m3），1kmol气体体积标态下为22.4m3，密度=分子量/22.4（kgm-3）； 假定燃料和氧化剂均匀混合，达到分子接触，但允许燃料或氧化剂过剩；,燃料中的氧作为助燃氧； 假设反应前后温度、压力相等，且为封闭系统，无能量损失； 计算针对1kg或1m3燃料。 计算内容：1 、单位数量燃料燃烧所需氧化剂数量; 2、 燃烧产物的数量; 3 、燃烧产物的成分和密度; 4 燃烧温度;5 燃烧完全程度,课堂提问：,下面说法是否正确？ 燃料可燃基理论空气需要量,第四章空气需要量和燃烧产物生成量,固体燃料和液体燃料的理论空气需要量 燃料成分为 cy%+hy%+oy%+ny%+sy%+ay%+wy%=100%,第一节空气需要量的计算,co2=co2 1 1 1 （kmol） 12 32 44 （kg） 1 8/3 11/3 （kg） 4ho2=2h2o 4 1 2 （kmol） 4 32 36 （kg） 1 8 9 （kg） so2=so2 1 1 1 （kmol） 32 32 64 （kg） 1 1 2 （kg）,1kg燃料完全燃烧时所需要的氧气质量为 g0o2=（8/3cy8hysyoy）/100 (kgkg-1) 氧气体积为 l0o2=（cy/12hy/4sy/32oy/32）/10022.4 (m3kg-1) 理论氧气需要量：按照化学反应式的配平系数计算，不估计其它因素的影响，得到的1kg燃料完全燃烧需要的氧气量。 理论空气需要量：理论氧气需要量除以空气中氧气的含量，便得到的1kg燃料完全燃烧需要的空气量，计作g0或l0,g0=（8/3cy8hysyoy）/100/0.232 (kgkg-1) l0o2=（cy/12hy/4sy/32oy/32）/10022.4 (m3kg-1) 气体燃料的理论空气需要量,实际空气需要量 上面的计算中是假设氧化剂分子和燃料分子按照化学当量配比，混合均匀，达到分子接触，并且没有考虑其它因素的影响。实际燃烧过程中，为了保证完全燃烧，一般供给多一些的空气，有时为了得到还原性气氛，便供给少一些的空气，实际空气消耗量为ln,单位m3m-3,n=ln/l0 n称为空气消耗系数。 空气中的水分一般不计入，当空气中含较多水分，或要求精确计算时，才把空气中的水分估计在内，并以饱和水蒸汽含量计算。 gh2o干：1m3干气体中水分含量（g/m3) 折算为体积含量 gh2o干22.4/1810-3 =0.00124 gh2o干 m3/m3 包含水分的湿空气消耗量： ln=(1+0.00124 gh2o干)nl0,经验公式 煤 ：l0=1.01qdwy/4187+0.5 (m3kg-1) 液燃：l0=0.85qdwy/4187+2.0 (m3kg-1) 煤气：l0=0.875qdwy/4187 (m3m-3) (qdwy12561kjkg-1) 天然气：l0=1.105qdwy/41870.02 (m3m-3),燃料每释放1kcal的热量，大概需要消耗1m3的空气,第二节燃烧产物的生成量、成分和密度（完全燃烧）,燃烧产物的生成量及成分是根据燃烧反应的物质平衡进行计算的。当n=1时，单位质量（或体积）燃料完全燃烧后生成的燃烧产物量称理论燃烧产物生成量v0 当n1时，实际燃烧产物中还含有o2，燃烧产物量称实际燃烧产物生成量vn vnv0= lnl0,1kg固液燃料完全燃烧产物量计算 co2、so2、h2o、n2、o2 vco2=c%/1222.4 (m3kg-1) vso2=s%/3222.4 (m3kg-1) vh2o=(h%/2w%/18)22.4 0.00124 gh2o干 ln (m3kg-1) vn2=n%/2822.479%ln (m3kg-1) vo2=21%(lnl0) (m3kg-1),vn= vco2vso2vh2ovn2vo2 =(c/12+s/32+h/2+w/18+n/28) 22.4/100 (n21%)l00.00124 gh2o干 nl0 (m3kg-1) n=1时vn=v0 gh2o干不计时，,1m3气体燃料完全燃烧产物量计算 co2、so2、h2o、n2、o2 vco2=(concnhmco2)/100 (m3/m3) vso2=h2s/100 (m3/m3) vh2o=(h2(m/2cnhm) h2sh2o)/100 0.00124 gh2o干 ln (m3/m3) vn2=n2/10079%ln (m3/m3) vo2=21%(lnl0) (m3/m3),vn= vco2vso2vh2ovn2vo2 =(coh2 (n+m/2)cnhm2h2sco2n2h2o) (n21%)l00.00124 gh2o干 nl0 (m3m-3) n=1时vn=v0 gh2o干不计时，,v0 仅与燃料成分有关 vn与燃料成分和空气过剩系数n有关,燃烧产物成分 co2 =vco2/vn100 so2 =vso2/vn100 h2o =vh2o/vn100 n2=vn2/vn100 o2=vo2/vn100,燃烧产物密度的计算 1、用参加反应的物质的总质量计算 固液燃料 气体燃料,2、用燃烧产物的质量计算,经验公式 煤 ：v0=0.89qdwy/4187+1.65 (m3kg-1) 液燃：v0=1.11qdwy/4187 (m3kg-1) 煤气：v0=0.725qdwy/41871.0 (m3m-3) (qdwy12561kjkg-1) 天然气：v0=0.75qdwy/41870.38 (m3m-3),燃料每释放1kcal的热量，大概要产生1m3的烟气,1：1：1,课堂练习一,1、已知某烟煤成分为（%）：cr83.21，hr5.87，or5.22，nr1.90，sr3.80，ag8.68，wy4.00，求： 理论空气需要量l0； 理论燃烧产物生成量v0； 如果炉子热负荷为17103kw，空气消耗系数n=1.35，求每小时供风量，烟气生成量和烟气成分。,2、某焦炉煤气干成分为（%）：co9.1，h257.3，ch426.0，c2h42.5， co23.0，o20.5，n21.6，煤气温度为20，用含氧量为30%的富氧空气燃烧，n=1.15，求： 富氧空气消耗量ln 燃烧产物成分及密度,第三节不完全燃烧的燃烧产物,不完全燃烧有以下几种情况： 1、在固体灰渣中含有可燃成分； 2、在燃烧产物中烟气中含有可燃成分； 3、由于温度高，co2和h2o等气体分解产生co和h2等可燃气体。,不完全燃烧时燃烧产物的变化 在空气中燃烧，燃烧产物中可燃成分一般为co、h2、ch4等 1、当n1，燃烧产物成分为：co2，co，h2，h2o，ch4，o2，n2；氧气足够，如果组织得好，将可燃物燃烧干净（完全燃烧）。 co+0.5o2=co2 1 0.5 1 h2+0.5o2=h2o 1 0.5 1 ch4+2o2=co2+2h2o 1 2 1 2,完全燃烧产物体积为： (vn)完=(vn)不0.5vco0.5vh2 =(vn)不(1000.5co湿0.5h2湿)/100 所以 (vn)不/(vn)完=100/ (1000.5co湿0.5h2湿),或者： (vn)完干=(vn)不干0.5vco1.5vh22vch4 =(vn)不干(1000.5co 1.5h2 2ch4)/100 所以 (vn)不干/(vn)完干=100/ (1000.5co 1.5h2 2ch4) 结论：在有过剩空气的情况下，如果由于混合不均匀发生不完全燃烧，燃烧产物的体积将比完全燃烧时增加。,2、当n1时，o2=0（混合均匀） 要将1体积co燃烬要补充0.5体积o2和1.88体积n2，产生1体积co2和1.88体积n2，所以完全燃烧比不完全燃烧体积增加1.88体积。同理： co+0.5o2+1.88n2=co2+1.88n2 1 0.5 1.88 1 1.88 h2+0.5o2+1.88n2=h2o+1.88n2 1 0.5 1.88 1 1.88 ch4+2o2+7.52n2=co2+2h2o+7.52n2 1 2 7.52 1 2 7.52,完全燃烧产物体积为： (vn)完=(vn)不+1.88vco+1.88vh2+9.52vch4 所以 (vn)不/(vn)完=100/ (100+1.88co湿+1.88h2湿+9.52ch4湿) 或者 (vn)不干/(vn)完干=100/ (100+1.88co+0.88h2 7.52ch4) 结论：当空气供入不足，又混合均匀的情况下，燃烧产物生成量比充分燃烧时减少。,3、当n1，o20（混合不均匀） 这时要充分燃烧可少加入空气4.76vo2，故： (vn)不/(vn)完=100/ (100+1.88co湿+1.88h2湿+9.52ch4湿4.76o2) 或者 (vn)不干/(vn)完干=100/ (100+1.88co +0.88h2 7.52ch4 4.76o2) 结论：燃烧产物量的变化视o2大小而定。,不完全燃烧产物成分计算 涉及到化学反应动力学因素和流体、传热传质等因素的影响，一般无法计算。,处理不完全燃烧的思路： 将不完全燃烧变成完全燃烧，然后对二者进行比较，具体做法是：如果含有可燃成分，加入空气将可燃成分烧掉，如果含有氧气，将含氧的多余空气祛除。,第五章 燃烧温度,燃烧温度：燃料燃烧时所释放的热量传给气态燃烧产物，使其达到的温度称为燃料的燃烧温度。燃烧温度通过燃烧过程中的能量平衡求出。 热量来源： 燃料的热值，燃料的显热和空气的显热 q低+q燃+q空 热量支出： 热量不可能全部传给燃烧产物，有热量损失 vnc产t产+q传+q不+q分+w,t产=(q低+q燃+q空q传q不q分w )/vnc产 t产称为燃料实际燃烧温度，与多因素有关，不能简单计算出来。 假设在绝热系统中燃烧，并且完全燃烧（ q传=q不=w=0 ），得到： t理=(q低+q燃+q空q分)/vnc产 t理称为燃料理论燃烧温度，表明燃料在某条件下能达到的最高燃烧温度，是分析炉子热工作和热工计算的一个重要指标。,进一步，如果不计分解热，得到： t量=(q低+q燃+q空)/vnc产 t量称为燃料量热计温度 进一步，如果空气和燃料都不预热，空气消耗系数n=1.0，得到： t热=q低/v0c产 t热称为燃料理论发热温度，只与燃料性质有关，是评价燃料性质的一个指标。,第一节理论发热温度的计算,t热=q低/v0c产 v0c产= vco2cco2vh2och2ovn2cn2 c产= (co2cco2h2och2on2cn2)/100 联立方程求解 c=a1a2ta3t2,内插值近似法 h=q低/v0=c产t热 =co2%cco2t热h2o%ch2ot热n2%cn2t热 =co2%hco2h2o%hh2on2%hn2 计算步骤： 1、计算h=q低/v0 ， co2%，h2o%，n2% 2、假设理论发热温度为t，查附表7a计算h,如果ht ，计算h”,直到h”h； 4、内差求t热（p41公式5-7）,第二节理论燃烧温度的计算,t理=(q低+q燃+q空q分)/vnc产 co2co0.5o212600（kjm-3-1） h2oh20.5o210800（kjm-3-1） q分=12600vco+10800vh2 温度越高，分解越强；压力越高，分解越弱；在工业炉领域只有温度高于1800才估计分解热,分解使燃烧产物量和成分发生变化，使计算复杂，必须近似处理，以简化计算。,温度,比热,产物量和成分,分解程度,1、忽略热分解引起的vnc产的变化； 2、分解热按分解度的近似值计算； q分=12600fco2(vco2)未10800fh2o(vh2o)未 3、燃烧产物的比热按近似比热计算； vnc产=v0c产（lnl0） c空 4、确定比热和分解度所依据的温度，可依经验估计。,例题一,烟煤成分为：,求燃料发热量，理论空气需要量，燃烧产物生成量，燃烧产物成分、密度和燃料发热温度（忽略空气中的水分）。,解：首先成分换算为应用成分： ay=ag(100wy)/100=7.55 hy=hr(100aywy)/100=4.08 oy=3.64 ny=1.61 sy=3.80 cy=76.32 cyhyoynysyaywy=100 正确！,1）燃料发热量 q高y=4.18781c+300h+26(so) =31024(kjkg-1) q低y= q高y25.12(9h+w) =30031(kjkg-1) 2）理论空气需要量 l0=(8cy/3+8hy+syoy)/100/22.432/0.21 =7.88(m3kg-1),3）理论燃烧产物生成量 vco2=cy/1222.4/100=1.43(m3kg-1) vso2=sy/3222.4/100=0.03(m3kg-1) vh2o=(hy/2 +wy/18) 22.4/100 =0.50(m3kg-1) vn2=ny/1222.4/100+0.79l0 =6.25(m3kg-1) v0=8.21(m3kg-1),4）理论燃烧产物的成分与密度 co2%=vco2/v0100%=17.42% so2%=vso2/v0100%=0.37% h2o%=vh2o/v0100%=6.09% n2%=vn2/v0100%=76.12% =100% =(44co2%64so2%18h2o%28n2%)/22.4 =1.35(kgm-3),5）燃烧发热温度（内插值近似法） h=q低y/v0=3658(kjm-3) 设t=2100 ，此时燃烧产物的热焓量 h=co2%hco2so2%hso2h2o%hh2on2%hn2 =3557.4(kjm-3)h t热=(hh)(t” t)/(h” h) t =2153(),第三节影响理论燃烧温度的因素,t理=(q低+q燃+q空q分)/vnc产 燃料的发热量 q低越大， t理越高，也不尽然。 空气消耗系数 n1的情况下，n越大， t理越低 所以在保证完全燃烧的情况下，尽量减小空气消耗系数n。,空气和煤气的预热温度 空气和煤气的预热温度越高， t理越高； 对发热量高的燃料比发热量低的燃料效果显著； 对发热量高的煤气，预热空气比预热煤气（相同温度）的效果更大。 由于预热空气或煤气的热量是烟气余热，故从经济的角度看，这种方法更为合理。,空气的富氧程度 空气的富氧程度越高，理论燃烧温度越高，因为燃烧产物生成量减少了。 实践表明富氧浓度在30%以下时，富氧空气对燃烧温度的提高效果明显，再提高富氧浓度，效果就越来越不明显了。 实际燃烧温度的计算 t产=t理 炉温系数，经验值,第六章空气消耗系数及不完全燃烧热损失的检测计算,烟气成分用烟气成分分析仪测定，按工作原理分为两类： 1、化学式的，利用化学药品分别吸收烟气中各种组分，分别测定其含量，如奥氏（orsat）气体分析仪。 2、物理式的，利用各种气体物理特性的不同，从而测定烟气组分及其含量。如二氧化碳气体分析仪。,奥氏气体分析仪的一般分析 1、氢氧化钾溶液吸收烟气中的co2+so2 co2+2koh=k2co3+h2o so2+2koh=k2so3+h2o 2、焦性没食子酸（c6h3(oh)3）的碱溶液吸收烟气中的o2（也可吸收ro2） 4c6h3(oh)3+o2=2(oh)3c6h2- c6h2(oh)3+h20 3、氯化亚铜的氨溶液cu(nh3)2cl可以吸收烟气中的co（也可吸收o2） cu(nh3)2cl+2co= cu(co)2cl+2nh3,第一节燃烧产物气体成分的测定和验证,为什么要对烟气成分进行分析？ 1、空气一般不计量，检验空气消耗系数； 2、检测完全燃烧情况，燃烧组织的好坏； 所以在进行燃烧过程的检测计算之前，必须先获得准确的燃烧产物成分的实测数据。那么，如何判断气体分析的结果是否准确？下面推导燃料和燃烧产物之间的关系式，以验证气体成分分析的正确性。,设vro2表示完全燃烧产物中的ro2的数量，v0干表示干理论燃烧产物生成量，则燃烧产物中ro2的最大理论含量（干成分%）为： ro2，大=100vro2/v0干 v0干=vro2+vn2 同时,式中为燃料特性系数，只取决于燃料成分，在空气中燃烧时计算式见p44公式（2-3-12）（2-3-13） 的计算方法必须掌握。 能否根据燃烧产物成分计算ro2，大？,整理得： (1+)ro2+(0.605+)co+o2-0.185h2 -(0.58-)ch4=21 该式称为“气体分析方程”。 根据气体分析方程，就可验证燃烧产物气体分析的正确性。,第二节空气消耗系数的检测计算,正常生产的炉子由于吸气和漏气的影响，要按照烟气成分计算实际空气消耗系数。 按氧平衡原理计算n值 n=ln/l0 =lno2/l0o2 =(l0o2+lo2)/l0o2 k=l0o2/vro2,按氮平衡原理计算n值,l0o2,lo2,最后得到公式2-3-24 对于气体燃料：n燃=n2湿 对于固液燃料：n燃=22.4ny/28,思路： 气体分析方程展示的是燃烧产物成分与燃料特性系数 之间的关系，若能分别得到 与燃烧产物成分之间的关系，通过 就可以得到燃烧产物成分与 间的关系式，即气体分析方程,气体分析方程及其应用,验证方法： 用已知的燃料成分计算出 ，将测得的燃烧产物成分和 值代入气体分析方程的左侧，计算出m值，若m值与气体分析方程右侧常数