燃气燃烧所需空气量及燃烧产物

燃气燃烧所需空气量及燃烧产物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 空气需要量 一 理论空气需要量 v0 v0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 co h2 ch4 cmhn h2s n2 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 5 co 0 5 h2 2 ch4 m n 4 cmhn 1 5 h2s 02 m3 1 2 需要的理论空气量为 v0 1 21 0 5 co 0 5 h2 2 ch4 m n 4 cmhn 1 5 h2s 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 v v0 1 4 即 燃气燃烧的实际空气需要量为 v v0 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 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 d a kg m3 干空气 所以实际湿空气量 vs v0 1 2 v0da 1 1 2da v0 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 v0 1 2 0 0113 v0 1 0 0136 v0 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 1 在工业燃烧设备中 为 1 05 1 20 在民用燃具中 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 是十 分重要的 过小或过大都将导致不良后果 前者 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 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 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 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 l 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 1 和 1 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 来表示 即 ro 2 v ro2 vf 100 n 2 v n2 vf 100 o 2 m v o2 vf 100 h2o vh2o vf 100 烟气组成 体积百分数 r02 n2 02 h20 100 1 8 三 烟气的密度 烟气的密度 of 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 co h2 cmhn h2s o2 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 ro 2 co o 2 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 co 0 就得到完全燃烧方程式 1 ro 2 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 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 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 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 数值变化较大 有正有负 见表 3 1 2 表 3 1 2 燃气的 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 0 3950 790 75 0 800 90 0 16 0 04 0 06 三 三原子气体含量 ro 2 和它的极大值 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 ro 2 与过剩氧 o 2 含量有关 即 与 有关 对于某种燃气 值一定 燃烧烟气的 ro 2 含量 随 增大而降低 在燃烧设备运行时 如检测发现三原于气体 量 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 0 2 0 则此的相 当 1 的完全燃烧情况 因而 r0 2 达到一个最大值 式 1 15 可写成 可以看出 ro 2 一值只取决于燃料特定系数 对于给 定的燃气 值一定 因而 r0 2 max也一定 所以燃烧装置在 实际运行中 烟气的 r0 2 值均小于 ro 2 max 四 空气过剩系数 从前面讨论中可知 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 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 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 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 的定义 有 1 20 已知燃气组分 n2 c02 co 又有烟气分析 结果 ro 2 o 2 就可确定此时的 当燃气中含氮量很少 n2 0 时 则 表