燃烧理论第一讲燃烧计算

燃气燃烧理论与基础参考教材：燃气燃烧与应用

燃烧理论与污染控制华中科技大学导论燃烧科学的发展简史燃烧是物质剧烈氧化而发光发热的现象火的历史就是人类社会进步的历史早期提出燃素论，不久被证明是错误的由燃烧导致质量增加的现象发现空气中氧气参与反应热力学热化学的发展，阐明了燃烧现象中燃烧反应热效应、燃烧产物组分、燃烧温度、着火温度等热力学特性计算燃烧学使其达到了一个新的高度燃气燃烧是燃烧学中的基础燃烧科学的应用现代社会的动力来源，主要来自于矿物燃料的燃烧矿物燃料占到世界能源消费总量的80%以上，在可以预计的未来，人类依然严重依赖于矿物燃料。高效经济地控制燃烧过程是燃烧学的主要研究方向将化学能高效地转化为热能、电能、机械能，高温高压高速燃烧成为方向预防和减少火灾造成的损失是燃烧学研究的另一重要方向正常可控燃烧造福于人类，不可控非正常的燃烧常常会带来灾难。燃烧造成的污染燃料燃烧是大气污染的主要来源粉尘、煤烟、液滴等气溶胶状态（Pm10、pm2.5、雾霾）氧化硫、氧化碳、氧化氮、碳氢、卤素等气体状态直接燃煤是我国大气污染的最根本原因；燃烧方式落后加重了大气污染；交通污染对城市影响巨大。燃煤导致的烟尘、SO2、NOx、CO、CO2均为主要污染源交通工具动力系统也是雾霾的主要来源，CO、NOx排放量很大燃烧科学的研究方法燃烧科学正从传统的经验科学成为一门系统的，以数学为基础的综合学科理论，涉及热力学、流体力学、化学动力学、传热传质学、物理学等一是燃烧理论方面的研究，以燃烧涉及的基本过程为研究对象。如燃烧反应动力学机理、着火、火焰传播、火焰稳定、预混及扩散火焰、层流与湍流燃烧、燃烧产物的形成机理等。二是燃烧技术的研究，是应用理论研究的结果来解决工程技术中的实际问题。如燃烧方法的改进、燃烧过程的组织、节能减排等。第一章燃气的燃烧计算一燃气的热值1.燃烧及燃烧反应计量方程式2.燃气热值的确定1m3燃气完全燃烧后，其烟气被冷却至初始温度所放出的热量称为该燃气的热值，单位为kJ/m3。当燃烧烟气中H2O以气体状态排出时，燃烧所放出的热量称之为低热值；当H2O以凝结水状态排出时，蒸汽中所含的潜热得以释放，此种状态下所放出的热量称之为高热值。显然，燃气的高热值大于低热值，差值为水蒸气的气化潜热。单一可燃气体的热值是已知的，混合气体的热值可以由各单一气体的热值根据混合法则进行计算

二、燃烧所需空气量

1.理论空气需要量：指按燃烧反应计量方程式，1m3（或kg）燃气完全燃烧所需的空气量，是燃气完全燃烧所需的最小空气量，单位为m3/m3或m3/kg。

一般情况下空气需要量与燃气热值成正比，可以用燃气热值进行近似计算。对于烷烃类燃气二、燃烧所需空气量2.实际空气需要量实际供给的空气量一般应大于理论空气需要量，即要供应一部分过剩空气。实际供给的空气量与理论空气需要量之比称为过剩空气系数在燃烧过程中，正确选择和控制过剩空气系数值的大小是十分重要的，过小或过大都会导致不良后果：过小会导致不完全燃烧，造成能源的浪费和对环境的污染；过大则使烟气量增大，炉膛温度与烟气温度降低，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。因此，先进的燃烧设备一般在保证完全燃烧的前提下，尽量使α值趋近于1。而随时掌握燃烧设备的α值又是我们监测燃烧器具运行工况的重要手段。三、燃烧产物的计算当只供给理论空气量时，燃气完全燃烧后产生的烟气量称为理论烟气量。当有过剩空气时，称为实际烟气量。1.理论烟气量（α=1时）2.实际烟气量（α>1时），VRO2同上三、燃烧产物的计算式中da—空气的含湿量（kg/m3干空气）。

—实际烟气中三原子气体、水蒸气、氮气、过剩氧的体积（m3/m3干燃气）；

3.烟气的密度式中

ρf0—标准状态下烟气的密度（kg/m3）；ρgdr—燃气的密度（kg/m3干燃气）。三、燃烧产物的计算将其中的N2'用燃气容积成分表示并代入整理得：4、烟气中CO的计算β——燃料系数当时又=1时三、燃烧产物的计算5、过剩空气系数的确定a.完全燃烧时

过剩氧量由干烟气中自由氧的体积分数确定

则过剰空气量为

同时，实际空气量可用干烟气中空气带入的氮气来确定三、燃烧产物的计算对于大多数燃气，N含量可以不计b.不完全燃烧时

考虑不完全燃烧产物少消耗的氧量所以四、燃烧温度1.燃气燃烧温度燃气燃烧时所放出的热量加热燃烧产物（烟气），使之能达到的温度称为燃气的燃烧温度。它由燃烧过程的热量平衡来确定。一定比例的燃气和空气进入炉内燃烧，根据热平衡，它们带入的热量包括：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）。而支出项包括：①烟气带走的物理热（烟气的焓If）；②向周围介质散失的热量Q2；③由于不完全燃烧而损失的热量Q3；④烟气中的CO2和H2O在高温下分解所消耗的热量Q4。其中：cg、cH2O、ca、cRO2、cN2、cO2——分别为燃气、H2O、空气、三原子气体、N2、O2由0～℃的平均定压容积比热，kJ/m3.k

1.266——水蒸气基态时的比体积，m3/kg

将各项热量带入：为了比较燃气在不同条件下的热力特性，假设出多种简化了的热平衡条件，从而得到了不同定义的燃烧温度

四、燃烧温度（1）热量计温度。假设燃烧过程在绝热条件下（Q2=0）,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，这时烟气所能达到的温度称为热量计温度（2）燃烧热量温度。在上述（1）的假设条件下，若不计燃气和空气带入的物理热（Ig=Ia=0），并且假设α=1，得到的烟气温度称为燃烧热量温度

CO2和H2O分解程度与温度和分压力的关系热分解影响四、燃烧温度（3）理论燃烧温度。在绝热且完全燃烧的条件下，所得到的烟气温度称为理论燃烧温度,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。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，很难精确地计算出来。实际工作中采用经验公式

式中μ—高温系数。对于一般燃气工业炉窑可取μ=0.65~0.85；无焰燃烧器的火道可取μ=0.9。影响燃烧温度的因素

热值的影响一般来说，燃烧温度随燃气低热值的增大而增大。但有时热值低的燃气的燃烧温度可能高于热值高的燃气的燃烧温度，这主要是由于燃烧产物的数量和比热等因素起了主要作用。比如CH4的热值虽高于H2，但其燃烧温度却低于H2。过剩空气系数的影响燃烧区的过剩空气系数太小时，会导致燃烧不完全；若过剩空气系数太大，则增加了燃烧产物的数量。空气和燃气温度的影响预热空气或燃气可加大空气和燃气的焓值，从而提高燃烧温度。由于燃烧时空气量比燃气量大得多，因此预热空气对提高燃烧温度的影响比较明显。设备散热的影响由于被加热物体的吸热和设备向四周的散热，实际燃烧温度比理论燃烧温度低。设备结构越合理，保温越好，实际燃烧温度也就越接近理论燃烧温度。燃烧的化学热损失燃烧的化学热损失越多，提供给烟气的热量就越少，燃烧温度也越低。在提供了足够空气的情况下，使燃气与空气充分混合是减少化学热损失的有效方法。烟气的焓

在进行燃烧设备热力计算时，需要知道烟气在不同温度下的焓。烟气的焓，是指1m3干燃气燃烧所生成的烟气在等压条件下从0℃加热到烟气温度℃时所需要的热量，单位为kJ/m3干燃气。 含有1m3干燃气的湿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:式中If——烟气的焓，kJ/m3干燃气；

If0——理论烟气的焓，kJ/m3干燃