燃料及燃烧2 燃烧计算及燃烧理论

第三节燃烧计算在设计窑炉时（设计计算）

1、已知燃料的组成及燃烧条件，

2、需计算单位质量（或体积）燃料燃烧所需的空气量、烟气生成量、烟气组成及燃烧温度

3、以确定空气管道、烟道、烟囱及燃烧室的尺寸，选择风机型号。在窑炉生产中（操作计算）通过烟气成分来进行计算及分析，判断其燃烧是否合理，窑炉设备各部位是否漏气，以便及时调节。燃料燃烧所需空气量的计算1烟气量及烟气组成2生产中热工计算

3燃烧温度计算43.1燃料燃烧所需空气量的计算1.理论空气量（Va0）：单位质量（或体积）燃料完全燃烧所需要的最少空气量。

固体、液体燃料 Nm3/kg燃料气体燃料 Nm3空气/Nm3燃料

理论空气量的计算需要根据理论需要的氧气量来进行计算①固体、液体燃料

可燃组成为Car、Har、Sar(质量百分含量）

C+O2→CO2

即1kmolC需1kmolO2H2+1/2O2→H2O即1kmolH2需1/2kmolO2S+O2→SO2

即1kmolS需1kmolO2

理论燃烧需要氧气的摩尔量为：标准状态下1kg固体或液体燃料燃烧所需理论氧气量(VO20)为:理论燃烧所需空气量：②气体燃料可燃组成有CO2、

CO、H2、CH4、CmHn、H2S、H2O、N2、O2(体积百分含量）CO+1/2O2→CO2 1Nm3CO需1/2Nm3O2H2+1/2O2→H2O 1Nm3H2需1/2Nm3O2CH4+2O2→CO2+2H2O 1Nm3CH4需2Nm3O2CmHn+(m+n/4)O2→mCO2+n/2H2O1Nm3

CmHn需（m+n/4）Nm3O2H2S+3/2O2→SO2+H20 1Nm3H2S需3/2Nm3O21Nm3气体燃料完全燃烧所需理论氧气量：1Nm3气体燃料完全燃烧所需理论空气量（Nm3/kg燃料）2.实际空气量（Va）在实际燃烧设备中，由于燃料和空气的混合往往不够完善，若只将理论所需要的空气量送入炉内，则不能保证燃料的完全燃烧。因此为保证炉内燃料的完全燃烧，实际使用空气量常较理论空气量多。空气系数

=Va/Va0亦即 Va=

Va0α值变动范围一般在1.05～1.3之间，结合燃料种类、燃烧方式、燃烧设备和燃烧气氛等因素合理选择。过量空气系数α的取值燃料种类燃烧方法过量空气系数固体燃料人工燃烧机械燃烧粉煤燃烧1.2～1.41.2～1.31.05～1.25液体燃料低压喷咀高压喷咀1.10～1.151.20～1.25气体燃料无焰燃烧有焰燃烧1.03～1.051.05～1.203.2烟气量和烟气组成的计算1.理论烟气量单位质量（或体积）燃料与空气完全燃烧产生的最少烟气量；或单位质量（或体积）燃料与理论空气量进行完全燃烧时所产生的烟气量。烟气组成：CO2、SO2、H2O、N2①固体、液体燃料CO2、SO2、H2O可按化学计量方程式计算，N2含量可根据燃料中Nar及理论空气量计算。CO2含量VCO20

： Car/12×22.4H2O含量VH2O0

： （Har/2+Mar/18）×22.4SO2含量VSO20

： Sar/32×22.4N2含量VN20: Nar/28×22.4+VO20×79/21

理论烟气量V0

V0=（++++）×22.4+VO20×烟气成分：CO2=×100（%）

可燃组成有CO2、CO、H2、CH4、CmHn、H2S、H2O、N2、O2(体积百分含量）CO+1/2O2→CO2 1Nm3CO生成1Nm3CO2H2+1/2O2→H2O 1Nm3H2生成

1Nm3HO2CH4+2O2→CO2+2H2O ……CmHn+(m+n/4)O2→mCO2+n/2H2O ......H2S+3/2O2→SO2+H20 ……②气体燃料理论烟气量：2.实际烟气量及烟气组成当

＞1时，烟气中除含有前已述及的CO2、SO2、H2O、N2外，还有过剩空气所带入的O2及一部分N2。V=V0+（

-1）Va0VCO2

＝VCO2

0=Car/12×22.4VH2O

=VH2O

0＝（Har/2+Mar/18）×22.4VSO2

＝VSO2

0=Sar/32×22.4VN2=Nar/28×22.4+

VO20×79/21VO2=（

-1）VO20CO2=……①固体、液体燃料当

＜1时：空气量（即氧量）供应不足，燃料中将有部分可燃物质不能完全燃烧。在一般的工程计算中，对于此类的不完全燃烧可近似认为其燃烧产物中只含有CO一种可燃气体。V=V0-（1-α）VO20×=V0-（1-α）Va0×79/100（Nm3/kg）导致烟气中CO生成的不足氧量为：（1-α）VO20（Nm3/kg）

C+O2→2CO烟气中的CO量为：VCO=2（1-α）VO20（Nm3/kg）烟气中：（Nm3/kg）N2量：VN20=×22.4-2（1-α）VO20（Nm3/kg）VCO20=CO2量:×22.4+αVO20×水蒸气量：VH2O

0=（Har/2+Mar/18）×22.4SO2量：VSO2

0=Sar/32×22.4②气体燃料实际烟气量当

＞1时V=V0+（

-1）Va0VCO2

＝VCO2

0VH2O

=VH2O

0VSO2

＝VSO2

0VN2=N2+

VO20×79/21VO2=（

-1）VO20CO2=当

<1时若煤气按比例燃烧：V=（1-

）+αV0

（1-α）——未燃煤气量；

αV0——燃烧生成烟气量；3.3生产中的计算（操作计算）实际烟气量与空气量的计算

已知燃料组成、烟气组成、灰渣组成碳平衡 燃料中C=烟气中C+灰渣中C 烟气量氮平衡燃料中N2+空气中N2＝烟气中N2

空气量例：已知某窑所用煤的收到基组成为：组分（wt%）Car

Har Oar

Nar

Sar Mar

Aar高温阶段在窑底处测定其干烟气组成为：组分（%） VCO2VO2VN2灰渣分析：含CWc（%），含灰分WA（%）烟气中C：解：首先根据C平衡计算烟气量，基准为1kg煤，烟气量（Nm3/h）。设1kg煤生成干烟气量为xNm3煤中C：Car煤渣中C：（1）烟气量的计算煤中C=烟气中C+灰渣中C生成的干烟气量：生成的水蒸气量：湿烟气＝干烟气＋水蒸气（2）空气量的计算根据N平衡计算空气量设1kg煤需要空气量为yNm3，

氮平衡 燃料中N2+空气中N2＝烟气中N2

过剩空气系数（α）的计算

氧平衡方法：适用于在空气、富氧空气或纯氧中燃烧时完全燃烧时：

K：单位燃料燃烧时的理论需氧量与该烟气中RO2百分含量的比值。组成变动不大的同种燃料的k值近似为常数。列于表。RO2为烟气中CO2和SO2的百分含量之和，H2O为烟气中水蒸气的百分含量，和分别为生成RO2和H2O的需氧量（/m3）不完全燃烧时：烟气中仍有CO、H2、CH4和碳粒等可燃成分，值为：

式中：CO、H2、CH4—烟气中各组成的百分含量氮平衡方法：适用于在空气中燃烧时

固体、液体燃料燃烧时，燃料中含氮量与燃烧空气中氮量比较，很小，可以忽略式中：N2、O2、CO—烟气中各组成的百分含量发生炉煤气等气体燃料，燃烧中含氮量较高，不能忽略，而干烟气中又含有CO、H2、CmHn及O2时：3.4燃烧温度的计算燃料燃烧时放出热量，使燃烧产物的温度升高。燃料燃烧时，燃烧产物达到的温度叫燃烧温度。燃烧温度可通过分析燃烧过程中热量收入和热量支出的平衡关系来求出；讨论燃烧过程的热平衡，其目的在于：（1）在给定燃烧条件下确定燃烧产物的最终温度；（2）在给定燃烧产物最终温度条件下确定燃烧的过量空气系数和空气与燃料的预热温度；（3）寻找提高燃烧温度的途径。表中列出了燃烧过程中的热量收入和支出项目：基准：1kg或1Nm3燃料，0℃。灰渣带走的物理热Qa,s燃烧产物中部分CO2和H2O高温热解消耗的热量Qdt空气带入的物理热Qa化学不完全燃烧造成的热损失Qch机械不完全燃烧造成的热损失Qml燃料带入的物理热Qf燃烧产物传给周围物体的热量Qt燃烧产物所含的物理热Q燃料的化学热Qnet支出热量的项目收入热量的项目理论燃烧温度（tth）在稳态、绝热、完全燃烧条件下，如果输入燃烧室的全部热量都用来提高燃烧产物的温度，则称该温度为理论燃烧温度或绝热火焰温度。如果燃料和空气未预热（Qf=Qa=0），过量空气系数

=1，则为：硅酸盐窑炉内的燃烧产物温度下，CO2和H2O的分解量极小（Qdi=0）实际燃烧温度：当燃烧过程中，收入的热量与支出的热量相等时，燃烧产物即达到一个相对稳定的燃烧温度，此温度即是实际燃烧温度。η—窑炉的高温系数，是与窑炉结构、燃料种类、燃烧方式、操作条件等因素有关的常数（经验数据见表）。影响实际燃烧温度的因素很多，因而，在工业炉设计中常常根据理论燃烧温度乘上一个经验系数（又称高温系数）来估算实际燃烧温度，即：影响理论燃烧温度的因素燃料种类：一般来说燃料发热量高，理论燃烧温度也高。但是不能简单地认为燃料发热量与燃烧温度成正比关系，因为理论燃烧温度还与燃烧产物有关。过量空气系数：过量空气系数增加，燃烧产物V增加，从而使tth下降。空气的富氧程度：空气中氧浓度增加，惰性气体的含量相对减少，从而燃烧产物容积V减少，燃烧温度可以提高。富氧程度过大，将会使燃烧产物的离解度增加，因此在工程中，富氧空气的含氧量一般不超过28~30％。提高实际燃烧温度的途径

选用高发热量的燃料。Qnet增加，可使tp提高。但当Qnet增加速度与烟气量增加速度相对应时，对tp的影响不显著。控制适当的空气系数。

＜l时空气不足，产生化学不完全燃烧，将使tp降低；若

过大，则由于生成的烟气量过多，亦会使tp降低。因此，在保证完全燃烧的前提下，应采用较小的

值，即

值应略大于1。

预热空气或燃料。提高tf或ta，使燃料或空气带入显热增加，提高总收入热量，将使tp增加。

减少向外界散失热量。加强燃烧室或窑炉的保温，以减少散热，可提高燃烧温度。第四节燃烧理论4.1基本概念及燃烧理论燃烧是指燃料中的可燃物与空气产生剧烈的氧化反应，产生大量的热量并伴随着有强烈发光的现象。燃烧可以产生火焰，而火焰又能在适合的可燃介质中自行传播。这种火焰能自行传播的特性是燃烧反应区别于其他化学反应的最主要特征。燃烧可分为普通的燃烧和爆炸性燃烧两种类型。普通的燃烧：靠燃烧层的热气体传质传热给邻近的冷可燃气体混合物层而进行火焰的传播。一般可视为等压过程。爆炸性燃烧，系靠压力波将冷的可燃气体混合物加热至着火温度以上而燃烧，火焰传播速度大，约为1000—4000m/s。通常是在高压、高温下进行。一般窑炉中燃料的燃烧，属于普通的（正常的）燃烧。从燃烧的角度来看，各种不同燃料均可归纳为两种基本组成。一种是可燃气体如H2、CO及CmHn等，另一种是固态碳。例如：

液体燃料，受热气化形成气态烃类，同时在高温缺氧处，煤气中的重碳氢化合物裂解，生成碳黑。

固体燃料燃烧时，首先是挥发分逸出，随后是可燃气体和固态碳燃烧。讨论燃料的燃烧过程，可分别讨论可燃气体、固态碳两种基本可燃组分的燃烧。

1、可燃气体（H2

、CO及烃类）的燃烧可燃气体的燃烧过程是一系列链锁反应。链锁反应的产生必须要有链锁刺激物（中间活性物）的存在，如H、O及OH。它们是由于分子间的互相碰撞、气体分子在高温下的分解、或电火花的激发而产生。在氢气或一氧化碳的燃烧过程中，有氢或水汽的存在可产生刺激物，加速反应的进行。甲醛的存在，可产生O活性原子刺激物，对烃类的燃烧有利。延迟着火现象2、固态碳的燃烧碳的燃烧是气-固相两相反应的物理-化学过程。氧气扩散至碳粒表面与它作用，生成CO及CO2气体再从表面扩散出来。碳和氧反应的机理

燃烧反应过程控制机理

燃烧碳粒附近CO2、CO、O2浓度的变化3、火焰及其传播燃烧焰面以热传导的方式传给邻近一层的气体，使其燃烧形成新的燃烧焰面，这种焰面不断向未燃气体方向移动的现象叫火焰的传播（扩散）现象。火焰面移动的速度称火焰传播（扩散）。是指单位时间内，在火焰单位面积上所烧掉的气体体积（m3/m2·s），也称为燃烧速度。火焰传播速度与燃气种类、燃气与空气比例、混合气体压力和温度有关。在过量空气系数α值接近于1而略小于1时，出现最大值。点燃处气流速度=火焰传播速度，火焰根部稳定气流速度＞＞火焰传播速度,火焰根部远离喷嘴,严重时完全熄火。若气体喷出速度＜＜较火焰扩散速度，火焰根部可能移至烧嘴，发生“回火”而有产生爆炸的危险。材料生产中，要控制燃烧火焰的长度、性质、刚度。火焰长度的控制是通过燃烧方法