第二篇 燃烧反应计算

1、第二篇,燃烧反应计算,燃烧反应计算的概念及其目的 燃烧反应计算的前提基础 燃烧产物的组成 影响燃烧产物组成及数量的因素 燃烧反应计算的范畴,燃烧反应计算 反应式：可燃物分子与氧化剂分子之间进行的化学反应 计算依据：物质平衡和热量平衡 计算目标：确定燃烧反应的各参数,主要参数 单位数量燃料燃烧所需要氧化剂的量 燃烧产物的数量 燃烧产物的成分 燃烧温度和燃烧程度 这些参数在热工研究、炉子设计和生产操作中都至关重要,燃烧反应的实际进程和反应结果，与体系的实际热力学条件及动力学条件有关。在燃烧反应计算中，要对这些条件加以规定或给予假设。,燃烧反应计算中燃料成分是已知的 应用成分（对固、液体燃料） 湿成

2、分（气体燃料） 如果原始数据不是这样的成分，则首先要进行必要的成分换算,燃烧反应的氧化剂，在工业炉中多数是用空气，少数情况下也有用氧气或富氧空气。进行燃烧计算时假定空气的组成仅为氧气、氮气和水蒸汽。 干空气：氧占23.2，氮占76.8（质量）；氧占21，氮占79（体积） 水蒸汽含量按某温度下饱和水蒸汽含量计算,燃烧反应生成物的成分和数量与反应条件有关 完全燃烧 空气量不足情况下的燃烧，可燃物分子不能被充分氧化 燃料与氧化剂混合不均或来不及充分混合 高温下某些碳氢化合物和燃烧生成物分解,燃烧过程结束产物包含两部分 经化学反应的产物（充分燃烧的、不充分燃烧的和热分解的） 未经化学反应的物质（未来的

3、及混合的燃料和空气，过剩的空气和燃料）,燃烧反应计算属于燃烧静力学计算 不涉及气流混合或扩散速度等动力学问题，仅就化学反应的平衡状态进行计算 假定燃料和氧化剂均匀混合，达到分子接触 允许燃料过剩或氧化剂过剩,根据燃烧产物的组成，燃烧反应分为两大类 完全燃烧 不完全燃烧 大多数工业炉都要求完全燃烧，以提高燃料利用率，但实际生产的炉子常是不完全燃烧,在燃烧计算中，规定气体的体积均为标准状况下的体积，并且一切气体每公升分子的体积在标准状况下都是22.4m3,第四章,空气需要量和燃烧产物生成量,燃料燃烧所需要的空气（或氧气）数量、燃烧产物生成量以及与此有关的燃烧产物成分和密度，都是根据燃烧反应的物料平

4、衡计算的，这些参数有广泛的实际用途,为正确设计炉子的燃烧装置和鼓风装置，必须知道保证一定热负荷（燃料消耗量）所应供给的空气量 燃烧产物的生成量、成分和密度，是设计排烟系统所必需已知的参数 这些参数与炉内的热交换过程、压力水平也有关系,所以，在进行炉子热工计算、热工试验或热工分析中，要求先进行空气需要量和燃烧产物生成量、成分、密度的计算,空气需要量的计算,固体、液体和气体燃料的成分习惯上有不同的表示方法，因此它们的燃烧计算表达式有所不同 固体燃料和液体燃料的理论空气需要量 气体燃料的理论空气需要量 实际空气需要量,固体燃料和液体燃料的理论空气需要量,固体和液体燃料成分（质量百分含量）为 CHON

5、SAW100 各成分完全燃烧方程式 CO2CO2 H212O2H2O SO2SO2,每公斤燃料完全燃烧时所需要的氧气量(质量）为 按标准状况下氧的密度为3222.41.429（kg/m3)，故换算成体积需要量,上述氧气需要量是按着化学反应计量关系计算的，忽略了其他因素的影响，故称为“理论氧气需要量” 如果是在空气中燃烧，则每公斤燃料完全燃烧所需要的空气量，称为“理论空气需要量”,气体燃料的理论空气需要量,气体燃料成分（体积百分数）为 可燃成分燃烧反应方程式为,每公斤气体体积均为22.4m3,所以1m3CO燃烧需要氧气为1/2m3，依此类推 根据前面的推导，1m3气体燃料完全燃烧所需的理论氧气量

6、为 1m3气体燃料完全燃烧所需的理论空气量为,实际空气需要量,在实际条件下，要保证炉内燃料完全燃烧，需供给比理论值多的空气；而为了获得炉内的还原性气氛，又需供给少一些的空气。因此，研究不同燃烧过程中实际空气的需要量具有重要的意义。,实际空气消耗量用Ln表示 Ln=nL0 式中n为“空气消耗系数” 当n1时，被称为“空气过剩系数” L0值取决于燃料的成分，燃料中可燃物含量越高，则L0值也就越大。而Ln值和n值有关，n值则与燃烧条件有关，根据燃烧设备和操作选取的n值越大，Ln值也就越大。,燃烧产物的生成量、成分和密度,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。 完全燃烧时，单位质量

7、（或体积）燃料燃烧后生成的燃烧产物包括CO2、SO2、H2O、N2、O2等，其中O2是当空气消耗系数n大于1时才会有的。 燃烧产物的生成量 当n1时称为理论燃烧产物生成量（V0） 当n1时称为实际燃烧产物生成量（Vn）,实际燃烧产物生成量Vn （m3kg或m3m3） V0和Vn的差别在于n1时比n1时的燃烧产物生成量少一部分过剩空气量，故可写出,对于固体和液体燃料 对于气体燃料,燃烧产物的成分表示为各组成所占的体积百分数，为与燃料成分相区别，燃烧产物的成分分子式上加“”即,燃烧产物的密度，有两种计算方法 用参加反应的物质的总质量除以燃烧产物的体积。 参加反应物为固、液体时 参加反应物为气体燃料

8、时 用燃烧产物的质量除以燃烧产物的体积,不完全燃烧的燃烧产物,导致不完全燃烧的原因 客观因素 设备及操作条件的限制 空气供给不足 空气与燃料在炉内混合不充分 燃油时雾化不好 燃煤时灰渣中含碳 副反应的影响 高温下CO2及H2O的分解 主观因素 刻意组织不完全燃烧，以获得炉内的还原性气氛 金属的敞焰无氧化加热 热处理用保护气氛的产生,不完全燃烧的燃烧产物,不完全燃烧时燃烧产物生成量的变化 设燃烧产物中的可燃物仅有CO、H2和CH4，并将空气中的O2和N2均写入反应式中,燃烧反应方程式为:,第五章,燃烧温度,序论,工业炉多在高温条件下工作，因此炉内温度的高低是影响炉子能否正常工作的重要条件，而决定

9、炉内温度的最基本因素就是燃料燃烧时燃烧产物达到的温度，即所谓的燃烧温度。 影响燃烧温度的因素 燃料种类、燃料成分、燃烧条件、传热条件 分析燃烧过程的热量平衡，即热量的收入和支出，可以找出估计燃烧温度的方法和提高燃烧温度的措施。,燃烧过程中热量的收入和支出： 热量的收入包括：燃料的化学热Q低、空气带入的物理热Q空、燃料带入的物理热Q燃 热量的支出包括：燃烧产物含有的物理热Q产、燃烧产物传给周围环境的热量Q传、不完全燃烧热损失Q不、某些燃烧产物高温下分解所消耗的热量Q分,当热量收入与支出相等时，燃烧产物达到一个相对稳定的燃烧温度，由此得到燃烧产物的温度 t产就是实际条件下燃烧产物的温度，也称为实际

10、燃烧温度。,影响实际燃烧温度的因素很多，而且随炉子的工艺过程、热工过程和炉子结构的不同而变化。 若假设燃料是在绝热系统中燃烧（Q传0），并且完全燃烧（Q不0），此时产物的温度称为理论燃烧温度t理,理论燃烧温度是燃料燃烧过程的一个重要指标，它表明某种成分的燃料在某一燃烧条件下所能达到的最高温度，对燃料和燃烧条件的选择、温度控制和炉温水平的估计及热交换计算都具有实际意义,在燃料和空气均不预热（Q空Q燃0）、空气消耗系数n1的情况下，燃烧温度只和燃料性质有关。这时的燃烧温度称为“燃料理论发热温度” 燃料理论发热温度是从燃烧温度的角度评价燃料性质的一个指标 燃料理论发热温度和理论燃烧温度是可以根据燃料

11、性质和燃烧条件计算的,燃料理论发热温度的计算,燃料理论发热温度 计算燃料理论发热温度的方法 联立求解方程组 内插值近似法 比热近似法,理论燃烧温度的计算,理论燃烧温度的表达式 高温下热分解损失的热量 高温热分解引起的燃烧产物生成量和成分的变化,高温下燃烧所得气体产物的热分解与体系的温度及压力有关 温度升高，分解加强 压力升高，分解减弱 在有热分解的情况下，燃烧产物成分和各组成含量发生变化 燃烧产物中不仅含有CO2、H2O、N2、O2，而且有H2、OH、CO、H、O、N、NO等 各组成的含量取决于燃料和氧化剂的成分，体系的压力和温度,在一般工业炉的压力及温度水平下，热分解仅取下列反应 CO2CO

12、1/2O2；H2OH21/2O2 吸收了体系中的一部分热量 引起产物体积和成分的变化 分解吸热量Q分为上述两个反应吸热量之和 Q分CO212600VCO；Q分H2O10800VH2 Q分 12600VCO 10800VH2,由于燃烧产物的组成、生成量及平均比热都是温度的函数，因此，计算理论燃烧温度时必须知道产物成分及平均比热与温度的关系，计算十分复杂。所以，对于工业炉热工计算通常采用近似计算 忽略热分解所引起Vnc产的变化 分解热Q分可按分解度的近似值计算 燃烧产物的比热按近似比热计算 前两项确定比热和分解度时所依据的温度，可以按经验估计,影响理论燃烧温度的因素,燃料种类和发热量 理论燃烧温度

13、不仅与燃料发热量有关，还与燃烧产物有关 本质地讲，燃烧温度主要取决于单位体积燃烧产物的热含量 当Q低增加时，一般情况下V0也是增加的；t理增加的幅度主要取决于Q低V0比值的增加幅度,空气消耗系数 空气消耗系数影响燃烧产物的生成量和成分，从而影响理论燃烧温度 对于一般工业炉而言，为了得到高的燃烧温度，空气消耗系数稍大于1，以保证完全燃烧，但不宜过大。,空气（或煤气）的预热温度 空气（或煤气）的预热温度越高，理论燃烧温度也越高 预热对发热量高的燃料效果更显著 对于发热量高的煤气，预热空气比预热煤气效果更显著 就经济效益而言，用预热的方法提高理论燃烧温度比采用提高发热量更合理可行,空气的富氧程度 燃

14、料在氧气或富氧空气中燃烧时，理论燃烧温度比在空气中燃烧要高 富氧程度对不同燃料理论燃烧温度的影响不同，发热量高的燃料比发热量低的燃料受的影响明显 富氧程度在低于40范围内变化时对理论燃烧温度的影响比较显著，再提高富氧程度，则对理论燃烧温度的影响越来越不显著。,第六章,空气消耗系数 及 不完全燃烧热损失的检测计算,燃烧过程检测控制的意义： 判断燃烧室中燃烧过程实际空气需要量 燃烧产物生成量及实际燃烧温度 控制燃烧过程。 燃烧过程检测控制的主要内容 燃烧质量的检测,燃烧质量的检测，包括空气消耗系数和燃烧完全程度 燃烧完全程度可以用燃烧完全系数和不完全燃烧热损失等指标来表示 空气消耗系数及燃烧完全程

15、度的实用检测方法，是对燃烧产物（烟气）的成分进行气体分析，然后按燃料性质和烟气成分反算各项指标。,燃烧过程检测控制的最终目标 根据对燃烧质量的检测组织燃烧过程，使燃料利用率达到最佳水平。 本章重点 介绍空气消耗系数和不完全燃烧热损失的检测计算原理和方法,燃烧产物气体成分的测定和验证,燃烧产物气体成分的分析 是检验燃烧过程燃烧质量的基本手段之一 在进行燃烧过程质量检测的计算之前，必须先获得准确的燃烧产物成分的实测数据 测定气体成分的方法 先用一取样装置由燃烧室（或烟道系统）中规定的位置抽取气体试样 然后用气体分析仪器进行成分的分析,测定气体成分过程中应注意的问题 取样要具有代表性 取样过程中不能混入其他气体 在取样装置中各种气体不能进行化学反应 验证气体分析结果是否准确的依据 利用燃烧计算的基本原理 建立燃烧产物各组成之间的关系 根据这种关系讨论燃烧过程的质量，验证气体分析的准确性,空气消耗系数的检测计算,根据烟气成分计算空气消耗系数n的方法 按氧平衡原理计算 燃料完全燃烧 燃烧