燃烧学(二).ppt

1、第二篇 燃料燃烧计算,燃烧计算的主要任务： 1.燃烧空气需要量计算（理论空气和实际空气量） 2.燃烧产物量（烟气）、成分和密度的计算 3.燃烧完全程度计算（不完全燃烧情况） 4.燃烧温度的计算（理论燃烧温度和实际燃烧温度）,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,燃料的燃烧过程是一种复杂的物理化学过程，其 中包含了流体流动、传热传质和化学反应等各个方面。 燃烧从本质上讲是一种剧烈的化学反应，是燃料中的 可燃物质与氧气进行的快速的、发光发热的氧化反应 过程。 本章主要学习燃料燃烧计算的基本原理和燃料燃烧相关参数的计算方法。,第二篇 燃料燃烧计算,燃烧计算的基本原理： 燃料 + 氧化剂 = 燃烧产物

2、煤、油、燃气 空气/氧气 CO2、H2O、SO2、N2 、O2 ，灰分 当不完全燃烧时： 燃烧产物中还有 CO、H2、 CH4，C等 计算的主要依据： 质量守衡 物料平衡 （计算燃烧需要的空气量和产生的烟气量） 能量守衡 热量平衡（计算燃烧烟气的温度）,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,1 燃烧所需的空气量计算 一、燃烧反应方程式 矿物燃料主要由碳和氢两种可燃元素组成，还含有少量 的硫，氧、氮、灰分和水分等。 其化学反应方程如下： C + O2 = CO2 + 407000(反应的热效应) （kj/千摩尔） H2 + 0.5 O2 = H2O + 241200 （kj/千摩尔） S + O2

3、 = SO2 + 334900 （kj/千摩尔） 如果氧气供应不足，就会产生不完全燃烧，部分碳将燃 烧生成一氧化碳，燃烧反应式为： C + 0.5O2 = CO + 123100 （kj/kg分子） 不完全燃烧将造成热量的损失和环境污染。,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,1 燃烧所需的空气量计算 二、固体和液体燃料的理论空气需要量 理论空气量：按化学计量比计算的单位燃料完全燃烧所需要的空气 量叫理论空气量（Nm3/kg；Nm3/ Nm3）。 固体和液体燃料的理论空气需要量计算如下： 燃料成分为：C % + H % + O % + N % + S % + A % + W % = 100 %

4、可燃组分为： C ，H， S 其中碳的燃烧： C + O2 = CO2 数量关系： 12 + 32 = 44 （kg） 每公斤碳燃烧的需氧量为： 1 + 8/3 = 11/3 （kg / kg）,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,1 燃烧所需的空气量计算 二、固体和液体燃料的理论空气需要量 对于氢的燃烧： H2 + 0.5 O2 = H2O 数量关系： 2 + 16 = 18 （kg） 每公斤氢燃烧的需氧量为： 1 + 8 = 9 （kg / kg） 硫燃烧时： S + O2 = SO2 数量关系： 32 + 32 = 64 （kg） 每公斤氢燃烧的需氧量为： 1 + 1 = 2 （kg /

5、 kg）,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,1 燃烧所需的空气量计算 二、固体和液体燃料的理论空气需要量 因此，每公斤燃料完全燃烧所需要的理论氧气质量为： （kg/kg） (4-2) 在标准状态下1kmol质量的气体体积量为22.4 Nm3，所以标 准状态下氧气的密度为32/22.4=1.429 kg/Nm3 。 故每公斤燃料完全燃烧所需要的理论氧气体积量为： （Nm3/kg） (4-3),第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,1 燃烧所需的空气量计算 二、固体和液体燃料的理论空气需要量 一般的工业燃烧都是在空气中燃烧，燃烧所需要的理论空气需要量为： （Nm3/kg） (4-5) 或者可以写为

6、： （Nm3/kg） (4-5a),第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,1 燃烧所需的空气量计算 三、气体燃料的理论空气需要量 气体燃料的体积百分数成分组成为： CO % + H2% + CH4 % + CnHm% + H2S % +COS2 % +O2% +N2 % +H2O % =100 % 各可燃组分的化学反应方程式为： 其中CO的燃烧： CO +0.5O2 = CO2 氢的燃烧： H2+0.5O2 = H2O 碳氢化合物的燃烧： 硫化氢的燃烧： H2S + 1.5O2 = H2O + SO2,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,1 燃烧所需的空气量计算 三、气体燃料的理论空气需要量 因

7、为在标准状态下，1kmol质量气体的体积都相等（22.4Nm3/ kmol），故1 Nm3的 CO完全燃烧需要0.5 Nm3的氧气，1 Nm3的H2完全 燃烧需要0.5 Nm3的氧气，1 Nm3的H2S完全燃烧需要1.5 Nm3的氧气， 1Nm3的CnHm完全燃烧需要（n+m/4)的氧气。 由此得1 Nm3燃气完全燃烧的理论氧气量为： （Nm3 / Nm3）,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,1 燃烧所需的空气量计算 三、气体燃料的理论空气需要量 1 Nm3燃气完全燃烧的理论空气量为： （Nm3/Nm3） (4-8) 小结：1、理论空气量的大小与燃料的元素成分或气体的成分有关，不同的燃料其理

8、论空气量不同。2、对于液体燃料其元素成分主要是碳和氢，而且含量大致相同，因此液体燃料的理论空气量基本相等。如：汽油 L0=11.43（Nm3 / kg），煤油 L0=11.34（Nm3 / kg），重馏分油 L0=11.25（Nm3 / kg）。,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,1 燃烧所需的空气量计算 四、实际空气需要量与过剩空气系数 在实际的燃烧装置中为保证燃料能够完全燃烧，实际供应的空气量总是大于理论空气量的。燃烧时实际供应的空气量叫实际空气量。实际空气量与理论空气量的比值称为过剩空气系数。 过剩空气系数：n=Ln/L0 实际空气量： Ln=nL0 过剩空气量： Ln-L0= nL0

9、-L0=(n-1) L0 当空气的湿度较大时，计算实际空气量时应该把空气中水分计算在内。当空气中的饱和水蒸气含量为g（g/m3）时,可以将其换算为体积含量（g可以查附表5）。,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,1 燃烧所需的空气量计算 四、实际空气需要量与过剩空气系数 1立方米空气中的饱和水蒸气含量g 换算为体积含量为： 考虑到空气水分的实际空气量为：,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,关于燃烧空气量的理论分析: 1、理论空气量是保证燃料能够完全燃烧的最小空气量。小于理论空气量的任何燃烧过程都会不可避免的造成燃烧不完全，浪费燃料污染环境。 2、当n大于1时，实际空气量Ln大于理论空气需要量

10、L0，空气量有富裕，能够满足完全燃烧的需要。但是如果n过大，燃烧剩余的空气量过多，会造成燃烧温度降低，烟气量增加和排烟热损失增大。 3、当n小于1时，实际空气量Ln小于理论空气需要量L0，空气量过小会造成燃料的不完全燃烧，燃烧温度也会降低。 4、当n=1时，Ln=L0 ，实际空气量Ln等于理论空气需要量L0，理论上燃料可以完全燃烧，无多余燃料也无多余的空气，此时燃烧的温度最高。这时的燃料与空气之比叫化学当量比。,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,2 完全燃烧的烟气量计算 燃烧产物的量可以根据燃烧反应前后的物质平衡关系 进行计算。完全燃烧时单位燃料燃烧后的产物包括：CO2 ，SO2 ，H2O，

11、O2 ，N2 （Nm3 / kg）或者（Nm3 / Nm3） (4-11),第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,一、固体和液体燃料的烟气量 对于固体和液体燃料，根据（4-1）可以得到以下各生成物的数量关系： （Nm3 / kg） （4-13）,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,一、固体和液体燃料的烟气量 将以上代入式（4-11）整理后可以得到燃料完全燃烧的实际烟气量为： （Nm3 / kg）（4-14-a） 当 n=1时，得到燃料完全燃烧的理论烟气量为： （Nm3/kg）（4-14-b）,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,一、固体和液体燃料的烟气量 当不计空气中的水分时，燃料完全燃烧的理论

12、烟气量为： （Nm3 / kg）（4-15） 由（4-14-a）和（4-14-b）可以得到完全燃烧的实际烟气量与理论烟 气量的数量关系为： （Nm3 / kg）（4-12-a） 在完全燃烧的情况下实际烟气量与理论烟气量的差为烟气中过剩空气 量(n-1) L0。,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,2 完全燃烧的烟气量计算 二、气体燃料的烟气量 对于气体燃料，由（4-6）根据物质平衡关系可以得到： （Nm3/ Nm3） （4-16）,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,2 完全燃烧的烟气量计算 二、气体燃料的烟气量 将式（4-16）代入式（4-11）经过整理后得到完全燃烧时气体燃 料的实际烟气量

13、为： （Nm3/ Nm3） （4-17） 理论烟气量（n=1时，不考虑空气的水分）为： （4-18）,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,2 完全燃烧的烟气量计算 二、气体燃料的烟气量 气体燃料的实际烟气量也同样可以写为： （Nm3 / kg）（4-12-a）,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,2 完全燃烧的烟气量计算 三、燃烧烟气量成分表示方法,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,2 完全燃烧的烟气量计算 关于烟气量的理论分析： 1、理论烟气量是提供理论空气量并保证完全燃烧情况下产生烟气量，是燃料完全燃烧产生的最小烟气量。 2、理论烟气量V0的大小与燃料的元素成分或气体的成分有关，不同的燃

14、料其理论理论烟气量不同；燃料中可燃成分越高，发热量越大，理论烟气量V0也就越大。 3、实际烟气量Vn的大小除与燃料的元素成分或气体的成分有关外，还与过剩空气系数n的大小有直接关系，n值越大Vn也就越大。 4、燃烧烟气的成分比例与燃料的元素成分有关，也与过剩空气系数n有关，n值越大，过剩空气量增加，烟气中过剩的O2 ，N2的比例增大。,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,2 完全燃烧的烟气量计算 四、烟气密度的计算方法 按照质量守衡的原理，可以用参加反应的物质（或者燃烧产物）的 总质量除以烟气总体积得到烟气的密度。 1、液体和固体燃料烟气的密度（按反应物总质量） （kg / Nm3） （4-20

15、）,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,四、烟气密度的计算方法 2、气体燃料烟气的密度（按反应物总质量） （kg / Nm3） （4-21） 3、固体、液体和气体燃料烟气的密度（按生成物总质量） （kg / Nm3） （4-22）,3 不完全燃烧的烟气量计算 造成不完全燃烧的基本原因主要是： 空气供给不足；燃料与空气混合不均匀； 燃料油雾化不良 ；燃烧设备的其它问题。 完全燃烧产物：CO2 、 SO2 、 H2O、 N2 、 O2 不完全燃烧还可能有：CO、H2、 CH4（ 忽略H2S、CmHn） 解决问题的方法：1、计算（对于部分问题）； 2、实验测定（无法计算的）,第四章 空气需要量及燃烧

16、产物生成量,3 不完全燃烧的烟气量计算 假设在不完全燃烧产物中的可燃物仅为 CO、H2、CH4，可以写出它们的燃烧反应式如下： (4-23) 相当于：烟气中的不完全燃烧部分 该部分的完全燃烧产物,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,一、n1时不完全燃烧烟气量（混合不均匀，产物中还 有未反应的氧气） 当n1不完全燃烧时，产物中每含1Nm3CO,会使烟气体积增加0.5 Nm3, 每含1m3H2也会使烟气体积增加0.5 Nm3 ，烟气中的CH4则不会引起烟气体积的变化。 因此，完全燃烧和不完全燃烧的烟气量之间存在以下关系：,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,一、n1时不完全燃烧烟气量（混合不均匀，

17、产物中还 有未反应的氧气） 因此： （4-24） n1时不完全燃烧干烟气量： （4-24a）,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,二、当n1 时不完全燃烧烟气量（均匀混合，缺氧燃烧，产物中无氧气）(烟气中O2=0） （4-25） 当n1时不完全燃烧干烟气量(烟气中O2=0）： （4-25a）,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,三、当n1时不完全燃烧烟气量（混合不均匀，产物中还有未反应的氧气） （烟气中 ）： （4-26） 当n1时不完全燃烧干烟气量（烟气中 ）： （4-26a）,第四章 空气需要量及燃烧产物生成量,第五章 燃烧温度,燃烧温度即燃烧产物所达到的温度，燃烧温度与燃料种类及组成、燃

18、烧条件、传热条件等因素有关。燃烧温度的高低取决于燃烧过程中的热量收支的平衡关系。 燃烧温度计算原理： 热量平衡方程式（以1kg或1m3燃料为单位）： Qd+ Q空+ Q燃 = Q产+ Q传+ Q不+ Q分 Q产 = VnC产t产 （ t产 为燃烧温度） Q空 =Lnc空t空 Q燃= c燃t燃,第五章 燃烧温度,其中： 热量收入 热量支出 1）燃料的化学热 Qd 1）燃烧产物的物理热 Q产 2）空气带入的物理热 Q空 2）燃烧产物传给周围物体的热量Q传 3）燃料带入的物理热 Q燃 3）不完全燃烧的热损失Q不 4）高温下产物的热分解损失Q分 注意：产物比热C产，燃烧产物量Vn是温度的函数，以上为隐

19、含式方程。,第五章 燃烧温度,由热平衡方程可以得到燃烧烟气的温度为： 1实际燃烧温度 ： t产 = （Qd +Q燃 + Q空 Q传 Q不 Q分）/VnC产 实际燃烧温度影响因素很多，随炉子的工艺过程、热工过程和炉子的结构不同而变化。由于情况复杂，实际燃烧温度是不能简单计算出来的。,第五章 燃烧温度,由热平衡方程可以得到燃烧烟气的温度为： 2理论燃烧温度（假设：绝热 ，完全燃烧） t理 = （Qd +Q燃 +Q空 Q分）/ VnC产 理论燃烧温度是燃料燃烧过程的重要指标，它表明燃料在绝热条件下完全燃烧能够达到的最高温度。,第五章 燃烧温度,由热平衡方程可以得到燃烧烟气的温度为： 3量热计温度 （

20、假设：绝热，完全燃烧，忽略热分解） t 量 = （Qd +Q燃 + Q空 )/ VnC产 量热计温度是不考虑任何热量损失的理论燃烧温度。,第五章 燃烧温度,由热平衡方程可以得到燃烧烟气的温度为： 4燃料理论发热温度（假设 n = 1，完全燃烧，燃料与空气都不预热，绝热，忽略热分解）： t 热 = Qd /V0C产 是燃料性质评价指标，由燃料性质所决定。 其中：v0是理论烟气量。 燃料的理论燃烧温度和理论发热温度可以根据燃料性质和燃烧条件计算出来。,第五章 燃烧温度,比热近似法计算 t热 假设燃料燃烧产物的平均比热 C 随温度升高而增大，但增幅不大，可以直接采用 p42 表5-2 所列的燃烧产物

21、平均比热 C产 。先假设某个温度范围，查表得到C产， 按照t 热 = Qd / V0 C产 计算 t 热 ，如果计算结果不在原所设温度范围，再另外设定后重新计算，直到计算结果处于所设温度范围内为止。,第五章 燃烧温度,温度 燃烧产物比热（Kj/m3 C） 空气比热 C 天然气等 发生炉煤气等 0-200 1.38 1.42 1.30 200-400 1.42 1.47 1.30 400-700 1.47 1.51 1.34 700-1000 1.51 1.55 1.38 1000-1200 1.55 1.59 1.42 1200-1500 1.59 1.63 1.47 1500-1800 1.

22、63 1.67 1.47 1800-2100 1.67 1.72 1.51,第五章 燃烧温度,2 影响理论燃烧温度的因素 t 理 = （Qd +Q燃 +Q空 ）/ VnC产 一、燃料的性质 Qd / V0提高， t 理 也提高 二、空气消耗系数n n增加， t 理降低。 P46图5-5,第五章 燃烧温度,2 影响理论燃烧温度的因素 t 理 = （Qd +Q燃 +Q空 ）/ VnC产 三、空气（或煤气）预热 提高了Q空（Q燃）， t 理 也提高。 P47图5-7,第五章 燃烧温度,2 影响理论燃烧温度的因素 t 理 = （Qd +Q燃 +Q空）/ VnC 四、空气富氧程度的影响 富氧程度提高 t

23、 理 提高（40%以下，尤其明显）。图5-9,第六章 过剩空气系数及不完全燃烧 热损失的检测计算,实际的工业燃烧过程需要检测燃料的燃烧情况，以便正确控制燃烧过程，达到满足加热工艺要求和节省燃料提高热能利用效率的目的。检测的主要内容是烟气成分以便分析不完全燃烧程度，并且可根据燃料性质和燃烧产物成分来计算出不完全燃烧热损失和过剩空气系数n。,第六章 过剩空气系数及不完全燃烧 热损失的检测计算,1 燃烧产物成分的测定和验证 一、燃烧产物成分的测定 采用烟气成分测定方法测定烟气成分： 完全燃烧产物： RO2（CO2、SO2）、H2O、N2、O2 不完全燃烧产物：RO2（CO2 、SO2 ）、H2O、N

24、2、O2 、 CO、H2、CH4 烟气成分测定方法：化学吸收法，色谱分析法，红外分 析法,第六章 过剩空气系数及不完全燃烧 热损失的检测计算,1 燃烧产物成分的测定和验证 二、烟气中的三原子气体RO2max含量 烟气中三原子气体的百分含量为： RO2 = 100VRO2 /Vn （%） 定义： RO2max= 100（VRO2）完 /Vo干 (6-1) 称为烟气中最大三原子气体含量。 式中：Vo干= VRO2+ VN2 (n=1),第六章 过剩空气系数及不完全燃烧 热损失的检测计算,1 燃烧产物成分的测定和验证 根据式（4-13）或式（4-16）可将VRO2和 VN2展开为燃料成分的关系式，然

25、后代人式（6-1），整理后可得到： RO2max = 21/（1+） 当烟气中的SO2含量很低时： CO2 max = 21 /（1+） :燃料特性系数,第六章 过剩空气系数及不完全燃烧 热损失的检测计算,1 燃烧产物成分的测定和验证 在空气中燃烧时，对于固体和液体燃料： （6-3） 对于气体燃料： （6-4）,第六章 过剩空气系数及不完全燃烧 热损失的检测计算,1 燃烧产物成分的测定和验证 燃料特性系数只与燃料成分性质有关。而烟气中的RO2max仅与有关，实际上也与燃料成分直接相关； 对于一定的燃料，其值和燃烧烟气中的RO2max都是常数（P51 表6-1）。,第六章 过剩空气系数及不完全燃

26、烧 热损失的检测计算, 1 燃烧产物成分的测定和验证 三、烟气成分验证方程式（气体分析方程式） 根据反应前后的物质平衡关系以及前面的相关公式推导可以建立各燃烧产物成分之间的函数关系式： f（，RO2，O2，CO，H2，CH4）= 0 气体分析方程式: （1+ ）RO2+（0.605+ ）CO+O2 0.185 H2 +（0.58）CH4= 21 （6-13）,第六章 过剩空气系数及不完全燃烧 热损失的检测计算,1 燃烧产物成分的测定和验证 当烟气中H2 和 CH4 和SO2的含量很小可以忽略不计时，则得： （1+）CO2+（0.605+ ）CO + O2= 21 （6-14） 如果是完全燃烧则

27、得 ： （1+ ）CO2+ O2= 21 （6-15）,第六章 过剩空气系数及不完全燃烧 热损失的检测计算,1 燃烧产物成分的测定和验证 由式（6-14）可得： （6-16） 当完全燃烧时（CO=0）： 当n=1完全燃烧时（O2=0）： (烟气中的最大CO2含量),第六章 过剩空气系数及不完全燃烧 热损失的检测计算,1 燃烧产物成分的测定和验证 气体分析方程的应用： 1、利用气体分析方程式可以验证烟气成分检测的准确性，根据燃料成分确定值以后，实际分析的烟气成分应该满足式（6-13） （1+ ）RO2+（0.605+）CO+O2 0.185H2+（0.58）CH4= 21 （6-13） 如果不满

28、足方程说明分析结果有误差。 2、如果能够判断成分分析正确，在一定条件下可以利用以上关系计算某些未知成分。,第六章 过剩空气系数及不完全燃烧 热损失的检测计算,2 过剩空气系数 n 的检测计算 过剩空气系数n对燃烧过程有很大影响，是燃烧过程的一个重要指标。设计炉子和燃烧器时，n值的大小按经验选取，炉子运行时的实际n值的大小只能根据燃料特性和烟气成分计算。 根据燃料特性和烟气成分，可以用氧平衡/氮平衡原理计算过剩空气系数 n 。,第六章 过剩空气系数及不完全燃烧 热损失的检测计算,一、用氧平衡原理计算 n （6-17） 当燃料完全燃烧时，理论耗氧量全部生成了RO2和H2O。 所以完全燃烧时： （6

29、-20） 其中a和b为每生成1Nm3RO2和1Nm3H2O所耗氧量。,第六章 过剩空气系数及不完全燃烧 热损失的检测计算,将（6-20）带入（6-17）整理后得： （6-21） 其中： （6-22） 表示理论需氧量与燃烧产物中RO2之量的比值。,第六章 过剩空气系数及不完全燃烧 热损失的检测计算,K 也是燃料特性参数，仅与燃料成分有关可以根据燃料成分直接算出（查P54表6-3）。,第六章 过剩空气系数及不完全燃烧 热损失的检测计算,当不完全燃烧时： （6-23） 以上n值计算公式适用于空气中、富氧空气和纯氧中燃烧的情况。,第六章 过剩空气系数及不完全燃烧 热损失的检测计算,二、用氮平衡原理计算 （6-24） 根据氮平衡原理可知： （6-25）,第六章 过剩空气系数及不完全燃烧 热损失的检测计算,二、用氮平衡原理计算 （6-24） 将式（6-25）带入（6-24），并考虑到（6-7）和 （6-9）的关系，整理后可得： （6-26）,第六章 过剩空气系数及不完全燃烧 热损失的检测计算,二、用氮平衡原理计算 对于含氮量少的燃料（固、液、气）N燃可以忽略不计（ N燃=0）： （6-27）,第六章 过剩空气系数及不完全燃烧 热损失的检测计算,二、用氮平衡原理计算 当完全燃烧时： （6-28） 对于含氮和含氢量很