3.1空气需要量与烟气生成量

第三章工程燃烧计算主要内容及重点、难点重点空气需要量和烟气生成量的计算方法、燃烧程度检测难点不完全燃烧烟气生成量的计算主要内容空气需要量烟气生成量燃烧温度燃烧检测及燃烧效率3.1燃烧计算基础燃烧的类型完全燃烧燃料中的碳全部氧化成二氧化碳、所有的氢都氧化为水蒸气，所有的硫都氧化为硫氧化物不完全燃烧燃料中的碳、氢、硫有部分未氧化为二氧化碳、水蒸气、硫氧化物实际工程燃烧中，需要通过控制燃烧过程来控制燃烧的完全程度工程燃烧计算的内容确定单位数量燃料燃烧所需要的氧化剂(空气或氧气)的数量(从外界提供的)确定燃烧产物的数量确定燃烧产物的成分确定燃烧温度确定燃烧完全程度燃烧计算中的空气和燃料空气假定其仅由氧气、氮气组成体积百分比氧气为21％，氮气为79％氧气、氮气的摩尔体积相同（在状态下为22.4m3/kmol）,同状态下体积之比等于物质的量之比燃料单位数量的燃料：每千克或每标准立方米计量的燃料量体积百分比与质量百分比已知干空气中体积百分比氧气21％，氮气79％，确定空气中氧气和氮气的质量百分比燃烧过程的化学反应碳氢硫CnHm燃烧产物其成分和数量与反应条件有关可能完全燃烧，可能不完全燃烧产物包含两部分：经化学反应的产物未经化学反应的物质（未混合的燃料和空气、过剩的空气和过剩燃料）我们所讲的燃烧计算中，假定均匀混合，同时允许燃料过剩和氧化剂过剩3.2燃烧空气量的计算计算的实际意义要设计炉子的燃烧装置和鼓风系统，就必须知道为保证一定热负荷（燃料消耗量）所应供给的空气量在进行炉内热交换、压力、温度等的热工计算、热工测试或热工分析时也需要进行供给空气量的计算空气需要量1kg（或1m3）的燃料完全燃烧最小空气量理论空气需要量实际空气需要量体积表示，L0，m3/kg或m3/m3质量表示，G，kg/kg理论空气量的计算燃料的成分表示Car＋Har＋Oar＋Nar＋Sar＋Aar＋Mar＝1001、固体和液体燃料首先计算燃料完全燃烧所需要的O2，再折算成空气各成分的燃烧计算碳元素的燃烧C＋O2＝CO2123244（kg）18/311/3（kg）氢元素的燃烧4H＋O2＝2H2O43236（kg）189（kg）硫元素的燃烧S＋O2＝SO2323264（kg）112（kg）氧气需要量故，单位燃料燃烧时耗氧量为：G=（8C/3+8H+S）/100(kg)所以需要提供的空气量应该为G/23.3%(kg)单位燃料的氧气需要量需要的氧气质量为G0O2=(8C/3+8H+S–O)/100（kg）需要的氧气体积先计算氧气的密度，按标准状态计算密度=32/22.4=1.429(kg/m3)，因此L0O2=(8C/3+8H–O+S)/100/1.429(m3)上式是燃料完全燃烧时所需的氧气量的最小数值，称为“理论氧气需要量”理论空气需要量已知理论氧气质量需要量G0O2，确定理论空气质量需要量已知理论氧气体积需要量L0O2，确定理论空气体积需要量G0＝G0O2/23.3%（kg）L0＝L0O2/21%（m3）一氧化碳燃烧，方程式和体积比CO＋½O2＝CO21½(m3)氢气燃烧，方程式和体积比H2＋½O2＝H2O1½(m3)2、气体燃料气体燃料成分表示法，体积百分数碳氢化合物燃烧，方程式和体积比CnHm＋(n+m/4)O2＝nCO2＋m/2H2O1(n+m/4)(m3)硫化氢燃烧，方程式和体积比H2S＋3/2O2＝H2O＋SO213/2(m3)1m3气体燃料的理论氧气需要量（体积）为1m3气体燃料的理论空气需要量（体积）为特别注意气体燃料计算时，所使用的各组成成分的表示方法为湿成分理论空气需要量仅取决于燃料成分，燃料确定后L0为常数，L0是指不含水蒸气的干空气固体燃料和液体燃料计算时，所使用的各组成成分的表示方法为收到基含量实际空气量在实际设计和操作中，炉内实际消耗的空气量与计算的理论空气量会有区别为保证燃料完全燃烧，会增加空气量，比理论值多一些为得到炉内的还原性气氛，会减少空气量，比理论值少一些空气消耗系数实际空气消耗量Ln与理论空气量的比值，称为空气消耗系数，记为n，（n>1称空气过量系数）过量空气量Lg=Ln-L0=(n-1)L0n值的确定一般是在设计炉子或燃烧装置的时候预先选取的，或根据实测确定空气中水蒸气的考虑已知空气的含湿量hg/m3，L0为理论干空气需要量，那么，L0w为理论湿空气需要量为实际湿空气消耗量Ln为3.3烟气（燃烧产物）生成量一、完全燃烧时的烟气量二、不完全燃烧的烟气量单位数量的燃料n=1完全燃烧理论烟气量单位数量的燃料n>1完全燃烧实际烟气量一、完全燃烧时的烟气量理论烟气量n=1，完全燃烧烟气成分包括CO2，SO2，H2O，N2y对于1kg固体或液体燃料对于1m3气体燃料y实际烟气量n>1，完全燃烧产物包括CO2，SO2，H2O，N2，O2试问：实际烟气量中各项与理论烟气量中各项之间的关系是怎样的？y理论烟气量与实际烟气量Vy与V0y相比在烟气成分上，多了一项O2在烟气总量上，多了过量空气(n-1)L0，以及随过量空气带入烟气内的水蒸气O2N2H2O实际烟气量的计算固体液体燃料烟气量1、等式右边括号组成的第一项表示燃料中C、H、N、S、M燃烧后所形成的烟气量，O已经和其他元素结合在一起了不用考虑，A不是气体也不用考虑2、右边第二项是所有空气减去反应的氧气（或所有氮气加上剩余的氧气），仍在烟气中3、右边第三项是所有空气所带的水蒸气气体燃料的烟气量右边中括号组成的第一项表示燃料中各成分燃烧后所形成的烟气量，O2已经和可燃成分反应不用再考虑右边第二项是所有空气减去反应的氧气（或所有氮气和剩余的氧气），仍在烟气中右边第三项是所有空气所带的水蒸气烟气密度密度用参加反应的物质（燃料与氧化剂）的总质量除以燃烧产物的总体积以固体和液体燃料为例讨论－Vy的有效性对固体液体燃料，12g（1mol）的C生成1mol的CO2，只有在标准状态下其体积才是22.4升，而在烟气中温度越高体积越大。从上述角度理解，Vy应该指标准状态下的烟气体积但在标准状态(或其他冷态条件下)，烟气中饱和水蒸气的量很少，不能将水都计为气体，只有在100oC以上才全部是气态同样对气体燃料，只有当烟气压力温度与初始气体燃料的压力温度一样时，1m3的CO才生成1m3的CO2，而在烟气中温度越高其体积就会越大。从上述角度理解，Vy应该指燃烧前后压力温度相同时的烟气体积但同样烟气中饱和水蒸气量是随压力温度变化的，在1大气压下温度小于100oC时不能将水都计为气态，只有在100oC以上才全部是气态用体积m3来表述燃烧生成物比较直观但更科学的方法是对燃烧生成物用摩尔mol（或质量kg）来表述然后利用理想气体假设，根据理想气体状态方程，将烟气的压力温度换算成体积PV＝nRT同时根据烟气对应温度确定饱和水蒸气量，同燃烧后的总水分比较，取两者间的最小值计算水蒸气体积以成分CO、H2、CH4为例进行分析。在空气中燃烧将不反应的N2也写进方程式。CO+0.5O2+1.88N2=CO2+1.88N2H2+0.5O2+1.88N2=H2O+1.88N2CH4+2O2+7.52N2=CO2+2H2O+7.52N2n>=1，n<1两种情况二、不完全燃烧的烟气量空气过剩，燃烧产物中剩余O2及相应的N2(1)n>=1燃烧产物中含有CH4，不会使体积增加。但如果将水分去除，则燃烧产物中每有1m3CH4，产物体积就相应增加2m3燃烧产物中每有1m3CO，产物体积就相应增加0.5m3同样，燃烧产物中每有1m3H2，产物体积就相应增加0.5m3，但水分去除将增加1.5m3CO+0.5O2+1.88N2=CO2+1.88N2H2+0.5O2+1.88N2=H2O+1.88N2CH4+2O2+7.52N2=CO2+2H2O+7.52N2完全与不完全燃烧烟气量的变化考虑水蒸气为气态时，干烟气有空气过剩(n>=1)时的不完全燃烧，燃烧产物的体积比完全燃烧时的体积增加不完全燃烧程度越大，产物的体积增加越大(2)n<1第一种情况，O2没有剩余由于燃烧1m3CO需要空气(0.5m3O2＋1.88m3N2)，生成1m3CO2＋1.88m3N2，因此每剩余1m3CO就少产生产物1.88m3同样，每剩余1m3H2就少产生产物1.88m3每剩余1m3CH4(需要空气2m3O2＋7.52m3N2)，就少产生产物9.52m3完全燃烧与不完全燃烧产物间体积关系干烟气，即不考虑水分n<1第二种情况：有氧气剩余相比于n<1且没有氧气剩余的情况，现在烟气中多了一部分空气，空气量为空气量＝1/0.21×VO2＝4.76VO2湿烟气对干烟气有不完全燃烧产物成分和生成量的计算只考虑空气消耗系数n<1，混合是均匀的，没有氧气剩余燃烧产物除了CO2、SO2、H2O、N2外，还有可燃物，包括可燃气体及固体碳粒（烟粒）在计算燃烧产物的成分和生成量时，往往要跟实验相结合，确定产物中所存在的成分以及可以忽略掉的成分通常，忽略燃烧产物中碳粒含量、H等，产物成分有CO2、CO、H2O、N2、CH4、H2，需VCO2、VCO、VH2O、VN2、VCH4、VH2六个未知数六个平衡方程（1）碳平衡方程ΣCfuel＝C(VCO2+VCO+VCH4)对1kg固体液体则：（2）氢平衡方程ΣHfuel＝H(VH2O+VCH4+VH2)对1kg固体液体则：（3）氧平衡方程ΣOfuel+air＝O(VCO2+VCO+VH2O)对1kg固体液体则：六个平衡方程（4）氮平衡方程ΣNfuel+air＝N(VN2)对1kg固体液体则：（5）建立产物间的反应式，水煤气反应及平衡常数（6）建立产物间的反应式，甲烷分解反应及平衡常数例题1某煤气的干成分（%）为：CO-9.1，H2-57.3，CH4-26.0，C2H4-2.5，CO2-3.0，O2-0.5，N2-1.6，煤气温度20℃。用含氧量30%的富氧空气燃烧，n=1.15，求（1）富氧空气消耗量Ln（m3/m3）（2）燃烧产物成分及密度（计算时忽略空气中的水分）计算方法及步骤1、根据温度及对应的饱和水蒸气含量，计算各气体组分的湿成分2、利用湿成分计算各可燃气体燃烧消耗氧气体积3、根据n及氧气体积比换算成富氧空气的体积Ln1、根据湿成分计算燃烧产物中CO2、H2O、N2、O2的体积，得到各成分体积百分数2、利用产物中各组分的密度及体积百分数得到产物总质量，从而得到混合气体的密度注意，在计算产物组分的时候，用煤气的湿成分计算，特别是在计算产物中H2O的体积时，要将湿成分中的H2O的体积加进去例题2有一煤样，经测定，其成分（%）表达为：Cdaf=85，Hdaf=5，Odaf=5，Ndaf=2，Sdaf=3，Ad=12.5，War=20。试求：（1）理论空气需要量L0（m3/kg）（2）理论燃烧产物生成量V0y（m3/kg）（3）若用该煤样作为燃料，需要的热负荷为1.7×104kW，空气消耗系数n=1.15，求每小时的供风量需要明确的两个问题计算燃烧空气需要量的时候，所使用的成分含量是收到基含量热负荷与发热量、燃料量的关系热负荷*时间=Q燃料低*m燃料1、进行成分换算：Aar=Ad*（1-War%)=12.5*(1-0.2)=10Car=Cdaf*(1-Aar%-War%)=85*(1-0.1-0.2)=59.5同理可求H、O、N、S的应用成分分别为3.5，3.5，1.4，2.12、求各组分燃烧耗氧量之和G0O2=(8/3C+8H+S-O)/100(kg)=(8/3*59.5+8*3.5+2.1-3.5)/100=1.853(kg)L0O2=G0O2/(32/22.4)=G0O2/1.429=1.297(m3/kg)3、求空气需要量L0=L0O2/0.21=6.176(m3/kg)烟气成分VCO2=1.11VH2O=0.641VSO2=0.015VN2=4.890供风量计算1.7×104×1×3600=Q燃料低*m燃料Q燃料低的计算门捷列夫公式4.1816[81C+246H-26(O-S)-6W]kJ供风量=m燃料*n*L0例题3某焦炉煤气，其干成分(%)为CO-9.1，H2-57.3，CH4-26.0，C2H4-2.5，CO2-3.0，O2-0.5，N2-1.6，燃烧时的空气消耗系数n=0.8，产物温度为1200度，设产物中O2’=0,并忽略CH4‘,已知在1200度下，水煤气反应平衡常数为0.387。试计算不完全燃烧产物的成分及生成量。1、选择方法：六个平衡方程2、明确产物中都有哪些成分构成：CO2，CO，H2，N2，H2O3、列方程：a=VCO2+VCO（碳平衡）b=VH2+VH2O（氢平衡）c=VCO2+0.5VCO+0.5VH2O（氧平衡）d=VN2（氮平衡）K=(PCO2*PH2)/(PCO*PH2O)（水煤气反应）=(VCO2*VH2)/(VCO*VH2O)