第3、4讲 燃烧计算

1、硅酸盐工业热工基础硅酸盐工业热工基础第四章第四章 燃料及其燃烧燃料及其燃烧第第3 3讲讲 燃烧计算燃烧计算学习要学习要点点1、计算的目的与内容、计算的目的与内容目的设计窑炉设计窑炉操作窑炉内容空气量烟气量、烟气组成(1) 分析计算法 (2) 近似计算法 (3) 估算法(4) 操作计算2、空气量、烟气量及烟气组成的计算、空气量、烟气量及烟气组成的计算3、燃烧温度的计算：热量收入与支出的计算、燃烧温度的计算：热量收入与支出的计算燃烧温度4-3 4-3 燃烧计算燃烧计算一、计算的内容和目的一、计算的内容和目的空气量烟气生成量烟气组成烟气组成燃烧温度。计算计算目的目的设计窑炉设计窑炉(已知燃料的组成及

2、燃烧条件)操作窑炉操作窑炉判断燃烧操作是否合理，各部分是否漏气，以便及时调节。燃料用量燃料用量空气管道、烟道、烟囱和燃烧室的尺寸尺寸二、空气量、烟气量及烟气组成的计算二、空气量、烟气量及烟气组成的计算分析计算法：分析计算法：根据燃料的成分分析计算计算方法计算方法近似计算法：近似计算法：燃料的组成未知，可，可根据燃料的种类及发热量进行近似计算( (一一) ) 分析计算法分析计算法1 1、空气量的计算、空气量的计算(1)、理论空气量、理论空气量(Va0)理论空气量：理论空气量：指理论上燃料中的可燃组成完全燃烧所需空气量。估算法：估算法：燃料的化学组成及发热量都未知 固体或液体燃料固体或液体燃料固体

3、或液体燃料：固体或液体燃料：单位是Nm3空气/kg燃料；气体燃料气体燃料：单位是Nm3空气/Nm3燃料。收到基组成：收到基组成：Car、Har、Oar、Nar、Sar、Aar、Mar。可燃组成为可燃组成为： Car、Har、Sar。22COOC各可燃组成燃烧时，按下列反应进行：OHO21H22222SOOS即1kmolC、H2、S完全燃烧分别需要1kmol、0.5kmol和1kmolO2)32O32S212H12C(Varararar*0O2理论燃烧需氧量：故1kg固体或液体燃料完全燃烧需氧量在标准状态下的体积为燃料）kg100/kmol(1004 .22)32O32S4H12C(1004 .

4、22VVarararar*0O0O22(4-18)式中，VO20为理论氧量，Nm3/kg； Car、Har、Sar、Oar为收到基燃料各组分的百分含量。则理论燃烧需空气量)OS(033. 0H267. 0C089. 021100VVarararar0O0a2(4-19) 由上式所得的数值为理论干空气，由于空气中含有水蒸气，一般含量小于0.01kg水汽/kg空气，在一般的计算中常忽略。如果要考虑空气中的水蒸气，则需要知道空气的湿含量x(kg水蒸气/kg干空气)，可以按下式计算理论湿空气量： 气体燃料的组成为体积百分含量，其可燃组成为CO、H2、CH4、CmHn和H2S。各组成按下列反应进行燃烧：

5、)x61. 11 (V184 .22x4 .2229VVV0a0a0a0a(4-20) 气体燃料气体燃料22COO21CO1Nm3CO需0.5Nm3O2OHO21H2221Nm3H2需0.5Nm3O2OH2COO2CH22241Nm3CH4需2Nm3O2OH2nmCOO)4nm(HC222nm1Nm3CmHn需(m+n/4)Nm3O2OHSOO23SH22221Nm3H2S需1.5Nm3O2则理论氧量VO20为：1001OSH5 . 1HC)4nm(CH2H5 . 0CO5 . 0V22nm420O2(4-21)式中，VO20为理论氧量，Nm3/Nm3燃料； CO、H2、CH4、CmHn、H2

6、S、O2为燃料中各组分的百分含量。则理论空气量Va0为：22nm420O0aO0476. 0SH0714. 0HC)4nm(0476. 0CH0952. 0)HCO(0238. 021100VV2(4-22)(2)、实际空气量、实际空气量(Va0) 实际燃烧时，空气实际使用量常较理论空气量多些，二者的比值叫空气系数，即0aaVV0aaVV或(4-23)在实际燃烧时要选择合理的空气系数。燃料种类燃料种类燃烧气氛燃烧气氛空气系数空气系数 的选择的选择燃烧方式燃烧方式燃烧设备燃烧设备气体燃料，易于与空气混合，可取小些氧化气氛时，常取大些气体燃料无焰燃烧时，可取小些煤粉在水泥窑中燃烧，立波尔窑中值较湿

7、法回转窑中高些。还原气氛时，应小于1根据经验，不同的燃料燃烧时取值大致如下气体燃料 =1.05-1.15液体燃料 =1.15-1.25块状固体燃料 =1.3-1.7煤粉燃料 =1.1-1.7陶瓷窑炉中，有时要求烟气中有CO存在，即要采取还原气氛或还原焰烧成操作，此时值则小于1。基准：1kg固体或液体燃料。2 2、烟气量及烟气组成的计算、烟气量及烟气组成的计算(1)、理论烟气量、理论烟气量V0及理论烟气组成及理论烟气组成理论烟气量：理论烟气量：指当燃料与理论空气量进行完全燃烧时所得的烟气量。 固体或液体燃料固体或液体燃料理论烟气量V0 (Nm3/kg)：理论烟气量中CO2含量 V0CO2:22C

8、OOC)kg/Nm(1004 .2212C3ar理论烟气量中H2O含量 V0H2O:)kg/Nm(1004 .2218M2H3arar理论烟气量中SO2含量 V0SO2:22SOOS)kg/Nm(1004 .2232S3ar理论烟气量中N2含量 V0N2:)kg/Nm(2179V1004 .2228N30Oar2Mar空气带入NarOHO21H222理论烟气量:2179V1004 .2228N32S18M2H12CV0Oararararar02)kg/Nm(O0263. 0N008. 0S033. 0M0124. 0H323. 0C089. 03arararararar(4-24)理论烟气组成

9、百分数为各组成与理论烟气量之比。 理论烟气量中CO2来自气体燃料中的CO、CH4、CmHn中碳的氧化及气体燃料中原有的CO2：2)、气体燃料、气体燃料基准:1Nm3气体燃料)Nm/Nm(1001)HmCCHCOCO(V33nm420CO2 理论烟气量中H2O来自气体燃料中的H2、CH4、CmHn、H2S中氢的氧化及气体燃料中原有的H2O：)Nm/Nm(1001)SHHC2nCH2HOH(V332nm4220OH2 理论烟气量中SO2来自气体燃料中的H2S中硫的氧化：)Nm/Nm(1001SHV3320SO2理论烟气量：)Nm/Nm(2179V1001NSH2HC)2nm(CH3OHHCOCOV

10、330O22nm422202 同固体或液体燃料的理论烟气组成百分数一样，气体燃料的理论烟气组成百分数也为各组成与理论烟气量之比。理论烟气量中N2含量 来自于燃料中N2和理论空气中带入的N2:)Nm/Nm(2179V1001NV330O20N22(4-25)(2)、实际烟气量及烟气组成、实际烟气量及烟气组成当当 1时时，实际烟气量，实际烟气量V(Nm3/kg)为：为：0a0V) 1(VV(4-26)1)、固体、液体燃料、固体、液体燃料烟气各组成量：CO2量：)kg/Nm(1004 .2212CV3arCO2H2O量：)kg/Nm(1004 .22)18M2H(V3ararOH2SO2量：)kg/

11、Nm(1004 .2232SV3arSO2N2量：)kg/Nm(2179V1004 .2228NV30OarN22O2量：)kg/Nm(V) 1(V30OO22当当 1时时，实际烟气量，实际烟气量V(Nm3/kg)为：为：0a0V) 1(VV(4-29) 气体燃料气体燃料烟气组成中CO2、H2O、SO2与理论烟气量中相同，即：CO2量：H2O量：SO2量：)Nm/Nm(1001)HmCCHCOCO(V33nm42CO2)Nm/Nm(1001)SHHC2nCH2HOH(V332nm422OH2)Nm/Nm(1001SHV332SO2而烟气组成中N2的组成为理论烟气量中的N2与过剩空气中的N2之和

12、，即：)Nm/Nm(2179V1001N2179V) 1(2179V1001NV330O20O0O2N2222烟气组成中还有过剩空气带入的O2，即：)Nm/Nm(V) 1(V330OO22当当 1时时，若煤气按比例燃烧，则实际烟气量为：，若煤气按比例燃烧，则实际烟气量为：)Nm/Nm(V)1 (V330式中，(1-)为未燃煤气量，Nm3/Nm3； V0为燃烧煤气生成的烟气量，Nm3/Nm3。例4-2 已知煤的收到基组成(%)如下： 组分 Car Har Oar Nar Sar Aar Mar 质量(%) 72.0 4.4 8.0 1.4 0.3 4.9 9.0当=1.2时，计算1kg煤燃烧所需

13、空气量、烟气量及烟气组成。解：理论需氧量为1004 .22)32O32S4H12C(Varararar0O2)kg/Nm(54. 11004 .22)320 . 8323 . 044 . 41272(3理论空气量为)kg/Nm(32. 72110054. 121100VV30O0a2实际空气量为)kg/Nm(78. 832. 72 . 1VV30aa理论烟气量为2179V1004 .2228N32S18M2H12CV0Oararararar02)kg/Nm(74. 7217954. 11004 .22284 . 1323 . 018924 . 412723实际烟气量为)kg/Nm(2 . 93

14、2. 7) 12 . 1 (74. 7V) 1(VV30a0组成质量%物质的量kmol燃烧所需理论空气量kmol烟气量kmolN2O2COH2OSO2O2N2总计CHONSMA724.481.40.394.972/12=64.4/2=2.28/32=0.251.4/28=0.250.3/32=0.019/18=0.5 -6.86(79/21)=25.861.1-0.25 -0.01 - -62.20.50.010.0525.8合计10025.86.8662.70.0125.85 34.56烟气中过剩氧量 (1.2-1)6.86=1.37烟气中过剩氮量1.3779/21=5.15 1.37 5.

15、15实际烟气量烟气组成%614.62.76.580.010.021.373.3431.0075.4641.08例4-3 某窑炉用发生炉煤气为燃料，其干基组成(%)如下： 组分 CO2 CO H2 CH4 C2H4 H2S N2 体积(%) 4.5 29.0 14.0 1.8 0.2 0.3 50.2湿煤气含水量为4%。当=1.1时，计算：(1)空气量(Nm3/Nm3煤气)；(2) 烟气量(Nm3/Nm3煤气) 。解：根据下式将煤气干基组成换算成湿煤气组成：ddv2vx96. 0 x100OH100 x组分 CO2 CO H2 CH4 C2H4 H2S N2 H2O体积(%) 4.32 27.8

16、4 13.44 1.73 0.19 0.29 48.19 4.0(1) 计算理论空气量计算理论空气量Va0和实际空气量和实际空气量Va1001OSH5 . 1HC)4nm(CH2H5 . 0CO5 . 0V22nm420O2100129. 05 . 119. 0373. 12244.13284.27理论需氧量为)Nm/Nm(251. 033理论空气量为)Nm/Nm(195. 121100VV330O0a2实际空气量为)Nm/Nm(315. 1195. 11 . 1VV330aa2179V1001OHNSH2HC)2nm(CH3HCOCOV0O222nm42202(2) 计算理论烟气量计算理论烟

17、气量V0和实际烟气量和实际烟气量V理论烟气量)Nm/Nm(99. 133)Nm/Nm(07. 2195. 1) 11 . 1 (99. 1V) 1(VV330a0实际烟气量( (二二) ) 近似计算近似计算当燃料的化学组成未知但低位发热量已知时利用经验公式经验公式来近似计算理论空气量及理论烟气量再根据空气系数来确定实际空气量及实际烟气量燃料Va0(Nm3/kg,Nm3/Nm3)V0(Nm3/kg,Nm3/Nm3)煤重油煤气Qnet,ar12560kJ/Nm3天然气5 . 01000Q241. 0ar,net65. 11000Q213. 0ar,net21000Q203. 0ar,net1000

18、Q265. 0ar,net1000Q209. 0net11000Q173. 0net25. 01000Q26. 0net25. 01000Q272. 0net02. 01000Q264. 0net02. 11000Q264. 0net( (三三) ) 估算空气量和烟气量估算空气量和烟气量 当燃料的化学组成和发热量都不知道时，利用下表来估算理论空气量及理论烟气量，然后再根据空气系数来确定实际空气量及实际烟气量。燃料理论空气量理论烟气量烟煤6-8 Nm3/kg6.5-8.5 Nm3/kg重油10-11 Nm3/kg10.5-11.5 Nm3/kg发生炉煤气1.05-1.4 Nm3/Nm31.9-2

19、.2 Nm3/Nm3天然气9-141 Nm3/Nm310-14.5 Nm3/Nm3( (四四) ) 操作计算操作计算利用碳平衡，即燃料中C=烟气中C+灰渣中C，可计算烟气量；利用氮平衡，即燃料中N+空气中N=烟气中N，可计算空气量。实际烟气量与空气量的计算实际烟气量与空气量的计算计算空气系数，空气与燃料的配比合适？根据燃料根据燃料和烟气组和烟气组成计算成计算流量计流量计测定测定燃烧是否燃烧是否正常正常空气量空气量测定炉内不同负压处的烟气组成检验窑炉漏气？例4-4 某倒焰窑所用煤的收到基组成为： 组分 Car Har Oar Nar Sar Mar Aar 质量(%) 72.0 6 4.8 1.

20、4 0.3 3.6 11.9高温阶段在窑底处测定其干烟气组成为组分 CO2 O2 N2体积(%) 13.6 5.0 81.4灰渣分析含C为17%,灰分为83%。高温阶段小时烧煤量为400kg，计算该阶段每小时烟气生成量(Nm3)及空气需要量(Nm3)。以100kg煤为基准，煤中含C72kg，灰渣中含C)kg(44. 283179 .11(1) 烟气量：根据碳平衡，煤中C=烟气中C+灰渣中C解：设100kg煤生成干烟气量为xNm3，则：44. 24 .2212x1006 .1372煤kg100/Nm954x3100kg煤生成水汽量为煤）（）（kg100/Nm(7 .714 .22186 . 32

21、64 .2218M2H3arar故湿烟气量煤kg100/Nm10267 .719543小时湿烟气生成量为h/Nm410410040010263可以看出燃料中N2与空气中N2比较，只占约0.1%，很小，可以忽略，且忽略燃料中的N2后，0.79y=776.6，y=983Nm3/100kg煤6 .776y79. 012. 1以100kg煤为基准，煤中N2量为)Nm(12. 1284 . 14 .223(2) 空气量：根据N2平衡，空气中N2 +燃料中N2 =烟气中N2设100kg煤需空气量为yNm3，则：)Nm(y100793)kg100/Nm(982y3煤空气中N2 量)Nm(6 .7769548

22、14. 0 x1004 .813烟气中N2 量根据N2 平衡得高温阶段小时空气需要量为h/Nm39281004009823三、燃烧温度的计算三、燃烧温度的计算燃烧温度：燃烧温度：指燃料燃烧时燃烧产物的温度叫燃烧温度。计算原理：计算原理：热量收入=热量支出收入热量收入热量(以1kg或1Nm3燃料，0C为基准)： 燃料的化学热(即燃料的低位发热量)Qnet； 燃料带入的物理热Qf=cftf； 空气带入的物理热Qa=Vacata。式中， cf、ca表示燃料和空气从0C到各自温度下的平均比热容； tf、ta表示燃料和空气进入燃烧室时的温度； Va表示实际空气量。支出热量：支出热量： 燃烧产物所含的物理

23、热Q=Vctp； 由燃烧产物传给周围物体的热量Ql； 由于机械不完全燃烧造成的热损失Qml； 由于化学不完全燃烧造成的热损失Qch； 燃烧产物中部分CO2和H2O在高温下热分解反应消耗的热量Qdi； 灰渣带走的物理热Qa,s。式中， c表示燃烧产物从0C到其形成温度下的平均比热容； tp表示燃烧产物的实际温度，也称实际燃烧温度； V表示实际烟气量。( (一一) ) 实际燃烧温度实际燃烧温度 为了便于研究和分析问题，通常建立三种燃烧温度的概念，即实际燃烧温度实际燃烧温度、量热计式燃烧温度量热计式燃烧温度和理论燃烧温度理论燃烧温度。 按照热量平衡的原则，热量支出=热量收入，即Qnet+Qf+Qa=

24、Q+Ql+Qml+Qch+Qdi+Qa,s将热量的各个表达式代入上式，整理得：Vc)QQQQQ(tcVtcQts , adichmllaaaffnetp(4-30)但是利用该式计算实际燃烧温度还是十分困难的，因为影响燃烧温度的因素除了燃料的种类、燃料燃烧前的温度、空气的温度以外，还与窑炉的工艺过程、热工过程以及炉子结构的不同而变化。( (二二) ) 量热计式燃烧温度量热计式燃烧温度 假定燃料在绝热系统中完全燃烧，并且不考虑燃烧产物在高温下的热分解，则按式(4-30)计算出的燃烧温度称为量热计式燃烧温度，即VctcVtcQtaaaffnetm(4-31)当tf、ta都为0C且=1时，此时计算出的

25、燃烧温度称为“燃料理论发热温度”或“发热温度”、“产热度”，用tm0表示，即VcQtnet0m(4-32)tm0只与燃料性质有关，它是从燃烧温度的角度评价燃料性质的指标。 tm0越大的燃料，其燃烧温度也越高。(三三) 理论燃烧温度理论燃烧温度tth 假定燃料在绝热系统中完全燃烧，并且考虑高温下燃烧产物中部分CO2和H2O分解反应消耗的热量，即VcQtcVtcQtdiaaaffnetth(4-33)此时计算出的燃烧温度称为理论燃烧温度理论燃烧温度。Qdi的大小取决于燃烧产物中CO2和H2O的分解程度，而它们的分解程度又与燃烧产物的温度以及CO2、H2O的分压有关。温度越高、分压越小、分解程度就越

26、大，燃烧温度降低得也越多。VctcVtcQtaaaffnetth(4-34) 由于烟气的平均比热容c随烟气温度而变化，因此按照上式计算时，要采用“试值法”：即先假定一个tth，查出相应温度下的c值，计算烟气的热量Q1(Vctth )是否与收入总热量Q(Qnet+cftf +Vacata)相等。如果Q1Q，说明所取tth偏大，则将tth值再取小些，直至二者相等，此时的tth值即为理论燃烧温度。 在硅酸盐窑炉内的燃烧产物温度下， CO2和H2O的分解程度很小， 故上式中的Qdi可以忽略，则上式可改写成： 为了减少试算次数，可以采用内插法内插法。“图解法图解法” ：根据上式，在t-Q坐标系中作出与t1-Q1对应的点A，与t2-Q2对应的B，连接AB，由Q可找出tth。tthQt1Q1Q2t2BAO “内插法内插法”：即由t1，查出c1值，