工程燃烧学 燃烧计算

第四章燃烧反应计算2023/2/21河北工业大学能源与环境学院完全燃烧与不完全燃烧1、完全燃烧：燃料中的碳、氢（或碳氢化合物）、硫等均与氧充分反应而生产二氧化碳、水与二氧化硫。产物中还有一些氮气与氧气。2、不完全燃烧：上述反应后仍有燃料过剩，或者燃烧反应之外还有其它反应。产物除二氧化碳、水、二氧化硫之外，还有一氧化碳、氢、甲烷等。2023/2/22河北工业大学能源与环境学院第一节空气需要量的计算固、液体燃料，质量百分数为：对于C的反应存在关系：对于H的反应存在关系：对于S的反应存在关系：则千克燃料需氧量：折算成空气的体积量则是单位燃料燃烧所需理论空气量2023/2/23河北工业大学能源与环境学院气体燃料理论空气量气体燃料体积百分数为：可燃成分反应方程式为：单位体积气体燃料的理论需氧量与理论空气量分别为：Nm3/Nm32023/2/24河北工业大学能源与环境学院空气消耗系数过量空气系数：实际燃烧过程中，为了保证完全燃烧，往往供给比理论空气量更多的空气；有时候工艺要求需要少供给空气。实际供给的空气与理论空气量的比值，称为空气消耗系数（余气系数）。当它大于1时就是过量空气系数（过剩空气系数，或n）。空气过量时，为贫油（或贫燃）；空气不足时，为富油（或富燃）对于湿空气，计算空气需要量的时候要将水分估计在内。假如单位体积空气中所含水分为g克，折算成体积含量为：Nm3/Nm3那么，实际空气需要量为：2023/2/25河北工业大学能源与环境学院油气比f：指燃料与空气混合物中燃料和空气的质量（或质量流量）之比。当两者的混合比例恰好等于化学恰当比时，称为化学恰当油气比fs。当f<fs时，贫油；f>fs时，富油。当量比：实际油气比与化学恰当油气比之比，即f/fs。是空气消耗系数的倒数。Leanpre-mixedmethane/airflamePartiallypre-mixedfuelrichmethane/airflame（左）火焰直摄照片（右）火焰纹影照片2023/2/26河北工业大学能源与环境学院第二节完全燃烧产物生成量对于固体液体燃料，完全燃烧的产物生成量称为理论产物生成量V0。产物量为：若考虑空气过量Ln，则产物中水分、氮气、氧气含量发生变化燃料原有水分未参与反应氧2023/2/27河北工业大学能源与环境学院产物成分一般表示为各组成的体积百分数。理论产物与实际产物分别为

讨论：1、V0只与燃料成分有关，可燃成分越高、发热量越大，理论产物越多；2、Vn不仅与燃料成分有关，还与空气过剩系数n有关；3、空气过剩系数越大，VO2越大，实际烟气量也愈大；烟气的氧化性气氛越强。2023/2/28河北工业大学能源与环境学院第三节不完全燃烧烟气生成量产生不完全燃烧的原因：1、空气供给量不足，n<1，烟气呈还愿性；2、n>1，但是燃料空气混合不均匀，或者液体燃料雾化不良。不完全燃烧的产物：除二氧化碳、水、二氧化硫之外，还有一氧化碳、氢、甲烷等。现象就是黄色火焰、有残炭、冒黑烟。2023/2/29河北工业大学能源与环境学院不完全燃烧的产物CO、H2、CH4都是可燃成分，如果其继续在空气中燃烧，则可以得到以下平衡方程式：当n>1时，烟气中肯定含有氧气，如果条件合适则上述反应必然能够进行，从而不完全燃烧的产物全部转化为完全燃烧产物，则其体积减少：反应前后体积减少0.5Nm3Nm3/Nm3反应前后体积减少0.5Nm3反应前后体积不变蒸汽完全燃烧与不完全燃烧产物量关系对于扣除水分干烟气，则有不完全燃烧程度越严重，产物体积增加越多2023/2/210河北工业大学能源与环境学院当n<1时，如烟气中不再有氧气，对于第一个反应，由于缺少0.5Nm3氧气和1.88Nm3的氮气，而不能生成完全燃烧产物1Nm3二氧化碳和1.88Nm3的氮气，亦即不完全燃烧产物比完全燃烧产物少1.88Nm3。同理烟气中每含有1Nm3氢气、1Nm3甲烷就会使产物比完全燃烧产物少1.88Nm3和9.52Nm3。因此对于烟气与干烟气存在关系：当n<1时，但是由于混合不均导致仍有残留氧气的话，那么若想完成上述反应则可以少加入空气量为：则对于烟气与干烟气存在关系：2023/2/211河北工业大学能源与环境学院第四节燃烧产物成分测定和验证为了对燃烧过程进行控制，必须对燃烧产物进行检测与分析。测定烟气成分的取样点要合理选择，否则可能造成测定结果没有代表性。烟气分析仪一般分为两类：化学式：利用特定的化学药品对烟气中各成分进行吸收，测定其含量。如奥氏（Orsat）分析仪。物理式：利用烟气各成分的物理性质如对红外线波长的选择性吸收进行测定。如红外气体分析仪、光谱分析仪等红外气体分析仪奥氏气体分析仪Testo气体分析仪2023/2/212河北工业大学能源与环境学院检测方程对于固、液燃料干烟气假设固、液燃料气体燃料以上关系说明RO2’最大值仅与燃料特性有关2023/2/213河北工业大学能源与环境学院对于完全燃烧对于不完全燃烧，n>1产物中含有的氧包括两部分：一部分是未参与燃烧的，另一部分是不完全燃烧节省下来的，因此有：整理上述两式得到（对于n<1也成立）不完全燃烧时，由于CO、CH4可产生同体积的CO22023/2/214河北工业大学能源与环境学院整理上述红色三式n<1时，O2’=0n<1时，完全燃烧上述三式建立了RO2’最大值与产物成分之间的关系。例如烟气中CO2的含量越是接近于最大值，越说明燃烧完全。整理燃料与产物成分关系，可得到气体分析方程：完全燃烧对应着：利用以上公式可以烟正烟气分析的准确性，燃料确定后，实际分析得到的气体成分以该满足上述公式。2023/2/215河北工业大学能源与环境学院第五节氮平衡原理计算空气消耗系数空气消耗系数nLn-L0已经得到：反应前后氮平衡整理上述公式对于含氢少的燃料，完全燃烧时2023/2/216河北工业大学能源与环境学院第六节燃烧温度分析燃烧过程的热量平衡关系燃料低位发热量Qdw空气显热Q空燃料显热Q燃产物显热Q产=Vnc产

t产向周围的传热Q传不完全燃烧热损失Q不热分解耗热Q分产物温度即实际燃烧温度可以求得：绝热系统中完全燃烧后产物温度就是理论燃烧温度：绝热系统中，燃料、空气不预热，没有热分解条件下产物的温度称为燃料的理论发热温度：2023/2/217河北工业大学能源与环境学院理论发热温度的计算联立解方程组2023/2/218河北工业大学能源与环境学院影响理论燃烧温度的因素1、燃料的种类与发热量：一般情况下发热量越高，理论燃烧温度越高；总体来说理论燃烧温度与Qdw/Vn有关。2、空气消耗系数：过量空气系数越大，烟气生成量越大，理论燃烧温度越低。3、空气燃料预热温度：提高预热温度，理论燃烧温度提高。特别是对于发热量较高的燃料，预热空气比预热燃料效果好，因为发热量越高，燃烧需要空气量越多，那么空气带入物理热也就越多。4、空气富氧程度：在纯氧或者富氧状态下燃烧，理论燃烧温度相对提高；因为烟气生成量减少。aflamewithhightemperature

2023/2/219河北工业大学能源与环境学院来源十七世纪法国寓言诗人拉·封丹的寓言《猴子与猫》一只猴子和一只猫看见炉火中烤着栗子，香气扑鼻、但是有火不好拿。于是猴子灵机一动对猫说：“都说猫是胆小鬼，这回看你敢不敢把栗子拿出来。”小猫为了证实自己的勇敢，使把爪子伸到火里去取栗子。爪子碰到火，上面的毛立刻被烧焦了，痛得它大叫，急忙甩掉栗子。猴子趁机把栗子吃掉了。火中取栗比喻为别人冒风险，徒然吃苦而得不到好处。以甲烷为例，当量比等于1.0情况下，在空气中的绝热火焰温度为1957摄氏度；在氧气中的绝热火焰温度为3120K。