第二章 燃料燃烧计算

第二章

燃料的燃烧计算

刘雪玲天津大学热能工程系解决的问题确定燃料燃烧所需要的空气量燃料燃烧生成的烟气量烟气的成分和焓值烟气分析方方程、空气系数监控及不完全燃烧的热损失2.1基本概念化学当量比标准空气燃料的理论空气量实际空气及过剩空气系数a化学当量比（恰当比）化学当量比(化学恰当比)：1公斤燃料燃烧反应理论所需要的氧气公斤数，用S表示。CH4+2O2=CO2+2H2O1664S=4标准空气空气的质量组成：

mO2：mN2=23.2：76.8=1：3.31空气的体积组成：

O2：N2=21：79=1：3.76CH4+2O2=CO2+2H2O1664

需要空气量是多少？每消耗1kg氧气时需要的空气质量？每消耗1m3氧气时需要的空气体积？燃料的理论空气量理论空气量：单位燃料完全燃烧所需要的空气量。符号：固液燃料理论空气量的单位:Nm3/kg1Kg燃料为基准气体燃料的理论空气量的单位:Nm3/Nm31Nm3燃料为基准过剩空气系数a定义：实际供应空气量与理论空气量之比。补偿混合的不均匀保证燃烧产物的还原保证燃烧产物的温度实际空气量:VK=αVk0α=VK/Vk02.2理论空气量计算几个假定:空气和烟气所有成分都假设为理想气体烟气温度不超过2000oC时不考虑烟气的热分解忽略空气中的各种微量成分固、液燃料的理论空气量1kmolC1kmolCO21kmolO2＋＝N23.76kmolN23.76kmol1kmol4.76kmol空气C1kmolCO21kmolO21kmol＋＝＋＋0.0832kmol1kg0.0833kmol0.3132kmol0.3132kmol0.3965kmol空气22.4Nm3/kmol8.89Nm3可燃成分：C、H、S1kmolH21kmolH2O0.5kmolO2＋＝N21.88kmolN21.88kmol1kmol2.38kmol空气H21kmolH2O1kmolO20.5kmol＋＝＋＋26.67Nm30.5kmol1kg0.25kmol0.94kmol0.94kmol1.19kmol空气22.4Nm3/kmol1kmolS1kmolSO21kmolO2＋＝N23.76kmolN23.76kmol1kmol4.76kmol空气S1kmolSO21kmolO21kmol＋＝＋＋3.33Nm30.03125kmol1kg0.03125kmol0.1175kmol0.7775kmol0.1487kmol空气22.4Nm3/kmol1kmolO23.33Nm31kg0.03125kmol0.1175kmol0.1487kmol空气22.4Nm3/kmolN2

3.76kmol1kmol4.76kmol空气O21kmol＋1kmolO2燃料每含1kg氧可少消耗多少空气？1kg燃料完全燃烧所需理论空气量或Nm3空气/kg燃料Kg空气/kg燃料用空气质量表示：用空气体积表示：空气实际供应量Nm3/kgNm3/kg干空气：湿空气：每m3干空气吸收Wg克饱和水蒸气:每kg干空气含d克饱和水蒸气:例题：某煤种成分如下：Car=75%、Har=5%、Oar=3%、Nar=1%、Sar=1%、A=10%Mar=5%。试计算其理论空气量。气体燃料的理论空气量CnHm(n+m/4)O2nCO2(m/2)H2O1Nm3CnHm4.76×(n+m/4)Nm3空气nNm3CO2m/2Nm3H2O3.76×(n+m/4

Nm3N2+=++++=CH42O2CO22H2O+=+1kmolCH42×4.76kmol空气1kmolCO22kmolH2O7.52kmolN2+++1Nm32×4.76Nm31Nm32Nm37.52Nm3=H20.5O2H2O1Nm3H20.5×4.76Nm3空气1Nm3H2O1.88Nm3N2+++==H2S1.5O2H2O1Nm3

H2S1.5×4.76Nm3O21Nm3H2O5.64Nm3N2+++==SO2+1Nm3SO2

+CO0.5O2CO21Nm3

CO0.5×4.76Nm3空气1Nm3CO21.88Nm3N2+++==1Nm3气体燃料完全燃烧所需理论空气量:实际消耗空气量:2.3完全燃烧时燃料烟气量计算固体、液体燃料完全燃烧烟气量计算烟气量成分：完全燃烧时燃料烟气量CO2SO2H2ON2干烟气VgyVRO2理论烟气量：理论干烟气量：完全燃烧时燃料烟气量CO2SO2O2N2干烟气VgyVRO2烟气量：干烟气量：H2O固、液燃料的理论烟气由四部分组成：理论烟气中水蒸汽量计算燃料氢生成水：燃料水：湿空气中的水：雾化用蒸汽带入水：固、液燃料燃烧的理论烟气量为：理论干烟气量为：α>1完全燃烧实际烟气量为：气体燃料完全燃烧烟气成分气体燃料成分可能有：CO、CO2、CnHm、H2、H2O、H2S、N2

、O2燃烧完全产物：CO2、SO2、H2O、N2CO2、SO2、H2O、N2、O2理论烟气量：CO2体积：SO2体积：N2体积：H2O体积：三原子气体：理论干烟气量理论烟气量：实际烟气量：完全燃烧烟气成分湿烟气体积成分：干烟气体积成分：湿烟气质量成分：Xyi=Vyi/VyXgyi=Vyi/VgyXyi=Myi/My=Myi/ΣMyi2.4不完全燃烧时烟气量的计算不完全燃烧的烟气组分CO2SO2H2ON2VRO2COCH4H2可燃气体确定不完全燃烧的烟气量须已知的条件：燃料成分：Car、Sar或CO、CH4、CnHm、H2S实际干烟气成分：RO2’、CO’、CH4’固、液燃料不完全燃烧干烟气量烟气成分：碳平衡：硫平衡：物质平衡：得到固、液体燃料不完全燃烧干烟气量：代入下式：气体燃料不完全燃烧干烟气量烟气成分：碳平衡：硫平衡：物质平衡：气体燃料不完全燃烧干烟气量：代入下式：例题：试计算不完全燃烧时的烟气量。气体成分：烟气成分：不完全与完全燃烧烟气量比较根据化学反应方程式α≥1的情况α<1的情况烟气体积减小0.5体积干烟气体积减小1.5个体积湿烟气体积减小0.5个体积干烟气体积减小2个体积湿烟气体积没有变化结论：不完全燃烧程度越大，Vgyb↑湿烟气：干烟气量：燃料与空气充分混合，烟气中无O2燃料与空气未充分混合，烟气中含O21kmolCH4+2kmolO2=1kmolCO2+2kmolH2O+7.52kmolN2+7.52kmolN21kmolCO+0.5kmolO2=1kmolCO2+1.88kmolN2+1.88kmolN21kmolH2+1.88kmolN2=1kmolH2O+1.88kmolN2+0.5kmolO2结论：湿烟气：干烟气量：不完全燃烧程度越大，Vgyb结论：湿烟气：干烟气量：总结：1）2）2.5烟气分析原理烟气分析的作用监控调节分析了解烟气分析的原则烟气分析仪的类型合理选择取样方法恰当的取样点深入了解燃烧装置的工作特点可靠化学分析原理物理分析原理奥氏(Orsat)烟气分析仪红外气体分析仪α=1，干烟气中RO2’最大干烟气RO2’=(干烟气CO2与SO2体积和)/干烟气量适用的条件：完全燃烧、α=1气体燃料β={[0.79(0.5H2+0.5CO+Σ(n+0.25m)CnHm+1.5H2S-O2)+0.21N2]/(CO+ΣnCnHm+H2S+CO2)}-0.79固体燃料β=2.35(Har-0.125Oar+0.038Nar)/(Car+0.375Sar)烟气分析方程α≥1，不完全燃烧情况揭示燃料燃烧后干烟气成分与燃料特性之间的规律或燃料燃烧后干烟气成分与RO2max(

β)之间的规律烟气中的氧体积=过剩氧体积+不完全燃烧未消耗氧VK-V0=Vgy-Vgy0过剩空气=过剩干烟气(Vgyb/Vgy)=100/(100-0.5CO’-1.5H2’-2CH4’)>1Vgy0=Vgyb(100+1.88CO’+0.88H2’+7.52CH4’-4.76O2’)/100Vgy0=Vgyb(100+1.88CO’+0.88H2’+7.52CH4’-4.76O2’)/100代入：由于：烟气分析方程（或烟气分析检验方程）适用的条件：α≥1完全或不完全燃烧在空气中燃烧揭示了烟气各组分与燃料特性系数之间的关系可原来检验实测烟气成分的准确性都适用于完全燃烧（α=1）（α≥1）通常，H’CH4’可忽略,烟气分析方程：完全燃烧时：完全燃烧时，烟气分析方程是燃料特性、运行参数和烟气成分之间的函数关系：空气系数监控空气系数监控计算烟气成分燃料性质空气系数完全燃烧条件下空气系数监控计算不完全燃烧条件下空气系数监控计算消耗的理论氧气量全部用于生产与RO2和H2O完全燃烧条件下α监控计算测定烟气成分，推算空气系数，对燃烧过程监控令：得到：燃料性质系数完全燃烧生成1Nm3RO2所需理论氧气适用于α≥1K与燃料中C、H比例以及α有关的无因次数在α＝1时，K是燃料的性质。不完全燃烧条件下α监控计算根据质量守恒得出，考虑了CO’、CH4’与H2’完全燃烧所需的氧体积及对烟气中三原子体积的影响燃料不完全燃烧损失计算

不完全燃烧损失系数定义：VCO=Vgyb(CO’/100)VH2=Vgyb(H2’/100)VCH4=Vgyb(CH4’/100)R常数与燃料的性质有关。测试烟气成分，推算燃料化学不完全燃烧损失R表示燃料单位热量产生RO2量R↓温室气体↓2.6烟气焓和燃烧温度燃烧室的热平衡燃烧效率烟气温度燃料发热温度理论燃烧温度理论烟气焓实际烟气汉燃烧室的热平衡燃料的物理焓hr燃料的发热量空气的物理焓αV0ha高温分解耗热未完全燃烧热损失烟气的物理热焓燃烧室的热损失QLQWIyQDWQSQDWIyhrαV0haQSQLQW＋＋＝＋＋＋燃烧效率燃烧效率=燃料燃烧的实际发热量燃料的低位发热量或燃烧温度烟气温度ty

影响烟气温度的因素：燃烧发热量运行空气过剩系数空气、燃料的预热程度燃烧空气富氧程度不完全燃烧热损失高温热离解热损失燃烧装置保温性能燃料发热温度tr0α=1,忽略燃料焓、空气焓、热损失、不完全燃烧损失、高温离解热损失时的燃料发热温度燃料组分一定时：只是燃料热物性的参数理论燃烧温度