燃烧原理与设备第二篇.ppt

1、第二篇 燃烧反应计算,又称作燃烧静力学计算，是按照燃料中的可燃物分子与氧化剂分子进行化学反应的反应式，根据物质平衡和热量平衡原理，确定燃烧反应的各参数。这些参数主要是：单位数量燃料燃烧所需要的氧化剂（空气或氧气）的量、燃烧产物的量、燃烧产物的成分、燃烧温度和燃烧完全程度。,计算中有以下条件（或假设）：非常重要！,燃料成分是应用成分或湿成分； 空气仅为氧、氮和水蒸汽组成。干空气的成分按质量百分比为O223.3%，N276.8%；按照体积百分比为O221%， N279%；空气中的水蒸汽含量按某温度下（大气温度）饱和水蒸汽含量计算； 气体体积均为标准状态下的体积（m3），1kmol气体体积标态下为2

2、2.4m3，密度=分子量/22.4（kgm-3）； 假定燃料和氧化剂均匀混合，达到分子接触，但允许燃料或氧化剂过剩；,燃料中的氧作为助燃氧； 假设反应前后温度、压力相等，且为封闭系统，无能量损失； 计算针对1kg或1m3燃料。 计算内容：1 、单位数量燃料燃烧所需氧化剂数量; 2、 燃烧产物的数量; 3 、燃烧产物的成分和密度; 4 燃烧温度;5 燃烧完全程度,课堂提问：,下面说法是否正确？ 燃料可燃基理论空气需要量,第四章空气需要量和燃烧产物生成量,固体燃料和液体燃料的理论空气需要量 燃料成分为 Car%+Har%+Oar%+Nar%+Sar%+Aar%+War%=100%,第一节空气需要量

3、的计算,CO2=CO2 1 1 1 （kmol） 12 32 44 （kg） 1 8/3 11/3 （kg） 4HO2=2H2O 4 1 2 （kmol） 4 32 36 （kg） 1 8 9 （kg） SO2=SO2 1 1 1 （kmol） 32 32 64 （kg） 1 1 2 （kg）,1kg燃料完全燃烧时所需要的氧气质量为 G0O2=（8/3Car8HarSarOar）/100 (kgkg-1) 氧气体积为 L0O2=（8/3Car8HarSarOar）/10022.4/32 =0.7（8/3Car8HarSarOar）/100 (m3kg-1) 理论氧气需要量：按照化学反应式的配平

4、系数计算，不估计其它因素的影响，得到的1kg燃料完全燃烧需要的氧气量。 理论空气需要量：理论氧气需要量除以空气中氧气的含量，便得到的1kg燃料完全燃烧需要的空气量，计作G0或L0,G0=(8/3Car8HarSarOar)/100/0.232 (kgkg-1) L0=(8/3Car8HarSarOar)/100/0.3 (m3kg-1) 气体燃料的理论空气需要量,实际空气需要量 上面的计算中是假设氧化剂分子和燃料分子按照化学当量配比，混合均匀，达到分子接触，并且没有考虑其它因素的影响。实际燃烧过程中，为了保证完全燃烧，一般供给多一些的空气，有时为了得到还原性气氛，便供给少一些的空气，实际空气消

5、耗量为Ln,单位m3m-3,n=Ln/L0 n称为空气消耗系数。 空气中的水分一般不计入，当空气中含较多水分，或要求精确计算时，才把空气中的水分估计在内，并以饱和水蒸汽含量计算。 gH2O干：1m3干气体中水分含量（g/m3) 折算为体积含量 gH2O干22.4/1810-3 =0.00124 gH2O干 m3/m3 包含水分的湿空气消耗量： Ln=(1+0.00124 gH2O干)nL0,经验公式 煤 ：L0=1.01QDWy/4187+0.5 (m3kg-1) 液燃：L0=0.85QDWy/4187+2.0 (m3kg-1) 煤气：L0=0.875QDWy/4187 (m3m-3) (QD

6、Wy12561kJkg-1) 天然气：L0=1.105QDWy/41870.02 (m3m-3),燃料每释放1kcal的热量，大概需要消耗1m3的空气,第二节燃烧产物的生成量、成分和密度（完全燃烧）,燃烧产物的生成量及成分是根据燃烧反应的物质平衡进行计算的。当n=1时，单位质量（或体积）燃料完全燃烧后生成的燃烧产物量称理论燃烧产物生成量V0 当n1时，实际燃烧产物中还含有O2，燃烧产物量称实际燃烧产物生成量Vn VnV0= LnL0,1kg固液燃料完全燃烧产物量计算 CO2、SO2、H2O、N2、O2 VCO2=C%/1222.4 (m3kg-1) VSO2=S%/3222.4 (m3kg-1

7、) VH2O=(H%/2W%/18)22.4 0.00124 gH2O干 Ln (m3kg-1) VN2=N%/2822.479%Ln (m3kg-1) VO2=21%(LnL0) (m3kg-1),Vn= VCO2VSO2VH2OVN2VO2 =(C/12+S/32+H/2+W/18+N/28) 22.4/100 (n21%)L00.00124 gH2O干 nL0 (m3kg-1) n=1时Vn=V0 gH2O干不计时，,1m3气体燃料完全燃烧产物量计算 CO2、SO2、H2O、N2、O2 VCO2=(COnCnHmCO2)/100 (m3/m3) VSO2=H2S/100 (m3/m3)

8、VH2O=(H2(m/2CnHm) H2SH2O)/100 0.00124 gH2O干 Ln (m3/m3) VN2=N2/10079%Ln (m3/m3) VO2=21%(LnL0) (m3/m3),Vn= VCO2VSO2VH2OVN2VO2 =(COH2 (n+m/2)CnHm2H2SCO2N2H2O) (n21%)L00.00124 gH2O干 nL0 (m3m-3) n=1时Vn=V0 gH2O干不计时，,V0 仅与燃料成分有关 Vn与燃料成分和空气过剩系数n有关,燃烧产物成分 CO2 =VCO2/Vn100 SO2 =VSO2/Vn100 H2O =VH2O/Vn100 N2=VN

9、2/Vn100 O2=VO2/Vn100,燃烧产物密度的计算 1、用参加反应的物质的总质量计算 固液燃料 气体燃料,2、用燃烧产物的质量计算,经验公式 煤 ：V0=0.89QDWy/4187+1.65 (m3kg-1) 液燃：V0=1.11QDWy/4187 (m3kg-1) 煤气：V0=0.725QDWy/41871.0 (m3m-3) (QDWy12561kJkg-1) 天然气：V0=0.75QDWy/41870.38 (m3m-3),燃料每释放1kcal的热量，大概要产生1m3的烟气,1：1：1,课堂练习一,1、已知某烟煤成分为（%）：Cdaf83.21，Hdaf5.87，Odaf5.2

10、2，Ndaf1.90，Sdaf3.80，Aad8.68，War4.00，求： 理论空气需要量L0； 理论燃烧产物生成量V0； 如果炉子热负荷为17103kW，空气消耗系数n=1.35，求每小时供风量，烟气生成量和烟气成分。,2、某焦炉煤气干成分为（%）：CO9.1，H257.3，CH426.0，C2H42.5， CO23.0，O20.5，N21.6，煤气温度为20，用含氧量为30%的富氧空气燃烧，n=1.15，求： 富氧空气消耗量Ln 燃烧产物成分及密度,第三节不完全燃烧的燃烧产物,不完全燃烧有以下几种情况： 1、在固体灰渣中含有可燃成分； 2、在燃烧产物中烟气中含有可燃成分； 3、由于温度高

11、，CO2和H2O等气体分解产生CO和H2等可燃气体。,不完全燃烧时燃烧产物的变化 在空气中燃烧，燃烧产物中可燃成分一般为CO、H2、CH4等 1、当n1，燃烧产物成分为：CO2，CO，H2，H2O，CH4，O2，N2；氧气足够，如果组织得好，将可燃物燃烧干净（完全燃烧）。 CO+0.5O2=CO2 1 0.5 1 H2+0.5O2=H2O 1 0.5 1 CH4+2O2=CO2+2H2O 1 2 1 2,完全燃烧产物体积为： (Vn)完=(Vn)不0.5VCO0.5VH2 =(Vn)不(1000.5CO湿0.5H2湿)/100 所以 (Vn)不/(Vn)完=100/ (1000.5CO湿0.5

12、H2湿),或者： (Vn)完干=(Vn)不干0.5VCO1.5VH22VCH4 =(Vn)不干(1000.5CO 1.5H2 2CH4)/100 所以 (Vn)不干/(Vn)完干=100/ (1000.5CO 1.5H2 2CH4) 结论：在有过剩空气的情况下，如果由于混合不均匀发生不完全燃烧，燃烧产物的体积将比完全燃烧时增加。,2、当n1时，O2=0（混合均匀） 要将1体积CO燃烬要补充0.5体积O2和1.88体积N2，产生1体积CO2和1.88体积N2，所以完全燃烧比不完全燃烧体积增加1.88体积。同理： CO+0.5O2+1.88N2=CO2+1.88N2 1 0.5 1.88 1 1.

13、88 H2+0.5O2+1.88N2=H2O+1.88N2 1 0.5 1.88 1 1.88 CH4+2O2+7.52N2=CO2+2H2O+7.52N2 1 2 7.52 1 2 7.52,完全燃烧产物体积为： (Vn)完=(Vn)不+1.88VCO+1.88VH2+9.52VCH4 所以 (Vn)不/(Vn)完=100/ (100+1.88CO湿+1.88H2湿+9.52CH4湿) 或者 (Vn)不干/(Vn)完干=100/ (100+1.88CO+0.88H2 7.52CH4) 结论：当空气供入不足，又混合均匀的情况下，燃烧产物生成量比充分燃烧时减少。,3、当n1，O20（混合不均匀）

14、 这时要充分燃烧可少加入空气4.76VO2，故： (Vn)不/(Vn)完=100/ (100+1.88CO湿+1.88H2湿+9.52CH4湿4.76O2) 或者 (Vn)不干/(Vn)完干=100/ (100+1.88CO +0.88H2 7.52CH4 4.76O2) 结论：燃烧产物量的变化视O2大小而定。,不完全燃烧产物成分计算 涉及到化学反应动力学因素和流体、传热传质等因素的影响，一般无法计算。,处理不完全燃烧的思路： 将不完全燃烧变成完全燃烧，然后对二者进行比较，具体做法是：如果含有可燃成分，加入空气将可燃成分烧掉，如果含有氧气，将含氧的多余空气祛除。,第五章 燃烧温度,燃烧温度：燃

15、料燃烧时所释放的热量传给气态燃烧产物，使其达到的温度称为燃料的燃烧温度。燃烧温度通过燃烧过程中的能量平衡求出。 热量来源： 燃料的热值，燃料的显热和空气的显热 Q低+Q燃+Q空 热量支出： 热量不可能全部传给燃烧产物，有热量损失 Vnc产t产+Q传+Q不+Q分+W,t产=(Q低+Q燃+Q空Q传Q不Q分W )/Vnc产 t产称为燃料实际燃烧温度，与多因素有关，不能简单计算出来。 假设在绝热系统中燃烧，并且完全燃烧（ Q传=Q不=W=0 ），得到： t理=(Q低+Q燃+Q空Q分)/Vnc产 t理称为燃料理论燃烧温度，表明燃料在某条件下能达到的最高燃烧温度，是分析炉子热工作和热工计算的一个重要指标。

16、,进一步，如果不计分解热，得到： t量=(Q低+Q燃+Q空)/Vnc产 t量称为燃料量热计温度 进一步，如果空气和燃料都不预热，空气消耗系数n=1.0，得到： t热=Q低/V0c产 t热称为燃料理论发热温度，只与燃料性质有关，是评价燃料性质的一个指标。,第一节理论发热温度的计算,t热=Q低/V0c产 V0c产= VCO2cCO2VH2OcH2OVN2cN2 c产= (CO2cCO2H2OcH2ON2cN2)/100 联立方程求解 c=A1A2tA3t2,内插值近似法 h=Q低/V0=c产t热 =CO2%cCO2t热H2O%cH2Ot热N2%cN2t热 =CO2%hCO2H2O%hH2ON2%h

17、N2 计算步骤： 1、计算h=Q低/V0 ， CO2%，H2O%，N2% 2、假设理论发热温度为t，查附表7a计算h,如果ht ，计算h”,直到h”h； 4、内差求t热（p41公式5-7）,第二节理论燃烧温度的计算,t理=(Q低+Q燃+Q空Q分)/Vnc产 CO2CO0.5O212600（kJm-3-1） H2OH20.5O210800（kJm-3-1） Q分=12600VCO+10800VH2 温度越高，分解越强；压力越高，分解越弱；在工业炉领域只有温度高于1800才估计分解热,分解使燃烧产物量和成分发生变化，使计算复杂，必须近似处理，以简化计算。,温度,比热,产物量和成分,分解程度,1、忽

18、略热分解引起的Vnc产的变化； 2、分解热按分解度的近似值计算； Q分=12600fCO2(VCO2)未10800fH2O(VH2O)未 3、燃烧产物的比热按近似比热计算； Vnc产=V0c产（LnL0） c空 4、确定比热和分解度所依据的温度，可依经验估计。,例题一,烟煤成分为：,求燃料发热量，理论空气需要量，燃烧产物生成量，燃烧产物成分、密度和燃料发热温度（忽略空气中的水分）。,解：首先成分换算为应用成分： Ay=Ag(100Wy)/100=7.55 Hy=Hr(100AyWy)/100=4.08 Oy=3.64 Ny=1.61 Sy=3.80 Cy=76.32 CyHyOyNySyAyW

19、y=100 正确！,1）燃料发热量 Q高y=4.18781C+300H+26(SO) =31024(kJkg-1) Q低y= Q高y25.12(9H+W) =30031(kJkg-1) 2）理论空气需要量 L0=(8Cy/3+8Hy+SyOy)/100/22.432/0.21 =7.88(m3kg-1),3）理论燃烧产物生成量 VCO2=Cy/1222.4/100=1.43(m3kg-1) VSO2=Sy/3222.4/100=0.03(m3kg-1) VH2O=(Hy/2 +Wy/18) 22.4/100 =0.50(m3kg-1) VN2=Ny/1222.4/100+0.79L0 =6.2

20、5(m3kg-1) V0=8.21(m3kg-1),4）理论燃烧产物的成分与密度 CO2%=VCO2/V0100%=17.42% SO2%=VSO2/V0100%=0.37% H2O%=VH2O/V0100%=6.09% N2%=VN2/V0100%=76.12% =100% =(44CO2%64SO2%18H2O%28N2%)/22.4 =1.35(kgm-3),5）燃烧发热温度（内插值近似法） h=Q低y/V0=3658(kJm-3) 设t=2100 ，此时燃烧产物的热焓量 h=CO2%hCO2SO2%hSO2H2O%hH2ON2%hN2 =3557.4(kJm-3)h t热=(hh)(t

21、” t)/(h” h) t=2153(),第三节影响理论燃烧温度的因素,t理=(Q低+Q燃+Q空Q分)/Vnc产 燃料的发热量 Q低越大， t理越高，也不尽然。 空气消耗系数 n1的情况下，n越大， t理越低 所以在保证完全燃烧的情况下，尽量减小空气消耗系数n。,空气和煤气的预热温度 空气和煤气的预热温度越高， t理越高； 对发热量高的燃料比发热量低的燃料效果显著； 对发热量高的煤气，预热空气比预热煤气（相同温度）的效果更大。 由于预热空气或煤气的热量是烟气余热，故从经济的角度看，这种方法更为合理。,空气的富氧程度 空气的富氧程度越高，理论燃烧温度越高，因为燃烧产物生成量减少了。 实践表明富氧

22、浓度在30%以下时，富氧空气对燃烧温度的提高效果明显，再提高富氧浓度，效果就越来越不明显了。 实际燃烧温度的计算 t产=t理 炉温系数，经验值,第六章空气消耗系数及不完全燃烧热损失的检测计算,烟气成分用烟气成分分析仪测定，按工作原理分为两类： 1、化学式的，利用化学药品分别吸收烟气中各种组分，分别测定其含量，如奥氏（Orsat）气体分析仪。 2、物理式的，利用各种气体物理特性的不同，从而测定烟气组分及其含量。如二氧化碳气体分析仪。,奥氏气体分析仪的一般分析 1、氢氧化钾溶液吸收烟气中的CO2+SO2 CO2+2KOH=K2CO3+H2O SO2+2KOH=K2SO3+H2O 2、焦性没食子酸（

23、C6H3(OH)3）的碱溶液吸收烟气中的O2（也可吸收RO2） 4C6H3(OH)3+O2=2(OH)3C6H2- C6H2(OH)3+H20 3、氯化亚铜的氨溶液Cu(NH3)2Cl可以吸收烟气中的CO（也可吸收O2） Cu(NH3)2Cl+2CO= Cu(CO)2Cl+2NH3,第一节燃烧产物气体成分的测定和验证,为什么要对烟气成分进行分析？ 1、空气一般不计量，检验空气消耗系数； 2、检测完全燃烧情况，燃烧组织的好坏； 所以在进行燃烧过程的检测计算之前，必须先获得准确的燃烧产物成分的实测数据。那么，如何判断气体分析的结果是否准确？下面推导燃料和燃烧产物之间的关系式，以验证气体成分分析的正

24、确性。,设VRO2表示完全燃烧产物中的RO2的数量，V0干表示干理论燃烧产物生成量，则燃烧产物中RO2的最大理论含量（干成分%）为： RO2，大=100VRO2/V0干 V0干=VRO2+VN2 同时,式中为燃料特性系数，只取决于燃料成分，在空气中燃烧时计算式见P44公式（2-3-12）（2-3-13） 的计算方法必须掌握。 能否根据燃烧产物成分计算RO2，大？,整理得： (1+)RO2+(0.605+)CO+O2-0.185H2 -(0.58-)CH4=21 该式称为“气体分析方程”。 根据气体分析方程，就可验证燃烧产物气体分析的正确性。,第二节空气消耗系数的检测计算,正常生产的炉子由于吸气

25、和漏气的影响，要按照烟气成分计算实际空气消耗系数。 按氧平衡原理计算n值 n=Ln/L0 =LnO2/L0O2 =(L0O2+LO2)/L0O2 K=L0O2/VRO2,按氮平衡原理计算n值,L0O2,LO2,最后得到公式2-3-24 对于气体燃料：N燃=N2湿 对于固液燃料：N燃=22.4Ny/28,思路： 气体分析方程展示的是燃烧产物成分与燃料特性系数 之间的关系，若能分别得到 与燃烧产物成分之间的关系，通过 就可以得到燃烧产物成分与 间的关系式，即气体分析方程,气体分析方程及其应用,验证方法： 用已知的燃料成分计算出 ，将测得的燃烧产物成分和 值代入气体分析方程的左侧，计算出M值，若M值与气体分析方