燃烧计算及燃料组成表示方法

2023-10-11 理论教育版权反馈

【摘要】：一般用体积分数表示，并有干成分和湿成分两种表示方法。对于具体的气体燃料，应按各自可燃成分在计算时进行增减。②实际烟气量对于固体、液体燃料：过剩的空气使烟气中含有O2，烟气各组成的生成量为：实际烟气组成的计算与理论烟气组成的计算相同。表1-1-8不同燃料燃烧时及V0的数值范围燃烧温度的计算燃料燃烧时，燃烧产物所能达到的温度称为燃烧温度。

（一）燃料组成的表示

1.固体、液体燃料

固体、液体燃料的组成，可以由化学分析得到，通常包括碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）五种元素以及水分（M）和部分矿物杂质——灰分（A）。上述元素并不是单独自由存在的，而是以结合成有机化合物的形式存在。这种用元素来表示燃料组成的分析方法，称为元素分析法。还有一种分析固体燃料组成的简易方法叫工业分析法，其组成由挥发分（V）、固定碳（FC）、灰分（A）及水分（M）来表示。

由于煤的开采、运输、贮存的条件往往不同，因而同类煤的组成也会有较大的变动，特别是其中的水分和灰分的含量。所以在表示煤的组成时，必须说明所选用煤的基准。表示煤组成的常用基准有四个：（1）收到基，指使用单位收到的煤的组成，在各组成的右下角以“ar”表示；（2）空气干燥基，指风干（20℃、相对湿度70%）煤样的组成，各组成右下角以“ad”表示；（3）干燥基，指绝对干燥的煤的组成，各组成右下角以“d”表示；（4）干燥无灰基，指假想的无水无灰的煤的组成，各组成右下角以“daf”表示。其中，用于燃烧计算的为收到基组成，常用下式表示：

2.气体燃料

气体燃料是由可燃成分（如：CO、H2、H2S、CH4、CmHn等）及不可燃成分（CO2、H2O、N2、SO2、O2等）组成的混合气体。一般用体积分数表示，并有干成分和湿成分两种表示方法。

通常给出的煤气分析数据是干煤气的成分，而燃烧计算时应采用湿成分，故两者要进行换算，其换算关系如下：

3.根据燃料组成估算燃料热值

（1）固体、液体燃料

若已知固体、液体燃料的收到基组成，可按下式估算其收到基低位热值：

（2）若已知气体燃料的体积分数，可按下式估算气体燃料的低热值：

式（1—9）中，若各气体成分为干成分时，计算出的热值为气体燃料干成分低位热值；若为湿成分，则为湿成分低位热值。

（二）燃烧计算

1.基本知识

（1）完全燃烧与不完全燃烧

所谓燃烧，即为燃料中的可燃成分与氧气进行的激烈氧化反应，完全燃烧，是指燃料中所有的可燃成分达到完全氧化，燃烧产物中不存在游离碳和CO、H2、CH4等可燃气体。

不完全燃烧，是指燃料中的可燃成分没有全部氧化，燃烧产物中有游离碳和CO、H2、CH4等可燃气体。不完全燃烧又分为化学不完全燃烧和机械不完全燃烧。化学不完全燃烧指燃烧产物中含有游离碳、CO、H2；机械不完全燃烧指部分可燃成分未参加燃烧反应被损失掉，如因管道、阀门不严而泄漏的液体或气体燃料等。

（2）空气系数

陶瓷窑炉燃料燃烧一般用空气助燃，特殊情况采用纯氧助燃。按燃烧化学反应方程式计算得到的燃料完全燃烧所需的空气量（m3/kg或m3/m3）叫理论空气量（）。燃烧时，实际通入的空气量叫实际空气量（Va），实际空气量与理论空气量的比值，叫作空气系数（或空气过剩系数）α，即

空气系数的选择，取决于燃料的种类、燃烧设备、燃烧方式等。

（3）烟气的成分

燃烧时通入的空气量不同，燃烧产生的烟气的化学性质也不同，根据烟气的化学性质，可分为氧化气氛、中性气氛和还原气氛。

①氧化气氛

烟气中含有O2，不含CO、H2等时，称为氧化气氛。燃烧时空气系数α＞1。

②还原气氛

烟气中含有CO、H2等，不含O2时，称为还原气氛，燃烧时空气系数α＜1。

③中性气氛

烟气中既不含O2，也不含CO、H2时，称为中性气氛，燃烧时空气系数α=1。

2.燃烧计算方法

燃烧计算的项目通常有燃料燃烧所需空气量、烟气生成量及烟气组成、燃烧温度等。计算时，空气近似认为只有N2和O2两种气体构成，其中N2的体积占79%，O2的体积占21%，所涉及的气体均按标准状态来计算，标态下1Kmol的气体体积为22.4m3。

（1）空气量的计算

①理论空气量的计算

对于固体、液体燃料，各可燃成分燃烧时按下列反应进行：

燃料中的Oar可认为相当于O2提供助燃，燃料燃烧所需理论氧气量：

对于气体燃料，由于组分不同，其可燃成分也不同，这里列举主要的可燃气体如CO、H2、H2S、CH4及CmHn等，其燃烧按下列反应进行。对于具体的气体燃料，应按各自可燃成分在计算时进行增减。

那么1m3含这些可燃气体的气体燃料燃烧所需理论氧气量为：

需理论空气量为：

②实际空气量的计算(www.chuimin.cn)

（2）烟气量及烟气组成的计算

①理论烟气量V0及烟气组成的计算

理论烟气量是指燃料与理论空气进行完全燃烧时所产生的烟气量。它由以下部分组成：燃料燃烧产生的气体成分、燃烧时燃料中产生的不可燃气体组分以及助燃空气中的不可燃成分等。

对于固体、液体燃料，理论烟气中各组成的生成量为：

所以，理论烟气量为各组成生成量之和为：

理论烟气组成：

式中：φCO2、φH2O、φSO2、φN2——为烟气中各组成的体积分数，例如：

对于气体燃料，烟气中各气体组成生成量为：

理论烟气量为：

其理论烟气组成计算方法同固、液燃料。

②实际烟气量

对于固体、液体燃料：

过剩的空气使烟气中含有O2，烟气各组成的生成量为：

实际烟气组成的计算与理论烟气组成的计算相同。

当α＜1时，由于空气供应不足，燃料中将有部分可燃物质不能完全燃烧，产物中可能含有可燃气体。为简化计算，产物中的可燃气体均按CO进行计算。

导致烟气中CO生成的不足氧量为：（1-α） m3/kg

按燃烧反应式2CO+O2→2CO2可知，每少一个氧分子可生成两个CO分子，故CO量为：

比较V和V0可知，实际烟气量为：

对于气体燃料：

当α＞1时，实际烟气量为：

过剩空气中O2的生成量为：

当α＜1时，若煤气按比例燃烧，则：

式中：1-α——未燃燃料量，m3/m3；

αV0——燃烧产生烟气量，m3/m3。

（3）理论空气量和理论烟气量的估算

若燃料组成等不知道时，可根据燃料的种类按表1-1-8粗略估算理论空气量及理论烟气量。

表1-1-8　不同燃料燃烧时及V0的数值范围

（4）燃烧温度的计算

燃料燃烧时，燃烧产物所能达到的温度称为燃烧温度。为了便于分析问题，在热工计算中建立了理论燃烧温度和实际燃烧温度的概念。

①理论燃烧温度

燃料完全燃烧放出的热量以及燃料和助燃空气带入的显热全部用于加热燃烧产物，此时燃烧产物的温度称为理论燃烧温度，用tth表示。根据其定义，有：

②实际燃烧温度

燃料燃烧时，燃烧产物的实际温度称为实际燃烧温度，用tp表示。实际燃烧时，存在机械不完全燃烧热损失Qml、化学不完全燃烧热损失Qch、炉体向外界的散热损失Ql、物料吸收的热量QM等。根据热平衡：

由于各种热损失的数据不容易获得，所以利用式（1—24）计算实际燃烧温度是困难的。

实际燃烧温度和理论燃烧温度的比值，称为高温系数，用η表示。

陶瓷隧道窑：气体或液体燃料η=0.78～0.83

陶瓷间歇窑：液体或气体燃料η=0.73～0.78

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