第01章-燃气的燃烧计算

第一章燃气的燃烧计算本章要点••燃气燃烧计算为工业炉、锅炉及燃气用具的热平衡计算、传热计算、空气动力计算和燃烧器的计算提供可靠的依据。本章主要内容包括：（1）燃气的热值；（2）燃气燃烧的空气量；（3）燃气燃烧的温度；（4）燃气燃烧产生的烟气量。21792年，默多克（苏格兰），用煤气照明；1805年，城市照明用煤气街灯；1833年，工业用鼓风燃烧器研制成功；1855年，本生灯，局部预混燃烧方式；1855年，照明用白炽灯；1851年，长明小火燃烧器；1865年前后，居民用煤气灶；1868年，燃气热水器；1881年，华白燃烧器。燃气具发展概述4第一节燃气的热值一、燃烧及燃烧反应计量方程式燃烧：气体燃料中的可燃成份（H2、CO、CmHn和H2S）在一定条件下与氧发生激烈的氧化作用，并产生大量光和热的物理化学反应过程。燃烧所具备的条件：可燃成分和氧按一定比例成分子状混合；具备破坏旧分子和生成新分子所需的能量；具备完成燃烧反应的时间。5第一节燃气的热值•燃烧反应计量方程式：表示单一可燃气体燃烧反应前后物质的变化情况以及体积和质量的比例关系。•常见燃气组分燃烧反应计量方程式：CH4+2O2=CO2+2H2O+HH2+0.5O2=H2O+HCO+0.5O2=CO2+H6H2S+1.5O2=SO2+H2O+H第一节燃气的热值二、燃气热值的确定热值：1Nm3燃气完全燃烧所放出的热量称为该燃气的热值（kJ／Nm3或kJ/kg）。可根据燃烧反应热效应计算。高热值：1Nm3燃气完全燃烧后其烟气被冷却至燃气的初始温度，烟气中的水蒸气以凝结水排出时所放出的热量。低热值：1Nm3燃气完全燃烧后其烟气被冷却至燃气的初始温度，烟气中的水蒸气仍为蒸汽状态时所放出的热量。7第一节燃气的热值•单一气体热值的确定：以甲烷为例：890943——甲烷热效应值（高）；802932——甲烷热效应值（低）；22.3621——标态下甲烷摩尔容积。8222148744.097204542444.097=50377kJ/kg=46385kJ/kgHh=Hl=2221487——丙烷热效应值（高）；2045424——丙烷热效应值（低）；44.097——丙烷分子量。9第一节燃气的热值以丙烷为例：式中H——燃气（混合气）的热值，kJ／第一节燃气的热值•混合气体热值的确定按照混合法则：H=H1r1+H2r2++HnrnNm3；H1，H2，Hn——燃气各可燃组分的热值，kJ／Nm3；r1，r2，rn——燃气各可燃组分的体积分数。10第一节燃气的热值•干燃气高热值与低热值的换算：H2，CmHn，H2S——氢、碳氢化合物、硫化氢的体积分数。式中Hdrh——干燃气的高热值，kJ／Nm3；Hdrl——干燃气的低热值，kJ／Nm3；11H=H第一节燃气的热值•干燃气低热值与湿燃气低热值的换算：drlwl0.8330.833+dg思考题（1）什么是燃气的燃烧？燃烧必须具备的条件有哪些？（2）什么是燃气的热值？（3）燃气的高热值和低热值的区别是什么？（4）多组分燃气的热值如何进行计算？13第二节燃烧所需空气量理论空气需要量：每Nm3(kg)燃气按燃烧反应计量方程式完全燃烧所需要的空气量（Nm3／Nm3或Nm3／kg）。理论空气量：完全燃烧最小空气量。假定：空气中氧气21%，氮气79%干空气中氮、氧体积比：氮气：氧气=79:21=3.7614第二节燃烧所需空气量（一）单一可燃气体理论空气需要量（1）氢燃烧反应的理论空气需要量：H2+0.5O2+0.5×3.76N2=H2O+0.5×3.76N2所需空气量为：0.5+0.5×3.76=2.38Nm3（2）碳氢化合物的理论空气需要量：所需空气量为：4.76（m+n/4）Nm315第二节燃烧所需空气量（二）燃气燃烧所需的理论空气量，H2、CO、CmHn、H2S——可燃组分的体积分数(%)；O2——燃气中氧的体积分数,(%)。16第二节燃烧所需空气量•已知燃气热值，可用近似计算公式计算理论空气需要量：HhHlHl30.2410000.26810000.2610000.2091000V0=V0=V0=Hl-0.25Hl10500kJ/Nm3V0=Hl10500kJ/Nm烷烃类燃气17第二节燃烧所需空气量二、实际空气需要量•过剩空气系数α：实际供给的空气量V与理论空气需要量V0的比。•通常α1。取决于燃烧方法和运行工况。•工业燃气设备α=1.05‾1.20；民用燃具α=1.30‾1.80。•一般情况下要在保证完全燃烧的前提下，过剩空气系数越小越理想。α=VV0或V=αV018•燃烧温度与燃气种类、热值、燃烧物产量、燃气和空气温度及过剩空气系数等因素有关。•燃烧温度：燃料燃烧后燃烧产物所达到的温度•燃烧温度的计算——能量守衡，即热（量）平衡:热（量）的收入=热（量）的支出19第三节燃气燃烧温度1．燃烧过程中的热平衡（单位燃料燃烧）：热收入：（1）Q化---QD，化学热KJ/m3（或KJ/kg）（2）Q物—空气与燃料带入的物理热Q物=1×t燃×C燃+Ln×t空×C空热支出：（1）烟气带走热量Q产=Vn×C产×t产（2）Q不—不完全燃烧热损失（3）Q传—散热损失（4）Q分—产物中热分解消耗的热量第三节燃气燃烧温度热平衡式•Q化+Q物=Q产+Q不+Q传+Q分第三节燃气燃烧温度2、燃烧温度由上述热平衡式得到t产=产分传不物CVQQQQQnd)(++-+称为实际燃烧温度——燃料在实际条件下燃烧产物所达到的温度。第三节燃气燃烧温度•当不考虑Q传和Q不（即Q传=0，Q不=0）时，有•t理=•称为理论燃烧温度（绝热完全燃烧火焰温度）——表明某燃料在某条件下所达到的最高温度。产分燃空cVnQ-QQQD++第三节燃气燃烧温度量热计温度•理论燃烧温度计算过程中不考虑热分解影响•t量=产燃空cVnQQQD++第三节燃气燃烧温度当Q传=Q不=Q分=Q物=0，n=1时，有Q低t热=————VoC产称为燃料理论发热温度——是从燃烧温度的角度出发，来评价燃料性质的一种温度。第三节燃气燃烧温度3、影响理论燃烧温度因素（1）燃料的QD对t理的影响当QD较小时，QDt理，但QD较大时，QD再时，t理几乎不变。第三节燃气燃烧温度由理论燃烧公式可知空产分燃燃空空）（CVLnCVQVtCtCVLnVQD00000001-+-++0VQD气体名称RQDVot热t理丙烷3537.6749127225.821102097焦炉煤气3683.197179744.8820652030甲烷3405.9893583110.5220452030高炉煤气2469.2964000.261.6214801450t理=QD，V0定义烟气的热焓R=第三节燃气燃烧温度（2）预热温度（见图5-7）t空，t燃，t理焦炉煤气：L0=4高炉煤气：L0=0.74~0.89预热哪一项？用焦炉煤气----预热空气高炉煤气----既预热空气又预热煤气（3）空气过剩系数nn在保证完全燃烧的情况下，尽可能小对于高—焦煤气，⊿n↑=0.1，⊿t理↓=75℃对焦炉煤气，⊿n↑=0.1，⊿t理↓=100℃（4）富氧程度ω↑，V0↓，带入N2减少（图5-8）ω：27~30%效果最好第三节燃气燃烧温度第三节燃气燃烧温度第三节燃气燃烧温度（1）什么是燃气燃烧的理论空气需要量？（2）什么是过剩空气系数？（3）如何计算理论空气需要量和实际空气需要量？（4）理论燃烧温度和实际燃烧温度分别如何定义的？（5）影响燃烧温度的因素有哪些？21思考题第四节完全燃烧产物的计算•燃烧产物——烟气。•理论烟气量：供给理论空气量时，燃气完全燃烧后产生的烟气量。（CO2，SO2，N2和H2O）•实际烟气量：当有过剩空气存在时，燃气燃烧后产生的烟气量。（CO2，SO2，N2，O2和H2O及未燃烧的可燃组分）22理论烟气量：V=VRO2+V+V第四节完全燃烧产物的计算（一）按燃气组分计算1.理论烟气量（当α=1）000N2fH2O23第四节完全燃烧产物的计算2.实际烟气量（当α1）实际烟气量：Vf=VRO2+VH2O+VN2+VO224V=第四节完全燃烧产物的计算（二）按燃气热值近似计算1.理论烟气量+a0f0.239Hl1000石油伴生气，a=2.2液化石油气，a=4.5天然气，a=2第四节完全燃烧产物的计算二、烟气密度•标准状态下：第四节完全燃烧产物的计算三、燃气燃烧计算举例【例1-1】已知炼焦煤气的容积成分为dg=12.5g/Nm3干燃气，tg=ta=20℃，da=10g/Nm3干空气。求（1）高热值及低热值；（2）燃烧所需理论空气量；（3）完全燃烧时的烟气量（α＝1.0和α＝1.2）。H256%CO6%CH422%C2H62%CO23%N210%O21%27H=H第四节完全燃烧产物的计算【解】（一）高热值和低热值Hh=Hh1r1+Hh2r2++Hhnrn=12753×0.56+12644×0.06+39842×0.22+70351×0.02=18074kJ/Nm3Hl=Hl1r1+Hl2r2++Hlnrn=10794×0.56+12644×0.06+35906×0.22+64397×0.02=15989kJ/Nm3drlwl=15753kJ/Nm30.8330.833+0.0125=159890.8330.833+dg28Hl-0.25=×15753-0.25=3.85Nm3/Nm3第四节完全燃烧产物的计算（二）理论空气需要量1.按组分计算=3.86Nm3/Nm32.按低热值计算0.2610000.261000V0=29第四节完全燃烧产物的计算（二）完全燃烧时的烟气量1.理论烟气量（α＝1.0）]（1）按组分计算VRO2=0.01[CO2+CO+mCmHn+1.0H2S=0.01[3+6+22+2×2]Vf=00.272Hl1000+0.250.272×157531000+0.25=第四节完全燃烧产物的计算VN02=0.79V0+0.01N2=0.79×3.85+0.01×10=3.15Nm3/Nm3干燃气Vf0=VRO2+VH02O+VN02=0.35+1.12+3.15=4.62Nm3/Nm3干燃气(2)按热值计算=4.54Nm3/Nm3干燃气31第四节完全燃烧产物的计算1.实际烟气量（α＝1.2）=1.13Nm3/Nm3干燃气VN2=0.79V0+0.01N2=3.76Nm3/Nm3干燃气VO2=0.21(1)V0=0.16Nm3/Nm3干燃气Vf=VRO2+VH2O+VN2+VO2=5.4Nm3/Nm3干燃气32思考题（1）如何计算燃气燃烧的理论烟气量？（2）如何计算燃气燃烧的实际烟气量？33燃气的热值燃烧所需空气量燃烧产生烟气量本章小结燃气的燃烧计算•基本概念：燃烧、热值、高热值、低热值、过剩空气系数、燃烧温度、理论烟气量、实际烟气量等；•燃气热值的计算；•理论空气需要量和实际空气需要量的计算；•理论烟气量和实际烟气量的计算。34作业•已知燃气的容积成份CH491.5%C2H65.5%C3H81.6%CO20.3%H2S2%N20.1%ta=tg=20℃。•求：(1)燃气的高热值，低热值；(2)燃烧所需理论空气量；(3)当α＝1.0和α＝1.2时，燃气完全燃烧所产生的烟气量。35