燃料与燃烧(第二篇)

《燃料与燃烧》第二篇燃料燃烧计算第二篇燃料燃烧计算第二篇学习重点要求重点掌握：1.燃烧反应计算的基本原理和方法2.完全燃烧时的空气需要量、烟气量及其组成、密度3.理论燃烧温度/燃料理论发热温度的定义及其计算第二篇燃料燃烧计算燃烧计算的主要任务：1.燃烧空气需要量计算（理论空气和实际空气量）2.燃烧产物量（烟气）、成分和密度的计算3.燃烧完全程度计算（不完全燃烧情况）4.燃烧温度的计算（理论燃烧温度和实际燃烧温度）第四章空气需要量及燃烧产物生成量燃料的燃烧过程是一种复杂的物理化学过程，其中包含了流体流动、传热传质和化学反应等各个方面。燃烧从本质上讲是一种剧烈的化学反应，是燃料中的可燃物质与氧气进行的快速的、发光发热的氧化反应过程。本章主要学习燃料燃烧计算的基本原理和燃料燃烧相关参数的计算方法。第二篇燃料燃烧计算燃烧计算的基本原理：燃料+氧化剂=燃烧产物煤、油、燃气空气/氧气CO2、H2O、SO2、N2、O2，灰分当不完全燃烧时：燃烧产物中还有CO、H2、CH4，C等计算的主要依据：质量守衡——物料平衡（计算燃烧需要的空气量和产生的烟气量）能量守衡——热量平衡（计算燃烧烟气的温度）第四章空气需要量及燃烧产物生成量§1燃烧所需的空气量计算一、燃烧反应方程式矿物燃料主要由碳和氢两种可燃元素组成，还含有少量的硫，氧、氮、灰分和水分等。其化学反应方程如下：C+O2=CO2+407000(反应的热效应)（kj/千摩尔）H2+0.5O2=H2O+241200（kj/千摩尔）S+O2=SO2+334900（kj/千摩尔）如果氧气供应不足，就会产生不完全燃烧，部分碳将燃烧生成一氧化碳，燃烧反应式为：C+0.5O2=CO+123100（kj/kg分子）不完全燃烧将造成热量的损失和环境污染。第四章空气需要量及燃烧产物生成量§1燃烧所需的空气量计算二、固体和液体燃料的理论空气需要量理论空气量：按化学计量比计算的单位燃料完全燃烧所需要的空气量叫理论空气量（Nm3/kg；Nm3/Nm3）。固体和液体燃料的理论空气需要量计算如下：燃料成分为：C%+H%+O%+N%+S%+A%+W%=100%可燃组分为：C，H，S其中碳的燃烧：C+O2=CO2数量关系：12+32=44（kg）每公斤碳燃烧的需氧量为：1+8/3=11/3（kg/kg）第四章空气需要量及燃烧产物生成量§1燃烧所需的空气量计算二、固体和液体燃料的理论空气需要量对于氢的燃烧：H2+0.5O2=H2O数量关系：2+16=18（kg）每公斤氢燃烧的需氧量为：1+8=9（kg/kg）硫燃烧时：S+O2=SO2数量关系：32+32=64（kg）每公斤氢燃烧的需氧量为：1+1=2（kg/kg）第四章空气需要量及燃烧产物生成量§1燃烧所需的空气量计算二、固体和液体燃料的理论空气需要量因此，每公斤燃料完全燃烧所需要的理论氧气质量为：（kg/kg）(4-2)在标准状态下1kmol质量的气体体积量为22.4Nm3，所以标准状态下氧的密度为32/22.4=1.429kg/Nm3。故每公斤燃料完全燃烧所需要的理论氧气体积量为：（Nm3/kg）(4-3)1001)838(2.0OSHCGO1001)838(429.112.0OSHCLO第四章空气需要量及燃烧产物生成量§1燃烧所需的空气量计算二、固体和液体燃料的理论空气需要量一般的工业燃烧都是在空气中燃烧，燃烧所需要的理论空气需要量为：（Nm3/kg）(4-5)或者可以写为：（Nm3/kg）(4-5a)1001)838(21.0429.11.0OSHCL)33.333.367.2689.8(01.0.0OSHCL　第四章空气需要量及燃烧产物生成量§1燃烧所需的空气量计算三、气体燃料的理论空气需要量气体燃料的体积百分数成分组成为：CO%+H2%+CH4%+CnHm%+H2S%+COS2%+O2%+N2%+H2O%=100%各可燃组分的化学反应方程式为：其中CO的燃烧：CO+0.5O2=CO2氢的燃烧：H2+0.5O2=H2O碳氢化合物的燃烧：硫化氢的燃烧：H2S+1.5O2=H2O+SO2222mnCO2mOnH)O4m(nHC第四章空气需要量及燃烧产物生成量§1燃烧所需的空气量计算三、气体燃料的理论空气需要量因为在标准状态下，各种气体的单位摩尔体积都相等（22.4Nm3/kmol），故1Nm3的CO完全燃烧需要0.5Nm3的氧气，1Nm3的H2完全燃烧需要0.5Nm3的氧气，1Nm3的H2S完全燃烧需要1.5Nm3的氧气,1Nm3的CnHm完全燃烧需要（n+m/4)的氧气。因此，1Nm3燃气完全燃烧的理论氧气量为：（Nm3/Nm3）2222.010]5.1)4(5.05.0[2OSHHCmnHCOLmnO第四章空气需要量及燃烧产物生成量§1燃烧所需的空气量计算三、气体燃料的理论空气需要量1Nm3燃气完全燃烧的理论空气量为：（Nm3/Nm3）(4-8)小结：1、理论空气量的大小与燃料的元素成分或气体的成分有关，不同的燃料其理论空气量不同。2、对于液体燃料其元素成分主要是碳和氢，而且含量大致相同，因此液体燃料的理论空气量基本相等。如：汽油L0=11.43（Nm3/kg），煤油L0=11.34（Nm3/kg），重馏分油L0=11.25（Nm3/kg）。222210]5.1)4(5.05.0[76.4OSHHCmnHCOmn2222010]5.1)4(5.05.0[21.01OSHHCmnHCOLmn第四章空气需要量及燃烧产物生成量§1燃烧所需的空气量计算四、实际空气需要量与过剩空气系数在实际的燃烧装置中为保证燃料能够完全燃烧，实际供应的空气量总是大于理论空气量的。燃烧时实际供应的空气量叫实际空气量。实际空气量与理论空气量的比值称为过剩空气系数。过剩空气系数：n=Ln/L0实际空气量：Ln=nL0过剩空气量：Ln-L0=nL0-L0=(n-1)L0当空气的湿度较大时，计算实际空气量时应该把空气中水分计算在内。当空气中的饱和水蒸气含量为g（g/m3）时,可以将其换算为体积含量（g可以查附表5）。第四章空气需要量及燃烧产物生成量§1燃烧所需的空气量计算四、实际空气需要量与过剩空气系数1立方米空气中的饱和水蒸气含量g换算为体积含量为：考虑到空气水分的实际空气量为：gg00124.010001184.220000124.0nLgnLLn0)00124.01(nLg第四章空气需要量及燃烧产物生成量关于燃烧空气量的理论分析:1、理论空气量是保证燃料能够完全燃烧的最小空气量。小于理论空气量的任何燃烧过程都会不可避免的造成燃烧不完全，浪费燃料污染环境。2、当n大于1时，实际空气量Ln大于理论空气需要量L0，空气量有富裕，能够满足完全燃烧的需要。但是如果n过大，燃烧剩余的空气量过多，会造成燃烧温度降低，烟气量增加和排烟热损失增大。3、当n小于1时，实际空气量Ln小于理论空气需要量L0，空气量过小会造成燃料的不完全燃烧，燃烧温度也会降低。4、当n=1时，Ln=L0，实际空气量Ln等于理论空气需要量L0，理论上燃料可以完全燃烧，无多余燃料也无多余的空气，此时燃烧的温度最高。这时的燃料与空气之比叫化学当量比。第四章空气需要量及燃烧产物生成量§2完全燃烧的烟气量计算燃烧产物的量可以根据燃烧反应前后的物质平衡关系进行计算。完全燃烧时单位燃料燃烧后的产物包括：CO2，SO2，H2O，O2，N2（Nm3/kg）或者（Nm3/Nm3）(4-11)22222ONOHSOCOnVVVVVV第四章空气需要量及燃烧产物生成量一、固体和液体燃料的烟气量对于固体和液体燃料，根据（4-1）可以得到以下各生成物的数量关系：（Nm3/kg）（4-13）000)1(10021100791001.284.22.00124.01001.184.22).9(1004.22.321001.644.2221004.2212444.22100131122222LnVnLNVgnLMHVSSVCCVONOHSOCO第四章空气需要量及燃烧产物生成量一、固体和液体燃料的烟气量将以上代入式（4-11）整理后可以得到燃料完全燃烧的实际烟气量为：（Nm3/kg）（4-14-a）当n=1时，得到燃料完全燃烧的理论烟气量为：（Nm3/kg）（4-14-b）0000124.0)10021(1004.22)281823212(gnLLnNMHSCVn00000124.0100791004.22)281823212(gLLNMHSCV第四章空气需要量及燃烧产物生成量一、固体和液体燃料的烟气量当不计空气中的水分时，燃料完全燃烧的理论烟气量为：（Nm3/kg）（4-15）由（4-14-a）和（4-14-b）可以得到完全燃烧的实际烟气量与理论烟气量的数量关系为：（Nm3/kg）（4-12-a）在完全燃烧的情况下实际烟气量与理论烟气量的差为烟气中过剩空气量(n-1)L0。00)1(LnVVn00100791004.22)281823212(LNMHSCV第四章空气需要量及燃烧产物生成量§2完全燃烧的烟气量计算二、气体燃料的烟气量对于气体燃料，由（4-6）根据物质平衡关系可以得到：（Nm3/Nm3）（4-16）00022222)1(10021100791001.00124.01001).2(1001.1001).(22222LnVnLNVgnLOHSHHCmHVSHVCOHnCCOVONmnOHSOmnCOnL第四章空气需要量及燃烧产物生成量§2完全燃烧的烟气量计算二、气体燃料的烟气量将式（4-16）代入式（4-11）经过整理后得到完全燃烧时气体燃料的实际烟气量为：（Nm3/Nm3）（4-17）理论烟气量（n=1时，不考虑空气的水分）为：（4-18）002222200124.0)10021(1001]02)2([gnLLnHNCOSHHCmnHCOVmnn022222100791001]02)2([LHNCOSHHCmnHCOVmnn第四章空气需要量及燃烧产物生成量§2完全燃烧的烟气量计算二、气体燃料的烟气量气体燃料的实际烟气量也同样可以写为：（Nm3/kg）（4-12-a）00)1(LnVVn第四章空气需要量及燃烧产物生成量§2完全燃烧的烟气量计算三、燃烧烟气量成分表示方法%100%%%%%'2'2'2'2'2ONOHSOCO100_________________100.100.100.100.100.22222'2'2'2'2'2nOnNnOHnSOnCOVVOVVNVVOHVVSOVVCO第四章空气需要量及燃烧产物生成量§2完全燃烧的烟气量计算关于烟气量的理论分析：1、理论烟气量是提供理论空气量并保证完全燃烧情况下产生烟气量，是燃料完全燃烧产生的最小烟气量。2、理论烟气量V0的大小与燃料的元素成分或气体的成分有关，不同的燃料其理论理论烟气量不同；燃料中可燃成分越高，发热量越大，理论烟气量V0也就越大。3、实际烟气量Vn的大小除与燃料的元素成分或气体的成分有关外，还与过剩空气系数n的大小有直接关系，n值越大Vn也就越大。4、燃烧烟气的成分比例与燃料的元素成分有关，也与过剩空气系数n有关，n值越大，过剩空气量增加，烟气中过剩的O2，N2的比例增大。第四章空气需要量及燃烧产物生成量§2完全燃烧的烟气量计算四、烟气密度的计算方法按照质量守衡的原理，可以用参加反应的物质（或者燃烧产物）的总质量除以烟气总体积得到烟气的密度。1、液体和固体燃料烟气的密度（按反应物总质量）（kg/Nm3）（4-20）nnVLA293.1)1001(第四章空气需要量及燃烧产物生成量四、烟气密度的计算方法2、气体燃料烟气的密度（按反应物总质量）（kg/Nm3）（4-21）3、固