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1、第三章燃烧过程的热工计算第三章燃烧过程的热工计算概述n燃烧过程热力计算是燃烧装置及整个热力系统的设计与运行都是不可缺少的。n燃烧是燃料中可燃物质与空气中氧气进行迅速、发光、发热的氧化反应，燃烧过程的计算基于这些化学反应过程中质量平衡与热量平衡。n燃料的燃烧过程有在“完全燃烧”与“不完全燃烧”两种状况。n燃烧过程计算中视燃烧产物、空气、水蒸气为理想气体。空气的成分在燃烧计算中，空气成分只考虑氧、氮及水蒸气，其中：氧气：23.2%（按质量）或21%（按体积） 氮气：76.8%（按质量）或79%（按体积） 水蒸气：常温常压条件下，10g/kg-干空气 0.01293kg/Nm3-干空气完全燃烧产物：
2、CO2、H2O、SO2、O2、N2不完全燃烧产物：CO2、H2O、SO2、O2、N2、CO、H2、CH4、C、CmHn31 燃料燃烧所需的空气量q理论空气量当每千克燃料中的可燃组分完全燃烧，且空气中的氧全部用完，这种理想情况下燃烧所需的空气量称理论空气量，用L0或V0表示。L0：kg-空气/kg-燃料V0：Nm3-空气/kg-燃料燃烧过程的实质是燃料中的可燃物分子与氧化剂分子之间的化学反应。燃料中的可燃组分C、H、S和空气中的O2进行燃烧反应，产物是CO2、CO、SO2和水蒸气。计算依据是质量平衡和热量守恒原理。因此理论空气量与燃料的可燃质含量有关，对于固体和液体燃料可根据燃料的元素分析成分计
3、算，对于气体燃料，则可根据各组分气体的百分比计算。每千克燃料中的该可燃元素完全燃烧时需要的氧质量或体积为：燃料中可燃元素的燃烧反应：每千克燃料中本身含有的氧质量或体积为：液体燃料或固体燃料理论空气量的计算：液体燃料或固体燃料理论空气量的计算：完全燃烧每千克燃料需要的空气质量应为：完全燃烧每千克燃料需要的空气体积应为： 注意：以上理论空气量计算式中都为不含水蒸气的干空气量。实际计算时应加入水蒸气的量。空气中水蒸气的多少会因季节天气不同而改变。对于气体燃料燃烧所需的理论空气量为：气态燃料理论空气量的计算：以上计算量为理论空气量，实际上在组织燃烧时，由于空气和燃料不可能混合得非常均匀，必须多送些空气
4、量才能使燃料接近完全燃烧。31 燃料燃烧所需的空气量q实际空气供给量与空气消耗系数实际空气供给量与理论空气需要量的比值称为空气消耗系数（或过量空气系数，余气系数等），用表示：31 燃料燃烧所需的空气量空气消耗系数的选择1贫油燃烧、贫油混气1化学恰当燃烧、化学恰当混气1富油燃烧、富油混气选择的原则是什么？整个系统的热损失最小热力系统热损失与空气消耗系数的关系：热力系统热损失与空气消耗系数的关系：q2排烟损失q3化学不完全燃烧损失q4机械不完全燃烧损失原则上易燃燃料及设计完善的燃烧装置最佳值接近于1，一般对于液体与气体燃料，最佳值约为1.1，烟煤约为1.2，贫煤和无烟煤约为1.21.25热力系统的
5、热损失一定温度的废气从烟囱排出引起的排烟损失，q2烟气中残存的可燃气体CO、H2、CH4等引起的化学不完全燃烧损失，q3未燃尽的碳粒引起的机械不完全燃烧损失，q432 完全燃烧产物q固体与液体燃料的产物生成量q气体燃料的燃烧产物生成量q燃烧产物成分百分比q燃烧产物密度固体与液体燃料的产物生成量产物体积产物体积燃烧反应燃烧反应产物质量产物质量固体与液体燃料的产物生成量1时燃烧产物：=1时燃烧产物量：过剩空气中水蒸气的量空气中水蒸气的量气体燃料的产物生成量1时燃烧产物：=1时燃烧产物量：燃烧产物成分百分比燃烧产物密度33 不完全燃烧 在不完全燃烧时，烟气中有CO、H2、CnHm等未燃成分。这些气体
6、的含量越多，表明燃烧过程越不完善，能量损失也越大。因此，分析烟气中未燃成分的种类和数量，可以评价燃烧过程的完善程度。烟气分析综合分析：单项分析：全面测量烟气的各种成分测量烟气中的一种或几种，其余成分根据气体分析方程计算出来33 不完全燃烧q气体分析方程烟气中CO、RO2和O2的体积百分比之间的数量关系式不完全燃烧时，每kg燃料产生的干烟气容积可表示为：实际燃烧装置中CH4、H2等的含量一般比CO少得多，CO的含量一般也不会超过1%，因此不完全燃烧的产物可看成：RO2、O2、N2、H2O及CO气体分析方程燃料中碳和硫不完全燃烧所需的氧气每kg燃料中氢燃烧所需的氧气每kg燃料中所含的氧对应的体积v
7、氧气总消耗量：氧气总消耗量：气体分析方程每kg燃料不完全燃烧时烟气中氮气容积为 气体分析方程因此燃烧产物的体积可表示为，燃料特性系数气体分析方程完全燃烧方程及其应用完全燃烧时，CO0，则气体分析方程为：不完全燃烧时，CO0：完全燃烧方程完全燃烧方程及其应用当=1且完全燃烧时，O2=0。这时RO2达到最大值，并有：由于值由燃料成分所决定，因此对于某一燃料，（RO2）max具有完全确定的值。34空气消耗系数及运行时风量的调整n烟气成分与值之间的关系V为过量空气量燃烧的完全程度与空气供给量密切相关，燃烧过程不完全往往是由于氧气不足或空气消耗系数太小引起的。而值过大会引起排烟损失增大，使整个热工系统的
8、热效率下降。理论上可根据运行中实际供给的燃料量与空气量计算出值，但许多热工系统中，难以精确计算燃料和空气供给量，此外由于炉膛不密封，也会引起实际值的变化。因此通常在炉膛出口截面，利用自动记录的烟气分析仪器直接指示值，或者用普通烟气分析仪器测出烟气成分，然后计算得到值。如何将V、V用烟气分析结果表示呢？思考题n已知航空煤油的分子式为C8H16，求其理论空气量。某燃烧装置燃用这种煤油，其流量为2kg/s，若余气系数为2.5，问空气的流量为多少？燃气的流量又为多少？思考题解答列出化学方程式：计算1kg燃料完全燃烧的理论空气量计算空气流量及燃气流量35燃烧温度计算n燃烧过程中输入燃烧装置的能量1）燃料
9、的化学能，通常按应用基低热值计算2）燃料的物理热焓 3）参与燃烧的空气所具有的物理热焓 燃烧温度是燃烧装置运行的重要参数，其值与燃料性质、空气消耗系数、燃烧过程的完善性以及燃烧装置的结构完善性有关。实际燃烧温度可根据热平衡条件确定。 35燃烧温度计算n输入燃烧装置的总能量消耗于以下诸方面：1）加热燃烧产物，使其热焓升高2）通过燃烧装置壁面散失到周围环境3）燃料不完全燃烧引起一部分化学能释放不出来4）高温下多原子气体离解所吸收的热量 35燃烧温度计算输入燃烧装置的总能量燃烧装置总消耗能量热平衡条件：35燃烧温度计算无离解时理论燃烧温度：理想条件下，认为燃烧过程进行得很完善，没有不完全燃烧损失，也
10、认为燃烧装置的结构很完善，不存在对外散热损失。在温度不高的条件下，离解热损失较小，可以忽略理论燃烧温度：一、无热离解时理论温度的计算CPP如何计算？加权平均：用试凑法确定无离解时理论燃烧温度：计算：，VP，选T1，计算各成分CP、 CPP、VPCPPT1VPCPPT1Tm=T1是否二、有离解时理论燃烧温度的计算有离解时的理论燃烧温度：?2、燃烧产物发生变化有离解时，燃烧产物的体积增大3、燃烧产物平均比热减小三原子气体减少，二原子气体增加无离解时燃烧产物：CO2、H2O、N2和O2有离解时燃烧产物： CO2、H2O、N2、O2、CO和H21、必须计算离解热损失Qliq 有离解时的特点：q 有离解
11、时理论燃烧温度的计算 1、认为VpCpp不受热离解的影响 热离解一方面导致燃烧产物的体积增大，另一方面却引起燃烧产物的比热减小，因此可以近似地采用无热离解时的VpCpp 当空气消耗系数大于1时，无离解情况下燃烧产物VpCpp 的值可按下式计算燃料产物的热离解程度受温度的控制。换句话说，燃烧产物生成量和成分都是温度的函数。燃烧产物的比热与温度和成分有关，但最终也是温度的函数。这些复杂的变化关系，将使理论燃烧温度的计算变得更加繁杂，一般应求助于电子计算机进行计算。但对锅炉和其它类型工业炉进行热工计算时，可采用简化处理q 有离解时理论燃烧温度的计算2、按“离解度”计算离解热损失 H2O的离解热损失：
12、每Nm3CO与CO2的化学能之差每Nm3H2与H2O的化学能之差CO2的离解热损失：q 有离解时理论燃烧温度的计算2、按“离解度”计算离解热损失 每Nm3燃料的离解热损失：离解度：?离解度与温度及离解成分的分压力有关，温度越高，离解度越大，分压力越大，离解越小。三、理论燃烧温度的近似计算q焓温图纵坐标的热焓值由下式求解：考虑过量空气百分数对产物比热的影响：工程计算时往往近似计算理论燃烧温度，常用的方法是焓温图四、影响理论燃烧温度的因素n燃料性质n空气消耗系数n燃料与空气的预热温度n空气中的氧气含量燃料性质n燃料热值越高，燃烧温度也越高当热值较高时，温度上升速率减小，这是因为在通常情况下，燃烧产
13、物的生成量随热值的增加而增多空气消耗系数n空气消耗系数接近于1时，理论燃烧温度最高空气消耗系数越大，燃烧产物生成量越多，单位体积的燃烧产物所占的热焓也就越少，燃烧温度越低。空气消耗系数过小，燃烧不完全热损失增加，燃烧温度降低。空气与燃料的预热温度对空气预热1、有利于提高燃烧速率，减小不完全燃烧热损失及散热损失2、增加输入到燃烧装置内的能量3、理论空气量越高，预热时输入到燃烧装置内的能量越大4、利用烟气对空气进行预热，有利于提高燃烧装置的热效率，节约燃料氧气的含量富氧燃烧：1、有利于减小燃烧产物生成量2、有利于提高燃烧效率五、实际燃烧温度n实际燃烧温度比理论燃烧温度低n热离解损失是由化学反应规律决定的，其值主要受温度的影响；温度低于1800C时可忽略热离解损失。
