燃气燃烧所需空气量及燃烧产物.doc

燃气燃烧所必需空气量及燃烧产物
  燃气的燃烧计算，是按照燃气中可燃成分与氧进行化学反应的反应方程式，依据物质平衡和热量平衡的原理，来确定燃烧反应的诸参数，包括：燃烧所必需要的空气量、燃烧产物的生成量及成分、燃烧完全程度、燃烧温度和烟气焓。这些参数是燃气燃烧设备制定、热工管理必要的数据，也是评定生产操作、提升热效率、进行传热和空气动力计算不可缺少的依据。
　　合计到燃气、空气和燃烧产物各组成所处的状态，可以相当准确地把它们当作理想气体来处理。所以，燃烧计算中气体的体积都按标准状态(0℃、101325Pa)计算，其摩尔体积均为22．4L，计算基准可以用1m3的湿燃气，也可以用1m3干燃气必必需注意的是，后者还要带入所含的饱和水汽量，这就是大多数场合下所使用的基准——含有1m3干燃气的湿燃气。
  　确定燃气燃烧所必需空气量和燃烧产物量，属于燃烧计算的物料平衡的内容。
　　一、空气必需要量
　　(一)理论空气必需要量V0
　　V0是指1m3燃气按燃烧反应方程式完全燃烧所必需要供给的空气量，m3空气／m3干燃气，它是燃气完全燃烧所必需的最小空气量。
　　V0的计算方法为，先按照燃烧反应方程式和燃烧计算的氧化剂条件(假设干空气体积仅由21％的氧和79％的氮组成)，确定燃烧所必需的理论氧气量，然后换算成理论空气必需要量。
　　从单一可燃气体着手。例如，CO的燃烧反应方程式，连同随氧带入的氮，可表示为

CO+0．502+3．76×0．5N2=C02+1．88N2
　　上式说明，1m3的C0完全燃烧，理论必需氧量为0．5m3，随氧带入的氮量为1．88m3，相当的理论空气必需要量是0．5/0．21=2.38m3。
　　对气态重碳氢化合物CmHn，燃烧反应方程式为

CmHn+(m+n/4)O2+3．76(m+n/4)N2
=mC02+ (n／2)H20+3．76(m+n／4)N2 (1—1)
　　也清楚地说明，1m3的CmHn完全燃烧，必需要(m+n／4)m3的理论氧，同时带入3．76(m+n／4)m3的氮，故理论空气必需要量为

(m+n／4)／0．21=4．76(m+n／4)m3。
　　以此类推，对组成为ψ(CO)+ψ(H2)+ψ(CH4)+ψ(CmHn)+ψ(H2S)+ψ(N2)+ψ(02)=100％的1m3干燃气，必需要的理论氧量，用符号V(O2)O表示为：

V(O2)O=O．01[0．5ψ(CO)+0．5ψ(H2)+2ψ(CH4)+∑(m+n／4)ψ(CmHn)+1．5ψ(H2S)-ψ(02)]m3 (1—2)
　　必需要的理论空气量为：

V0=1／21[0．5ψ(CO)+0．5ψ(H2)+2ψ(CH4)+∑(m+n／4)ψ(CmHn)+1．5ψ(H2S)-ψ(02)]m3 (1—3)
　　显然，V0完全取决于燃气的组成。燃气中可燃组分含量愈多，热值愈高，燃烧所必需的V0也愈多。所以在实际应用中V0有基于热值或组成的各种类型的近似计算公式；而在粗略计算时，常常按每4186.8kJ发热量的燃料，必需要1m3V0估算。
　　(二)实际空气必需要量V
　　为了保证燃气完全燃烧，实际供给的空气量Vm3／m3(干燃气)均大于理论空气必需要量，这个空气量多供给的比例，就称为空气过剩系数，表示为：

α=V／V0 (1—4)
　　即，燃气燃烧的实际空气必需要量为

V=αV0，m3(空气)／m3(干燃气) (1—5)
　　显然，这里的V是干空气必需要量，可表示为Vg。
　　空气中的水汽含量，可比照燃气中的水汽含量确实定方法，但要合计空气的相对湿度ψ(空气中的湿含量相关于同温度下饱和湿含量的百分比)。首先，按空气温度由附录3查出空气的饱和湿含量d'a，kg／m3(干空气)，则空气中实际湿含量da=ψd'a，kg／m3(干空气)。

所以实际湿空气量Vs=αV0+1．2αV0da=(1+1．2da)αV0，m3/m3(干燃气) (1—6)
　　如，空气20℃，相对湿度0．6时，查附录3，d'a=0．0189kg/m3(干空气)，这时空气的da=O．6×0．0189= 0.0113kg／m3(干空气)，Vs=αV0+1．2×αV0=(1+0．0136)αV0，m3(湿空气)／m3(干燃气)。
　　一般将10g／m3(干空气)，或0．012m3/m3(干空气)，作为空气湿含量近似计算的取值。
　　显然，燃气燃烧的实际空气必需要量V，不仅取决于燃气的组成，同时与燃烧条件。有关，影响因素主要有燃气燃烧方法、燃烧设备运行工况等。通常，α1，在工业燃烧设备中α为1．05～1．20，在民用燃具中α为1．30～1．80。
　　在燃气燃烧设备中，正确选择和控制空气过剩系数α是十分重要的。α过小或过大都将导致不良后果。前者，α小于1，空气供应不够，燃气不完全燃烧，燃气的化学热不能充分发挥，使设备的热效率下降，热耗量增加；后者α大于，或远大于1，使燃烧产物生成量过大，增加了烟气带走的热损失，也使燃烧设备的热效率下降，热耗增加。因此，先进的燃烧设备应在保证完全燃烧的前题下，使α值大于并趋近于1，即采纳低氧燃烧法。
　　二、完全燃烧产物的计算
　　燃气燃烧后的产物，统称为烟气。严格地说，燃烧产物不仅限于烟气，还应包括烟气中所携带的灰粒和未燃烬的固体碳粒，但由于它们在烟气中所占容积百分比极小，因此，在一般的计算中都略去不计。
　　(一)烟气量
　　当α=1时，只供给理论空气量，如果燃气完全燃烧，产生烟气的量称为理论烟气量Vofm3(烟气)／m3(干燃气)，它的组成包括：C02、S02、N2、H20。
　　当αl时供应空气过剩，燃气完全燃烧后产生的烟气量则称之为实际烟气量Vfm3(烟气)／m3(干燃气)，这时烟气中除含有上述四组分之外，还含有过剩氧，即包涵CO2、S02、N2、O2和H20。前3种组分合在一起称为干烟气Vgf；包括H2O在内的烟气则称为湿烟气Vsf。
　　烟气中C02和S02，都是三原子气体，又同属酸性氧化物，在化学汲取法进行气体分析时它们的含量常常合在一起分析，因此，通常合称为三原子气体，用符号R02表示。
　　关于混合气体燃烧产生的烟气量，为各燃气组分产生烟气量之和，如表3—1—1。

表3-1-1 烟气量表

　　实际上V0f和Vf的差别，仅在于α=1和α1相比燃烧产物生成量少一部分过剩空气量，即
所以

　　同样，烟气量也有多种类型的近似计算式，可参照各种工具书。
　　(二)烟气的组成
　　烟气的组成一般也用容积成分(体积百分数ψ)来表示。
　　即 ψ(RO'2)=V(RO2)／Vf×100％
　　　　ψ(N'2) =V(N2)／Vf×100％
　　　　ψ(O'2)M=V(O2)／Vf×100％
　　　　ψ(H2O')=VH2O／Vf×100％
　　烟气组成(体积百分数)：ψ(R02)+ψ(N2)+ψ(02)+ψ(H20)=100 (1—8)
　　(三)烟气的密度
　　烟气的密度ρof,kg/m3(烟气)，有两种计算方法。
　　一种，按烟气各组分的密度，用加和法计算。

式中 用i代表烟气中的不同组分。
另一种方法，按质量守衡，用参加燃烧反应的物质总量，除以燃烧产物的总体积。

　　三、燃料燃烧方程式及空气过剩系数
(一)燃料燃烧方程式
　　燃料燃烧方程，或称气体分析方程，表示燃料燃烧产物各组分之间的关系。它可用来鉴定燃烧的质量；验证燃烧产物气体成分的准确性；在核实烟气分析结果后，还可用来求某一未知组分。
　　燃料燃烧方程式的推导是基于燃烧的物料平衡。针对燃气，可推导如下。
　　干燃气组成(体积)为，ψ(CO)+ψ(H2)+∑ψ(CmHn)+ψ(H2S)+ψ(O2)+ψ(N2)=100
　　从不完全燃烧产物量合计，如前所述，当燃气不完全燃烧时，烟气中含有C0、H2、CH4等可燃物，但由于H2、CH4的含量比CO少得多，因此工程上的不完全燃烧产物常常仅合计CO。这样，上述燃气不完全燃烧的干烟气的组成(体积百分数)为：