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燃气燃烧所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，根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设计、热工管理必要的数据，也是评定生产操作、提高热效率、进行传热和空气动力计算不可缺少的依据。

考虑到燃气、空气和燃烧产物各组成所处的状态，可以相当精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。必须注意的是，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、空气需要量

(一)理论空气需要量V0

V0是指1m3燃气按燃烧反应方程式完全燃烧所需要供给的空气量，m3空气／m3干燃气，它是燃气完全燃烧所需的最小空气量。

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)，确定燃烧所需的理论氧气量，然后换算成理论空气需要量。

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 上式表明，1m3的C0完全燃烧，理论需氧量为0．5m3，随氧带入的氮量为1．88m3，相当的理论空气需要量是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) 也清楚地表明，1m3的CmHn完全燃烧，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，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) 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，需要1m3V0估算。

(二)实际空气需要量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的确定方法，但要考虑空气的相对湿度ψ(空气中的湿含量相对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+1．2×0.0113αV0=(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，空气供应不足，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，即采用低氧燃烧法。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，即包含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，在化学吸收法进行气体分析时它们的含量经常合在一起分析，因此，通常合称为三原子气体，用符号R02表示。

对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，可参考各种工具书。

(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考虑，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考虑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：

ψ(RO’2)+ψ(CO’)+ψ(O’2)+ψ(N’2)=100根据燃气燃烧过程的氮平衡，烟气中的氮只能有三个来源，即燃气带入、理论空气带入、过剩空气带入。

式中以上标符号“△”表示过剩量。

而干烟气中氮含量

将式中干烟气总量用烟气成分表示

则上述燃气不完全燃烧的干烟气的组成(体积％)可改写为：各项乘以0．21，整理后得：

这就是不完全燃烧成分只考虑CO时的燃气燃烧方程式。

如果燃气完全燃烧，ψ(CO’)=0，就得到完全燃烧方程式：

(1+β)ψ(RO’2)+ψ(O’2)=21 (1—13) 用燃烧方程，可判别燃烧过程的好坏，还可求未知组分，如，

适用于多种不完全燃烧组分的燃气燃烧方程式，可以按类似方法推导。

(二)燃料特性系数

上述燃烧方程式中的β，为无因次系数。严格地说，它除与燃料组成有关外，还与

发生不完全燃烧时的烟气成分有关。但对于完全燃烧情况，β公式第一项分母仅有V(R02)；对于不完全燃烧，也因V(CO)、V(H2)及V(CH4)一般很小，可忽略不计。因此，β的表达式也可统一为：

并且认为它只取决于燃料的组成。故称之为燃料特性系数。

燃气的β数值变化较大，有正有负，见表3—1—2。

表3—1—2燃气的β值燃气氢一氧化碳甲烷天然气焦炉煤气高炉煤气发生炉煤气β -0.3950.790.75～0.800.90-0.160.04～0.06 (三)三原子气体含量ψ(RO’2)和它的极大值ψ(R0’2)max。

由燃气完全燃烧方程式得：

当燃气完全燃烧时，烟气分析结果必然满足上述关系。

上式也表明，烟气中ψ(RO’2)与过剩氧ψ(O’2)含量有关，

即与α有关。对于某种燃气，β值一定，燃烧烟气的ψ(RO’2)含量随α增大而降低。在燃烧设备运行时，如检测发现三原于气体量ψ(BO’2)过小，这就意味着供应的空气量过多或者漏风增加。

如果完全燃烧时烟气中无过剩氧量，即ψ(0’2)=0，则此的相当α=1的完全燃烧情况，因而α(R0’2)达到一个最大值，式(1—15)可写成

可以看出，ψ(RO’2)一值只取决于燃料特定系数β。对于给定的燃气，β值一定，因而ψ(R0’2)max也一定。所以燃烧装置在实际运行中，烟气的ψ(R0’2)值均小于ψ(RO’2)max。

(四)空气过剩系数。

从前面讨论中可知，α的大小对燃烧过程有很大的影响，诸如燃料消耗、燃烧温度、热效率等。因此，α是燃烧过程控制的重要指标，必须及时根据烟气分析结果检查确定。

在实际燃烧中，最好的办法是通过烟气中的组分来判断燃烧的质量，从而达到控制燃烧过程的目的。

烟气分析用烟气分析仪。烟气分析仪，按其工作原理可分为三类：化学吸收式、物理检测式、物理化学分析式。

按烟气组分计算α的公式很多，比较常用的有两种：氧平衡公式和氮平衡公式。

1．氧平衡公式

根据α的定义，可写出；

式中V、V(02)——实际空气量和实际氧气量；下标“0”表示理论量，“△”表示过剩量。

经过代换，可得到完全燃烧氧平衡公式：

系数K=V(RO2)／V(O’2)0，由燃气组成决定。

对于不完全燃烧，氧平衡公式为：

2．氮平衡公式

同样，根据α的定义，有：

(1—20) 已知燃气组分，ψ(N2)、ψ(C02)、ψ(CO)……，又有烟气分析结果ψ(RO’2)、ψ(O’2)，就可确定此时的α。

当燃气中含氮量很少N2≈0时，则

表明α仅仅与烟气成分有关，采用ψ(RO’2)、ψ(O’2)连续分析检测，就可连续监视设备中的燃烧工况。

对含H2很少的燃气，如天然气或液化石油气，烟气中ψ(N’2)≈79％时，

，只要随时对烟气进行ψ(O’2)分析，即可随时检测到α值。

在实际操作中，由前面燃烧方程，有公式，

，当α=1，且完全燃烧时

。对某种燃气，α(RO’2)max一定，只要连续进行ψ(R0’2)分析，也可连续监控燃烧设备的α值。

对于不完全燃烧，氮平衡公式(1—19)中，剩余氧还应扣除不完全燃烧的可燃组分本应消耗掉的氧。

所以