? 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
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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
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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
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(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:
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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:
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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:
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α=V/V0 (1—4) 即,燃气燃烧的实际空气需要量为
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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,α>1,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α>l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。
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表3-1-1 烟气量表