第3、4講 燃燒計(jì)算

1、硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)第四章第四章 燃料及其燃燒燃料及其燃燒第第3 3講講 燃燒計(jì)算燃燒計(jì)算學(xué)習(xí)要學(xué)習(xí)要點(diǎn)點(diǎn)1、計(jì)算的目的與內(nèi)容、計(jì)算的目的與內(nèi)容目的設(shè)計(jì)窯爐設(shè)計(jì)窯爐操作窯爐內(nèi)容空氣量煙氣量、煙氣組成(1) 分析計(jì)算法 (2) 近似計(jì)算法 (3) 估算法(4) 操作計(jì)算2、空氣量、煙氣量及煙氣組成的計(jì)算、空氣量、煙氣量及煙氣組成的計(jì)算3、燃燒溫度的計(jì)算：熱量收入與支出的計(jì)算、燃燒溫度的計(jì)算：熱量收入與支出的計(jì)算燃燒溫度4-3 4-3 燃燒計(jì)算燃燒計(jì)算一、計(jì)算的內(nèi)容和目的一、計(jì)算的內(nèi)容和目的空氣量煙氣生成量煙氣組成煙氣組成燃燒溫度。計(jì)算計(jì)算目的目的設(shè)計(jì)窯爐設(shè)計(jì)窯爐(已知燃料的組成及

2、燃燒條件)操作窯爐操作窯爐判斷燃燒操作是否合理，各部分是否漏氣，以便及時調(diào)節(jié)。燃料用量燃料用量空氣管道、煙道、煙囪和燃燒室的尺寸尺寸二、空氣量、煙氣量及煙氣組成的計(jì)算二、空氣量、煙氣量及煙氣組成的計(jì)算分析計(jì)算法：分析計(jì)算法：根據(jù)燃料的成分分析計(jì)算計(jì)算方法計(jì)算方法近似計(jì)算法：近似計(jì)算法：燃料的組成未知，可，可根據(jù)燃料的種類及發(fā)熱量進(jìn)行近似計(jì)算( (一一) ) 分析計(jì)算法分析計(jì)算法1 1、空氣量的計(jì)算、空氣量的計(jì)算(1)、理論空氣量、理論空氣量(Va0)理論空氣量：理論空氣量：指理論上燃料中的可燃組成完全燃燒所需空氣量。估算法：估算法：燃料的化學(xué)組成及發(fā)熱量都未知 固體或液體燃料固體或液體燃料固體

3、或液體燃料：固體或液體燃料：單位是Nm3空氣/kg燃料；氣體燃料氣體燃料：單位是Nm3空氣/Nm3燃料。收到基組成：收到基組成：Car、Har、Oar、Nar、Sar、Aar、Mar。可燃組成為可燃組成為： Car、Har、Sar。22COOC各可燃組成燃燒時，按下列反應(yīng)進(jìn)行：OHO21H22222SOOS即1kmolC、H2、S完全燃燒分別需要1kmol、0.5kmol和1kmolO2)32O32S212H12C(Varararar*0O2理論燃燒需氧量：故1kg固體或液體燃料完全燃燒需氧量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積為燃料）kg100/kmol(1004 .22)32O32S4H12C(1004 .

4、22VVarararar*0O0O22(4-18)式中，VO20為理論氧量，Nm3/kg； Car、Har、Sar、Oar為收到基燃料各組分的百分含量。則理論燃燒需空氣量)OS(033. 0H267. 0C089. 021100VVarararar0O0a2(4-19) 由上式所得的數(shù)值為理論干空氣，由于空氣中含有水蒸氣，一般含量小于0.01kg水汽/kg空氣，在一般的計(jì)算中常忽略。如果要考慮空氣中的水蒸氣，則需要知道空氣的濕含量x(kg水蒸氣/kg干空氣)，可以按下式計(jì)算理論濕空氣量： 氣體燃料的組成為體積百分含量，其可燃組成為CO、H2、CH4、CmHn和H2S。各組成按下列反應(yīng)進(jìn)行燃燒：

5、)x61. 11 (V184 .22x4 .2229VVV0a0a0a0a(4-20) 氣體燃料氣體燃料22COO21CO1Nm3CO需0.5Nm3O2OHO21H2221Nm3H2需0.5Nm3O2OH2COO2CH22241Nm3CH4需2Nm3O2OH2nmCOO)4nm(HC222nm1Nm3CmHn需(m+n/4)Nm3O2OHSOO23SH22221Nm3H2S需1.5Nm3O2則理論氧量VO20為：1001OSH5 . 1HC)4nm(CH2H5 . 0CO5 . 0V22nm420O2(4-21)式中，VO20為理論氧量，Nm3/Nm3燃料； CO、H2、CH4、CmHn、H2

6、S、O2為燃料中各組分的百分含量。則理論空氣量Va0為：22nm420O0aO0476. 0SH0714. 0HC)4nm(0476. 0CH0952. 0)HCO(0238. 021100VV2(4-22)(2)、實(shí)際空氣量、實(shí)際空氣量(Va0) 實(shí)際燃燒時，空氣實(shí)際使用量常較理論空氣量多些，二者的比值叫空氣系數(shù)，即0aaVV0aaVV或(4-23)在實(shí)際燃燒時要選擇合理的空氣系數(shù)。燃料種類燃料種類燃燒氣氛燃燒氣氛空氣系數(shù)空氣系數(shù) 的選擇的選擇燃燒方式燃燒方式燃燒設(shè)備燃燒設(shè)備氣體燃料，易于與空氣混合，可取小些氧化氣氛時，常取大些氣體燃料無焰燃燒時，可取小些煤粉在水泥窯中燃燒，立波爾窯中值較濕

7、法回轉(zhuǎn)窯中高些。還原氣氛時，應(yīng)小于1根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，不同的燃料燃燒時取值大致如下氣體燃料 =1.05-1.15液體燃料 =1.15-1.25塊狀固體燃料 =1.3-1.7煤粉燃料 =1.1-1.7陶瓷窯爐中，有時要求煙氣中有CO存在，即要采取還原氣氛或還原焰燒成操作，此時值則小于1?；鶞?zhǔn)：1kg固體或液體燃料。2 2、煙氣量及煙氣組成的計(jì)算、煙氣量及煙氣組成的計(jì)算(1)、理論煙氣量、理論煙氣量V0及理論煙氣組成及理論煙氣組成理論煙氣量：理論煙氣量：指當(dāng)燃料與理論空氣量進(jìn)行完全燃燒時所得的煙氣量。 固體或液體燃料固體或液體燃料理論煙氣量V0 (Nm3/kg)：理論煙氣量中CO2含量 V0CO2:22C

8、OOC)kg/Nm(1004 .2212C3ar理論煙氣量中H2O含量 V0H2O:)kg/Nm(1004 .2218M2H3arar理論煙氣量中SO2含量 V0SO2:22SOOS)kg/Nm(1004 .2232S3ar理論煙氣量中N2含量 V0N2:)kg/Nm(2179V1004 .2228N30Oar2Mar空氣帶入NarOHO21H222理論煙氣量:2179V1004 .2228N32S18M2H12CV0Oararararar02)kg/Nm(O0263. 0N008. 0S033. 0M0124. 0H323. 0C089. 03arararararar(4-24)理論煙氣組成

9、百分?jǐn)?shù)為各組成與理論煙氣量之比。 理論煙氣量中CO2來自氣體燃料中的CO、CH4、CmHn中碳的氧化及氣體燃料中原有的CO2：2)、氣體燃料、氣體燃料基準(zhǔn):1Nm3氣體燃料)Nm/Nm(1001)HmCCHCOCO(V33nm420CO2 理論煙氣量中H2O來自氣體燃料中的H2、CH4、CmHn、H2S中氫的氧化及氣體燃料中原有的H2O：)Nm/Nm(1001)SHHC2nCH2HOH(V332nm4220OH2 理論煙氣量中SO2來自氣體燃料中的H2S中硫的氧化：)Nm/Nm(1001SHV3320SO2理論煙氣量：)Nm/Nm(2179V1001NSH2HC)2nm(CH3OHHCOCOV

10、330O22nm422202 同固體或液體燃料的理論煙氣組成百分?jǐn)?shù)一樣，氣體燃料的理論煙氣組成百分?jǐn)?shù)也為各組成與理論煙氣量之比。理論煙氣量中N2含量 來自于燃料中N2和理論空氣中帶入的N2:)Nm/Nm(2179V1001NV330O20N22(4-25)(2)、實(shí)際煙氣量及煙氣組成、實(shí)際煙氣量及煙氣組成當(dāng)當(dāng) 1時時，實(shí)際煙氣量，實(shí)際煙氣量V(Nm3/kg)為：為：0a0V) 1(VV(4-26)1)、固體、液體燃料、固體、液體燃料煙氣各組成量：CO2量：)kg/Nm(1004 .2212CV3arCO2H2O量：)kg/Nm(1004 .22)18M2H(V3ararOH2SO2量：)kg/

11、Nm(1004 .2232SV3arSO2N2量：)kg/Nm(2179V1004 .2228NV30OarN22O2量：)kg/Nm(V) 1(V30OO22當(dāng)當(dāng) 1時時，實(shí)際煙氣量，實(shí)際煙氣量V(Nm3/kg)為：為：0a0V) 1(VV(4-29) 氣體燃料氣體燃料煙氣組成中CO2、H2O、SO2與理論煙氣量中相同，即：CO2量：H2O量：SO2量：)Nm/Nm(1001)HmCCHCOCO(V33nm42CO2)Nm/Nm(1001)SHHC2nCH2HOH(V332nm422OH2)Nm/Nm(1001SHV332SO2而煙氣組成中N2的組成為理論煙氣量中的N2與過剩空氣中的N2之和

12、，即：)Nm/Nm(2179V1001N2179V) 1(2179V1001NV330O20O0O2N2222煙氣組成中還有過剩空氣帶入的O2，即：)Nm/Nm(V) 1(V330OO22當(dāng)當(dāng) 1時時，若煤氣按比例燃燒，則實(shí)際煙氣量為：，若煤氣按比例燃燒，則實(shí)際煙氣量為：)Nm/Nm(V)1 (V330式中，(1-)為未燃煤氣量，Nm3/Nm3； V0為燃燒煤氣生成的煙氣量，Nm3/Nm3。例4-2 已知煤的收到基組成(%)如下： 組分 Car Har Oar Nar Sar Aar Mar 質(zhì)量(%) 72.0 4.4 8.0 1.4 0.3 4.9 9.0當(dāng)=1.2時，計(jì)算1kg煤燃燒所需

13、空氣量、煙氣量及煙氣組成。解：理論需氧量為1004 .22)32O32S4H12C(Varararar0O2)kg/Nm(54. 11004 .22)320 . 8323 . 044 . 41272(3理論空氣量為)kg/Nm(32. 72110054. 121100VV30O0a2實(shí)際空氣量為)kg/Nm(78. 832. 72 . 1VV30aa理論煙氣量為2179V1004 .2228N32S18M2H12CV0Oararararar02)kg/Nm(74. 7217954. 11004 .22284 . 1323 . 018924 . 412723實(shí)際煙氣量為)kg/Nm(2 . 93

14、2. 7) 12 . 1 (74. 7V) 1(VV30a0組成質(zhì)量%物質(zhì)的量kmol燃燒所需理論空氣量kmol煙氣量kmolN2O2COH2OSO2O2N2總計(jì)CHONSMA724.481.40.394.972/12=64.4/2=2.28/32=0.251.4/28=0.250.3/32=0.019/18=0.5 -6.86(79/21)=25.861.1-0.25 -0.01 - -62.20.50.010.0525.8合計(jì)10025.86.8662.70.0125.85 34.56煙氣中過剩氧量 (1.2-1)6.86=1.37煙氣中過剩氮量1.3779/21=5.15 1.37 5.

15、15實(shí)際煙氣量煙氣組成%614.62.76.580.010.021.373.3431.0075.4641.08例4-3 某窯爐用發(fā)生爐煤氣為燃料，其干基組成(%)如下： 組分 CO2 CO H2 CH4 C2H4 H2S N2 體積(%) 4.5 29.0 14.0 1.8 0.2 0.3 50.2濕煤氣含水量為4%。當(dāng)=1.1時，計(jì)算：(1)空氣量(Nm3/Nm3煤氣)；(2) 煙氣量(Nm3/Nm3煤氣) 。解：根據(jù)下式將煤氣干基組成換算成濕煤氣組成：ddv2vx96. 0 x100OH100 x組分 CO2 CO H2 CH4 C2H4 H2S N2 H2O體積(%) 4.32 27.8

16、4 13.44 1.73 0.19 0.29 48.19 4.0(1) 計(jì)算理論空氣量計(jì)算理論空氣量Va0和實(shí)際空氣量和實(shí)際空氣量Va1001OSH5 . 1HC)4nm(CH2H5 . 0CO5 . 0V22nm420O2100129. 05 . 119. 0373. 12244.13284.27理論需氧量為)Nm/Nm(251. 033理論空氣量為)Nm/Nm(195. 121100VV330O0a2實(shí)際空氣量為)Nm/Nm(315. 1195. 11 . 1VV330aa2179V1001OHNSH2HC)2nm(CH3HCOCOV0O222nm42202(2) 計(jì)算理論煙氣量計(jì)算理論煙

17、氣量V0和實(shí)際煙氣量和實(shí)際煙氣量V理論煙氣量)Nm/Nm(99. 133)Nm/Nm(07. 2195. 1) 11 . 1 (99. 1V) 1(VV330a0實(shí)際煙氣量( (二二) ) 近似計(jì)算近似計(jì)算當(dāng)燃料的化學(xué)組成未知但低位發(fā)熱量已知時利用經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式來近似計(jì)算理論空氣量及理論煙氣量再根據(jù)空氣系數(shù)來確定實(shí)際空氣量及實(shí)際煙氣量燃料Va0(Nm3/kg,Nm3/Nm3)V0(Nm3/kg,Nm3/Nm3)煤重油煤氣Qnet,ar12560kJ/Nm3天然氣5 . 01000Q241. 0ar,net65. 11000Q213. 0ar,net21000Q203. 0ar,net1000

18、Q265. 0ar,net1000Q209. 0net11000Q173. 0net25. 01000Q26. 0net25. 01000Q272. 0net02. 01000Q264. 0net02. 11000Q264. 0net( (三三) ) 估算空氣量和煙氣量估算空氣量和煙氣量 當(dāng)燃料的化學(xué)組成和發(fā)熱量都不知道時，利用下表來估算理論空氣量及理論煙氣量，然后再根據(jù)空氣系數(shù)來確定實(shí)際空氣量及實(shí)際煙氣量。燃料理論空氣量理論煙氣量煙煤6-8 Nm3/kg6.5-8.5 Nm3/kg重油10-11 Nm3/kg10.5-11.5 Nm3/kg發(fā)生爐煤氣1.05-1.4 Nm3/Nm31.9-2

19、.2 Nm3/Nm3天然氣9-141 Nm3/Nm310-14.5 Nm3/Nm3( (四四) ) 操作計(jì)算操作計(jì)算利用碳平衡，即燃料中C=煙氣中C+灰渣中C，可計(jì)算煙氣量；利用氮平衡，即燃料中N+空氣中N=煙氣中N，可計(jì)算空氣量。實(shí)際煙氣量與空氣量的計(jì)算實(shí)際煙氣量與空氣量的計(jì)算計(jì)算空氣系數(shù)，空氣與燃料的配比合適？根據(jù)燃料根據(jù)燃料和煙氣組和煙氣組成計(jì)算成計(jì)算流量計(jì)流量計(jì)測定測定燃燒是否燃燒是否正常正?？諝饬靠諝饬繙y定爐內(nèi)不同負(fù)壓處的煙氣組成檢驗(yàn)窯爐漏氣？例4-4 某倒焰窯所用煤的收到基組成為： 組分 Car Har Oar Nar Sar Mar Aar 質(zhì)量(%) 72.0 6 4.8 1.

20、4 0.3 3.6 11.9高溫階段在窯底處測定其干煙氣組成為組分 CO2 O2 N2體積(%) 13.6 5.0 81.4灰渣分析含C為17%,灰分為83%。高溫階段小時燒煤量為400kg，計(jì)算該階段每小時煙氣生成量(Nm3)及空氣需要量(Nm3)。以100kg煤為基準(zhǔn)，煤中含C72kg，灰渣中含C)kg(44. 283179 .11(1) 煙氣量：根據(jù)碳平衡，煤中C=煙氣中C+灰渣中C解：設(shè)100kg煤生成干煙氣量為xNm3，則：44. 24 .2212x1006 .1372煤kg100/Nm954x3100kg煤生成水汽量為煤）（）（kg100/Nm(7 .714 .22186 . 32

21、64 .2218M2H3arar故濕煙氣量煤kg100/Nm10267 .719543小時濕煙氣生成量為h/Nm410410040010263可以看出燃料中N2與空氣中N2比較，只占約0.1%，很小，可以忽略，且忽略燃料中的N2后，0.79y=776.6，y=983Nm3/100kg煤6 .776y79. 012. 1以100kg煤為基準(zhǔn)，煤中N2量為)Nm(12. 1284 . 14 .223(2) 空氣量：根據(jù)N2平衡，空氣中N2 +燃料中N2 =煙氣中N2設(shè)100kg煤需空氣量為yNm3，則：)Nm(y100793)kg100/Nm(982y3煤空氣中N2 量)Nm(6 .7769548

22、14. 0 x1004 .813煙氣中N2 量根據(jù)N2 平衡得高溫階段小時空氣需要量為h/Nm39281004009823三、燃燒溫度的計(jì)算三、燃燒溫度的計(jì)算燃燒溫度：燃燒溫度：指燃料燃燒時燃燒產(chǎn)物的溫度叫燃燒溫度。計(jì)算原理：計(jì)算原理：熱量收入=熱量支出收入熱量收入熱量(以1kg或1Nm3燃料，0C為基準(zhǔn))： 燃料的化學(xué)熱(即燃料的低位發(fā)熱量)Qnet； 燃料帶入的物理熱Qf=cftf； 空氣帶入的物理熱Qa=Vacata。式中， cf、ca表示燃料和空氣從0C到各自溫度下的平均比熱容； tf、ta表示燃料和空氣進(jìn)入燃燒室時的溫度； Va表示實(shí)際空氣量。支出熱量：支出熱量： 燃燒產(chǎn)物所含的物理

23、熱Q=Vctp； 由燃燒產(chǎn)物傳給周圍物體的熱量Ql； 由于機(jī)械不完全燃燒造成的熱損失Qml； 由于化學(xué)不完全燃燒造成的熱損失Qch； 燃燒產(chǎn)物中部分CO2和H2O在高溫下熱分解反應(yīng)消耗的熱量Qdi； 灰渣帶走的物理熱Qa,s。式中， c表示燃燒產(chǎn)物從0C到其形成溫度下的平均比熱容； tp表示燃燒產(chǎn)物的實(shí)際溫度，也稱實(shí)際燃燒溫度； V表示實(shí)際煙氣量。( (一一) ) 實(shí)際燃燒溫度實(shí)際燃燒溫度 為了便于研究和分析問題，通常建立三種燃燒溫度的概念，即實(shí)際燃燒溫度實(shí)際燃燒溫度、量熱計(jì)式燃燒溫度量熱計(jì)式燃燒溫度和理論燃燒溫度理論燃燒溫度。 按照熱量平衡的原則，熱量支出=熱量收入，即Qnet+Qf+Qa=

24、Q+Ql+Qml+Qch+Qdi+Qa,s將熱量的各個表達(dá)式代入上式，整理得：Vc)QQQQQ(tcVtcQts , adichmllaaaffnetp(4-30)但是利用該式計(jì)算實(shí)際燃燒溫度還是十分困難的，因?yàn)橛绊懭紵郎囟鹊囊蛩爻巳剂系姆N類、燃料燃燒前的溫度、空氣的溫度以外，還與窯爐的工藝過程、熱工過程以及爐子結(jié)構(gòu)的不同而變化。( (二二) ) 量熱計(jì)式燃燒溫度量熱計(jì)式燃燒溫度 假定燃料在絕熱系統(tǒng)中完全燃燒，并且不考慮燃燒產(chǎn)物在高溫下的熱分解，則按式(4-30)計(jì)算出的燃燒溫度稱為量熱計(jì)式燃燒溫度，即VctcVtcQtaaaffnetm(4-31)當(dāng)tf、ta都為0C且=1時，此時計(jì)算出的

25、燃燒溫度稱為“燃料理論發(fā)熱溫度”或“發(fā)熱溫度”、“產(chǎn)熱度”，用tm0表示，即VcQtnet0m(4-32)tm0只與燃料性質(zhì)有關(guān)，它是從燃燒溫度的角度評價燃料性質(zhì)的指標(biāo)。 tm0越大的燃料，其燃燒溫度也越高。(三三) 理論燃燒溫度理論燃燒溫度tth 假定燃料在絕熱系統(tǒng)中完全燃燒，并且考慮高溫下燃燒產(chǎn)物中部分CO2和H2O分解反應(yīng)消耗的熱量，即VcQtcVtcQtdiaaaffnetth(4-33)此時計(jì)算出的燃燒溫度稱為理論燃燒溫度理論燃燒溫度。Qdi的大小取決于燃燒產(chǎn)物中CO2和H2O的分解程度，而它們的分解程度又與燃燒產(chǎn)物的溫度以及CO2、H2O的分壓有關(guān)。溫度越高、分壓越小、分解程度就越

26、大，燃燒溫度降低得也越多。VctcVtcQtaaaffnetth(4-34) 由于煙氣的平均比熱容c隨煙氣溫度而變化，因此按照上式計(jì)算時，要采用“試值法”：即先假定一個tth，查出相應(yīng)溫度下的c值，計(jì)算煙氣的熱量Q1(Vctth )是否與收入總熱量Q(Qnet+cftf +Vacata)相等。如果Q1Q，說明所取tth偏大，則將tth值再取小些，直至二者相等，此時的tth值即為理論燃燒溫度。 在硅酸鹽窯爐內(nèi)的燃燒產(chǎn)物溫度下， CO2和H2O的分解程度很小， 故上式中的Qdi可以忽略，則上式可改寫成： 為了減少試算次數(shù)，可以采用內(nèi)插法內(nèi)插法。“圖解法圖解法” ：根據(jù)上式，在t-Q坐標(biāo)系中作出與t1-Q1對應(yīng)的點(diǎn)A，與t2-Q2對應(yīng)的B，連接AB，由Q可找出tth。tthQt1Q1Q2t2BAO “內(nèi)插法內(nèi)插法”：即由t1，查出c1值，