燃燒理論第一講燃燒計(jì)算

燃?xì)馊紵碚撆c基礎(chǔ)參考教材：燃?xì)馊紵c應(yīng)用

燃燒理論與污染控制華中科技大學(xué)導(dǎo)論燃燒科學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史燃燒是物質(zhì)劇烈氧化而發(fā)光發(fā)熱的現(xiàn)象火的歷史就是人類社會(huì)進(jìn)步的歷史早期提出燃素論，不久被證明是錯(cuò)誤的由燃燒導(dǎo)致質(zhì)量增加的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)空氣中氧氣參與反應(yīng)熱力學(xué)熱化學(xué)的發(fā)展，闡明了燃燒現(xiàn)象中燃燒反應(yīng)熱效應(yīng)、燃燒產(chǎn)物組分、燃燒溫度、著火溫度等熱力學(xué)特性計(jì)算燃燒學(xué)使其達(dá)到了一個(gè)新的高度燃?xì)馊紵侨紵龑W(xué)中的基礎(chǔ)燃燒科學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)代社會(huì)的動(dòng)力來源，主要來自于礦物燃料的燃燒礦物燃料占到世界能源消費(fèi)總量的80%以上，在可以預(yù)計(jì)的未來，人類依然嚴(yán)重依賴于礦物燃料。高效經(jīng)濟(jì)地控制燃燒過程是燃燒學(xué)的主要研究方向?qū)⒒瘜W(xué)能高效地轉(zhuǎn)化為熱能、電能、機(jī)械能，高溫高壓高速燃燒成為方向預(yù)防和減少火災(zāi)造成的損失是燃燒學(xué)研究的另一重要方向正常可控燃燒造福于人類，不可控非正常的燃燒常常會(huì)帶來災(zāi)難。燃燒造成的污染燃料燃燒是大氣污染的主要來源粉塵、煤煙、液滴等氣溶膠狀態(tài)（Pm10、pm2.5、霧霾）氧化硫、氧化碳、氧化氮、碳?xì)洹Ⅺu素等氣體狀態(tài)直接燃煤是我國大氣污染的最根本原因；燃燒方式落后加重了大氣污染；交通污染對(duì)城市影響巨大。燃煤導(dǎo)致的煙塵、SO2、NOx、CO、CO2均為主要污染源交通工具動(dòng)力系統(tǒng)也是霧霾的主要來源，CO、NOx排放量很大燃燒科學(xué)的研究方法燃燒科學(xué)正從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)科學(xué)成為一門系統(tǒng)的，以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的綜合學(xué)科理論，涉及熱力學(xué)、流體力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、物理學(xué)等一是燃燒理論方面的研究，以燃燒涉及的基本過程為研究對(duì)象。如燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理、著火、火焰?zhèn)鞑?、火焰穩(wěn)定、預(yù)混及擴(kuò)散火焰、層流與湍流燃燒、燃燒產(chǎn)物的形成機(jī)理等。二是燃燒技術(shù)的研究，是應(yīng)用理論研究的結(jié)果來解決工程技術(shù)中的實(shí)際問題。如燃燒方法的改進(jìn)、燃燒過程的組織、節(jié)能減排等。第一章燃?xì)獾娜紵?jì)算一燃?xì)獾臒嶂?.燃燒及燃燒反應(yīng)計(jì)量方程式2.燃?xì)鉄嶂档拇_定1m3燃?xì)馔耆紵螅錈煔獗焕鋮s至初始溫度所放出的熱量稱為該燃?xì)獾臒嶂?，單位為kJ/m3。當(dāng)燃燒煙氣中H2O以氣體狀態(tài)排出時(shí)，燃燒所放出的熱量稱之為低熱值；當(dāng)H2O以凝結(jié)水狀態(tài)排出時(shí)，蒸汽中所含的潛熱得以釋放，此種狀態(tài)下所放出的熱量稱之為高熱值。顯然，燃?xì)獾母邿嶂荡笥诘蜔嶂?，差值為水蒸氣的氣化潛熱。單一可燃?xì)怏w的熱值是已知的，混合氣體的熱值可以由各單一氣體的熱值根據(jù)混合法則進(jìn)行計(jì)算

二、燃燒所需空氣量

1.理論空氣需要量：指按燃燒反應(yīng)計(jì)量方程式，1m3（或kg）燃?xì)馔耆紵璧目諝饬浚侨細(xì)馔耆紵璧淖钚】諝饬?，單位為m3/m3或m3/kg。

一般情況下空氣需要量與燃?xì)鉄嶂党烧龋梢杂萌細(xì)鉄嶂颠M(jìn)行近似計(jì)算。對(duì)于烷烴類燃?xì)舛⑷紵杩諝饬?.實(shí)際空氣需要量實(shí)際供給的空氣量一般應(yīng)大于理論空氣需要量，即要供應(yīng)一部分過?？諝?。實(shí)際供給的空氣量與理論空氣需要量之比稱為過?？諝庀禂?shù)在燃燒過程中，正確選擇和控制過?？諝庀禂?shù)值的大小是十分重要的，過小或過大都會(huì)導(dǎo)致不良后果：過小會(huì)導(dǎo)致不完全燃燒，造成能源的浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的污染；過大則使煙氣量增大，爐膛溫度與煙氣溫度降低，導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備換熱效率的降低與排煙熱損失的增大，同樣造成能源的浪費(fèi)。因此，先進(jìn)的燃燒設(shè)備一般在保證完全燃燒的前提下，盡量使α值趨近于1。而隨時(shí)掌握燃燒設(shè)備的α值又是我們監(jiān)測(cè)燃燒器具運(yùn)行工況的重要手段。三、燃燒產(chǎn)物的計(jì)算當(dāng)只供給理論空氣量時(shí)，燃?xì)馔耆紵螽a(chǎn)生的煙氣量稱為理論煙氣量。當(dāng)有過?？諝鈺r(shí)，稱為實(shí)際煙氣量。1.理論煙氣量（α=1時(shí)）2.實(shí)際煙氣量（α>1時(shí)），VRO2同上三、燃燒產(chǎn)物的計(jì)算式中da—空氣的含濕量（kg/m3干空氣）。

—實(shí)際煙氣中三原子氣體、水蒸氣、氮?dú)?、過剩氧的體積（m3/m3干燃?xì)猓?/p>

3.煙氣的密度式中

ρf0—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煙氣的密度（kg/m3）；ρgdr—燃?xì)獾拿芏龋╧g/m3干燃?xì)猓Ｈ?、燃燒產(chǎn)物的計(jì)算將其中的N2'用燃?xì)馊莘e成分表示并代入整理得：4、煙氣中CO的計(jì)算β——燃料系數(shù)當(dāng)時(shí)又=1時(shí)三、燃燒產(chǎn)物的計(jì)算5、過?？諝庀禂?shù)的確定a.完全燃燒時(shí)

過剩氧量由干煙氣中自由氧的體積分?jǐn)?shù)確定

則過剰空氣量為

同時(shí)，實(shí)際空氣量可用干煙氣中空氣帶入的氮?dú)鈦泶_定三、燃燒產(chǎn)物的計(jì)算對(duì)于大多數(shù)燃?xì)?，N含量可以不計(jì)b.不完全燃燒時(shí)

考慮不完全燃燒產(chǎn)物少消耗的氧量所以四、燃燒溫度1.燃?xì)馊紵郎囟热細(xì)馊紵龝r(shí)所放出的熱量加熱燃燒產(chǎn)物（煙氣），使之能達(dá)到的溫度稱為燃?xì)獾娜紵郎囟?。它由燃燒過程的熱量平衡來確定。一定比例的燃?xì)夂涂諝膺M(jìn)入爐內(nèi)燃燒，根據(jù)熱平衡，它們帶入的熱量包括：①由燃?xì)夂涂諝鈳氲奈锢頍幔ㄈ細(xì)夂涂諝獾臒犰蔍g和Ia）；②燃?xì)獾幕瘜W(xué)熱（熱值Hl）。而支出項(xiàng)包括：①煙氣帶走的物理熱（煙氣的焓If）；②向周圍介質(zhì)散失的熱量Q2；③由于不完全燃燒而損失的熱量Q3；④煙氣中的CO2和H2O在高溫下分解所消耗的熱量Q4。其中：cg、cH2O、ca、cRO2、cN2、cO2——分別為燃?xì)?、H2O、空氣、三原子氣體、N2、O2由0～℃的平均定壓容積比熱，kJ/m3.k

1.266——水蒸氣基態(tài)時(shí)的比體積，m3/kg

將各項(xiàng)熱量帶入：為了比較燃?xì)庠诓煌瑮l件下的熱力特性，假設(shè)出多種簡(jiǎn)化了的熱平衡條件，從而得到了不同定義的燃燒溫度

四、燃燒溫度（1）熱量計(jì)溫度。假設(shè)燃燒過程在絕熱條件下（Q2=0）,且完全燃燒（Q3=0）,忽略煙氣成分的高溫分解（Q4=0）,由燃?xì)夂涂諝鈳氲娜繜崃客耆糜诩訜釤煔獗旧?，這時(shí)煙氣所能達(dá)到的溫度稱為熱量計(jì)溫度（2）燃燒熱量溫度。在上述（1）的假設(shè)條件下，若不計(jì)燃?xì)夂涂諝鈳氲奈锢頍幔↖g=Ia=0），并且假設(shè)α=1，得到的煙氣溫度稱為燃燒熱量溫度

CO2和H2O分解程度與溫度和分壓力的關(guān)系熱分解影響四、燃燒溫度（3）理論燃燒溫度。在絕熱且完全燃燒的條件下，所得到的煙氣溫度稱為理論燃燒溫度,它表明某種燃?xì)庠谝欢l件下燃燒，其煙氣所能達(dá)到的最高溫度。

（4）實(shí)際燃燒溫度。實(shí)際燃燒溫度與理論燃燒溫度的差值隨工藝過程和爐窯結(jié)構(gòu)的不同而不同，很難精確地計(jì)算出來。實(shí)際工作中采用經(jīng)驗(yàn)公式

式中μ—高溫系數(shù)。對(duì)于一般燃?xì)夤I(yè)爐窯可取μ=0.65~0.85；無焰燃燒器的火道可取μ=0.9。影響燃燒溫度的因素

熱值的影響一般來說，燃燒溫度隨燃?xì)獾蜔嶂档脑龃蠖龃?。但有時(shí)熱值低的燃?xì)獾娜紵郎囟瓤赡芨哂跓嶂蹈叩娜細(xì)獾娜紵郎囟?，這主要是由于燃燒產(chǎn)物的數(shù)量和比熱等因素起了主要作用。比如CH4的熱值雖高于H2，但其燃燒溫度卻低于H2。過?？諝庀禂?shù)的影響燃燒區(qū)的過?？諝庀禂?shù)太小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致燃燒不完全；若過剩空氣系數(shù)太大，則增加了燃燒產(chǎn)物的數(shù)量?？諝夂腿?xì)鉁囟鹊挠绊戭A(yù)熱空氣或燃?xì)饪杉哟罂諝夂腿細(xì)獾撵手?，從而提高燃燒溫度。由于燃燒時(shí)空氣量比燃?xì)饬看蟮枚?，因此預(yù)熱空氣對(duì)提高燃燒溫度的影響比較明顯。設(shè)備散熱的影響由于被加熱物體的吸熱和設(shè)備向四周的散熱，實(shí)際燃燒溫度比理論燃燒溫度低。設(shè)備結(jié)構(gòu)越合理，保溫越好，實(shí)際燃燒溫度也就越接近理論燃燒溫度。燃燒的化學(xué)熱損失燃燒的化學(xué)熱損失越多，提供給煙氣的熱量就越少，燃燒溫度也越低。在提供了足夠空氣的情況下，使燃?xì)馀c空氣充分混合是減少化學(xué)熱損失的有效方法。煙氣的焓

在進(jìn)行燃燒設(shè)備熱力計(jì)算時(shí)，需要知道煙氣在不同溫度下的焓。煙氣的焓，是指1m3干燃?xì)馊紵傻臒煔庠诘葔簵l件下從0℃加熱到煙氣溫度℃時(shí)所需要的熱量，單位為kJ/m3干燃?xì)狻?含有1m3干燃?xì)獾臐袢細(xì)馊紵笏傻臒煔庠诓煌瑴囟认碌撵实扔诶碚摕煔獾撵逝c過?？諝獾撵手?，即:式中If——煙氣的焓，kJ/m3干燃?xì)猓?/p>

If0——理論煙氣的焓，kJ/m3干燃