第三章燃烧过程的热工计算 燃烧过程实质上是燃料中的可燃物分子与氧化剂分子之间的化学反应，本章将根据化学 反应过程的质量平衡和热量平衡原理，计算这些化学反应终结时的各有关参数，包括单位质量 (或体积)燃料燃烧所需的氧化剂（空气或氧气）质量，燃烧产物（或烟气）的质量和成分，燃烧所 能达到的温度等。这些数据对燃绕装置（或燃烧室）以至整个热力系统的设计和运行樱作都是 不可缺少的。 实际燃烧装置中，大多采用空气作为燃烧反应的氧化剂。少数情况下，也可能选用富氧空 气或氧气，空气的主要成分是氧气和氨气，并含有少量的氢氨、氛、氙和二氧化碳，此外，空气 中往往含有一定量的水装气在燃烧计算中一般只考虑空气中的氧、氨和水蒸气，并假定干空 气的成分为：氧占23.2%，氮占76.8%（按质量），或氧占21%，氮占79%（按体积。大气中水 蒸气的含量通常按相应温度下饱和蒸气的含量计算。在常温和带压条件下，习惯上也可取每 kg干空气中含水10g,或每Nm3干空气中含水0.01293kg计算。 燃烧产物的成分，与参加燃烧的空气量有关，也取决于燃烧装置的设计水平。当空气充足 和过程进行光善时，燃料的可燃元索碳、氢和硫将分别与氧发生如下反应： C+02→C0, H+20→H,0 S+0:+S02 显然，这时燃烧产物中将包含C0,、H,0,SD、剩余氧气和惰性气体氮，并称为完全燃烧产 物。但当空气不足或燃烧过程进行不够完善时，燃烧产物中除了前述减分外，还可能生成C0 H,CH,等未燃尽气体及固态碳粒，构成所识不完全燃烧产物。，燃料的不完全燃烧，不仅意味 着热量损失、液费能源，而且会引起环境污染，造成公害，实际燃烧装置中一般很难达到绝对的 完全燃烧，只能在装置的设计和运行操作中力求达到最有利的燃烧，使燃烧过程尽可能完善 在少数工业护中，出于工艺过程的特殊要求，希望炉险内为还原性气氨，在这种情况下，将有意 识地限制空气的供给量，使燃烧在缺氧条件下进行，生成含有CO,H:和CH,等未燃尽气体的 不完全燃烧产物。 在本章的所有计算中，把空气和烟气的成分，包括水蒸气都看作理想气体，符合理想气体 的各有关定律，由于每kg摩尔气体在标准状态（祖度为0℃，压力为0.1013MPa)下的容积为 22.4m',因此在计算中把所有气体的容积都折算到标准状态，这时的容积计算单位为标准 m',记为Nm, §3-1燃料燃烧所需的空气量 燃料中的可燃元素一般为碳、氢和硫。燃烧时，它们分别与氧反应，释放燃烧热。大多数燃 烧装置均从空气中获得氧气。因此，通常情况下必须计算所需的空气量，以此作为选择风机容 -23-
量和供气管道尺寸的依据】 习惯上，固体和液体燃料的成分均以各元素在然料中占有的质量百分数（本章均指应用 基)表示，即 C-H%+S%+0%+N%+A%+W%=100% （3-1) 其中A和W分别表示灰分和水。但对于气体燃料，习惯上把它看作为某种混合物，各组分所 占有的量以体积百分数表示，即 C0,%+H,%+CH,%+CmHm%+H,S%+C0:⅓+0，%=100% (3-2) 因此在计算燃烧所需空气时，对这两类表示方法不同的燃料应分别进行讨论。 一、固体和液体燃料的理论空气需要量 理论上，使每kg燃料完全燃烧应配给的空气量是根据燃料中可燃元素与氧之间的反应 式求得的，同一·燃料中往往包含多种可燃元素，因此单位质量燃料完全燃烧所需空气量可由各 元素燃绕所需空气量相加而得， 碳完全燃烧的反应式为 C+0→C0: (3.3 上式表明，12kg碳燃烧时，理论上应配给32kg氧，或1kg碳燃烧应配给32/12kg氧。若每 kg燃料含碳C100kg,则每kg然料中的碳完全燃烧所需的氧气量为 ×品kg或xNm 氢完全燃烧的反应式为 H,+02→H,0 (3-4) 同理，若每kg燃料中含氢H/100kg,则其完全燃烧所需的氧气量为 2.0×10kg或2X20i6×品Nm 硫完全燃烧的反应式为 S+0a+S0, (3-5) 硫的原子量为32，因此每kg燃料中的硫完全燃烧所需的氧为 &g或32×80Nm 外，若每e燃料中含氧O160g政号会×品N加，则每g然料完金燃烧所需的架 气城为 32C 16H+S0 1210+2.016100+00i0 26780+7.937品+80-8kg-0,kg燃料 (3-6) 22.4C 品+是器品品 全腕品+56息+07高-07品m0,g袋料 0 (3-7) 敛中含氧23.2%（按质量），或21%（按体积），因此每kg燃料完全燃烧所需的理论空气 -24-
14}…年 G-a.222.6670+7.937品+高018品 =1.496品0+34.2100+4.310高0-43108kg空气kg-燃料(3-8) 或 =0.1.8670+5.556品+07品0-670 =8.6908+26.457品+3.3高-3.3的品海Nm2空气kg燃料 (3-93 由上可见，所谓理论空气需要量是指单位质量（或体积）燃料完全燃烧时，理论上应配给的 最少空气量，它是按化学反应式求得的。 二、气体燃料的理论空气需要量 习惯上，气体燃料以体积计量，其成分见式(32)。各可燃成分的燃烧反应式为 C0+号0，+C0 H,+号0，→H,0 (3-10) CH.+(m+)0,→nC0+H,0 H,S+g0H,0+s0, 相同温度和压力下，每摩尔气体的体积相同。由式(3-10)可知，每mC0完全燃烧需要0. 5m氧气，每m氢完全燃绕需0.5m3氧气，其余类推。因此在标准状态下，每NmJ气体燃料 完全燃烧所需的理论氧气量为 [号0+摄+∑a+语+需-器】Nm3o,Nm料 将上式乘以1/0.21（或4.76），则得每Nm气体燃料完全燃烧所需的理论空气量为 -4.76+摄+a++需总】N室气n燃料 3-11) 三，实际空气供给量与空气消耗系数 大多数燃烧装置运行时，为了实现完全燃烧，实际空气供给量总是大于理论空气需要量。 这是因为，燃料中的可燃物分子与氧分子的相互碰撞，是燃烧反应得以进行的前提。在实际燃 烧装置中，燃料和空气往往是分别送入炉膛的。由于炉腔空间有限，燃料和空气很难达到绝对 均匀的混合，因此按理论空气需要量运行时，必将导致炉障内部的一些区城燃料过刻（或空气 不足)，而另一些区域刺燃料不足（或空气过剩），从而使一部分燃料失去与空气接触的机会，导 致不完全燃烧，为避免这种情况，在实际运行时，往往人为地向燃烧装置供入“ 料与空气在混合不均的条件下仍有充分的机会与空气接触。 经济 习惯上，把实际空气供给量与理论空气需要量的比值称为“空气消 数”，并以符号a表示，即 a=V/V 3
其中V为对应于每kg(或Nm)燃料的实际空气供给量。显然，空气消耗系数存在以下三种情 况： >1,表明实际空气供给量大于理论空气需要量，为贫油燃烧； =1,表明实际空气供给量正好等于理论空气需要量，为化学恰当燃烧： <1,表明实际空气供给量小于理论空气需要量，为富油燃烧。 燃烧装置设计和运行时，应从分析整个热工系统的热损失着手，选取最为合话的空气消耗 系数，再由式(312)确定实际空气供给量。一般而官，热工系统中的主要热损失有 (1)一定温度的废气从焖囱排出引起的排烟损失9： (2)州气中残存的可燃气体C0,H、CIL,等引起的化学不完全燃烧损失： (3)未燃尽的碳粒引起的机械不完全燃烧损失4，对于气体和液体燃料可取9，=0。 以上三项损失与空气消耗系数有关，其变化 趋势见图3-1，显然，4值增大意味着空气供给量 增多，燃料有更多的机会与空气相遐，因此化学不 16 完全和机械不完全燃烧损失均下降。与此同时，排 烟量增多，烟气排走的物理热焓增加（当排烟温度 相同时)，实践表明，不同：值时，上述三项热损失 的总和为一下凹曲线，在某 值时具有最小值 这时经济性最好，因此在设计和运行操作时，应尽 量选用或力求接近这个最佳空气消耗系数。 最佳α值随燃料性质和燃烧装登的结构而变 化。原则上，易燃燃料及设计完善的燃烧装置，其 11121.31.41.5 最佳α值较小（更接近于】）。根据经验，对于液体 和气体燃料，最佳约为1.10，烟煤约为1.20，而 因3-1热力系统热报失与空气 消耗系数的光系 贫煤无烟煤约为1.20一1.25。 必须指出，式(38)、式(39)和式(311)均是对干空气而言，未计入空气中的水分.实际 上，参加燃烧的空气总含有一定量的水蒸气，当其含量较高，或要求精确计算时，应当把含有的 水蒸气计算在内。一：情况下，空气中的水含量可按相应温度下的饱和湿度计算，或按习惯，取 常温常压下每kg干空气中含水10g,或每Nm十空气中含水0.01293kg.若每Nm干空气 中含水g克，则相应的水蒸气容积为 Nm'水蒸气Nm'.干空气 于是，实际的湿空气供给量为 7=av+0.00124gaV Nm3-湿空气kg-燃料 或Nm'-湿空气Nm燃料 (3-13) “,§32完全燃烧产物生成量、成分和密度 燃料完全燃烧时，燃烧产物的主要成分为C0H,O,S0,以及空气中的格性成分N.当空 气消衫系数大于1时，燃烧产物中还含有多余的氧.这些气体的占有量与燃料本身的成分和空 -26
气消耗系数有关，并可以根据燃烧反应的物质平衡来确定。 一、固体和液体燃料的燃烧产物生成量 如前所述，固体和液体燃料中可燃成分的燃烧反应可由式(33)、式(34)和式(3-5)等表 示。 由反应式(3-3)可知，每kg碳燃烧后生成44/12kgC01,因此每kg燃料中的碳燃绕后生 成的C0,量可表示为 登×品g 折算成体积则为 Vam=铠×品×号装=登x品Namg燃料 (3-14) 同祥，由式(3-5)可得每kg燃料中的硫燃烧生成的$0，量可表示为 Va,=酷×高×2器-2登8Nmkg燃料 (3-15) 由式(34)可得每kg燃料中的氢燃烧生成的水蒸气量为 2品6×品×浴-2器酷品Nme燃料 考虑到燃料本身含有水量W%,则有 品品摄+品Nme装料 若参与燃烧的空气含水量为g克Nm干空气，则：=1时每kg燃料燃绕产物中水紫气 的体积应为 o=乱+2+2gv (3-16) 燃烧产物中还包含由空气带入的情性气体N,当a=1时，其含量为0.79V,此外，燃料本 身可能含有氨化物，燃烧时分解为N,其容积为 于是燃烧产物中氮气的总容积为 V飞-22g+0.79vNm3/kg燃料 (3-17) 因此，一】时每kg燃料所生成的燃烧产物体积为 Vi -Voo,Vw,+Vme+Va -侣+最+8。+器+》+瑞”+爷rNe燃料 (3-18 停的上标“0”表示a=1,下标P表示燃烧产物。 当>1时，燃烧产物中除前述的成分外，还含有(a一1)V的剩余空气.因此，然烧产物生 成量应为 Vn=V9+(a-1)V+0.00124(a-1)g (3-19) -27