表2-2燃料的着火温度 燃料 着火温度/K 593~643 重油 803-853 发生炉煤气 853-873 1烷 停留时间应大于燃烧所需要的时间。因此,在一定的燃烧反应速度下,停留时间将决定燃烧室的 大小和形状。反应速度随温度升高而加快。温度越高,燃烧所需时间越短。设计者必须面对这 样的问题:燃烧室越小,在可利用时间内氧化一定量燃料的温度就必须越高。 (4)燃料与空气的混合燃料和空气的充分混合也是有效燃烧的基本条件。混合不充分, 燃烧不完全,将增加污染物数量。对于蒸气相的燃烧,湍流可以加速液体燃料的蒸发,有利于燃 烧。对于固体燃料的燃烧,湍流可破坏燃烧产物在燃料颗粒表面形成的边界层,提高表面反应的 氧利用率,加速燃烧过程。 适当控制空气与燃料之比、温度时间和湍流度这四个因素,是实现有效燃烧,使大气污染物 排放量最少所必须的条件。评价燃烧过程和燃烧设备的优劣,必须认真考虑这些因素。温度、时 间和湍流通常称为燃烧过程的“三T”,是有效燃烧的基本条件 (-)发热量与热损失 1.发热量 单位量燃料完全燃烧产生的热量,即在反应物开始状态和反应产物终了状态相同情况下(通 常指298K和101325Pa)的热量变化值,称为燃料的发热量,单位是k/kg(固体和液体燃料),或 kJm3(气体燃料)。燃料的发热量有高位和低位之分。高位发热量包括燃料燃烧生成物中水蒸 气的汽化潜热;低位发热量指燃烧产物中的水蒸气仍以气态存在时,完全燃烧释放的热量。低位 发热量(Q1)与高位发热量(Qn)的换算关系如下 对于固体或液体燃料 Q,-2512(9h+w)(单位:k/kg 对于气体燃料 Q1=Q1-2009.75(h2+2h4+2c2h4+2c2hn)(单位:km3) 式中h2、ch4、c2h4、c2bhm分别为标准状态下1m3气体燃料所含氢气及各种碳氢化合物的体 积,即相应各类气体的体积百分数 煤的发热量可以用氧弹式量热计直接测定,也可以用经验公式计算,前者精确而后者简便。 (1)根据煤的工业分析数据计算发热量中国煤炭科学研究院提出如下发热量计算式 褐煤:Q1=(10f+6500-10x+5a-△Q)×4.187(单位:k/kg) 2.4 烟煤:Q1=(50f+9a+K-△Q)×4.187(单位:kJ/kg) 2.4b 无烟煤:Q1=(100f+3v-3-K-△Q)×4.187(单位:kJ/kg
式中∫、ω、a、v-—分别为煤中固定碳、水分、灰分及挥发分的质量分数; K——常数,其值与煤的粘结性、挥发分有关,可参照表2-3选用 表2-3各类煤的K值 v(%) ≤20 粘结序数 K 4300 4600 4600 5100 4800 5200 K——常数,当v(%)<3.5时,K=1300;当v(%)>3.5时,K′=1000; △Q高发热量与低发热量之差,v(%)>18时; △Q=2.97(100-w-a)+6w;v/(%)≤18时; △Q=2.16(100-w-a)+6v (2)根据燃料的元素分析数据计算发热量根据煤的元素分析计算煤的发热量有多种经验 计算式,下面介绍两种常用的计算式 杜隆计箅式 Qh=33913.1c+143397.9h 8/+9420.35 2.5 门捷列夫计算式 Q=33913.1c+125604h-10885.7(0-s) 2.6 Q1=33913.1c+102995.3h-10885.7(o-s) 式中Q1kg固体或液体燃料的高发热量,单位:Jkg; Q—-1kg固体或液体燃料的低发热量,单位:kJ/kg h、O、s、以分别为1kg燃料中所含的碳、氢、氧、硫和水分的质量分数 例21已知某种烟煤的组成为:cb=84.54%,b=8.04%,hb=4.84%,nb=1.26%, sb=1.32%,ad=21.32%,τo=3.06%。试计箅该煤的低位发热值 解:计算发热量需知道烟煤应用基的组成故需将灰分干燥基和其他可燃基组成换算成应 用基组成。查附录10可知 a2=a(1-t)=0.2132×(1-0.0306) =0.2067=20.67% c=c[1-(a+w)]=0.8454×[1-(0.2067+0.0306)] 0.6448=64.48% h=hb[1-(a2+v)]=0.0484x[1-(0.2067+0.0306)] =0.0369=3.69% 4)=0.0613=6.13% n=n[1-(a4+v)]=0.0096=0.96% s=s[1-(a+v)]=0.0101=1.01% u=3.06 按式2.7计算低友热量(Q1) Q1=33913.1c+102995.3-108857(o-s)
=33913.1×0.6448+102995.3×0.0369-10885,7 (0.06132-0.0101) =25110.13(kJ/kg 或 Q=33913.1c+125604h-10885.7(0-5) 25944.39(kJ/kg) Q1=Q:-2512(9h-w) =25944.39-2512(9×0.0369-0.0306) =2518702(kJ/kg) 气体燃料的发热量可用容克式量计测得,也可根据气体燃料的组成计算求得。对于每标准 立方米气体燃料燃烧的高发热量与低发热量,可按下式计算 Q1=12747.30+12766.02+25120h2+∑(chn)qh 2.8 n=12747.3+10761h2+2311142+∑(chn)q1 2.9 式中Q在标准状态下,1m3气体燃料的高发热量,单位:k/m3; Q:一在标准状态下,1m3气体燃料的低发热量,单位:kJ/r co、h2、h2、chm—分别为标准状态下1m3气体燃料所含一氧化碳氢气、硫化氢和各 种碳氢化合物的体积,即相应各类气体的体积白分数 qhb、q组成中各种碳氢化合物的高发热量和低发热量,其值如表2-4所示。 表2-4碳氢化合物的发热量 单f:「m(标态) 碳氢化合物(CHn) 甲烷 乙炔 分子式 CHe CHO C2H CFs 发高发热量 39905.4 69586.9 62428.2 58316.1 44201.6 低发热量q 35868.2 63531.0 S8390.9 558863 9121 138145.7 例2.2试计算燃料组成为CH70%,CO20%,H210%的气体燃料的高发热量和低发热量。 解:燃烧产生的高发热量可按式2.8计算,即 Qh=12747.3c+12766.0h2+ch4·qs 12747.3×0.2+12766×0.1+39905.4×0.7 3175984(kJ/m3) 燃烧产生的低发热量可按式29计算,即 Q1=12747.3c+10766.1h2+ch4·q =12747.3×0.2+10766.1×0.1+35868.2×0.7 =287338k/m3) 或利用2.3计算Q1,则 Q1=Q1-2010(h2+2ch4)=31759.84-2010(0.1+2×0.7) =2874.84(kJm3)
用式2.9和式23计算出的Q1值很相近。 2.热损失 仼何燃烧设备都不可能使燃料燃烧产生的热量全部被有效利用,因此都有热损失。燃烧设 备的热损失主要来自排烟热损失,不完全燃烧热损失和设备散热损失等。人们的任务是通过最 佳设计和操作,将热损失减至最少。 (1)排烟热损失因为排烟带走了一部分热量,一般锅炉排烟热损失为6%~12%。影响排 烟热损失的因素主要是烟气温度和体积,温度每升高12~15K,排烟热损失增加1%。设置省煤 器和空气预热器,叮降低排烟温度,减少热损失,但应防止烟温过低使受热面遭受酸性腐蚀。 般工业锅炉排烟温度取433~473K,大中型锅炉取383~453K。 (2)不完仝燃烧热损欠这部分热损失包括化学不完全燃娆和机械不完全燃烧两部分热损 失。前者是烟气中残留的可燃气体造成的,主要是CO,其次是少量的H2、CH4等。这种损失较 小,粉煤炉不,.5%,燃油和燃气锅炉约1%~1.5%,层燃炉1%左右。灰渣未燃尽的碳、漏 煤和飞灰带∵艹μ生的热损失,属机械不完全然烧热损失。这种损失粉煤炉约1%~5%,层 燃炉可达5';液体和气体炉正常燃烧时可减少到零。 (3)散 由于锅炉炉墙、炉筒、联箱、汽水管道等设备温度高于周围空气温度,使部分 热量散失到 遣成的热损失,称为散热损失。散热损失取决于锅炉设备外表面积大小绝热 层厚度和质H小、以及环境空气温度和风速等。 般随∵比的増加,不完全燃烧热损失降低,排烟热损失增加。适当控制空燃比,可 以节能,并线气污染。 (三)燃烧,生的污染物 燃料完全燃烧不仅热能转化率高,而且产生污染物少,这是人们努力的目标。实际燃烧过程 十分复杂,除快速氧化外,还有分解、聚合等反应。因 蛮的氧化物 此,烟气成分除氮和氧之外,还包括少量悬浮颗粒物、 燃烧产物,未燃烧或部分燃烧的燃料等。主要污染物 有一氧化碳、硫氧化物、氮氧化物、烟尘金属及其化合 物、醛、酮等碳氢化合物。污染物的形成与燃烧条件有 关,图2-1给出了温度对硫氧化物等污染物的影响。 由图可见,硫氧化物取决于燃料的含硫量,基本不受温 CO未燃烧的 度影响;随着温度的升高氮氧化物产生量增加,而(O 氮的氧化物 碳氢化合物烟 和CH的产生量减少。 煤比燃料油热值低,灰分高,是我国的主要能源, 消耗鼍很大。因此,燃煤产生的烟尘、SO2、NO2等是 我国主要的大气污染物,必须认真解决燃煤造成的大 燃烧反应的最高温度 气污染问题。 图2-1燃烧产物与温度的关系 ①空煎比:的质量燃料燃烧所需空气质量,详见本章第节
第二节燃烧计算 燃料燃烧需要空气或氧气,燃烧产生烟气、SO2、NO2等大气污染物。本节主要介绍理论空 气量、烟气和污染物排放量等计算。 、燃烧所需理论空气量 )理论空气量 燃料燃烧所需氧气通常由空气提供。单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需要的空气 量称为理论空气量,以v表示。它取决于燃料的组成,可由燃烧反应方程式计算。为建立燃烧 反应方程式,通常假定 (1)空气仅由氮和氧组成,其体积分数为79:21=3.76 (2)燃料中的固定态氧参与燃烧反应; (3)燃料中的硫主要被氧化为二氧化硫; (4)计算理论空气量时,忽略NO,的生成量 (5)燃料的化学组成式为CHS2O,其中x、y、z、w分别代表碳、氢、硫和氧的原子数。 燃料与空气中的氧完全燃烧的化学方程式如下 CHOn+(x+￥+x-+36(x+2+:-2N→ xCO2+÷H2O+zSO2+3.76{x+2+z 2.10 式中Q为燃烧热。理论空气量V为 x+÷+z-2 y)/(12x+1.009+32zx+16c) 10668+6-2)12:108+2160 各种燃料燃烧所需理论空气量见表2-5。 表2-5燃料燃烧的理论空气量 燃料 (×标态)燃料mm3(标春 褐煤 36~6.0 炼焦煤气 4.5~5.5 烟煤 7.5~8.5 天然气(配性 11.4-12.1 无烟煤 9.0~10 大然气(干性 焦炭 液化石油气(工业用) 2,97 燃料油 10~13 高炉煤气 (二)空气过剩系数 完全燃烧所需要的实际空气量取决于理论空气量和“三T”条件的保障程度。在理想的“三 T”条件下,理论空气量即可保证完全燃烧。但在实际燃烧装置中,“三T”不可能达到理想化程 度,因此为使燃料完全燃烧,就必须供给过量的空气,超过理论空气量提供的空气量,通常称为过