1、硅酸鹽工業熱工基礎硅酸鹽工業熱工基礎第四章第四章 燃料及其燃燒燃料及其燃燒第第3 3講講 燃燒計算燃燒計算學習要學習要點點1、計算的目的與內容、計算的目的與內容目的設計窯爐設計窯爐操作窯爐內容空氣量煙氣量、煙氣組成(1) 分析計算法 (2) 近似計算法 (3) 估算法(4) 操作計算2、空氣量、煙氣量及煙氣組成的計算、空氣量、煙氣量及煙氣組成的計算3、燃燒溫度的計算：熱量收入與支出的計算、燃燒溫度的計算：熱量收入與支出的計算燃燒溫度4-3 4-3 燃燒計算燃燒計算一、計算的內容和目的一、計算的內容和目的空氣量煙氣生成量煙氣組成煙氣組成燃燒溫度。計算計算目的目的設計窯爐設計窯爐(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，以便及時調節。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算二、空氣量、煙氣量及煙氣組成的計算分析計算法：分析計算法：根據燃料的成分分析計算計算方法計算方法近似計算法：近似計算法：燃料的組成未知，可，可根據燃料的種類及發熱量進行近似計算( (一一) ) 分析計算法分析計算法1 1、空氣量的計算、空氣量的計算(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：燃料的化學組成及發熱量都未知 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，按下列反應進行：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準狀態下的體積為燃料）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。各組成按下列反應進行燃燒：

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)、實際空氣量、實際空氣量(Va0) 實際燃燒時，空氣實際使用量常較理論空氣量多些，二者的比值叫空氣系數，即0aaVV0aaVV或(4-23)在實際燃燒時要選擇合理的空氣系數。燃料種類燃料種類燃燒氣氛燃燒氣氛空氣系數空氣系數 的選擇的選擇燃燒方式燃燒方式燃燒設備燃燒設備氣體燃料，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、法回轉窯中高些。還原氣氛時，應小于1根據經驗，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。基準：1kg固體或液體燃料。2 2、煙氣量及煙氣組成的計算、煙氣量及煙氣組成的計算(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：指當燃料與理論空氣量進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、百分數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: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數一樣，氣體燃料的理論煙氣組成百分數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)、實際煙氣量及煙氣組成、實際煙氣量及煙氣組成當當 1時時，實際煙氣量，實際煙氣量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當當 1時時，實際煙氣量，實際煙氣量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當當 1時時，若煤氣按比例燃燒，則實際煙氣量為：，若煤氣按比例燃燒，則實際煙氣量為：)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 質量(%) 72.0 4.4 8.0 1.4 0.3 4.9 9.0當=1.2時，計算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實際煙氣量為)kg/Nm(2 . 93

14、2. 7) 12 . 1 (74. 7V) 1(VV30a0組成質量%物質的量kmol燃燒所需理論空氣量kmol煙氣量kmolN2O2COH2OSO2O2N2總計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=1.1時，計算：(1)空氣量(Nm3/Nm3煤氣)；(2) 煙氣量(Nm3/Nm3煤氣) 。解：根據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) 計算理論空氣量計算理論空氣量Va0和實際空氣量和實際空氣量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實際空氣量為)Nm/Nm(315. 1195. 11 . 1VV330aa2179V1001OHNSH2HC)2nm(CH3HCOCOV0O222nm42202(2) 計算理論煙氣量計算理論煙

17、氣量V0和實際煙氣量和實際煙氣量V理論煙氣量)Nm/Nm(99. 133)Nm/Nm(07. 2195. 1) 11 . 1 (99. 1V) 1(VV330a0實際煙氣量( (二二) ) 近似計算近似計算當燃料的化學組成未知但低位發熱量已知時利用經驗公式經驗公式來近似計算理論空氣量及理論煙氣量再根據空氣系數來確定實際空氣量及實際煙氣量燃料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 當燃料的化學組成和發熱量都不知道時，利用下表來估算理論空氣量及理論煙氣量，然后再根據空氣系數來確定實際空氣量及實際煙氣量。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) ) 操作計算操作計算利用碳平衡，即燃料中C=煙氣中C+灰渣中C，可計算煙氣量；利用氮平衡，即燃料中N+空氣中N=煙氣中N，可計算空氣量。實際煙氣量與空氣量的計算實際煙氣量與空氣量的計算計算空氣系數，空氣與燃料的配比合適？根據燃料根據燃料和煙氣組和煙氣組成計算成計算流量計流量計測定測定燃燒是否燃燒是否正常正常空氣量空氣量測定爐內不同負壓處的煙氣組成檢驗窯爐漏氣？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，煤中含C72kg，灰渣中含C)kg(44. 283179 .11(1) 煙氣量：根據碳平衡，煤中C=煙氣中C+灰渣中C解：設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，煤中N2量為)Nm(12. 1284 . 14 .223(2) 空氣量：根據N2平衡，空氣中N2 +燃料中N2 =煙氣中N2設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、燃燒溫度的計算三、燃燒溫度的計算燃燒溫度：燃燒溫度：指燃料燃燒時燃燒產物的溫度叫燃燒溫度。計算原理：計算原理：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)： 燃料的化學熱(即燃料的低位發熱量)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表示燃料和空氣進入燃燒室時的溫度； Va表示實際空氣量。支出熱量：支出熱量： 燃燒產物所含的物理

23、熱Q=Vctp； 由燃燒產物傳給周圍物體的熱量Ql； 由于機械不完全燃燒造成的熱損失Qml； 由于化學不完全燃燒造成的熱損失Qch； 燃燒產物中部分CO2和H2O在高溫下熱分解反應消耗的熱量Qdi； 灰渣帶走的物理熱Qa,s。式中， c表示燃燒產物從0C到其形成溫度下的平均比熱容； tp表示燃燒產物的實際溫度，也稱實際燃燒溫度； V表示實際煙氣量。( (一一) ) 實際燃燒溫度實際燃燒溫度 為了便于研究和分析問題，通常建立三種燃燒溫度的概念，即實際燃燒溫度實際燃燒溫度、量熱計式燃燒溫度量熱計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將熱量的各個表達式代入上式，整理得：Vc)QQQQQ(tcVtcQts , adichmllaaaffnetp(4-30)但是利用該式計算實際燃燒溫度還是十分困難的，因為影響燃燒溫度的因素除了燃料的種類、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構的不同而變化。( (二二) ) 量熱計式燃燒溫度量熱計式燃燒溫度 假定燃料在絕熱系統中完全燃燒，并且不考慮燃燒產物在高溫下的熱分解，則按式(4-30)計算出的燃燒溫度稱為量熱計式燃燒溫度，即VctcVtcQtaaaffnetm(4-31)當tf、ta都為0C且=1時，此時計算出的

25、燃燒溫度稱為“燃料理論發熱溫度”或“發熱溫度”、“產熱度”，用tm0表示，即VcQtnet0m(4-32)tm0只與燃料性質有關，它是從燃燒溫度的角度評價燃料性質的指標。 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中完全燃燒，并且考慮高溫下燃燒產物中部分CO2和H2O分解反應消耗的熱量，即VcQtcVtcQtdiaaaffnetth(4-33)此時計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物中CO2和H2O的分解程度，而它們的分解程度又與燃燒產物的溫度以及CO2、H2O的分壓有關。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，因此按照上式計算時，要采用“試值法”：即先假定一個tth，查出相應溫度下的c值，計算煙氣的熱量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。 在硅酸鹽窯爐內的燃燒產物溫度下， 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，可以采用內插法內插法。“圖解法圖解法” ：根據上式，在t-Q坐標系中作出與t1-Q1對應的點A，與t2-Q2對應的B，連接AB，由Q可找出tth。tthQt1Q1Q2t2BAO “內插法內插法”：即由t1，查出c1值，