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燃?xì)馊紵杩諝饬考叭紵a(chǎn)物

  
評(píng)論: 更新日期:2015年07月01日

? 燃?xì)獾娜紵?jì)算,是按照燃?xì)庵锌扇汲煞峙c氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)方程式,根據(jù)物質(zhì)平衡和熱量平衡的原理,來(lái)確定燃燒反應(yīng)的諸參數(shù),包括:燃燒所需要的空氣量、燃燒產(chǎn)物的生成量及成分、燃燒完全程度、燃燒溫度和煙氣焓。這些參數(shù)是燃?xì)馊紵O(shè)備設(shè)計(jì)、熱工管理必要的數(shù)據(jù),也是評(píng)定生產(chǎn)操作、提高熱效率、進(jìn)行傳熱和空氣動(dòng)力計(jì)算不可缺少的依據(jù)。
  考慮到燃?xì)?、空氣和燃燒產(chǎn)物各組成所處的狀態(tài),可以相當(dāng)精確地把它們當(dāng)作理想氣體來(lái)處理。所以,燃燒計(jì)算中氣體的體積都按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(0℃、101325Pa)計(jì)算,其摩爾體積均為22.4L,計(jì)算基準(zhǔn)可以用1m3的濕燃?xì)?,也可以?m3干燃?xì)狻1仨氉⒁獾氖牵笳哌€要帶入所含的飽和水汽量,這就是大多數(shù)場(chǎng)合下所使用的基準(zhǔn)——含有1m3干燃?xì)獾臐袢細(xì)狻?br /> ?  確定燃?xì)馊紵杩諝饬亢腿紵a(chǎn)物量,屬于燃燒計(jì)算的物料平衡的內(nèi)容。

  一、空氣需要量

  (一)理論空氣需要量V0
  V0是指1m3燃?xì)獍慈紵磻?yīng)方程式完全燃燒所需要供給的空氣量,m3空氣/m3干燃?xì)?,它是燃?xì)馔耆紵璧淖钚】諝饬俊?br />   V0的計(jì)算方法為,先按照燃燒反應(yīng)方程式和燃燒計(jì)算的氧化劑條件(假設(shè)干空氣體積僅由21%的氧和79%的氮組成),確定燃燒所需的理論氧氣量,然后換算成理論空氣需要量。
  從單一可燃?xì)怏w著手。例如,CO的燃燒反應(yīng)方程式,連同隨氧帶入的氮,可表示為
?

CO+0.502+3.76×0.5N2=C02+1.88N2

  上式表明,1m3的C0完全燃燒,理論需氧量為0.5m3,隨氧帶入的氮量為1.88m3,相當(dāng)?shù)睦碚摽諝庑枰渴?.5/0.21=2.38m3。
  對(duì)氣態(tài)重碳?xì)浠衔顲mHn,燃燒反應(yīng)方程式為
?

CmHn+(m+n/4)O2+3.76(m+n/4)N2

=mC02+ (n/2)H20+3.76(m+n/4)N2 (1—1)

  也清楚地表明,1m3的CmHn完全燃燒,需要(m+n/4)m3的理論氧,同時(shí)帶入3.76(m+n/4)m3的氮,故理論空氣需要量為
?

(m+n/4)/0.21=4.76(m+n/4)m3

  以此類推,對(duì)組成為ψ(CO)+ψ(H2)+ψ(CH4)+ψ(CmHn)+ψ(H2S)+ψ(N2)+ψ(02)=100%的1m3干燃?xì)?,需要的理論氧量,用符?hào)V(O2)O表示為:
?

V(O2)O=O.01[0.5ψ(CO)+0.5ψ(H2)+2ψ(CH4)+∑(m+n/4)ψ(CmHn)+1.5ψ(H2S)-ψ(02)]m3 (1—2)

  需要的理論空氣量為:
?

V0=1/21[0.5ψ(CO)+0.5ψ(H2)+2ψ(CH4)+∑(m+n/4)ψ(CmHn)+1.5ψ(H2S)-ψ(02)]m3 (1—3)

  顯然,V0完全取決于燃?xì)獾慕M成。燃?xì)庵锌扇冀M分含量愈多,熱值愈高,燃燒所需的V0也愈多。所以在實(shí)際應(yīng)用中V0有基于熱值或組成的各種類型的近似計(jì)算公式;而在粗略計(jì)算時(shí),常常按每4186.8kJ發(fā)熱量的燃料,需要1m3V0估算。
  (二)實(shí)際空氣需要量V
  為了保證燃?xì)馔耆紵?,?shí)際供給的空氣量Vm3/m3(干燃?xì)?均大于理論空氣需要量,這個(gè)空氣量多供給的比例,就稱為空氣過(guò)剩系數(shù),表示為:
?

α=V/V0 (1—4)

  即,燃?xì)馊紵膶?shí)際空氣需要量為
?

V=αV0,m3(空氣)/m3(干燃?xì)? (1—5)

  顯然,這里的V是干空氣需要量,可表示為Vg。
  空氣中的水汽含量,可比照燃?xì)庵械乃康拇_定方法,但要考慮空氣的相對(duì)濕度ψ(空氣中的濕含量相對(duì)于同溫度下飽和濕含量的百分比)。首先,按空氣溫度由附錄3查出空氣的飽和濕含量d'a,kg/m3(干空氣),則空氣中實(shí)際濕含量da=ψd'a,kg/m3(干空氣)。
  

所以實(shí)際濕空氣量Vs=αV0+1.2αV0da=(1+1.2da)αV0,m3/m3(干燃?xì)? (1—6)

  如,空氣20℃,相對(duì)濕度0.6時(shí),查附錄3,d'a=0.0189kg/m3(干空氣),這時(shí)空氣的da=O.6×0.0189= 0.0113kg/m3(干空氣),Vs=αV0+1.2×0.0113αV0=(1+0.0136)αV0,m3(濕空氣)/m3(干燃?xì)?。
  一般將10g/m3(干空氣),或0.012m3/m3(干空氣),作為空氣濕含量近似計(jì)算的取值。
  顯然,燃?xì)馊紵膶?shí)際空氣需要量V,不僅取決于燃?xì)獾慕M成,同時(shí)與燃燒條件。有關(guān),影響因素主要有燃?xì)馊紵椒ā⑷紵O(shè)備運(yùn)行工況等。通常,α>1,在工業(yè)燃燒設(shè)備中α為1.05~1.20,在民用燃具中α為1.30~1.80。
  在燃?xì)馊紵O(shè)備中,正確選擇和控制空氣過(guò)剩系數(shù)α是十分重要的。α過(guò)小或過(guò)大都將導(dǎo)致不良后果。前者,α小于1,空氣供應(yīng)不足,燃?xì)獠煌耆紵細(xì)獾幕瘜W(xué)熱不能充分發(fā)揮,使設(shè)備的熱效率下降,熱耗量增加;后者α大于,或遠(yuǎn)大于1,使燃燒產(chǎn)物生成量過(guò)大,增加了煙氣帶走的熱損失,也使燃燒設(shè)備的熱效率下降,熱耗增加。因此,先進(jìn)的燃燒設(shè)備應(yīng)在保證完全燃燒的前題下,使α值大于并趨近于1,即采用低氧燃燒法。

  二、完全燃燒產(chǎn)物的計(jì)算

  燃?xì)馊紵蟮漠a(chǎn)物,統(tǒng)稱為煙氣。嚴(yán)格地說(shuō),燃燒產(chǎn)物不僅限于煙氣,還應(yīng)包括煙氣中所攜帶的灰粒和未燃燼的固體碳粒,但由于它們?cè)跓煔庵兴既莘e百分比極小,因此,在一般的計(jì)算中都略去不計(jì)。
  (一)煙氣量
  當(dāng)α=1時(shí),只供給理論空氣量,如果燃?xì)馔耆紵?,產(chǎn)生煙氣的量稱為理論煙氣量Vofm3(煙氣)/m3(干燃?xì)?,它的組成包括:C02、S02、N2、H20。
  當(dāng)α>l時(shí),供應(yīng)空氣過(guò)剩,燃?xì)馔耆紵螽a(chǎn)生的煙氣量則稱之為實(shí)際煙氣量Vfm3(煙氣)/m3(干燃?xì)?,這時(shí)煙氣中除含有上述四組分之外,還含有過(guò)剩氧,即包含CO2、S02、N2、O2和H20。前3種組分合在一起稱為干煙氣Vgf;包括H2O在內(nèi)的煙氣則稱為濕煙氣Vsf
  煙氣中C02和S02,都是三原子氣體,又同屬酸性氧化物,在化學(xué)吸收法進(jìn)行氣體分析時(shí)它們的含量經(jīng)常合在一起分析,因此,通常合稱為三原子氣體,用符號(hào)R02表示。
  對(duì)于混合氣體燃燒產(chǎn)生的煙氣量,為各燃?xì)饨M分產(chǎn)生煙氣量之和,如表3—1—1。
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表3-1-1 煙氣量表
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?

  實(shí)際上V0f和Vf的差別,僅在于α=1和α>1相比燃燒產(chǎn)物生成量少一部分過(guò)剩空氣量,即
所以
?

?


?

  同樣,煙氣量也有多種類型的近似計(jì)算式,可參考各種工具書(shū)。
  (二)煙氣的組成
  煙氣的組成一般也用容積成分(體積百分?jǐn)?shù)ψ)來(lái)表示。
  即 ψ(RO'2)=V(RO2)/Vf×100%
    ψ(N'2) =V(N2)/Vf×100%
    ψ(O'2)M=V(O2)/Vf×100%
    ψ(H2O')=VH2O/Vf×100%
  煙氣組成(體積百分?jǐn)?shù)):ψ(R02)+ψ(N2)+ψ(02)+ψ(H20)=100 (1—8)
  (三)煙氣的密度
  煙氣的密度ρof,kg/m3(煙氣),有兩種計(jì)算方法。
  一種,按煙氣各組分的密度,用加和法計(jì)算。
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?

式中 用i代表煙氣中的不同組分。
另一種方法,按質(zhì)量守衡,用參加燃燒反應(yīng)的物質(zhì)總量,除以燃燒產(chǎn)物的總體積。
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  三、燃料燃燒方程式及空氣過(guò)剩系數(shù)

(一)燃料燃燒方程式
  燃料燃燒方程,或稱氣體分析方程,表示燃料燃燒產(chǎn)物各組分之間的關(guān)系。它可用來(lái)鑒定燃燒的質(zhì)量;驗(yàn)證燃燒產(chǎn)物氣體成分的準(zhǔn)確性;在核實(shí)煙氣分析結(jié)果后,還可用來(lái)求某一未知組分。
  燃料燃燒方程式的推導(dǎo)是基于燃燒的物料平衡。針對(duì)燃?xì)?,可推?dǎo)如下。
  干燃?xì)饨M成(體積)為,ψ(CO)+ψ(H2)+∑ψ(CmHn)+ψ(H2S)+ψ(O2)+ψ(N2)=100
  從不完全燃燒產(chǎn)物量考慮,如前所述,當(dāng)燃?xì)獠煌耆紵龝r(shí),煙氣中含有C0、H2、CH4等可燃物,但由于H2、CH4的含量比CO少得多,因此工程上的不完全燃燒產(chǎn)物常常僅考慮CO。這樣,上述燃?xì)獠煌耆紵母蔁煔獾慕M成(體積百分?jǐn)?shù))為:

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