洛阳燃气燃烧所需空气量及燃烧产物

  燃气的燃烧计算，是按照燃气中可燃成分与氧进行化学反应的反应方程式，根据物质平衡和热量平衡的原理，来确定燃烧反应的诸参数，包括：燃烧所需要的空气量、燃烧产物的生成量及成分、燃烧完全程度、燃烧温度和烟气焓。这些参数是燃气燃烧设备设计、热工管理必要的数据，也是评定生产操作、提高热效率、进行传热和空气动力计算不可缺少的依据。
　　考虑到燃气、空气和燃烧产物各组成所处的状态，可以相当精确地把它们当作理想气体来处理。所以，燃烧计算中气体的体积都按标准状态(0℃、101325Pa)计算，其摩尔体积均为22．4L，计算基准可以用1m³的湿燃气，也可以用1m³干燃气。必须注意的是，后者还要带入所含的饱和水汽量，这就是大多数场合下所使用的基准——含有1m³干燃气的湿燃气。
  　确定燃气燃烧所需空气量和燃烧产物量，属于燃烧计算的物料平衡的内容。

　　一、空气需要量

　　(一)理论空气需要量V₀
　　V₀是指1m³燃气按燃烧反应方程式完全燃烧所需要供给的空气量，m³空气／m³干燃气，它是燃气完全燃烧所需的最小空气量。
　　V₀的计算方法为，先按照燃烧反应方程式和燃烧计算的氧化剂条件(假设干空气体积仅由21％的氧和79％的氮组成)，确定燃烧所需的理论氧气量，然后换算成理论空气需要量。
　　从单一可燃气体着手。例如，CO的燃烧反应方程式，连同随氧带入的氮，可表示为
 

　　上式表明，1m³的C0完全燃烧，理论需氧量为0．5m³，随氧带入的氮量为1．88m³，相当的理论空气需要量是0．5/0．21=2.38m³。
　　对气态重碳氢化合物C_mH_n，燃烧反应方程式为
 

　　也清楚地表明，1m³的C_mH_n完全燃烧，需要(m+n／4)m³的理论氧，同时带入3．76(m+n／4)m³的氮，故理论空气需要量为
 

　　以此类推，对组成为ψ(CO)+ψ(H₂)+ψ(CH₄)+ψ(C_mH_n)+ψ(H₂S)+ψ(N₂)+ψ(0₂)=100％的1m³干燃气，需要的理论氧量，用符号V(O₂)O表示为：
 

　　需要的理论空气量为：
 

　　显然，V₀完全取决于燃气的组成。燃气中可燃组分含量愈多，热值愈高，燃烧所需的V₀也愈多。所以在实际应用中V₀有基于热值或组成的各种类型的近似计算公式；而在粗略计算时，常常按每4186.8kJ发热量的燃料，需要1m³V₀估算。
　　(二)实际空气需要量V
　　为了保证燃气完全燃烧，实际供给的空气量Vm³／m³(干燃气)均大于理论空气需要量，这个空气量多供给的比例，就称为空气过剩系数，表示为：
 

　　即，燃气燃烧的实际空气需要量为
 

　　显然，这里的V是干空气需要量，可表示为Vg。
　　空气中的水汽含量，可比照燃气中的水汽含量的确定方法，但要考虑空气的相对湿度ψ(空气中的湿含量相对于同温度下饱和湿含量的百分比)。首先，按空气温度由附录3查出空气的饱和湿含量d'a，kg／m³(干空气)，则空气中实际湿含量d_a=ψd'a，kg／m³(干空气)。
　　

　　如，空气20℃，相对湿度0．6时，查附录3，d'a=0．0189kg/m³(干空气)，这时空气的d_a=O．6×0．0189= 0.0113kg／m³(干空气)，V^s=αV₀+1．2×0.0113αV₀=(1+0．0136)αV₀，m³(湿空气)／m³(干燃气)。
　　一般将10g／m³(干空气)，或0．012m³/m³(干空气)，作为空气湿含量近似计算的取值。
　　显然，燃气燃烧的实际空气需要量V，不仅取决于燃气的组成，同时与燃烧条件。有关，影响因素主要有燃气燃烧方法、燃烧设备运行工况等。通常，α>1，在工业燃烧设备中α为1．05～1．20，在民用燃具中α为1．30～1．80。
　　在燃气燃烧设备中，正确选择和控制空气过剩系数α是十分重要的。α过小或过大都将导致不良后果。前者，α小于1，空气供应不足，燃气不完全燃烧，燃气的化学热不能充分发挥，使设备的热效率下降，热耗量增加；后者α大于，或远大于1，使燃烧产物生成量过大，增加了烟气带走的热损失，也使燃烧设备的热效率下降，热耗增加。因此，先进的燃烧设备应在保证完全燃烧的前题下，使α值大于并趋近于1，即采用低氧燃烧法。

　　二、完全燃烧产物的计算

　　燃气燃烧后的产物，统称为烟气。严格地说，燃烧产物不仅限于烟气，还应包括烟气中所携带的灰粒和未燃烬的固体碳粒，但由于它们在烟气中所占容积百分比极小，因此，在一般的计算中都略去不计。
　　(一)烟气量
　　当α=1时，只供给理论空气量，如果燃气完全燃烧，产生烟气的量称为理论烟气量V^o_fm³(烟气)／m³(干燃气)，它的组成包括：C0₂、S0₂、N₂、H₂0。
　　当α>l时，供应空气过剩，燃气完全燃烧后产生的烟气量则称之为实际烟气量V_fm³(烟气)／m³(干燃气)，这时烟气中除含有上述四组分之外，还含有过剩氧，即包含CO₂、S0₂、N₂、O₂和H₂0。前3种组分合在一起称为干烟气V^g_f；包括H₂O在内的烟气则称为湿烟气V^s_f。
　　烟气中C0₂和S0₂，都是三原子气体，又同属酸性氧化物，在化学吸收法进行气体分析时它们的含量经常合在一起分析，因此，通常合称为三原子气体，用符号R0₂表示。
　　对于混合气体燃烧产生的烟气量，为各燃气组分产生烟气量之和，如表3—1—1。
 

 

　　实际上V⁰_f和V_f的差别，仅在于α=1和α>1相比燃烧产物生成量少一部分过剩空气量，即
所以
 

 

 

　　同样，烟气量也有多种类型的近似计算式，可参考各种工具书。
　　(二)烟气的组成
　　烟气的组成一般也用容积成分(体积百分数ψ)来表示。
　　即 ψ(RO'₂)=V_(RO2)／V_f×100％
　　　　ψ(N'₂) =V_(N2)／V_f×100％
　　　　ψ(O'₂)M=V_(O2)／V_f×100％
　　　　ψ(H₂O')=VH₂O／V_f×100％
　　烟气组成(体积百分数)：ψ(R0₂)+ψ(N₂)+ψ(0₂)+ψ(H₂0)=100 (1—8)
　　(三)烟气的密度
　　烟气的密度ρ^o_f,kg/m³(烟气)，有两种计算方法。
　　一种，按烟气各组分的密度，用加和法计算。
 

 

式中 用i代表烟气中的不同组分。
另一种方法，按质量守衡，用参加燃烧反应的物质总量，除以燃烧产物的总体积。
 

 

　　三、燃料燃烧方程式及空气过剩系数

(一)燃料燃烧方程式
　　燃料燃烧方程，或称气体分析方程，表示燃料燃烧产物各组分之间的关系。它可用来鉴定燃烧的质量；验证燃烧产物气体成分的准确性；在核实烟气分析结果后，还可用来求某一未知组分。
　　燃料燃烧方程式的推导是基于燃烧的物料平衡。针对燃气，可推导如下。
　　干燃气组成(体积)为，ψ(CO)+ψ(H₂)+∑ψ(C_mH_n)+ψ(H₂S)+ψ(O₂)+ψ(N₂)=100
　　从不完全燃烧产物量考虑，如前所述，当燃气不完全燃烧时，烟气中含有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烧产物常常仅考虑CO。这样，上述燃气不完全燃烧的干烟气的组成(体积百分数)为：