燃气燃烧所需空气量及燃烧产物标准版.docx
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燃气燃烧所需空气量及燃烧产物标准版
燃气燃烧所需空气量及燃烧产物(标准版)
Safetymanagementisanimportantpartofproductionmanagement.Safetyandproductionareintheimplementationprocess
(安全管理)
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燃气燃烧所需空气量及燃烧产物(标准版)
备注说明:
安全管理是生产管理的重要组成部分,安全与生产在实施过程,两者存在着密切的联系,存在着进行共同管理的基础。
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
CO+0.502
+3.76×0.5N2
=C02
+1.88N2
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Cm
Hn
,燃烧反应方程式为
Cm
Hn
+(m+n/4)O2
+3.76(m+n/4)N2
=mC02
+(n/2)H2
0+3.76(m+n/4)N2
(1—1)
也清楚地表明,1m3
的Cm
Hn
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
(m+n/4)/0.21=4.76(m+n/4)m3
。
以此类推,对组成为ψ(CO)+ψ(H2
)+ψ(CH4
)+ψ(Cm
Hn
)+ψ(H2
S)+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:
V(O2
)O=O.01[0.5ψ(CO)+0.5ψ(H2
)+2ψ(CH4
)+∑(m+n/4)ψ(Cm
Hn
)+1.5ψ(H2
S)-ψ(02
)]m3
(1—2)
需要的理论空气量为:
V0
=1/21[0.5ψ(CO)+0.5ψ(H2
)+2ψ(CH4
)+∑(m+n/4)ψ(Cm
Hn
)+1.5ψ(H2
S)-ψ(02
)]m3
(1—3)
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1m3
V0
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:
α=V/V0
(1—4)
即,燃气燃烧的实际空气需要量为
V=αV0
,m3
(空气)/m3
(干燃气)(1—5)
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da
=ψd'a,kg/m3
(干空气)。
所以实际湿空气量Vs
=αV0
+1.2αV0
da
=(1+1.2da
)αV0
,m3
/m3
(干燃气)(1—6)
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da
=O.6×0.0189=0.0113kg/m3
(干空气),Vs
=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Vo
f
m3
(烟气)/m3
(干燃气),它的组成包括:
C02
、S02
、N2
、H2
0。
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Vf
m3
(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H2
0。
前3种组分合在一起称为干烟气Vg
f
;包括H2
O在内的烟气则称为湿烟气Vs
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。
表3-1-1烟气量表
实际上V0
f
和Vf
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
)
/Vf
×100%
ψ(N'2
)=V(N2
)
/Vf
×100%
ψ(O'2
)M=V(O2
)
/Vf
×100%
ψ(H2
O')=VH2
O/Vf
×100%
烟气组成(体积百分数):
ψ(R02
)+ψ(N2
)+ψ(02
)+ψ(H2
0)=100(1—8)
(三)烟气的密度
烟气的密度ρo
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(Cm
Hn
)+ψ(H2
S)+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:
ψ(RO'2
)+ψ(CO')+ψ(O'2
)+ψ(N'2
)=100
根据燃气燃烧过程的氮平衡,烟气中的氮只能有三个来源,即燃气带入、理论空气带入、过剩空气带入。
式中以上标符号“△”表示过剩量。
而干烟气中氮含量
将式中干烟气总量用烟气成分表示
则上述燃气不完全燃烧的干烟气的组成(体积%)可改写为:
各项乘以0.21,整理后得:
这就是不完全燃烧成分只考虑CO时的燃气燃烧方程式。
如果燃气完全燃烧,ψ(CO')=0,就得到完全燃烧方程式:
(1+β)ψ(RO'2
)+ψ(O'2
)=21(1—13)
用燃烧方程,可判别燃烧过程的好坏,还可求未知组分,如,
适用于多种不完全燃烧组分的燃气燃烧方程式,可以按类似方法推导。
(二)燃料特性系数
上述燃烧方程式中的β,为无因次系数。
严格地说,它除与燃料组成有关外,还与
发生不完全燃烧时的烟气成分有关。
但对于完全燃烧情况,β公式第一项分母仅有V(R02
)
;对于不完全燃烧,也因V(CO)
、V(H2
)
及V(CH4
)
一般很小,可忽略不计。
因此,β的表达式也可统一为:
并且认为它只取决于燃料的组成。
故称之为燃料特性系数。
燃气的β数值变化较大,有正有负,见表3—1—2。
表3—1—2燃气的β值
燃气
氢
一氧化碳
甲烷
天然气
焦炉煤气
高炉煤气
发生炉煤气
β
-0.395
0.79
0.75~0.80
0.90
-0.16
0.04~0.06
(三)三原子气体含量ψ(RO'2
)和它的极大值ψ(R0'2
)max
。
由燃气完全燃烧方程式得:
当燃气完全燃烧时,烟气分析结果必然满足上述关系。
上式也表明,烟气中ψ(RO'2
)与过剩氧ψ(O'2
)含量有关,即与α有关。
对于某种燃气,β值一定,燃烧烟气的ψ(RO'2
)含量随α增大而降低。
在燃烧设备运行时,如检测发现三原于气体量ψ(BO'2
)过小,这就意味着供应的空气量过多或者漏风增加。
如果完全燃烧时烟气中无过剩氧量,即ψ(0'2
)=0,则此的相当α=1的完全燃烧情况,因而α(R0'2
)达到一个最大值,式(1—15)可写成
可以看出,ψ(RO'2
)一值只取决于燃料特定系数β。
对于给定的燃气,β值一定,因而ψ(R0'2
)max
也一定。
所以燃烧装置在实际运行中,烟气的ψ(R0'2
)值均小于ψ(RO'2
)max
。
(四)空气过剩系数。
从前面讨论中可知,α的大小对燃烧过程有很大的影响,诸如燃料消耗、燃烧温度、热效率等。
因此,α是燃烧过程控制的重要指标,必须及时根据烟气分析结果检查确定。
在实际燃烧中,最好的办法是通过烟气中的组分来判断燃烧的质量,从而达到控制燃烧过程的目的。
烟气分析用烟气分析仪。
烟气分析仪,按其工作原理可分为三类:
化学吸收式、物理检测式、物理化学分析式。
按烟气组分计算α的公式很多,比较常用的有两种:
氧平衡公式和氮平衡公式。
1.氧平衡公式
根据α的定义,可写出;
式中V、V(02)——实际空气量和实际氧气量;下标“0”表示理论量,“△”表示过剩量。
经过代换,可得到完全燃烧氧平衡公式:
系数K=V(RO2
)
/V(O'2
)0
,由燃气组成决定。
对于不完全燃烧,氧平衡公式为:
2.氮平衡公式
同样,根据α的定义,有:
(1—20)
已知燃气组分,ψ(N2)、ψ(C02
)、ψ(CO)……,又有烟气分析结果ψ(RO'2
)、ψ(O'2
),就可确定此时的α。
当燃气中含氮量很少N2
≈0时,则
表明α仅仅与烟气成分有关,采用ψ(RO'2
)、ψ(O'2
)连续分析检测,就可连续监视设备中的燃烧工况。
对含H2
很少的燃气,如天然气或液化石油气,烟气中ψ(N'2
)≈79%时,
,只要随时对烟气进行ψ(O'2
)分析,即可随时检测到α值。
在实际操作中,由前面燃烧方程,有公式,
,当α=1,且完全燃烧时
。
对某种燃气,α(RO'2
)max
一定,只要连续进行ψ(R0'2
)分析,也可连续监控燃烧设备的α值。
对于不完全燃烧,氮平衡公式(1—19)中,剩余氧还应扣除不完全燃烧的可燃组分本应消耗掉的氧。
所以
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