工程燃燒學(xué) 燃燒計(jì)算

第四章燃燒反應(yīng)計(jì)算2023/2/21河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院完全燃燒與不完全燃燒1、完全燃燒：燃料中的碳、氫（或碳?xì)浠衔铮?、硫等均與氧充分反應(yīng)而生產(chǎn)二氧化碳、水與二氧化硫。產(chǎn)物中還有一些氮?dú)馀c氧氣。2、不完全燃燒：上述反應(yīng)后仍有燃料過剩，或者燃燒反應(yīng)之外還有其它反應(yīng)。產(chǎn)物除二氧化碳、水、二氧化硫之外，還有一氧化碳、氫、甲烷等。2023/2/22河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院第一節(jié)空氣需要量的計(jì)算固、液體燃料，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：對于C的反應(yīng)存在關(guān)系：對于H的反應(yīng)存在關(guān)系：對于S的反應(yīng)存在關(guān)系：則千克燃料需氧量：折算成空氣的體積量則是單位燃料燃燒所需理論空氣量2023/2/23河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院氣體燃料理論空氣量氣體燃料體積百分?jǐn)?shù)為：可燃成分反應(yīng)方程式為：單位體積氣體燃料的理論需氧量與理論空氣量分別為：Nm3/Nm32023/2/24河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院空氣消耗系數(shù)過量空氣系數(shù)：實(shí)際燃燒過程中，為了保證完全燃燒，往往供給比理論空氣量更多的空氣；有時候工藝要求需要少供給空氣。實(shí)際供給的空氣與理論空氣量的比值，稱為空氣消耗系數(shù)（余氣系數(shù)）。當(dāng)它大于1時就是過量空氣系數(shù)（過?？諝庀禂?shù)，或n）?？諝膺^量時，為貧油（或貧燃）；空氣不足時，為富油（或富燃）對于濕空氣，計(jì)算空氣需要量的時候要將水分估計(jì)在內(nèi)。假如單位體積空氣中所含水分為g克，折算成體積含量為：Nm3/Nm3那么，實(shí)際空氣需要量為：2023/2/25河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院油氣比f：指燃料與空氣混合物中燃料和空氣的質(zhì)量（或質(zhì)量流量）之比。當(dāng)兩者的混合比例恰好等于化學(xué)恰當(dāng)比時，稱為化學(xué)恰當(dāng)油氣比fs。當(dāng)f<fs時，貧油；f>fs時，富油。當(dāng)量比：實(shí)際油氣比與化學(xué)恰當(dāng)油氣比之比，即f/fs。是空氣消耗系數(shù)的倒數(shù)。Leanpre-mixedmethane/airflamePartiallypre-mixedfuelrichmethane/airflame（左）火焰直攝照片（右）火焰紋影照片2023/2/26河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院第二節(jié)完全燃燒產(chǎn)物生成量對于固體液體燃料，完全燃燒的產(chǎn)物生成量稱為理論產(chǎn)物生成量V0。產(chǎn)物量為：若考慮空氣過量Ln，則產(chǎn)物中水分、氮?dú)狻⒀鯕夂堪l(fā)生變化燃料原有水分未參與反應(yīng)氧2023/2/27河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院產(chǎn)物成分一般表示為各組成的體積百分?jǐn)?shù)。理論產(chǎn)物與實(shí)際產(chǎn)物分別為

討論：1、V0只與燃料成分有關(guān)，可燃成分越高、發(fā)熱量越大，理論產(chǎn)物越多；2、Vn不僅與燃料成分有關(guān)，還與空氣過剩系數(shù)n有關(guān)；3、空氣過剩系數(shù)越大，VO2越大，實(shí)際煙氣量也愈大；煙氣的氧化性氣氛越強(qiáng)。2023/2/28河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院第三節(jié)不完全燃燒煙氣生成量產(chǎn)生不完全燃燒的原因：1、空氣供給量不足，n<1，煙氣呈還愿性；2、n>1，但是燃料空氣混合不均勻，或者液體燃料霧化不良。不完全燃燒的產(chǎn)物：除二氧化碳、水、二氧化硫之外，還有一氧化碳、氫、甲烷等。現(xiàn)象就是黃色火焰、有殘?zhí)?、冒黑煙?023/2/29河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院不完全燃燒的產(chǎn)物CO、H2、CH4都是可燃成分，如果其繼續(xù)在空氣中燃燒，則可以得到以下平衡方程式：當(dāng)n>1時，煙氣中肯定含有氧氣，如果條件合適則上述反應(yīng)必然能夠進(jìn)行，從而不完全燃燒的產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為完全燃燒產(chǎn)物，則其體積減少：反應(yīng)前后體積減少0.5Nm3Nm3/Nm3反應(yīng)前后體積減少0.5Nm3反應(yīng)前后體積不變蒸汽完全燃燒與不完全燃燒產(chǎn)物量關(guān)系對于扣除水分干煙氣，則有不完全燃燒程度越嚴(yán)重，產(chǎn)物體積增加越多2023/2/210河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院當(dāng)n<1時，如煙氣中不再有氧氣，對于第一個反應(yīng)，由于缺少0.5Nm3氧氣和1.88Nm3的氮?dú)猓荒苌赏耆紵a(chǎn)物1Nm3二氧化碳和1.88Nm3的氮?dú)?，亦即不完全燃燒產(chǎn)物比完全燃燒產(chǎn)物少1.88Nm3。同理煙氣中每含有1Nm3氫氣、1Nm3甲烷就會使產(chǎn)物比完全燃燒產(chǎn)物少1.88Nm3和9.52Nm3。因此對于煙氣與干煙氣存在關(guān)系：當(dāng)n<1時，但是由于混合不均導(dǎo)致仍有殘留氧氣的話，那么若想完成上述反應(yīng)則可以少加入空氣量為：則對于煙氣與干煙氣存在關(guān)系：2023/2/211河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院第四節(jié)燃燒產(chǎn)物成分測定和驗(yàn)證為了對燃燒過程進(jìn)行控制，必須對燃燒產(chǎn)物進(jìn)行檢測與分析。測定煙氣成分的取樣點(diǎn)要合理選擇，否則可能造成測定結(jié)果沒有代表性。煙氣分析儀一般分為兩類：化學(xué)式：利用特定的化學(xué)藥品對煙氣中各成分進(jìn)行吸收，測定其含量。如奧氏（Orsat）分析儀。物理式：利用煙氣各成分的物理性質(zhì)如對紅外線波長的選擇性吸收進(jìn)行測定。如紅外氣體分析儀、光譜分析儀等紅外氣體分析儀奧氏氣體分析儀Testo氣體分析儀2023/2/212河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院檢測方程對于固、液燃料干煙氣假設(shè)固、液燃料氣體燃料以上關(guān)系說明RO2’最大值僅與燃料特性有關(guān)2023/2/213河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院對于完全燃燒對于不完全燃燒，n>1產(chǎn)物中含有的氧包括兩部分：一部分是未參與燃燒的，另一部分是不完全燃燒節(jié)省下來的，因此有：整理上述兩式得到（對于n<1也成立）不完全燃燒時，由于CO、CH4可產(chǎn)生同體積的CO22023/2/214河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院整理上述紅色三式n<1時，O2’=0n<1時，完全燃燒上述三式建立了RO2’最大值與產(chǎn)物成分之間的關(guān)系。例如煙氣中CO2的含量越是接近于最大值，越說明燃燒完全。整理燃料與產(chǎn)物成分關(guān)系，可得到氣體分析方程：完全燃燒對應(yīng)著：利用以上公式可以煙正煙氣分析的準(zhǔn)確性，燃料確定后，實(shí)際分析得到的氣體成分以該滿足上述公式。2023/2/215河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院第五節(jié)氮平衡原理計(jì)算空氣消耗系數(shù)空氣消耗系數(shù)nLn-L0已經(jīng)得到：反應(yīng)前后氮平衡整理上述公式對于含氫少的燃料，完全燃燒時2023/2/216河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院第六節(jié)燃燒溫度分析燃燒過程的熱量平衡關(guān)系燃料低位發(fā)熱量Qdw空氣顯熱Q空燃料顯熱Q燃產(chǎn)物顯熱Q產(chǎn)=Vnc產(chǎn)

t產(chǎn)向周圍的傳熱Q傳不完全燃燒熱損失Q不熱分解耗熱Q分產(chǎn)物溫度即實(shí)際燃燒溫度可以求得：絕熱系統(tǒng)中完全燃燒后產(chǎn)物溫度就是理論燃燒溫度：絕熱系統(tǒng)中，燃料、空氣不預(yù)熱，沒有熱分解條件下產(chǎn)物的溫度稱為燃料的理論發(fā)熱溫度：2023/2/217河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院理論發(fā)熱溫度的計(jì)算聯(lián)立解方程組2023/2/218河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院影響理論燃燒溫度的因素1、燃料的種類與發(fā)熱量：一般情況下發(fā)熱量越高，理論燃燒溫度越高；總體來說理論燃燒溫度與Qdw/Vn有關(guān)。2、空氣消耗系數(shù)：過量空氣系數(shù)越大，煙氣生成量越大，理論燃燒溫度越低。3、空氣燃料預(yù)熱溫度：提高預(yù)熱溫度，理論燃燒溫度提高。特別是對于發(fā)熱量較高的燃料，預(yù)熱空氣比預(yù)熱燃料效果好，因?yàn)榘l(fā)熱量越高，燃燒需要空氣量越多，那么空氣帶入物理熱也就越多。4、空氣富氧程度：在純氧或者富氧狀態(tài)下燃燒，理論燃燒溫度相對提高；因?yàn)闊煔馍闪繙p少。aflamewithhightemperature

2023/2/219河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院來源十七世紀(jì)法國寓言詩人拉·封丹的寓言《猴子與貓》一只猴子和一只貓看見爐火中烤著栗子，香氣撲鼻、但是有火不好拿。于是猴子靈機(jī)一動對貓說：“都說貓是膽小鬼，這回看你敢不敢把栗子拿出來?！毙∝垶榱俗C實(shí)自己的勇敢，使把爪子伸到火里去取栗子。爪子碰到火，上面的毛立刻被燒焦了，痛得它大叫，急忙甩掉栗子。猴子趁機(jī)把栗子吃掉了?；鹬腥±醣扔鳛閯e人冒風(fēng)險，徒然吃苦而得不到好處。以甲烷為例，當(dāng)量比等于1.0情況下，在空氣中的絕熱火焰溫度為1957攝氏度；在氧氣中的絕熱火焰溫度為3120K。