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）
单位：
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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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