燃氣燃燒所需空氣量及燃燒產物

? 燃氣的燃燒計算，是按照燃氣中可燃成分與氧進行化學反應的反應方程式，根據物質平衡和熱量平衡的原理，來確定燃燒反應的諸參數，包括：燃燒所需要的空氣量、燃燒產物的生成量及成分、燃燒完全程度、燃燒溫度和煙氣焓。這些參數是燃氣燃燒設備設計、熱工管理必要的數據，也是評定生產操作、提高熱效率、進行傳熱和空氣動力計算不可缺少的依據。
　　考慮到燃氣、空氣和燃燒產物各組成所處的狀態，可以相當精確地把它們當作理想氣體來處理。所以，燃燒計算中氣體的體積都按標準狀態(0℃、101325Pa)計算，其摩爾體積均為22．4L，計算基準可以用1m³的濕燃氣，也可以用1m³干燃氣。必須注意的是，后者還要帶入所含的飽和水汽量，這就是大多數場合下所使用的基準——含有1m³干燃氣的濕燃氣。
? 　確定燃氣燃燒所需空氣量和燃燒產物量，屬于燃燒計算的物料平衡的內容。

　　一、空氣需要量

　　(一)理論空氣需要量V₀
　　V₀是指1m³燃氣按燃燒反應方程式完全燃燒所需要供給的空氣量，m³空氣／m³干燃氣，它是燃氣完全燃燒所需的最小空氣量。
　　V₀的計算方法為，先按照燃燒反應方程式和燃燒計算的氧化劑條件(假設干空氣體積僅由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。
　　從單一可燃氣體著手。例如，CO的燃燒反應方程式，連同隨氧帶入的氮，可表示為
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　　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，相當的理論空氣需要量是0．5/0．21=2.38m³。
　　對氣態重碳氫化合物C_mH_n，燃燒反應方程式為
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　　也清楚地表明，1m³的C_mH_n完全燃燒，需要(m+n／4)m³的理論氧，同時帶入3．76(m+n／4)m³的氮，故理論空氣需要量為
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　　以此類推，對組成為ψ(CO)+ψ(H₂)+ψ(CH₄)+ψ(C_mH_n)+ψ(H₂S)+ψ(N₂)+ψ(0₂)=100％的1m³干燃氣，需要的理論氧量，用符號V(O₂)O表示為：
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　　需要的理論空氣量為：
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　　顯然，V₀完全取決于燃氣的組成。燃氣中可燃組分含量愈多，熱值愈高，燃燒所需的V₀也愈多。所以在實際應用中V₀有基于熱值或組成的各種類型的近似計算公式；而在粗略計算時，常常按每4186.8kJ發熱量的燃料，需要1m³V₀估算。
　　(二)實際空氣需要量V
　　為了保證燃氣完全燃燒，實際供給的空氣量Vm³／m³(干燃氣)均大于理論空氣需要量，這個空氣量多供給的比例，就稱為空氣過剩系數，表示為：
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　　即，燃氣燃燒的實際空氣需要量為
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　　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，可比照燃氣中的水汽含量的確定方法，但要考慮空氣的相對濕度ψ(空氣中的濕含量相對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)，則空氣中實際濕含量d_a=ψd'a，kg／m³(干空氣)。
　　

　　如，空氣20℃，相對濕度0．6時，查附錄3，d'a=0．0189kg/m³(干空氣)，這時空氣的d_a=O．6×0．0189= 0.0113kg／m³(干空氣)，V^s=αV₀+1．2×0.0113αV₀=(1+0．0136)αV₀，m³(濕空氣)／m³(干燃氣)。
　　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算的取值。
　　顯然，燃氣燃燒的實際空氣需要量V，不僅取決于燃氣的組成，同時與燃燒條件。有關，影響因素主要有燃氣燃燒方法、燃燒設備運行工況等。通常，α>1，在工業燃燒設備中α為1．05～1．20，在民用燃具中α為1．30～1．80。
　　在燃氣燃燒設備中，正確選擇和控制空氣過剩系數α是十分重要的。α過小或過大都將導致不良后果。前者，α小于1，空氣供應不足，燃氣不完全燃燒，燃氣的化學熱不能充分發揮，使設備的熱效率下降，熱耗量增加；后者α大于，或遠大于1，使燃燒產物生成量過大，增加了煙氣帶走的熱損失，也使燃燒設備的熱效率下降，熱耗增加。因此，先進的燃燒設備應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、完全燃燒產物的計算

　　燃氣燃燒后的產物，統稱為煙氣。嚴格地說，燃燒產物不僅限于煙氣，還應包括煙氣中所攜帶的灰粒和未燃燼的固體碳粒，但由于它們在煙氣中所占容積百分比極小，因此，在一般的計算中都略去不計。
　　(一)煙氣量
　　當α=1時，只供給理論空氣量，如果燃氣完全燃燒，產生煙氣的量稱為理論煙氣量V^o_fm³(煙氣)／m³(干燃氣)，它的組成包括：C0₂、S0₂、N₂、H₂0。
　　當α>l時，供應空氣過剩，燃氣完全燃燒后產生的煙氣量則稱之為實際煙氣量V_fm³(煙氣)／m³(干燃氣)，這時煙氣中除含有上述四組分之外，還含有過剩氧，即包含CO₂、S0₂、N₂、O₂和H₂0。前3種組分合在一起稱為干煙氣V^g_f；包括H₂O在內的煙氣則稱為濕煙氣V^s_f。
　　煙氣中C0₂和S0₂，都是三原子氣體，又同屬酸性氧化物，在化學吸收法進行氣體分析時它們的含量經常合在一起分析，因此，通常合稱為三原子氣體，用符號R0₂表示。
　　對于混合氣體燃燒產生的煙氣量，為各燃氣組分產生煙氣量之和，如表3—1—1。
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表3-1-1 煙氣量表