燃烧理论 教材：工程燃烧学，汪军，中国电力出版社， 2008.7
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燃烧理论 教材：工程燃烧学，汪军，中国电力出版社， 2008.7. 主讲教师： 韩奎华 邮箱： [email protected] ， [email protected] 电话： 88392414 手机： 13589033524 办公室：千佛山校区东院热力楼 308 室. 第 3 章 燃烧过程的热工计算. 3.1 燃料燃烧所需的空气量 3.2 完全燃烧产物 3.3 不完全燃烧 3.4 空气消耗系数及运行时风量的调整 3.5 燃烧温度计算 3.6 影响理论燃烧温度的因素. 概述. 空气的成分 在燃烧计算中，空气成分只考虑氧、氮及水蒸气，其中： - PowerPoint PPT Presentation
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燃烧理论教材：工程燃烧学，汪军，中国电力出版社， 2008.7
主讲教师： 韩奎华邮箱： [email protected]， [email protected]电话： 88392414手机： 13589033524办公室：千佛山校区东院热力楼 308 室
第 3 章 燃烧过程的热工计算
3.1 燃料燃烧所需的空气量 3.2 完全燃烧产物 3.3 不完全燃烧 3.4 空气消耗系数及运行时风量的调整 3.5 燃烧温度计算 3.6 影响理论燃烧温度的因素
概述 燃烧过程热力计算是燃烧装置及整个热力系统的设计与运行都是不可缺少的。
燃烧是燃料中可燃物质与空气中氧气进行迅速、发光、发热的氧化反应，燃烧过程的计算基于这些化学反应过程中质量平衡与热量平衡。
燃料的燃烧过程有在“完全燃烧”与“不完全燃烧”两种状况。
燃烧过程计算中视燃烧产物、空气、水蒸气为理想气体。
空气的成分
在燃烧计算中，空气成分只考虑氧、氮及水蒸气，其中：
氧气： 23.2%（按质量）或 21%（按体积）
氮气： 76.8%（按质量）或 79%（按体积）
水蒸气：常温常压条件下， 10g/kg-干空气 0.01293kg/Nm3- 干空气
完全燃烧产物：CO2 、 H2O 、 SO2 、 O2 、 N2
不完全燃烧产物：CO2 、 H2O 、 SO2 、 O2 、 N2 、 CO、 H2 、
CH4 、 C 、 CmHn
§3.1 燃料燃烧所需的空气量 理论空气量
当每千克燃料中的可燃组分完全燃烧，且空气中的氧全部用完，这种理想情况下燃烧所需的空气量称理论空气量，用 L0或 V0 表示。
L0： kg- 空气 /kg- 燃料
V0： Nm3- 空气 /kg- 燃料
燃烧过程的实质是燃料中的可燃物分子与氧化剂分子之间的化学反应。燃料中的可燃组分 C 、 H 、 S 和空气中的 O2 进行燃烧反应，产物是 CO2 、 CO、 SO2
和水蒸气。计算依据是质量平衡和热量守恒原理。因此理论空气量与燃料的可燃质含量有关，对于固体和液体燃料可根据燃料的元素分析成分计算，对于气体燃料，则可根据各组分气体的百分比
计算。
每千克燃料中的该可燃元素完全燃烧时需要的氧质量或体积为：
kgS y
3232
%
燃料中可燃元素的燃烧反应：
44321222 COOC
36324
22 222 OHOH
64323222 SOOS
kgC y
3212
%
kgH y
324
%
34.2212
%Nm
C y
34.224
%Nm
H y
34.2232
%Nm
S y
每千克燃料中本身含有的氧质量或体积为：
34.2232
%Nm
O y
kgO y%
液体燃料或固体燃料理论空气量的计算：
完全燃烧每千克燃料需要的空气质量应为：
fuelkgairkgOSHCL yyyy /%%%937.7%667.2232.0
10
完全燃烧每千克燃料需要的空气体积应为：
fuelkgairNmOSHCV yyyy /%7.0%7.0%55.5%866.121.0
1 30
注意：以上理论空气量计算式中都为不含水蒸气的干空气量。实际计算时应加入水蒸气的量。空气中水蒸气的多少会因季节
天气不同而改变。
2220
4
45.15.05.0
10021.0
1OHC
mnSHHOCV mn
对于气体燃料燃烧所需的理论空气量为：
气态燃料理论空气量的计算：1%%%%%% 2222 OCOSHHCHCO mn
2222
222
222
22
2
32
)4
(
2
12
1
SOOHOSH
OHm
nCOOm
nHC
OHOH
COOCO
mn以上计算量为理论空气量，实际上在组织燃烧时，由于空气和燃料不可能混合得非常均匀，必须多送些空气量才能使
燃料接近完全燃烧。
§3.1 燃料燃烧所需的空气量 实际空气供给量与空气消耗系数
实际空气供给量与理论空气需要量的比值称为空气消耗系数（或过量空气系数，余气系数等），用表示：
0V
V
0Lm
m
f
a0L
L
§3.1 燃料燃烧所需的空气量 空气消耗系数的选择
＞ 1 贫油燃烧、贫油混气＝ 1 化学恰当燃烧、化学恰当混气＜ 1 富油燃烧、富油混气
选择的原则是什么？
整个系统的热损失最小
热力系统热损失与空气消耗系数的关系：
q2 排烟损失
q3 化学不完全燃烧损失
q4 机械不完全燃烧损失原则上易燃燃料及设计完善的燃烧装置最佳 α 值接近于 1 ，一般对于液体与气体燃料，最佳 α 值约为 1.1 ，烟煤约为1.2 ，贫煤和无烟煤约为 1.2～ 1.25
热力系统的热损失一定温度的废气从烟囱排出引起的排烟损失， q2
烟气中残存的可燃气体 CO、 H2 、 CH4等引起的化学不完全燃烧损失， q3
未燃尽的碳粒引起的机械不完全燃烧损失， q4
§3.2 完全燃烧产物
固体与液体燃料的产物生成量 气体燃料的燃烧产物生成量 燃烧产物成分百分比 燃烧产物密度
固体与液体燃料的产物生成量
kgS y
6432
%
kgC y
4412
%
kgH y
182
%
34.2212
%Nm
C y
34.222
%Nm
H y
34.2232
%Nm
S y
44321222 COOC
181622
1222 OHOH
64323222 SOOS
产物体积燃烧反应 产物质量
固体与液体燃料的产物生成量
00
000
4.2218100079.04.22)
18282
%
32
%
12
%(
222
Vg
VWNHSC
VVVV
yyyyy
OHNROp
000
000
)1(00124.0)1(
)1(00124.0)1(
222VgVVVV
VgVVV
OHNRO
pp
＞ 1 时燃烧产物：
=1 时燃烧产物量：
过剩空气中水蒸气的量
空气中水蒸气的量
气体燃料的产物生成量
00
22222
00124.0)21.0(
%]%%%2%)2
(%%[
22222
gVV
OHNCOSHHCm
nHCO
VVVVVV
mn
ONOHSOCOp
00
222220
00124.079.0
%]%%%2%)2
(%%[
gVV
OHNCOSHHCm
nHCOV mnp
＞ 1 时燃烧产物：
=1 时燃烧产物量：
燃烧产物成分百分比
100)/(
100)/(
100)/(
100)/(
100)/(
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
pO
pN
pOH
pSO
pCO
VVO
VVN
VVOH
VVOS
VVOC
10022222 ONOHOSOC
燃烧产物密度
4.22
%32%28%18%64%44 22222 ONOHOSOCp
§3.3 不完全燃烧
在不完全燃烧时，烟气中有 CO、 H2、 CnHm 等未燃成分。这些气体的含量越多，表明燃烧过程越不完善，能量损失也越大。因此，分析烟气中未燃成分的种类和数量，可以评价燃烧过程的完善程度。
烟气分析
综合分析：
单项分析：
全面测量烟气的各种成分
测量烟气中的一种或几种，其余成分根据气体分析方程计算出来
§3.3 不完全燃烧 气体分析方程
烟气中 CO’、 RO’2 和 O’2 的体积百分比之间的数量关系式
222 NOCOROpg VVVVV
不完全燃烧时，每 kg 燃料产生的干烟气容积可表示为：
实际燃烧装置中 CH4 、 H2 等的含量一般比 CO少得多， CO 的含量一般也不会超过 1% ，因此
不完全燃烧的产物可看成：RO2 、 O2 、 N2 、 H2O及 CO
气体分析方程
燃料中碳和硫不完全燃烧所需的氧气
22
2
22
2
1
SOOS
COOC
COOC
CORO VV
2
12
每 kg 燃料中氢燃烧所需的氧气
OHOH 222 22 4.22
032.4
%
yH
每 kg 燃料中所含的氧对应的体积 4.22
32
%
yO
)126.0(0555.02
122
yyOCORO OHVVV
氧气总消耗量：
氧气总消耗量：
气体分析方程
每 kg 燃料不完全燃烧时烟气中氮气容积为
)126.0(0555.0
2
1
21
79222
yyOCORON OHVVVV 空气
yy
N NN
V 008.010028
4.222
燃料
气体分析方程 因此燃烧产物的体积可表示为
)126.0(0555.02
1
21
79
008.0
22
22
yyOCORO
yOCOROpg
OHVVV
NVVVV
pg
yy
pg
y
V
OHOOCOR
V
NOOCOR
)126.0(55.5
2
1
21
79
8.0100
22
22
10032
4.22
100866.1
10012
4.22
2
2
y
SO
yy
COCO
SV
CCVV
)100
375.0100(866.1
222
yy
COROCOSOCO
SCVVVVV
OCOR
SCV
yy
pg
2
)375.0(866.1
pg
yy
pg
CORO
V
SC
V
VVOCOR
)375.0(866.11002
2
22
2
22
2
1
SOOS
COOC
COOC
pg
yy
pg
y
V
OHOOCOR
V
NOOCOR
)126.0(55.5
2
1
21
79
8.0100
22
22
21)(375.0
)038.0126.0(35.2605.0)(
2
22
OCORSC
NOHOCOOR
yy
yyy
21)(605.0)( 222 OCOROCOOR
605.0
)()21( 222 OOROROC
，燃料特性系数
气体分析方程
完全燃烧方程及其应用
完全燃烧时， CO’＝ 0 ，则气体分析方程为：
不完全燃烧时， CO’＞ 0 ：
1
21 22
OOR
完全燃烧方程
0)1(21 22 ORO
1
21 22
OOR
程度可判断燃烧过程的完善
的差值与实测的
1
21 22
OOR
1
21)( max2OR
完全燃烧方程及其应用
当 α=1 且完全燃烧时， O’2=0 。这时 RO’2 达到最大值，并有：
由于 β 值由燃料成分所决定，因此对于某一燃料，（ RO2’） max 具有完全确定的值。
§3.4 空气消耗系数及运行时风量的调整
烟气成分与值之间的关系
V
VVV
V
V
V
1
10
V 为过量空气量
燃烧的完全程度与空气供给量密切相关，燃烧过程不完全往往是由于氧气不足或空气消耗系数太小引起的。而值过大会引起排烟损失增大，使整个热工系统的热效率下降。 理论上可根据运行中实际供给的燃料量与空气量计算出值，但许多热工系统中，难以精确计算燃料和空气供给量，此外由于炉膛不密封，也会引起实际值的变化。因此通常在炉膛出口截面，利用自动记录的烟气分析仪器直接指示值，或者用普通烟气分析仪器测出烟气成分，然后计算得到值。
如何将 V 、 ΔV 用烟气分析结果表示呢？
2
2
2
2
2179
1
1
10079.01
10021.01
1
1
NO
VN
VO
pg
pg
79.0
1008.0
20
y
N
NV
VV
pgN VN
V100
22
pgO VO
V100
22
21.0)1( 20 OVVV
V
VVV
V
V
V
1
10
思考题
已知航空煤油的分子式为 C8H16 ，求其理论空气量。某燃烧装置燃用这种煤油，其流量为 2kg/s ，若余气系数为 2.5 ，问空气的流量为多少？燃气的流量又为多少？
思考题解答
1443523843212112
8812 222168
OHCOOHC
列出化学方程式：
skgmmm
skgLmm
fap
fa
/9.759.732
/9.7378.1425.20
计算 1kg 燃料完全燃烧的理论空气量
fuelkgairkgL /78.14112
384
232.0
10
计算空气流量及燃气流量
§3.5 燃烧温度计算
燃烧过程中输入燃烧装置的能量
1 ）燃料的化学能，通常按应用基低热值计算2 ）燃料的物理热焓 3 ）参与燃烧的空气所具有的物理热焓
燃烧温度是燃烧装置运行的重要参数，其值与燃料性质、空气消耗系数、燃烧过程的完善性以及燃烧装置的结构完善性有关。实际燃烧温度可根据热平衡条件确定。
§3.5 燃烧温度计算
输入燃烧装置的总能量消耗于以下诸方面：
1 ）加热燃烧产物，使其热焓升高2 ）通过燃烧装置壁面散失到周围环境3 ）燃料不完全燃烧引起一部分化学能释放不出来4 ）高温下多原子气体离解所吸收的热量
§3.5 燃烧温度计算
libusanppypfaydw QQQTCVQQQ
ppp
libusanfaydw
p CV
QQQQQQT
)()(
输入燃烧装置的总能量＝燃烧装置总消耗能量热平衡条件：
§3.5 燃烧温度计算
ppp
lifaydw
mp CV
QQQQT
)()(
无离解时理论燃烧温度：
0buQ
0sanQ
理想条件下，认为燃烧过程进行得很完善，没有不完全燃烧损失，也认为燃烧装置的结构很完善，不存在对外散热损失。
在温度不高的条件下，离解热损失较小，可以忽略
ppp
faydw
mp CV
QQQT
)()(
理论燃烧温度：
一、无热离解时理论温度的计算
ppp
faydw
mp CV
QQQT
)()(
22222 ,2,2,2,2,2100
1OpNpOHpSOpCOppp COCNCOHCOSCOCC
2321 TATAAC p
CPP 如何计算？加权平均： mppp
ppmp
TfC
CfT
)(
)(
用试凑法确定无离解时理论燃烧温度：
faydw QQQ 计算： ， VP ， OHOSOC 222 ,,
选 T1 ，计算各成分 CP 、
CPP、 VPCPPT1
faydw QQQ VPCPPT1
Tm=T1
是
否
二、有离解时理论燃烧温度的计算
有离解时的理论燃烧温度：
ppp
lifaydw
mp CV
QQQQT
)()(
??
?? ??
2 、燃烧产物发生变化
222
22
2
12
1
OHOH
OCOCO
有离解时，燃烧产物的体积增大
3 、燃烧产物平均比热减小 三原子气体减少，二原子气体增加
无离解时燃烧产物：CO2 、 H2O 、 N2 和
O2
有离解时燃烧产物： CO2 、 H2O、 N2 、 O2、CO和 H2
1 、必须计算离解热损失 Qli
有离解时的特点：
有离解时理论燃烧温度的计算
1 、认为 VpCpp 不受热离解的影响 热离解一方面导致燃烧产物的体积增大，另一方面却引起燃烧产物的比热减小，因此可以近似地采用无热离解时的 VpCpp
当空气消耗系数大于 1 时，无离解情况下燃烧产物 VpCpp 的值可按下式计算
papppppp CVCVCV 000 )1(
燃料产物的热离解程度受温度的控制。换句话说，燃烧产物生成量和成分都是温度的函数。燃烧产物的比热与温度和成分有关，但最终也是温度的函数。这些复杂的变化关系，将使理论燃烧温度的计算变得更加繁杂，一般应求助于电子计算机进行计算。但对锅炉和其它类型工业炉进行热工计算时，可采用简化处理
有离解时理论燃烧温度的计算
2 、按“离解度”计算离解热损失
燃料 3/6.126232
NmkJVQ COCO
燃料 3/4.1078422
NmkJVQ HOH
H2O 的离解热损失：
每 Nm3CO与 CO2 的化学能之差
每 Nm3H2 与 H2O 的化学能之差
CO2 的离解热损失：
有离解时理论燃烧温度的计算
2 、按“离解度”计算离解热损失
每 Nm3 燃料的离解热损失：
liHliCOli VVQ )(4.10784)(6.126232
OH
liOHOH
CO
liCOCO V
Vf
V
Vf
2
2
2
2
2
2
)(,
)(
离解度：
OHOHCOCOli VfVfQ2222
4.107846.12623
?? ??
离解度与温度及离解成分的分压力有关，温度越高，离解度越大，分压力越大，离解越小。
三、理论燃烧温度的近似计算 焓温图
pfaydw VQQQi /)(
纵坐标的热焓值由下式求解：
%100)1
1(
%1000
V
VVVl
考虑过量空气百分数对产物比热的影响：
工程计算时往往近似计算理论燃烧温度，常用的方法是焓温图
四、影响理论燃烧温度的因素 燃料性质 空气消耗系数 燃料与空气的预热温度 空气中的氧气含量
燃料性质 燃料热值越高，燃烧温度也越高当热值较高时，温度上升速率减小，这是因为在通
常情况下，燃烧产物的生成量随热值的增加而增多
空气消耗系数
空气消耗系数接近于 1 时，理论燃烧温度最高
空气消耗系数越大，燃烧产物生成量越多，单位体积的燃烧产物所占的热焓也就越少，燃烧
温度越低。
空气消耗系数过小，燃烧不完全热损失增加，
燃烧温度降低。
空气与燃料的预热温度对空气预热
1 、有利于提高燃烧速率，减小不完全燃烧热损失及散热损失
2 、增加输入到燃烧装置内的能量
3 、理论空气量越高，预热时输入到燃烧装置内的能量越大
4 、利用烟气对空气进行预热，有利于提高燃烧装置的热效率，节约燃料
氧气的含量
富氧燃烧：
1 、有利于减小燃烧产物生成量
2 、有利于提高燃烧效率
五、实际燃烧温度
实际燃烧温度比理论燃烧温度低 热离解损失是由化学反应规律决定的，其
值主要受温度的影响；温度低于 1800°C时可忽略热离解损失。
