第三节 燃烧计算

燃烧计算是对燃烧过程的物质平衡和热平衡所进行的计算，包括燃料燃烧所需空气量、燃烧产物烟气的组成和数量，烟气焓的计算等。燃烧计算中都是以单位质量或体积的燃料为基础进行的，固体和液体燃料以每千克燃料、气体燃料以标准状态下的每立方米干燃气为计算单位。所需空气中氧氮容积比为21∶79，标准状态下空气密度1.293kg/m3。空气量和烟气量的体积均为标准状态的。

一、燃烧空气量计算

（一）理论空气量的计算

1.固体和液体燃料理论空气量的计算 是以燃料收到基元素分析为依据，见式（1-30）或式（1-31）：

Vo=0.0889Car+0.265Har-0.0333（Oar-Sar） （1-30）

式中 Vo——每kg收到基燃料所需理论空气量（m3/kg）；

Car、Har、Oar、Sar——收到基燃料元素分析中碳、氢、氧、硫成分的质量分数（%）。

Lo=1.293Vo=0.1149Car+0.3426Har-0.0431（Oar-Sar） （1-31）

式中 Lo——每kg收到基燃料所需理论空气质量（kg/kg）。

2.气体燃料理论空气量的计算 是以气体燃料组成的成分为依据，见式（1-32）或式（1-33）：

式中 Vo——标准状态下每1m3干燃气燃烧所需理论空气量（m3/m3）；

H2、CO、CmHn、H2S、O2——气体燃料中各组成成分的体积分数（%）。

式中 Lo——标准状态下每1m3干燃气燃烧所需理论空气质量（kg/m3）。

（二）理论空气量的估算

在工程中经常采用燃料低位发热量来估算燃料的理论空气量。

1.煤的理论空气量估算 对Vdaf＜15%的无烟煤、贫煤可用式（1-34）计算；对Vdaf＞15%的烟煤可用式（1-35）计算；对Qar.net＜12540kJ/kg的劣质煤可用式（1-36）计算

式中 Vo——每kg收到基燃煤所需理论空气估算量（m3/kg）；

Qar.net——燃煤的收到基低位发热量（kJ/kg）。

2.燃油的理论空气量估算 见式（1-37）

式中 Vo——每千克收到基燃油所需理论空气量（m3/kg）；

Qar.net——燃油的收到基低位发热量（kJ/kg）。

3.燃气的理论空气量估算 对Qd.net＜10500kJ/m3的燃气用式（1-38）计算；对Qd.net＞10500kJ/m3的燃气可用式（1-39）计算；对天然气和液化石油气，则可用式（1-40）或式（1-41）计算

式中 Qar.net——燃气收到基低位发热量（kJ/m3）；

Qar.gr——燃气收到基高位发热量（kJ/m3）。

（三）实际空气量的计算

在工程实践中，由于燃料与空气混合不均匀，空气中的氧不可能完全参与燃烧，为了保证燃料的尽量完全燃烧，实际供给的空气量要大于理论空气量。实际空气供应量V和理论空气量Vo之比，称为过量空气系数α，见式（1-42）

过量空气系数是锅炉运行中的一个重要指标，α值的大小与燃料的种类、燃烧方式、燃烧设备的结构和运行操作水平有关，一般α≥1。在保证燃烧完全的前提下，应尽可能使α接近1。如果α过大，会降低燃烧温度，增加送风量和排烟量，增加排烟热损失，造成锅炉热效率的下降。

考虑燃料种类时α取值如下：

固体燃料 α=1.25～1.40

煤粉 α=1.15～1.25

液体燃料 α=1.10～1.20

气体燃料 α=1.05～1.10

考虑锅炉的燃烧方式、燃烧设备和燃料时，α的取值见表1-24。

如果考虑到空气中含有水分，实际空气量可按式（1-43）计算

V=αVo（1+0.00124dk） （1-43）

式中 dk——标准状态下每m3干空气中的水蒸气含量（g/m3）。

二、燃烧产物烟气量的计算

燃料燃烧后的产物是烟气。当燃烧处在理想状态，即只供给理论空气量（α=1）而燃料完全燃烧所产生的烟气量称为理论烟气量。理论烟气中的组成成分是CO2、SO2、N2和H2O。前三种成分合称为干烟气，包含H2O时的烟气则称为湿烟气。烟气中的CO2和SO2又合称为三原子气体，用RO2表示。当过量空气（系数）α＞1时，产生的烟气中除理论烟气量外，尚有部分过剩空气，这时的烟气量称为实际烟气量。

（一）固体、液体燃料燃烧烟气量的计算

1.固体、液体燃料理论烟气量的计算 固体、液体燃料理论烟气量（α=1）中包括三原子气体、理论氮气量和理论水蒸气三部分，见式（1-44）

其中

式中 Voy——标准状态下每千克收到基燃料燃烧的理论烟气量（m3/kg）；

——标准状态下每千克收到基燃料燃烧的理论烟气中三原子气体的体积（m3/kg）；

——标准状态下每千克收到基燃料燃烧的理论烟气中氮气的体积（m3/kg）；

——标准状态下每千克收到基燃料燃烧的理论烟气中水蒸气的体积（m3/kg）；

Vo——标准状态下每千克收到基燃料燃烧所需理论空气量（m3/kg）；

Car、Har、Nar、Sar、Mar——燃料收到基中碳、氢、氮、硫和水分的质量分数（%）；

Gwh——燃油用蒸汽雾化时的每千克燃油的雾化蒸汽量（kg/kg），一般取0.3～0.6。

2.固体、液体燃料实际烟气量计算 实际燃烧都是在过量空气（α＞1）的条件下进行的，此时烟气中除包含理论烟气量外，还有过量空气（α-1）Vo和随同过量空气带入的水蒸气0.0161（α-1）Vo。

根据上述分析，固体和液体燃料燃烧的实际烟气量可按式（1-45）计算

Vy=Vyo+（α-1）Vo+0.0161（α-1）Vo

即 Vy=Voy+1.0161（α-1）Vo （1-45）

将理论烟气量计算式（1-44）代入，得到实际烟气量（m3/kg）计算式

式中各项说明及计算见式（1-44）。

（二）气体燃料燃烧烟气量的计算

1.气体燃料理论烟气量（α=1）的计算 见式（1-47）。

其中

式中 Voy——标准状态下每立方米燃气燃烧的理论烟气量（m3/m3）；

——标准状态下每立方米燃气燃烧的理论烟气量中三原子气体的体积（m3/m3）；

——标准状态下每立方米燃气燃烧的理论烟气量中氮气的体积（m3/m3）；

——标准状态下每立方米燃气燃烧的理论烟气量中水蒸气的体积（m3/m3）；

CO2、CO、H2S、CmHn、H2、N2——燃气中各组成成分的体积分数（%）；

dR——标准状态下每立方米燃气的含湿量（g/m3）；

dk——标准状态下每立方米空气的含湿量（g/m3）。

2.气体燃料实际烟气量（α＞1）的计算 见式（1-48）。

其中，计算同式（1-47）

式中 Vy——标准状态下每立方米燃气燃烧的实际烟气量（m3/m3）；

——标准状态下每立方米燃气燃烧的实际烟气中氮气的体积（m3/m3）；

——标准状态下每立方米燃气燃烧的实际烟气中氧气的体积（m3/m3）；

——标准状态下每立方米燃气燃烧的实际烟气中水蒸气的体积（m3/m3）；

其余符号与式（1-47）同。

（三）燃料燃烧烟气量的估算

在工程上经常用燃料的发热量来估算烟气量，甚至根据锅炉的蒸汽产量来粗略估算烟气量。

1.固体和液体燃料燃烧烟气量Vy（m3/kg）的估算

燃料为无烟煤、贫煤和烟煤时

燃料为Qar·net＜12540kJ/kg的劣质煤时

液体燃料

2.气体燃料燃烧烟气量Vy（m3/m3）的估算

（1）先按燃料发热量估算理论烟气量，再按式（1-52）估算烟气量

Vy=Voy+（α-1）Vo （1-52）

式中 Vo——标准状态下燃气的估算理论空气量（m3/m3），见式（1-38）～式（1-41）；

Voy——标准状态下燃气燃烧的估算理论烟气量（m3/m3）烷烃类燃气估算理论烟气量见式（1-53）

式中，天然气a=2，石油伴生气a=2.2，液化石油气a=4.5。

炼焦煤气估算理论烟气量见式（1-54）

Qar·net＜12600kJ/m3的低值燃气估算理论烟气量见式（1-55）

（2）部分燃气也可按燃料发热量直接估算烟气量

高炉煤气可按式（1-56）估算烟气量

天然气可按式（1-57）估算烟气量

3.锅炉每生产1t/h蒸汽所产生的烟气量 见表1-25。

三、烟气焓的计算

在锅炉热力计算或热工试验时，经常需要根据烟气温度计算烟气的焓。烟气焓的计算也同样是以单位质量或单位体积的燃料为基础进行计算，而且以0℃作为焓值的起算点。

从前述烟气量计算中可知，烟气是多种气体的混合物，所以烟气焓应包括理论烟气焓、过量空气焓和烟气中飞灰的焓，即

hy=hoy+（α-1）hok+hfh （1-58）

式中 hy——标准状态下烟气质量焓（kJ/kg）或体积焓（kJ/m3）；

hoy——标准状态下理论烟气质量焓（kJ/kg）或体积焓（kJ/m3），见式（1-59）；

hok——理论空气质量焓（kJ/kg）或体积焓（kJ/m3），见式（1-60）；

hfh——烟气中飞灰的质量焓（kJ/kg），对燃料为油、气时，可不计算，在燃用固体燃料时，当时，可按式（1-61）计算。

标准状态下理论烟气焓hoy的计算见式（1-59）

式中 、、——燃料燃烧后理论烟气量中三原子气体、氮气和水蒸气的体积（m3/kg）或（m3/m3），见式（1-44）或式（1-47）；

、、——标准状态下1m3三原子气体、氮气和水蒸气在温度t时的体积焓（kJ/m3），见表1-26。

理论空气焓的计算见式（1-60）

hok=Vo（ct）k （1-60）

式中 Vo——燃料燃烧所需理论空气量（m3/kg）或（m3/m3），见式（1-30）～式（1-32）；

（ct）k——标准状态下1m3空气在温度为t时的湿空气体积焓（kJ/m3），见表1-26。

烟气中飞灰焓的计算见式（1-61）

式中 afh——烟气携带出炉膛的飞灰占总灰量的质量分数，简称飞灰份额，见表1-27；

Aar——燃料收到基灰分质量分数（%）；

（ct）fh——温度为t时1kg的飞灰质量焓（kJ/kg），见表1-26。

如果缺少燃料的元素成分分析资料，无法对燃烧的空气量和烟气量进行计算时，也可按本节燃料燃烧理论空气量和烟气量的估算方法，分别估算出理论空气量Vo和烟气量Vy，按通用烟气焓简易计算法来估算烟气焓，见式（1-62）

hy=εα（coyty）[Voy+1.0161（α-1）Vo] （1-62）

式中 （coyty）——通用烟气体积焓（kJ/m3），见表1-28；

α——过量空气系数；

εα——与过量空气系数有关的通用烟气焓的校正系数，见表1-29；

Vyo——标准状态下燃料燃烧理论烟气量的估算值（m3/kg）或（m3/m3），可按本节“燃料燃烧烟气量的估算”有关方法计算；

Vo——标准状态下燃料燃烧理论空气量的估算值（m3/kg）或（m3/m3），可按本节“理论空气量的估算”有关方法计算。