2.2 燃料的燃烧过程 燃烧过程及燃烧产物
燃烧是指可燃混合物的快速氧化过程，并伴随着能量（光和热）的释放，同时使燃料的组成元素转化成为相应的氧化物。 完全燃烧：CO2、H2O
不完全燃烧： CO2、H2O & CO、黑烟及其他部分氧化产物 如果燃料中含有S和N，则会生成SO2和NO 空气中的部分N可能被氧化成NO－热力型NOx 燃料完全燃烧的条件
空气条件：提供充足的空气；但是空气量过大，会降低炉温，增加热损 温度条件：达到燃料的着火温度
时间条件：燃料在高温区停留时间应超过燃料燃烧所需时间 燃料与空气的混合条件：燃料与氧充分混合 典型燃料的着火温度
燃烧火焰温度与燃料混合比的关系（以CH4为例） 典型锅炉热损失与过剩空气量的关系 The exhaust gas temperature
Depends not only the exhaust gas temp.but on the amount of excess air used 燃气比和混合程度对燃烧产物的影响 燃烧过程中产生的污染物 燃烧可能释放的污染物：
CO2、CO、SOx、NOx、CxHy、烟、飞灰、金属及其氧化物等 温度对燃烧产物的绝对量和相对量都有影响 燃料种类和燃烧方式对燃烧产物也有影响 燃烧产物与温度的关系
燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW电站为例） 典型固态燃料的燃烧产物 典型液态燃料的燃烧产物 典型气态燃料的燃烧产物 热化学关系式 发热量：
单位燃料完全燃烧时，所放出的热量，即在反应物开始状态和反应产物终了状态相同下的热量变化（ kJ/kg or kcal/kg ）。
高位发热量：包括燃料生成物中水蒸气的汽化潜热。
低位发热量：燃烧产物中的水蒸气仍以气态存在时，完全燃烧过程所释放的热量。 qL：低位发热量； qH：高位发热量；
WH：燃料中氢的质量百分数； WW：燃料中水分的质量百分数。 燃烧设备的热损失： 排烟热损失
不完全燃烧热损失 散热损失
在充分混合的条件下，热损失在理论空气量条件下最低。 不充分混合时，热损失最小值出现在空气过剩一侧。 燃料热损失与空燃比的关系 燃料燃烧的空气量计算
烟气体积及污染物排放量计算 2.3 与燃烧相关的计算 燃料燃烧的空气量计算 理论空气量Va0
燃料燃烧所需要的氧气，一般是从空气中获得的；单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需要的空气量称为理论空气量，由燃料的组成决定，可根据燃烧方程式计算求得。 建立燃烧化学方程式时，通常假设：
（1）空气仅是由氮和氧组成的，其体积比为79.1:20.9=3.78 ； （2）燃料中的固态氧可用于燃烧； （3）燃料中的硫主要被氧化为SO2；
（4）热力型NOx的生成量较小，在计算理论空气量时可以忽略； （5）燃料中的氮在燃烧时转化为N2和NO，一般以N2为主； 于是，理论空气量 (单位质量燃料需要空气的标准体积，m3/kg) 一般煤的理论空气量Va0＝4－9m3/kg，液体燃料的Va0=10-11m3/kg
计算环己烷(C6H12) 燃烧时的理论空气量，并确定燃烧产物气体的组成（以百分数表示）。 Example
假定煤的化学组成以质量计为：C:77.2%，H:5.2%，N:1.2％，S:2.6%，O:5.9%，灰分:7.9%。试计算这种煤燃烧时的理论空气量，并确定燃烧产物气体的组成（以百分数表示） 。 Example 空气过剩系数
实际的燃烧装置中，“三T”条件不可能达到理想化的程度，为使燃料完全燃烧，必须供给过量的空气。一般把超过理论空气量多供给的空气量称为过剩空气量，并把实际空气量Va与理论空气量Va0之比定义为空气过剩系数α，即
通常α〉1，α值的大小取决于燃料种类、燃烧装置形式及燃烧条件等因素。 空燃比
单位质量燃料燃烧所需要的空气质量，可以由燃烧方程式直接求得。
求甲烷燃烧的空燃比。 Example 烟气体积
理论烟气量Vfg0
在理论空气量下，燃料完全燃烧所生成的烟气体积称为理论烟气体积，以Vfg0表示。烟气成分主要是CO2、SO2、N2和水蒸气，通常分为干烟气（不含水蒸汽）和湿烟气（含水蒸汽）。
理论烟气量＝干烟气量＋水蒸气体积
理论水蒸气体积＝燃料中氢燃烧后生成的水蒸气体积＋燃料中所含的水蒸气体积＋由供给
的理论空气量带入的水蒸气体积 烟气体积及污染物排放量计算
求C2H6在理想条件下完全燃烧时烟气中水蒸气的含量。 Example
烟气体积和烟气密度校正
燃烧装置产生的烟气的温度和压力总是高于标准状态（273K、1atm），烟气体积和密度往往需要换算成为标准状态。假设烟气体积和密度可应用理想气体状态方程换算。于是，对于温度Ts、压力Ps的烟气，其体积Vs、密度ρs，在标准状态下（温度Tn、压力Pn）烟气的体积为Vn，密度为ρn，
则标准状态下的烟气体积： 美国、日本和国际全球监测系统网的标准是298K和1atm，在作数据比较或校对时需要注意。 标准状态下烟气的密度： 实际烟气体积Vfg
实际燃烧过程是有过剩空气的，因此燃烧过程中实际烟气体积应为理论烟气体积与过剩空气体积之和。
若空气不过剩，则烟气中仅含有CO2和N2 C+O2+3.78N2——CO2+3.78N2 若空气过剩，则燃烧方程式变为：
C+（1+a）O2+（1+a）3.78N2——CO2+aO2+（1+a）3.78N2 a是过剩空气中O2的过剩摩尔数 则过剩空气系数α为：
如果完全燃烧，燃烧产物以下标p表示:
C+（1+a）O2+（1+a）3.78N2——CO2p+O2p+N2p 其中，O2p＝a O2,过剩氧气量； N2p为总氮量
假定空气的体积组成为20.9％O2和79.1％N2，则实际空气中的总氧量为： 理论需氧量为：0.264 N2p - O2p ，则空气过剩系数为： 假定燃烧过程中产生CO，则空气过剩系数校正为： 考虑过剩空气校正后，实际烟气体积为： Example
奥萨特仪分析烟气，结果为：CO2(10％）、CO（1％）、O2（4％），求空气过剩系数。 污染物排放量 方法：
根据实测的污染物浓度和排烟量
根据燃烧设备的排污系数、燃料组成和燃烧状况预测烟气量和污染物浓度 已知某电厂烟气温度为473K，压力等于96.93kPa，湿烟气量Q=10400m3/min，含水汽6.25％（体积），奥萨特仪分析结果是：CO2＝10.7％，O2＝8.2％，不含CO。污染物排放的质量流量是22.7kg/min。求（1）污染物排放的质量速率（以t/d表示） ；（2）污染物在干烟气中的浓度以（mg/m3N表示）；（3）燃烧时的空气过剩系数。 Example
Solution
（1）污染物排放的质量流量为：
（2）测定条件下的干空气量为：
测定状态下干烟气中污染物的浓度：
标态下的浓度：
（3）空气过剩系数为：
某燃烧装置采用重油作燃料，重油成分分析结果如下（按质量）：C 88.3％，H 9.5％，S 1.6％，H2O 0.05％，灰分0.10%。试确定：（1）燃烧1 kg重油所需要的理论空气量；（2）若燃料中硫全部转化为SOx（其中SO2占97％），试计算空气过剩系数为1.20时湿烟气中SO2及SO3的浓度，以10-6表示，并计算此时干烟气中CO2的含量，以体积百分比表示。 Example
以1kg重油燃烧为基础，则
重量（g) 摩尔数（mol) 需氧量（mol)
C 883 73.58 73.58 H 95 95 23.75 S 16 0.5 0.5 H2O 0.5 0.0278 /
灰分 1.0 / / Solution
理论需氧量为73.58＋23.75＋0.5＝97.83mol/kg重油 干空气中氮和氧的摩尔比(体积比)为3.78，则理论空气量为97.83×（3.78＋1）＝467.63mol/kg重油
即467.63×22.4/1000=10.47m3N/kg重油
理论空气量条件下烟气组成为(mol)为
CO2:73.58，H2O：47.5＋0.0278，SOx: 0.5，N2:97.83×3.78
理论烟气量为：
73.58＋(47.5＋0.0278)＋0.5＋97.83×3.78＝491.4mol/kg重油 即 491.4×22.4/1000＝11.01m3N/kg重油
空气过剩系数?＝1.2，实际烟气量为
11.01＋10.47×(1.2-1)＝13.10 m3N/kg重油 烟气中SO2的体积为：
0.5×0.97×22.4/1000=0.0109 m3N/kg重油 SO3的体积为：
0.5×0.03×22.4/1000＝3.36×10-4 m3N/kg重油 所以，烟气中SO2及SO3的浓度分别为： SO2：0.0109/13.10＝832×10-6
SO3：3.36×10-4/13.10＝25.75×10-6
