燃料燃烧及热平衡计算参考

3.1 城市煤气的燃料计算

3.1.1 燃料成分

表2.2 城市煤气成分（%）[2]

成分 含量

CO2 10

CO 5

CH4 22

C2H6 5

H2 46

O2 2

N2 10

合计 100

3.1.2 城市煤气燃烧的计算 1、助燃空气消耗量[2]

（1）理论空气需要量

0.5CO2CH43.5C2H60.5H2OO2Lo= Nm3/Nm3 (3.1)

21(3.1)式中：CO 、CH4 、 C2H6 、 H2 、 O2——每100Nm3湿气体燃料中各成分的体积含量（Nm3）。则

Lo=0.552223.550.5462

21 = 4.143 Nm3/Nm3

（2）实际空气需要量

Ln=nL0, Nm3/Nm3 (3.2)

(1.2)式中：n——空气消耗系数，气体燃料通常n=1.051.1 现在n取1.05，则

Ln=1.05×4.143=4.35 Nm3/Nm3

（3）实际湿空气需要量 Ln

湿

=（1+0.00124

g干H2O）

Ln

，

Nm3/Nm3

（3.3） 则

Ln湿=（1+0.00124×18.9）×4.35=4.452 Nm3/Nm3 2、天然气燃烧产物生成量 （1）燃烧产物中单一成分生成量

V’(CO2CH42C2H6CO)CO20.01

(3.4)

VO′0.21(n-1)L0

2(3.5) VN′(N279Ln)0.01

2(3.6)

干VH2O0.01(2CH43C2H6H20.124gH2OLn)

(3.7)

式中CO 、CH4 、 C2H6 、 H2 ——每100Nm3湿气体燃料中各成分的体积含量。 则

VCO20.01(1022255)0.47 Nm3/Nm3 VO20.21(1.051)4.413=0.046 Nm3/Nm3

VN2(10794.35)0.01=3.54 Nm3/Nm3

VH2O0.01(22235460.12418.94.35)=1.152 Nm3/Nm3

（2）燃烧产物总生成量

实际燃烧产物量

Vn = VCO2+VO2+VN2+VH2O Nm3/Nm3 (3.8) 则

V n=0.47+0.046+3.54+1.152=5.208 Nm3/Nm3 理论燃烧产物量

V0=Vn（n1）LO (3.9) V0=5.208（1.051）×4.143=5.0 Nm3/Nm3 (3) 燃料燃烧产物成分

[2]

CO2VCO2Vn100% (3.10)

O2VO2VnVN2Vn100% (3.11)

N2100% (3.12)

H2OVH2OVn100%

(3.13)

则

0.47100%9% 5.2080.046O2100%0.8%

5.2083.54100%68% N25.2081.152100%22.2% H2O 5.208CO23.1.3 天然气燃烧产物密度的计算[3] 已知天然气燃烧产物的成分，则：

烟=

44CO218H2O28N232O2，kg/Nm3

22.4100(3.14)

式中：CO2、H2O、N2、O2——每100Nm3燃烧产物中各成分的体积含量

4491822.22868320.81.217 Nm3/Nm3 烟=

22.41003.1.4 天然气发热量计算 高发热量

Q高=39842CH4+70351C2H6+12745H2+12636CO（kJ/Nm3

（3.15）

低发热量

Q低= 35902CH4+64397C2H6+10786H2+12636CO (kJ/ Nm3)

（3.16）

式中：CH4、C2H6、 H2、CO ——分别为天然气中可燃气体的体积分数（%）。 则

Q高=39842×0.22+70351×0.05+12745×0.46+12636×0.05=18777kJ/Nm3 Q低=35902×0.22+64397×0.05+10786×0.46+12636×0.05=16710kJ/ Nm3 3.1.5 天然气理论燃烧温度的计算

Q低VnC1t理

（3.17）

式中：t理——理论燃烧温度（℃）

Q低——低发热量(kcal/ Nm3)，Q低=16710kJ/ Nm3 Vn——燃烧产物生成量（Nm3/Nm3）, Vn=5.208Nm3/Nm3

C1——燃烧产物的平均比热[KJ/(Nm3 •℃)]。估计理论燃烧温度在1900℃

左右，查表[3]取C1=1.59 kJl/(Nm3 •℃

则

16710t理2018℃

5.2081.593.2 加热阶段的热平衡计算

采用热平衡计算法, 热平衡方程式：

Q收1＝Q支1

（3.18）

3.2.1 热收入项目

天然气燃烧的化学热Q烧

(3.19)

式中:B1——熔化室燃料的消耗量(Nm3/h) [8] 3.2.2 热量支出项目 1、加热工件的有效热量

是物料所吸收的热量Q料，用下式计算【4】 【5】：

(3.20)

式中:G——物料的重量（kg/h ）,炉子加热能力为G=15×18×13=3510 kg/h.

t料——被加热物料的出炉温度（℃ ）， 查表得t料=160℃， t初——被加热物料的进炉温度（℃ ），为室温，则t初=20℃ C料——物料的平均热容量,kJ/(kg •℃) 查表得C料=0.88 kJ /(kg •℃) 则

Q料=3510×（16020）×0.88=432432 kJ/40min

Q烧=BQ低

Q料=G（t料t初）C料

2、加热辅助工具的有效热Q辅（料筐的吸热）

Q辅=G辅×（t辅－t初）

(3.21)

G——辅助工具的重量（kg/h ）， G=200×15=300 0 kg C料——物料的平均热容量,kJ/(kg •℃) 查表得C料=0.88 kJ /(kg •℃) 则

Q辅 =3000×(160-20)×0.448=188160 KJ/40min 3、通过炉体的散热损失Q散1 （1）炉墙平均面积

炉墙面积包括外表面面积和内表面面积。简化计算可得： F外墙=（7.385+3.544）×5.329×2=116.49 m2 F内墙=(6.95+2.964)×4.759×2=94.37 m2

F墙均 = （F外墙+ F内墙）÷2=（116.49+94.37）÷2=105.43 m2 (2)炉底平均面积

炉底面积包括外底面面积和内底面面积。简化计算可得：

F底均=(6.95×2.964+7.385×3.544)÷2=23.39 m2

(3)炉顶平均面积

由于炉子是规则的长方形，故炉底和炉顶近似看做相等的面积，故 F顶均=F底均=23.39 m2

计算炉墙散热损失：

根据经验，参照生产中应用的同类炉子，本炉子炉墙所用材料及厚度如下选

用：

外层为不锈钢钢板：s4=6mm，λ4=32.6W/(m•℃)

钢板是外壳，厚度较薄，计算炉体散热损失时，最外层温度计算到炉衬材料的最

外层，钢板不计算在内。以下都是这样。

内层也采用不锈钢板：s1=0.8mm，λ1=32.6W/(m•℃)

炉衬材料：第二层为硅酸铝耐火纤维，s2=100mm, λ2=0.083W/(m•℃) 第三层硅钙板，s3=75mm, λ3=0.056+0.11×10-3 tW/(m•℃)

炉墙结构如下图：

图3.1 时效炉炉墙结构图

计算炉墙散热，根据下式：

Q散t1tn1 nsii1iFi(3.22)

首先，炉内温度达到250℃才可以满足要求，因为炉膛内壁为不锈钢板，导热极好，可以计算可以忽略。第二层耐火纤维内侧温度为t2=250℃。我们假定界

′面上的温度及炉壳温度，t′3=135℃，t4=60℃，

则耐火纤维的平均温度ts2均=（250+135）/2=192.5℃,硅钙板的平均温度 ts3均=（135+60）/2=97.5℃，则

2=0.083 W/(m•℃)

3=0.056×0.11×10-3 ×97.5=0.0667 W/(m•℃)

当炉壳温度为60℃，室温ta=20℃时，查表得=12.17 W/(m2•℃) ①求热流

t 2  t a 250  20 2q95.4W/ms0.10.0751s12 30.0830.066712.17λ2λ3α

②验算交界面上的温度t3、t4

t3t2qs2225095.40.1=135.06 ℃ 0.083't3t135135.060.4%〈5%，满足设计要求。 ='3t3135③计算炉壳温度t1

t5t4t3qs33135.0695.40.127.7℃

0.0667t5=27.7℃〈60℃，满足满足炉壳表面平均温度60℃的要求。

④计算炉墙散热损失

Q墙散=q•F墙均=95.4×105.43=10058W=36207 KJ/40min 计算炉底散热损失：

根据经验，参照生产中应用的同类炉子，本炉子炉底和炉顶结构和炉墙类似，它们的热流密度平均综合起来计算。通过查表得知炉顶炉底的综合传热系数为：

顶13.93 W/(m2.℃)， 底9.83 W/(m2.℃）

Q顶底=(顶+底)÷2=11.88 W/(m2.℃） 则炉底和炉顶的散热量为

Q顶底= q1×（F底均+F顶均)

=107.5×（23.29+23.29)=5029 W =12069KJ/40min 通过炉体的散热量为

Q散= Q顶底+Q墙散=36207+12069=48276 KJ/40min 4、废烟气带走的热量Q烟

(3.23)

式中：Vn——实际燃烧产物量（N Nm3/Nm3），前面计算得V n=5.208 N Nm3/Nm3 t烟——出炉废烟气温度（℃）， t烟=160℃

c烟——出炉烟气的平均比热容，查表得c烟=1.42 kJ/(Nm3•℃)

则

Q烟=B×5.208×160×1.42=1183B

5、炉子的蓄热Q蓄

炉体的蓄热可分为三部分，金属的蓄热Q金、耐火纤维毡的蓄热Q耐、和硅钙板、蓄热Q板。

查表可知：金属的比热容C金=0.49 KJ/(Kg.℃)

Q烟=BVnt烟c烟

耐火纤维毡的比热容C耐=0.835 KJ/(Kg.℃) 硅钙板的比热容C板=0.75 KJ/(Kg.℃) Q=GC金(t均-to）

则Q金=435708 KJ/40min Q耐=110565 KJ/40min Q板=166725 KJ/40min Q蓄=Q金+Q耐+Q板=435708+110565+166725=712998 KJ/40min 6、燃料漏失引起的热损失Q漏

Q漏=BKQ低

(3.24)

式中：K——燃料漏失的百分数，对于气体燃料，指经储气器和气管漏气，取K=1% 则

Q漏=B×1%×16710=167.1B

7、燃料不完全燃烧的热损失Q不

在有焰燃烧炉中，废烟气中通常含有未燃烧的可燃气体，对于城市煤气，它的不完全燃烧的热损失用下式：

Q不=BVnbQ低

(3.25)

式中b为不完全燃烧气体的百分比，取2%。 Q不=B×5.208×2%×16710=1740B 8、其它热损失Q它

例如炉子计算内外表面积时，实际炉子比计算中的要复杂，表面积要比计算的大，这部分还有能量损失。等还有其它的损失。其它热损失约为上述热损失之和的5%7%，取7%，故

Q它=0.07（Q料+Q辅+Q散+Q蓄+Q烟+Q漏+Q不)

(3.26)

根据热量的收支平衡，由公式（3.14），可从中求出每小时的平均燃料消耗量B。

Q烧=Q料+Q辅+Q散+Q蓄+Q烟+Q漏+Q不 +Q它

(3.27)

代入前面计算数值得 16710B=3307.5B+1478596.6

则

B=110.3 Nm3/40min=165.45 Nm3/h

在工程设计中，炉子的最大燃料消耗量应比理论消耗量大，即： Bmax=(1.31.5)B

式中：1.31.5为燃料储备系数。

取1.3，则Bmax=1.3×110.3=143.4 Nm3/40min=214.5Nm3/h

根据最大燃料消耗量来确定燃烧器的数目，其总燃烧能力应大于Bmax 3.2.3 利用求得的B值计算上面的未知量

天然气燃烧的化学热Q烧= BQ低=110.3×16710=1843113 kJ/40min

废烟气带走的热量Q烟=1183B=1183×110.3= 130485 kJ/40min 燃料漏失引起的热损失Q漏=167.1B=167.1×110.3=18431 kJ/40min 燃料不完全燃烧的热损失Q不=1740B=1740×110.3=191922 kJ/40min Q它=0.07（Q料+Q辅+Q散+Q蓄+Q烟+Q漏+Q不）

=0.07×（432432+188160+48276+712998+130485+18431+191922） =120589 kJ/40min