知识点：

①燃烧计算

②烟气成分分析

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视频讲义：

  1. 众所周知，燃料的燃烧本质上是与助燃剂发生的一种强烈的化学反应，而在日常生活和工业生产中最廉价也最易于获取的助燃剂就是空气，因此燃料燃烧计算首先就是参与燃烧的空气量的计算。这里首先引入理论空气量的计算，其定义为：1kg或者1Nm3收到基燃料完全燃烧而又没有剩余氧残存时所需的空气量。也就是基于燃料燃烧的化学反应方程式所计算的空气量。计算中应当注意以下几点，第一：参与燃烧的空气量与生成的烟气量计算均以1kg燃料的收到基为基础；第二，燃料及空气和烟气的所有组成成分均可作理想气体，即其标况下每摩尔体积为22.4升；第三，气体由于其密度随工况而变化，因此气体容积计算的单位均为Nm3/kg；第四，燃料完全燃烧，并无残余；第五，理论空气量由各可燃元素燃烧所需空气量相加而得到，由此我们可以得到对于固体，液体或者气体，基于其元素分析的数据而进行理论空气计算的公式，分别如下。以上为理论空气量的计算，但在实际过程中，由于燃料与空气分布的不均衡，若仅提供理论空气量，往往会出现局部燃料未完全燃烧，而另一些区域则空气尚有残余的情况，于是，我们实际用于燃烧的空气量往往大于理论空气量。于是，我们定义过剩空气系数为实际空气量与理论空气量的比值，用α表示。当α大于1时，说明用于燃烧的空气量过剩，更有利于燃料的充分燃尽；当α小于1时，则用于燃烧的空气量不足，燃料不能充分燃尽。从锅炉内烟气的流通方向来看，由于炉膛后直至排烟处均为负压，空气向炉膛内泄露，因此烟气侧α逐渐增大；而从空气侧看，从锅炉送风机开始均为正压，空气向外泄露，因此空气侧的过剩空气系数β则逐渐减少。一般来说会有一个最佳的过剩空气系数，能同时保证燃料的充分燃烧和减少空气的用量，在工业中一般用锅炉炉膛出口处的过剩空气系数来表示。该表很好的统计了针对不同的炉型燃烧不同的燃煤时，最佳炉膛出口过剩空气系数的取值范围。由于入炉空气实际上是当地大气，其本质上是湿空气，即由干空气和空气中所含水蒸气构成，因此在计算入炉水蒸气时，往往还涉及含湿量的概念，即每千克干空气中所含水分的质量，可以通过公式进行计算。

 燃料在入炉空气的助燃下进行燃烧，所生成的燃烧产物有两大类，一类是气体产物即锅炉烟气；另一类为固体产物，主要是燃料中不可燃的灰分残余，在锅炉中以飞灰或底渣的形式排出炉外。烟气成分包括：CO₂, SO₂, N₂, O₂及水蒸气，其质量百分比之和为100%。其中CO₂, SO₂等可统称为三原子气体，用RO₂来表示。烟气量的计算首先是理论烟气量的计算，即入炉空气为理论空气量，且助燃空气全部燃烧的理想状况下生成的烟气量，其成分包括三原子气体，理论氮气量和理论水蒸气量，其计算公式如下所示。其中氮气和水蒸气的来源均来自于两个方面，一个是由于燃烧反应本身所生成的，另一方面则是入炉空气带入的。于是理论干烟气量体积可由三原子气体体积与氮气体积之和求的，而理论湿烟气量则需要在此基础上增加水蒸气的部分。

 有了理论烟气量之后计算实际烟气量就是在理论值基础上加入过量的入炉空气，即过量的干空气或者湿空气量，便可以得到实际的干烟气量或（湿）烟气量。而实际烟气中的氮气量，氧气量及水蒸气量也可以基于质量守恒原理求得。对于气体燃料而言，由于其灰分几乎为零，因此燃烧产物全部为烟气，烟气成分依然包括CO₂、SO₂、N₂、O₂和H₂O，在完全燃烧时，剩余O₂为零，其理论烟气量中的氮气，水蒸气，三原子气体的计算公式分别如下所示，各组分体积求的之后，理论干烟气量和理论（湿）烟气量也可由此获得。而实际烟气量的计算同样是在理论烟气量的基础上增加过量的入炉空气量从而得出结果。

  需要指出的是，当燃料燃烧过程中过剩空气系数大于1时，烟气成分中除了CO₂、SO₂、N₂、O₂和H₂O外，还有可能因为燃料与空气混合效果不良，而生成的不完全燃烧产物，如CO、H₂、碳氢化合物等。其中H₂和碳氢化合物数量很少。而当过剩空气系数小于1时，烟气成分中则必然有上述的不完全燃烧产物，如一氧化碳等。于是实际烟气量及其各组分烟气量的计算应当考虑这些不完全燃烧产物的影响，从而基于质量守恒原则进行求解。

  2. 今天的另外一部分内容是关于烟气成分的分析。上文所述的燃烧计算，主要是通过理论计算的方法获得烟气成分中各组分的量。然而由于燃烧的过程是一个持续的动态的过程，其实际烟气组分也是随很多因素而变化的，因此要获得烟气中的组分构成，尤其是实时的组分构成，则需要采用专用的仪器设备进行烟气成分的分析测定。常见的烟气成分分析方法包括：1）化学吸收法  2）色谱分析法 3）红外吸收法 4）电化学传感器法等。化学吸收法是利用气体的化学特性，使混合气和特定试剂接触，则混合气体中的被测组分与试剂发生化学反应被定量吸收，其它组成则不发生反应(或不干扰)，利用气体吸收剂吸收前后的性质变化可进行定量测定，根据测定方法不同，气体化学吸收法又可分为吸收体积法、吸收滴定法、吸收重量法和吸收光度法。第二种是色谱分析法，又称层析法，色层法，层离法。是一种物理或物理化学分离分析方法。是先将混合气体中各组分分离，而后逐个分析的方法。其分离原理是利用混合物中各组分在固定相和流动相中溶解、解析、吸附、脱附或其他亲和作用性能的微小差异，当两相作相对运动时，使各组分随着移动在两相中反复受到上述各种作用而得到分离，进而进行分析的方法。第三种是红外吸收法，是利用被测气体中不同组分对红外光线的吸收特性来分析的一种方法，常用的设备即为红外气体分析仪。第四种为电化学传感器法，即根据化学反应所引起的离子量的变化或电流变化来测量气体成分。为了提高选择性，防止测量电极表面沾污和保持电解液性能，一般采用隔膜结构。常用定电位电解式分析仪的工作原理是在电极上施加特定电位，被测气体在电极表面就产生电解作用，只要测量加在电极上的电位，即可确定被测气体特有的电解电位，从而使仪表具有选择识别被测气体的能力。对于以上烟气分析的方法感兴趣的同学可以在课后阅读相关的参考资料，或试用相关的仪器仪表来更加深入得了解。