3.2 完全燃烧产物生成量、成分和密度
燃烧产物的生成量及成分是根据燃烧反应的物质平衡进行计算的。燃料完全燃烧时,燃烧产物的主要成分为CO2、H2O、SO2以及空气中的惰性成分N2。当空气消耗系数大于1时,燃烧产物中还含有多余的氧。这些气体的占有量与燃料本身的成分和空气消耗系数有关,并可以根据燃烧反应的物质平衡来确定。燃烧产物的生成量,当α≠1时称“实际燃烧产物生成量”,当α=1时称“理论燃烧产物生成量”。
3.2.1 固体和液体燃料的燃烧产物生成量
固体和液体燃料燃烧产物的生成量可分别由燃料中可燃组分的燃烧产物生成量而得。
如前所述,固体和液体燃料中可燃成分的燃烧反应可由式(3-5)~式(3-10)等表示。
由反应式(3-6)可知,每千克碳燃烧后生成44/12kgCO2,因此每千克燃料中的碳燃烧后生成的CO2量可表示为:
折算成体积则为:
(3-19)
同样,由式(3-10)可得每千克燃料中的硫燃烧生成的SO2量可表示为:
(3-20)
由式(3-9)可得每千克燃料中的氢燃烧生成的水蒸气量为:
(3-21)
考虑到燃料本身含有水量W%,则每千克燃料中的氢燃烧生成的水蒸气量为:
(3-22)
若参与燃烧的空气含水量为gg/m3干空气,则α=1时每千克燃烧产物中水蒸气的体积应为:
(3-23)
燃烧产物中还包含由空气带入的惰性气体N2,当α=1时,其含量为0.79V0。此外,燃料本身可能含有氮化物,燃烧时分解为N2,其容积为:
于是燃烧产物中氮气的总容积为:
(3-24)
考虑由过剩空气带入有O2,有:
(3-25)
因此,α=1时每千克燃料所生成的燃烧产物体积为:
(3-26)
的上标“0”表示α=1,下标P表示燃烧产物。
当α>1时,燃烧产物中除前述的成分外,还含有的剩余空气。因此,燃烧产物生成量应为:
(3-27)
3.2.2 气体燃料的燃烧产物生成量
对于气体燃料,根据反应式(3-13),每立方米燃料的燃烧产物中各组分的体积为(α>1):
(3-28)
(3-29)
(3-30)
(3-31)
(3-32)
于是燃烧产物的生成量为:
(3-33)
显然,若α=1,则得:
(3-34)
3.2.3 燃烧产物成分百分比
燃烧产物的成分表示为各组成所占的体积百分数。根据式(3-19)~式(3-34),可求得固体、液体和气体燃料燃烧产物的体积成分如下(为区别于气体燃料成分,在燃烧产物成分的右上角加“'”):
(3-35)
显然,式(3-35)左边各项之和应等于100。通常可以借此验证计算结果的可靠性。
由上述计算公式可以看出,燃料完全燃烧的理论燃烧产物生成量只与燃料成分有关。燃料中的可燃成分含量越高,发热量越高,则也就越大。实际燃烧产物生成量VP还与空气消耗系数有关,燃烧时的空气消耗系数越大,实际燃烧产物生成量也越大。燃烧产物的成分除与燃料的成分有关外,也与空气消耗系数有关。空气消耗系数越大,则产物中的氧浓度越高,其氧化性越强。
3.2.4 燃烧产物密度
按定义,燃烧产物的密度是指单位体积燃烧产物所具有的质量。燃烧产物的密度有两种计算方法:用参加反应的物质(燃料与氧化剂)的总质量除以燃烧产物的体积;以燃烧产物的质量除以燃烧产物的体积。这是因为反应前后的物质质量应当是相等的。
(1)按参加反应物质的质量计算
对于固体和液体燃料:
(3-36)
对于气体燃料:
(3-37)
(2)按燃烧产物质量计算
由式(3-35)可知,每立方米燃烧产物中,CO2、SO2、H2O、N2和O2所占的体积分别为、、和,它们的总质量为:
(3-38)
则燃烧产物的密度为:
(3-39)