气体燃烧计算及其运用

2022-05-25韩豪杰

大科技 2022年20期

曹彤，韩豪杰

（江苏天楹等离子体科技有限公司上海分公司，上海 201315）

0 引言

在进行热工工艺的设计过程中，燃烧过程是一种非常常见的工艺流程。燃烧段设备的形状、尺寸、出口氧含量、燃烧温度等，都需要依据燃烧计算的结果开展后续设计工作。一般进行燃烧计算的时候，需要利用Fluent、Matlab 等仿真模拟软件。此类软件价格昂贵，且需要经过专业培训的人员才能进行操作，软件方针模拟需要的时间也比较长。这种工作方式如果是用于科研分析，是能够满足要求的。但是对处于工艺设计阶段，需要进行多种设备方案选型的设计工作来说，这种方式的工作效率就不能满足需要了。本文总结以往设计实践，利用Excel 表格计算功能，总结了一种能够快速进行燃烧计算的工作方法。考虑到固体燃烧和液体燃烧过程中多相反应的复杂性，这里以气体燃烧设备为例，对燃烧计算进行讨论。

1 工程设计过程中的燃烧计算需求

1.1 工程设计初期需要确定的参数

一般项目立项后，需要首先设计设备总平面布置图，并在此基础上提出设备平立面布置图，设备载荷条件图等。对于燃烧设备来说，又有一些特殊之处。因为内部一般有耐热炉衬，所以燃烧设备一般整体质量比较大。因为内部高温，设备存在一定的热膨胀，膨胀量累积到一定程度，还应考虑设置膨胀节吸收膨胀量。燃烧设备因为内部有耐热炉衬，与前后续段设备的连接方式不能仅考虑设备壳体连接，还应考虑耐热炉衬的过渡连接方式。

工程设计中，对于此类非标设备，需要出具多个设计方案，相互之间进行对比，选取较为合理的布置形式开展设计工作。但是因为燃烧仿真模拟软件使用门槛较高，需要的时间较长，如果对每一个方案都进行仿真模拟计算，会大大延误设计工作进度。因此一般此类设备设计初期，需要有经验的设计人员，进行初步的估算，确定大致尺寸，再参考以往类似项目的设备方案开展后续设计。

一般的燃烧计算的估算方法如下。首先统计进口气体的可燃组分，根据不同的化学反应方程的需氧量，加权计算理论燃烧配风量。然后取1.25～1.3 的过量空气系数，得到实际配风量。按照进口气量+配风量得到总烟气量，按照一般气体经验流速确定设备内径和长度，从而确定设备的估算尺寸。

这样的工作方式，最大的问题是，无法对燃烧烟气温度进行计算。而烟气温度会影响炉衬厚度和形成指标，直接有影响设备外形尺寸和载荷。同时烟气温度造成的热膨胀，会影响燃烧设备内部烟气流速，影响燃烧设备内部气体停留时间。

缺少燃烧烟气温度的情况下，只能依赖工程师经验对温度进行估算。这种工作形式过于依赖经验，而且对于一些工艺特殊的燃烧设备（例如富氧燃烧），往往找不到可参考的燃烧温度。此时就需要一种能够快速进行的，相对精准的燃烧计算方法。

1.2 需要通过燃烧计算确定的设计参数

通过一般设备设计流程进行归纳总结，设备设计需要的工艺设计参数及其对应燃烧计算需求如表1 所示。

表1 工艺设计参数及其燃烧计算需求

2 燃烧算法逻辑设计

2.1 燃烧计算原理

燃烧设备内部发生的是燃烧放热反应，考虑到不同的化学物质燃烧反应速率不同，这里按照空气过量系数>1，所有可燃气体完全燃烧的情况来考虑。根据能量守恒定律，对燃烧设备进口段和出口段分别计算能量，可以得出式（1）：

等式左边根据输入和输出的能量计算得到最终的能量，为正向算式。

等式右边为根据假设的出气温度，计算对应的气体总焓值，为反向算式。

最终将取得一个出气温度值，使得等式左右相等，则此温度值就是所要计算的燃烧后出气温度。

其中气体显热可以通过查询《实用无机物热力学数据手册》（第二版）进行计算，可燃气体低位热值可以查询相关燃烧气体的性能参数，特殊物质可以进行试验测定。其中气体显热与气体的种类和温度直接相关，只要建立相关的气体焓值数据库，就可以利用插值法，根据气体显热，反算气体的对应温度。

2.2 Excel 算法设计

本算法和传统估算方式，最大的不同是，能够计算燃烧烟气最终温度。气体燃烧温度受到两个因素影响，首先是可燃气体的体积比和热值，其次是配风量。可燃气体的体积比越大，热值越高，最终温度越高。在满足完全燃烧的基础上，配风量越大，最终烟气温度越低。但是同时，配风量越大，最终烟气出口氧含量越大，对排放达标越不利。

基于以上逻辑在本文中采用的算法思路如下：

（1）根据《实用无机物热力学数据手册》建立气体焓值与温度对应关系的数据库，并建立自定义公式，可以随时调用参数并进行插值计算。

（2）根据不同可燃气体的燃烧反应方程式，建立配风量和进气量的计算关系。

（3）根据燃烧反应方程式，建立出口氧含量和配风量之间的计算关系。

（4）根据工艺要求，设定燃烧段出口氧含量（干基），反算实际配风量和过量空气系数。

（5）根据燃烧反应方程，计算得到燃烧后气体组成比例，并利用第一步的数据库，建立温度与能量的对应计算关系。

（6）根据热平衡算式（1）计算得到输入燃烧设备的总能量。

（7）根据第6 步的总能量和第5 步的温度能量关系，利用Excel 的变量求解功能，反向计算得到燃烧后烟气温度。

图1 燃烧计算流程

3 Excel 计算表格的具体实施

下文举例说明如何建立一个可重复利用的气体燃烧计算表格，条件如下：进气总体积流量2235.38Nm3/h，进气温度1119℃，各组分体积百分比H2（13.82%），CO（17.86%），CO2（5.54%），H2O（9%），N2（53.42%），HCl（0.27%），SO2（0.09%），配风量4160Nm3/h，配风温度25℃，计算燃烧后的烟气温度。

设备布置方案如图2 所示。