热工基础知识——窑炉燃烧温度计算讲解（2）

有些事情是基本功，是需要知晓并掌握的。如果能从中找出规律，当遇到问题的时候，可以从数量之间的关系中快速得出大致的趋势和基本的判断，这也许才是一种能力。

文章引言

1、能效的管理

企业能效管理过程中，需要对一些关键能效影响因素进行监控，并实时评估其在热工设备运行过程中，可能引起的能效变化情况。通过这样的“规定动作”可以对工艺设备的经济运行情况有一个精准的了解。这也是能源管理体系要求的具体内容，特别是对能效有影响的一些相关变量，要建立监测与评价的方法。

通过对助燃空气的预热，是一项大家熟知的节能方法，该方法可以调控窑炉的燃烧温度。一般情况下，我们会按照最初的余热回收设计，一直采用既定参数进行运行，但是随着生产任务的波动，季节的变化，以及产品的变化，原来的设计参数（助燃空气预热温度设置）是否符合目前的节能要求？预热温度是否越高越好？这些问题都可以通过燃烧计算，来进行解释和分析。

2、具体到行业

耐火砖或者陶瓷隧道窑运行过程中，充分且有效地利用燃料燃烧产生的热能，以求降低单位合格制品的能源消耗是“节能减碳”的关键。在窑炉本身和运行条件不变的前提下，掌握科学的燃烧技术，是非常重要的。

隧道窑中可以采用的，有效“节能减碳”措施（技术）之一，就是利用窑炉系统中的余热和废热，预热助燃空气。调节预热空气的温度，可以改变窑炉的燃烧温度，以满足工艺要求。那么预热空气，到底需要预热到什么程度？也就是预热到多高温度比较合适呢？预热到该温度的助燃空气能节省多少燃料呢？要解决这些问题，就需要了解和掌握“燃烧温度的计算”相关内容。

燃料燃烧，产生高温烟气，以加热物料或作用于其他用途，是燃料燃烧取热的真正目的。燃料燃烧产生的烟气温度，被称为燃烧温度。那么如何计算该燃烧温度呢？我们说，燃烧温度可以通过燃烧过程中的热量输入和热量输出之间的平衡关系（简称热平衡）求出。该平衡的范围和边界可以确定为燃烧室内的参与燃烧的物质和燃烧后的生成物所构成的物质系统。

计算过程

总体思路是：根据能量平衡关系，建立平衡关系，分离变量后得到结果。

（1）收入与支出计算

首先确定计算基准：这里以气体燃料为例：1m³标态气态燃料，0℃作为起算点。

①热量收入项

A 燃料化学热，也就是燃料的燃烧热，即燃料的低位发热量Q_net。

B 燃料带入物理热Q_f

②热量支出项

A 燃烧产物，烟气所含有的物理热

B 烟气（燃烧产物）传给周围环境的热量Q_loss俗称散热量。

C 由于机械不完全燃烧造成的热损失：Q_me

D 由于化学不完全燃烧造成的热损失：Q_ch

E 烟气中因为部分CO₂和H₂O高温下分解所消耗的热量：Q_dp

F 灰渣带走的物理热（燃气不考虑）：Q_ash

（2）建立平衡关系

建立燃烧过程的热量平衡方程：

从上式可以看出，实际燃烧温度受到很多因素的影响，而且相关因素还会随着工艺过程和热工条件的变化有所变化，所以直接用上式进行计算，得到实际燃烧温度在实际工程中将是十分困难的。在此论述相关内容，是想传达一个平衡的思想，然后根据实际工程情况进行合理的假设，以满足工程计算的需要即可。

工程计算时可进行如下假设：燃料在无机非金属工业热工设备内燃烧时，CO₂和H₂O在高温情况下分解量极少，Q_dp可视为零，燃烧进行迅速，热量还来不及向燃烧系统外界传递，燃烧可以认为是绝热的，即没有热损失，所以Q_loss为零。同时不考虑机械热损失以及化学热损失，和灰分热损失，特别是对于气体燃料，以上损失更是微乎其微，所以，Q_me 、Q_ch和Q_ash为零。于是我们可以通过下式求出t_th，我们称t_th为理论燃烧温度。

这里必须得强调，在真正的燃烧温度的计算时，由于烟气的平均定压比热容随着温度的变化而变化，也就是说，比热容是温度的函数，随着温度的变化，比热容是变化的。根据以上情况，为了求得一个变化的理论燃烧温度，必须匹配对应烟气在该温度下的比热容。这就给计算带来的一些麻烦。

实际计算时，我们可以通过采用“试差法”进行试算：先假设一个温度t₁，通过查表，查得该温度下的烟气比热容c_p·1，然后计算一下该温度下的烟气物理热Q₁（Q₁=V·c_p·1·t₁；这里为t_th计算公式的分母）如果Q₁，大于收入热量总和Q（Q = Q_net+ c_p·f · t_f + V_a·c_p·a·t_a；这里为t_th计算公式的分子），Q₁＞Q，就再假设另外一个温度低于t₁的t₂，查表找出t₂温度下对应的烟气比热容c_p·2，依据上述方法，使得Q₂＜Q。

此时，t_th温度值必定落在t₁和t₂温度范围之间，这里可以采用相对简单的“线性内插法”计算得到t_th，此时，Q₁、Q₂、Q、t₁和t₂均已知。线性内插法计算公式为：

我们可以根据理论燃烧温度对实际燃烧温度进行估算。我们更关心实际燃烧温度，这是因为，我们需要知道实际燃烧温度与工艺需求是否匹配，如果燃料的实际燃烧温度过低，那么就应该采用必要的措施提高实际燃烧温度，也就是烟气温度t_p。企业生产过程中，实际燃烧温度，也就是烟气温度，比较容易测定。

我们定义实际燃烧温度与理论燃烧温度t_th的比值为高温系数，用符号η表示。

隧道窑，如果使用气体燃料，如天然气，一般的高温系数范围是：0.78-0.83。

实际工程应用中，应该尽量提高燃料的实际燃烧温度，这也是高效用能的有效途径，特别是当实际燃烧温度不能满足工艺需热要求时，必须采取措施尽量提高实际燃烧温度。另外，如果实际燃烧温度高于工艺需求温度，那也就意味着实际燃烧温度有较大的调节范围，这可能是由于燃料供给过量导致，可以适当调节燃料供给量和助燃空气供给量。

常用提高实际燃烧温度的措施和方法一般情况可以从以下方面考虑：

第一，选用高发热量燃料。第二，控制适当的空气过剩系数，保证完全燃烧的前提下，不宜过高，也不宜过低。第三，提高助燃空气的温度t_a，提高燃料温度t_f，由于安全原因等，常采用前者措施。第四，减少热工设备向外界的散热损失，以提高实际燃烧温度。

(订阅号中有补充例题）

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