热焚烧式焚烧炉工艺计算.doc

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1、热燃烧式燃烧炉工艺计算现将热燃烧式尾气燃烧炉工艺计算有关问题介绍于下供参考。王遇冬 2022.03.26一、直接燃烧法12由于 H S 的毒性比 SO2大得多，工艺污染物排放标准规定 HS 的排放量比222SO2 严格得多，即 SO 的排放量约为 H S 的 15 倍。2燃烧法是将硫磺回收装置尾气中的 H S 以及其他形式的硫化物SO2 除外全部燃烧生成 SO2。燃烧过程可以是纯粹的热反响，也可以是催化反响。燃烧法可以降低尾气的毒性，而总硫量并没有变化。1. 热燃烧法1.051.15 甚至更高。2通常，热燃烧法热氧化是在由过剩氧的存在下在 480810进展的。大多数热燃烧炉承受自然通风，利用烟

2、道挡板把握空气流率使其在负压下运行， 也可以承受强制通风使其在其正压下运行。过剩氧量应依据燃烧炉和燃烧器的构造和性能确定。承受气体燃料燃烧时一般在2虽然尾气中含有各种可燃物，例如 HS、COS、CO、H及元素硫甚至烃类化合物，但由于它们的总含量一般不超过尾气量的 3%，因而这些可燃物是在分出低的浓度下燃烧的。因此，整个尾气流必需在足以将元素硫和硫化物氧化为SO2 的高温下燃烧，即燃烧温度炉膛烟气温度应确保尾气中的元素硫和硫化物完全氧化生成 SO2。图 1 和图 2 为热燃烧炉的示意图。图 1 不回收热量的燃烧炉图 2 回收热量的燃烧炉回收燃烧炉炉膛出口烟气中热量也是一种提高其经济性能的方法。利

3、用烟气的余热产生饱和蒸汽的压力一般在 0.353.10MPa，而且还可利用此余热将饱和蒸汽过热。但是，在评价这种方法时还必需考虑烟气排放温度较低时对其在大气中漂流的影响，因而就涉及到对所需烟筒高度的影响。带有余热回收的燃烧炉一般承受强制通风在正压下运行。确定了尾气加热所需温度后，即可确定热燃烧炉所需的燃料气量、空气量和高温烟气量。一般状况下燃烧炉的尺寸按高温烟气在炉膛的停留时间至少为 0.5s确定，有时也可高至1.5s。停留时间越长，为了满足环保要求所需的燃烧温度就越低。图 3 是一个典型的热燃烧炉，为了符合最严格的 H S 排放要求，即 10210-6体积分数时的高温烟气停留时间与温度的关系

4、。图 3 燃烧炉内烟气停留时间与所需温度的典型关系图基准：烟气中H2S 最高含量 1010-6体积分数，O2 含量约为 2%高温烟气在炉膛中的停留时间确定后，即可求得炉膛体积，并需核对其体积热流密度体积热强度是否适宜。2. 催化燃烧法承受催化燃烧法催化氧化法可以将燃烧炉的燃料气消耗量明显降低。此法系通过燃料气与流量加以把握的空气燃烧放热将尾气流加热至大约 310 420，然后将加热了的尾气通过催化剂床层燃烧。催化燃烧一般承受强制通风，在正压下运行以便使过剩空气量的把握更加准确。当燃料气费用很贵，承受常规的热燃烧法不经济时可考虑承受催化燃烧法。二、燃烧过程计算由上可知，在尾气燃烧炉中的燃烧过程包

5、括燃料气的燃烧和尾气中可燃物的燃烧两局部。其中，前者是为尾气中可燃物燃烧供给足够的高温，后者是为了将尾气中的元素硫和硫化物完全氧化生成 SO2。二者的燃烧过程计算根本一样，只是尾气中仅仅是一些可燃物进展燃烧，其他非可燃物则作为惰性气体被加热后进入高温烟气中。现以燃料气燃烧过程为例加以说明。燃料的种类、组成和发热量油气生产过程中承受的燃料有液体燃料和气体燃料两种。液体燃料多为重质燃料油，气体燃料则多为自然气。燃料最重要的特性是其组成燃料油为元素组成，燃料气为组分组成和发热量。1. 燃料组成燃料油的元素组成通常用油中所含的碳 C、氢H、氧O、氮N、水分W和灰分A的质量百分数来表示。其中主要是碳和氢

6、。氧、氮和灰分的含量很少，往往可以无视不计。燃料油的元素组成可用元素分析法直接确定，在无试验数据时，也可依据燃料油的相对密度由阅历公式估算。气体燃料的组成则用各组分的体积百分数或摩尔百分数表示。2. 燃料的发热量单位质量液体燃料或单位体积气体燃料完全燃烧时的热效应称为燃料的燃 烧热。燃烧热确实定值称为燃料的热值。对于反响产物可能是气态或液态的那些化学反响，其热值有高、低之分。燃烧产物例如水为气态时得到的是低热值Ql；燃烧产物为液态时得到的是高热值 Qh。二者之差等于燃烧产物由气态分散成液态时所放出的相变焓。由于在加热设备中，燃烧后生成的水总是以气态形式存在，故今后在燃烧计算中均承受低热发热量。

7、燃料油的发热量是指 1kg 燃料完全燃烧时所放出的热量，其单位为 kJ/kg。燃料油的密度越小，热值越高。燃料油发热量可由试验测定，或依据其元素组成质量百分数计算，即高发热量低发热量Q = 4.18781C + 300H + 26(S - O)hQ = 4.18781C + 246H + 26(S - O) - 6W l式中 C、H、S、O、N 分别为燃料油中碳、氢、硫、氧、水分的质量百分数。例如碳为 86%，则 C=86。燃料气的发热量常用 1m3 燃料完全燃烧时所放出的热量来表示，其单位为kJ/m3。必需留意的是，热值单位中的 m3 指 0、101.325kPa 或 15.6、101.32

8、5kPa 时的体积，计算时应依据具体状况承受其中一种并留意统一。燃料气的发热量可由其组分组成 yi 和各组分的发热量高发热量 qhi 或低发热量 qli计算，即Q = y q高发热量hihiQ = y q低发热量l理论空气用量与过剩空气系数ili为保证燃料完全燃烧，必需在燃烧过程中供给足够的空气量。此外，为了加速重质液体燃料的加热、蒸发、分解和燃烧，使其尽量到达充分燃烧，还需将燃料油雾化成微粒，并形成肯定流量密度分布。燃料油的雾化有机械雾化、蒸汽雾化和联合雾化三种。1. 理论空气用量液体燃料液体燃料完全燃烧时所需的理论空气用量，可依据化学反响式求得，即C+O2 CO2123244即燃烧 1kg

9、 的碳需要 32/12=2.67kg 的氧。H + 1 O222 H O221618即燃烧 1kg 的氢需要 16/2=8kg 的氧。S+O2 SO2323264即燃烧 1kg 的硫需要 32/32=1kg 的氧。由于燃料中自身所含的氧也参与了反响，故由空气供给的理论用氧量 LO2 为O2L= 0.0267C + 0.08H + 0.01S - 0.01Okg 氧/kg 燃料空气中氧气的质量含量大约是 23%，将上式右侧各项分别除以 0.23，则燃烧1kg 液体燃料需要的理论空气量 L0 为0L= 0.116C + 0.348H + 0.0435(S - O)kg 空气/kg 燃料气体燃料空气

10、中氧气的体积含量大约是 21%，故气体燃料完全燃烧时所需要的理论空气量 V0 为V=10.5y+ 0.5y+ m + n y+1.5y- y00.21 HCO4C HH SO 2m n料22 m3 空气/m3 燃式中 yH 、y2、yCOCm、y、yHH SOn22分别为各组分在气体燃料中的体积分数。2. 过剩空气系数在实际操作中，空气与燃料的混合总不能格外充分，所以要使燃料完全燃烧， 必需供给比理论空气量多的空气。实际参加的空气量与燃料完全燃烧所需的理论空气量之比称为过剩空气系数，通常以a 表示，即a = L = VLV00式中 L、V 分别为实际参加的质量和体积空气量。过剩空气系数是影响包

11、括燃烧炉在内的明火加热设备热效率的一项重要指 标。a 太小，空气供给缺乏，燃料不能充分燃烧，加热设备热效率低； a 太大， 空气供给量过多，相对降低了燃烧温度和烟气的黑度，影响传热效果。而且，也增加了排出的烟气量和热损失，使明火加热设备热效率降低。此外，过多的空气还会使烟气中的氧含量增加，加剧了炉管或火管外表的氧化脱皮，从而使其寿命缩短。因此，在保证燃料完全燃烧的前提下，应尽量降低过剩空气系数。影响过剩空气系数的因素有燃料性质、燃烧器的性能、明火加热设备的密封性、测控水平，以及操作人员的水公平。对液体燃料，取a =1.21.4；对气体燃料，取a =1.051.15。在实际操作中，也可利用烟气分

12、析结果计算过剩空气系数，即100 - y- y2a =COO2100 - yCO2- 4.76 yO2式中 yCO 、yO22分别为烟气中CO 、O22的体积百分数。热效率与燃料量1. 热效率明火加热设备的热效率直接影响着其燃料用量。热效率 是被加热介质吸取的热量即热负荷与燃料燃烧时放出的总热量之比。它是衡量明火加热设备燃料消耗的重要指标。对于燃烧炉这样的明火加热设备，由于是将进入炉膛的尾气直接加热至肯定高温使其燃烧，故不必考虑热效率。依据热效率的定义，有两种表示形式，即正平衡h =EQQBQ 反平衡h = 1-S QBB式中： QQE燃料完全燃烧所放出的热量， Q有效热量，kJ/h；= Q+

13、 QBES，kJ/h；SQ 损失热量， Q= Q + QS2L，kJ/h；22Q 烟气在温度T下离开明火加热设备时带走的热量，kJ/h；LQ 明火加热设备的散热损失，kJ/h。2. 燃料量E燃料量 B kg/h可依据有效热负荷Q即、热效率h 和燃料的低热值Q求得，lQB =Eh QlE当加热设备只加热一种流体时，有效热负荷Q可按下式计算，即Q= m ehEV+ (1- e)hL- h i式中： m 被加热流体的流量，kg/h；vh 流体在离开加热设备温度下的气相比焓，kJ/kg；Lh 流体在离开加热设备温度下的液相比焓，kJ/kg；ih 流体在进入加热设备温度下的液相或混合相比焓，kJ/kg；

14、e 流体在离开加热设备温度下的质量气化率，%。烟气组成与流量1. 烟气组成假定燃料完全燃烧，燃烧后不产生 CO，对液体燃料作元素平衡则有碳平衡氧平衡m= C /1200CO2m= 0.23(a -1)LO02/ 32 + O / 3200氮平衡硫平衡m= 0.77a LN02m= S / 3200/ 28 + N / 2800水平衡SO2m= (GH OH O22+ W /100) /18 + H / 200i式中： m每 kg 液体燃料燃烧后所生成的某一组分的摩尔数，mol/kg；2G H O 1kg 液体燃料燃烧时所需的雾化蒸汽量，一般取0.30.5kg/kg 燃料。对气体燃料作元素平衡则

15、有碳平衡m= yCOCH24+ 2 yC H2 6+ 3 yC H3 8+ y+ yCOCO2氧平衡氮平衡硫平衡m= 0.21(a -1)V + yO0O22m= 0.79V + yN0N22m= y+ ySOH SSO222水平衡m= 2 yH OCH24+ 3 yC H2 6+ 4 yC H3 8+ y+ y+ yH SHH O222i式中： m每 kmol 气体燃料燃烧后所生成的某一组分的摩尔数，mol/kmol燃料。因此，液体、气体燃料燃烧后所产生的烟气组成为y, = m / miiii式中： y , 烟气中各组分的体积分数。2. 烟气流量燃料燃烧后所产生的烟气流量 mg 为m= B(1+ a Lg0+ G)H2O式中 mg 的单位为 kg/h，GHO 为承受液体燃料时的雾化蒸汽量，单位为kg 蒸汽/kg 燃料。3. 烟气的焓在计算烟气在某一温度下离开明火加热设备所带走的热量时，需要确定烟气的焓。烟气中各组分的比焓可由有关文献确定，也可近似由 Wimpress 建议承受的图 4 先直接查得烟气带走的热量 q2(kJ/kg)与燃料低热值 Q1 之比，从而再求出q2。图 4 烟气带走的热量损失图