3.3　不完全燃燒的燃燒產(chǎn)物

前已指出，燃料在爐內(nèi)（或燃燒室內(nèi)）實(shí)際上有時(shí)并沒有完全燃燒。這方面有兩種情況：一種情況是以完全燃燒為目的，但由于設(shè)備或操作條件的限制而未能達(dá)到完全燃燒。例如，空氣供給量不足；空氣與燃料在爐內(nèi)的混合不充分；燃油時(shí)霧化不好；燃煤時(shí)灰渣中含有碳等情況，都會(huì)使燃燒產(chǎn)物中含有可燃?xì)怏w和煙粒（炭粒），這就造成燃料的浪費(fèi)。另一種情況則是有意地組織不完全燃燒，以得到爐內(nèi)的還原性氣氛。例如，金屬的敞焰無氧加熱、熱處理用的某些保護(hù)氣氛的產(chǎn)生等，都是靠采用不完全燃燒技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。這時(shí)就要求嚴(yán)格控制不完全燃燒的燃燒產(chǎn)物的成分。此外，在高溫下CO₂和H₂O等氣體分解也會(huì)產(chǎn)生CO、H₂等可燃?xì)怏w，但在中溫或低溫爐內(nèi)，其量很小而可忽略不計(jì)。

由于造成不完全燃燒的原因是各種各樣的，所以其中有些因素的影響很難用理論計(jì)算方法計(jì)算，因此，不完全燃燒時(shí)的煙氣量不能像完全燃燒時(shí)的那樣直接由燃料成分求出，一般只有在已知煙氣成分的條件下才能求出不完全燃燒時(shí)的煙氣量。

3.3.1　不完全燃燒產(chǎn)物生成量的變化

設(shè)在空氣中燃燒，燃燒產(chǎn)物中的可燃物僅有CO、H₂和CH₄，這些可燃物的燃燒反應(yīng)式如下（為討論問題方便起見，把空氣中的O₂和N₂均寫入反應(yīng)式，但不計(jì)算空氣中的水分）。　

　　        （3-40）

該反應(yīng)式的左邊相當(dāng)于不完全燃燒產(chǎn)物中可燃組成部分；右邊相當(dāng)于該部分的完全燃燒產(chǎn)物。由該反應(yīng)式可以看出不完全燃燒產(chǎn)物與完全燃燒產(chǎn)物相比的變化。

當(dāng)α≥1，即空氣過量時(shí)，由反應(yīng)式（3-40）可知，當(dāng)燃燒產(chǎn)物中有CO₂和O₂時(shí)（并剩余相應(yīng)量的N₂），和完全燃燒時(shí)相比，產(chǎn)物的生成量是增加了。反應(yīng)式左邊的體積為1+0.5+1.88，而右邊是1+1.88，即燃燒產(chǎn)物中若有1m³的CO，則使燃燒產(chǎn)物體積增加0.5m³。

同理，燃燒產(chǎn)物中每含1m³H₂，也會(huì)使體積增加0.5m³。含CH₄則不引起燃燒產(chǎn)物體積的變化。

如果以表示實(shí)際的不完全燃燒產(chǎn)物的生成量，表示如果完全燃燒時(shí)的產(chǎn)物生成量，則有：

　　        （3-41）

　　        （3-42）

　　        （3-43）

故有：

　　        （3-44）

如果只是討論干燃燒產(chǎn)物生成量（不包括水分在內(nèi)的燃燒產(chǎn)物生成量）的變化，則由反應(yīng)式（3-40）可以看出：

　　        （3-45）

故有：

　　        （3-46）

由此可知，在有過剩空氣存在的情況下，如果由于混合不充分而發(fā)生不完全燃燒的情況，燃燒產(chǎn)物的體積將比完全燃燒時(shí)增加。不完全燃燒的程度越嚴(yán)重，燃燒產(chǎn)物的體積增加得就越多。

當(dāng)α<1時(shí)，相當(dāng)于空氣供應(yīng)不足（燃料過剩），存在兩種情況：一種情況是燃料與空氣的混合是充分均勻的，那么燃燒產(chǎn)物中可能有CO、H₂及CH₄等可燃產(chǎn)物，但不會(huì)有O₂。

由反應(yīng)式（3-40）可以看出，為使不完全燃燒產(chǎn)物中的1m³的CO完全燃燒，應(yīng)再加進(jìn)0.5m³的O₂和相應(yīng)的1.88m³的N₂，而生成1m³的CO₂和1.88m³的N₂。燃燒產(chǎn)物的生成量由不完全燃燒的1m³變?yōu)椋ㄈ绻┩耆紵模?+1.88）m³，反過來講，即不完全燃燒時(shí)，當(dāng)燃燒產(chǎn)物中有1m³的CO時(shí)，便使產(chǎn)物的體積比完全燃燒時(shí)減少了1.88m³。

同理，1m³的H₂也使產(chǎn)物體積減小1.88m³；1m³的CH₄使產(chǎn)物體積減小9.52m³。

故知：

　　        （3-47）

　　        （3-48）

故有：

　　        （3-49）

對(duì)于干燃燒產(chǎn)物生成量來說，同理可得到：

　　        （3-50）

由此可以看出，當(dāng)空氣供給不足（α<1）而又充分均勻混合（燃燒產(chǎn)物中）的情況下，將會(huì)使產(chǎn)物生成量比完全燃燒時(shí)有所減少；不完全燃燒程度越嚴(yán)重，生成量將越減少。

α<1時(shí)也會(huì)有另一種情況，即混合并不充分而使產(chǎn)物中仍存在O₂，即。那么這時(shí)為使不完全燃燒產(chǎn)物中的可燃物燃燒，便可少加一部分空氣，其量為：

　　        （3-51）

據(jù)此便可對(duì)式（3-49）和式（3-50）加以修正。即當(dāng)α<1，且O'₂≠0時(shí)：

　　        （3-52）

　　        （3-53）

按式（3-52）和式（3-53）分析，產(chǎn)物生成量的變化要看與兩項(xiàng)之差。若差為“+”，則；如差為“-”，則。一般情況下，α<1時(shí)，是比較小的，多使這兩項(xiàng)為“+”，所以將會(huì)使燃燒產(chǎn)物生成量有所減少。

如果已知不完全燃燒產(chǎn)物的成分［討論時(shí)，應(yīng)用產(chǎn)物的濕成分；討論時(shí)，應(yīng)用產(chǎn)物的干成分］，便可根據(jù)這些公式估計(jì)不完全燃燒產(chǎn)物的生成量。

3.3.2　不完全燃燒產(chǎn)物成分和生成量的計(jì)算

和完全燃燒計(jì)算原理一樣，不完全燃燒計(jì)算也是按反應(yīng)前后的物質(zhì)平衡計(jì)算的。因此只能對(duì)由于氧化劑供應(yīng)不足（α<1）而造成的不完全燃燒進(jìn)行計(jì)算，并認(rèn)為混合是充分均勻的。在這樣的條件下，燃燒產(chǎn)物的組成除了CO₂、SO₂、H₂O、N₂外，尚有可燃物。可燃物包括可燃?xì)怏w及固體炭粒（煙粒），它的具體組成與燃料成分、溫度和氧氣消耗系數(shù)有關(guān)。一般不完全燃燒產(chǎn)物中的可燃?xì)怏w包括CO、H₂、CH₄、H等，其中H只有在高溫下含量才較多，而CH₄只是在低溫下才較多。按照靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果，產(chǎn)物中固體炭粒的含量只是在低溫和氧氣消耗系數(shù)很小的情況下才較多。對(duì)于一般用還原性氣氛的工業(yè)爐，如無氧化加熱爐或熱處理爐，其溫度大多在1000～1600K之間，而氧氣（空氣）消耗系數(shù)多在0.3以上。因此，為了簡化計(jì)算，炭粒含量可忽略，故燃燒產(chǎn)物生成量為：

　　         （3-54）

成分組成為：

　　        （3-55）

　　式中，，，其余類推。

因此，為計(jì)算燃燒產(chǎn)物的生成量或燃燒產(chǎn)物的成分，需求出、、等六個(gè)未知數(shù)。

已知燃料成分、空氣消耗系數(shù)和燃燒反應(yīng)的平衡溫度，可列出以下六個(gè)方程式，以求上述六個(gè)未知量（未計(jì)空氣中的水分）。

（1）碳平衡方程

　　        （3-56）

對(duì)于固、液體燃料，可寫為：

　　        （3-57）

即：

　　        （3-58）

對(duì)于氣體燃料，可寫為：

　　        （3-59）

（2）氫平衡方程

　　        （3-60）

對(duì)于固、液體燃料，可寫為：

　　        （3-61）

對(duì)于氣體燃料，可寫為：

　　        （3-62）

（3）氧平衡方程

　　        （3-63）

對(duì)于固、液體燃料，可寫為：

　　        （3-64）

對(duì)于氣體燃料，可寫為：

　　        （3-65）

（4）氮平衡方程

　　        （3-66）

對(duì)于固、液體燃料，可寫為：

　　        （3-67）

對(duì)于氣體燃料，可寫為：

　　        （3-68）

（5）水煤氣反應(yīng)的平衡常數(shù)

　　        （3-69）

　　        （3-70）

（6）甲烷分解反應(yīng)的平衡常數(shù)

　　        （3-71）

　　        （3-72）

式（3-70）和式（3-72）中的平衡常數(shù)僅是溫度的函數(shù)，如已知燃燒產(chǎn)物的實(shí)際平衡溫度，則可由相關(guān)附表中查得該平衡常數(shù)。

根據(jù)式（3-54）和式（3-55）之間的關(guān)系，則式（3-70）和式（3-72）之分壓、p_CO等可以換算為、V_CO等。

在運(yùn)算式（3-70）和式（3-72）時(shí)，如果燃燒室（爐膛）內(nèi)的氣體平衡壓力接近1個(gè)大氣壓（大多數(shù)工業(yè)爐如此），那么式中各組成的分壓將在數(shù)值上與各組成的成分相等。

聯(lián)立求解式（3-56）～式（3-72），便可求出六個(gè)組成的生成量，以及燃燒產(chǎn)物生成量和燃燒產(chǎn)物的成分。當(dāng)估計(jì)到燃燒產(chǎn)物中的甲烷含量甚微而可忽略不計(jì)時(shí)，則可略去方程式（3-72），然后聯(lián)立求解其他五個(gè)方程式即可。

顯然，上述運(yùn)算過程是比較復(fù)雜的，必須借助計(jì)算機(jī)完成。