燃料燃烧及热平衡计算参考
3.1 城市煤气的燃料计算
3.1.1 燃料成分
表2.2 城市煤气成分（%）[2]
成分 CO 2 CO CH 4 C 2H 6 H 2 O 2 N 2 合计 含量
10
5
22
5
46
2
10
100
3.1.2 城市煤气燃烧的计算 1、助燃空气消耗量[2]
（1）理论空气需要量
Lo=21O O 0.5H H 3.5C CH 20.5CO 22624-++?+ Nm 3/Nm 3 (3.1)
(3.1)式中：CO 、CH 4 、 C 2H 6 、 H 2 、 O 2——每100Nm 3湿气体燃料中各成分的体积含量（Nm 3）。则
Lo=
21
2
465.055.322255.0-?+?+?+?
= 4.143 Nm 3/Nm 3
（2）实际空气需要量
L n =nL 0, Nm 3/Nm 3 (3.2)
(1.2)式中：n ——空气消耗系数，气体燃料通常n=1.05 1.1 现在n 取1.05，则
L n =1.05×4.143=4.35 Nm 3/Nm 3
（3）实际湿空气需要量
L n 湿=（1+0.001242H O g 干）
L n ，Nm 3
/Nm 3
（3.3） 则
L n 湿=（1+0.00124×18.9）×4.35=4.452 Nm 3/Nm 3 2、天然气燃烧产物生成量 （1）燃烧产物中单一成分生成量
CO)
H 2C CH (CO 0.01V 6242CO 2+++?=’
(3.4)
2
O V 0.21(=?′0n-1)L
(3.5) 2
2n N V (N 79L )0.01=+?′
(3.6)
)L 0.124g H H 3C (2CH 0.01V n 干O H 2624O H 22+++?=
(3.7)
式中CO 、CH 4 、 C 2H 6 、 H 2 ——每100Nm 3湿气体燃料中各成分的体积含量。 则
0.475)5222(100.01V 2CO =+?++?= Nm 3
/Nm 3
4.4131)(1.050.21V 2O ?-?==0.046 Nm 3
/Nm 3 01.0)35.47910(V 2N ??+==3.54 Nm 3
/Nm 3
4.35)18.90.124465322(20.01V O H 2??++?+??==1.152 Nm 3
/Nm 3
（2）燃烧产物总生成量
实际燃烧产物量
V n = V CO2+V O2+V N2+V H2O Nm 3
/Nm 3
(3.8) 则
V n =0.47+0.046+3.54+1.152=5.208 Nm 3
/Nm 3
理论燃烧产物量
V 0=V n -（n -1）L O (3.9)
V 0=5.208-（1.05-1）×4.143=5.0 Nm 3
/Nm 3
(3) 燃料燃烧产物成分[2]
%100V V CO n
CO 22?=
(3.10)
%100V V O n O 22?=
(3.11)
%100V V N n
N 22?=
(3.12)
100%V V O H n
O H 22?=
(3.13)
则
9%%1005.2080.47
CO 2=?=
0.8%%1005.2080.046O 2=?=
68%%1005.2083.54
N 2=?=
22.2%100%5.2081.152
O H 2=?=
3.1.3 天然气燃烧产物密度的计算[3] 已知天然气燃烧产物的成分，则：
ρ烟=
100
22.432O 28N O 18H 44CO 2
222?+++，kg/Nm 3
(3.14)
式中：CO 2、H 2O 、N 2、O 2——每100Nm 3燃烧产物中各成分的体积含量
ρ烟= 217.110022.40.832682822.218944=??+?+?+? Nm 3/Nm 3
3.1.4 天然气发热量计算 高发热量
Q 高=39842CH 4+70351C 2H 6+12745H 2+12636CO （kJ/Nm 3 （3.15） 低发热量
Q 低= 35902CH 4+64397C 2H 6+10786H 2+12636CO (kJ/ Nm 3)
（3.16）
式中：CH 4、C 2H 6、 H 2、CO ——分别为天然气中可燃气体的体积分数（%）。 则
Q 高=39842×0.22+70351×0.05+12745×0.46+12636×0.05=18777kJ/Nm 3
Q 低=35902×0.22+64397×0.05+10786×0.46+12636×0.05=16710kJ/ Nm 3 3.1.5 天然气理论燃烧温度的计算
n 1
Q t V C =
低理
（3.17）
式中：t 理——理论燃烧温度（℃）
Q 低——低发热量(kcal/ Nm 3)，Q 低=16710kJ/ Nm 3 V n ——燃烧产物生成量（Nm 3/Nm 3）, V n =5.208Nm 3/Nm 3
C 1——燃烧产物的平均比热[KJ/(Nm 3 ?℃)]。估计理论燃烧温度在1900℃
左右，查表[3]取C 1=1.59 kJl/(Nm 3 ?℃
则
201859
.1208.516710
t =?=理℃
3.2 加热阶段的热平衡计算
采用热平衡计算法, 热平衡方程式：
Q 收1＝Q 支1 （3.18）
3.2.1 热收入项目 天然气燃烧的化学热Q 烧
Q 烧=BQ 低 (3.19) 式中:B 1——熔化室燃料的消耗量(Nm 3/h) [8] 3.2.2 热量支出项目 1、加热工件的有效热量
是物料所吸收的热量Q 料，用下式计算【4】 【5】：
Q 料=G （t 料-t 初）C 料 (3.20) 式中:G ——物料的重量（kg/h ）,炉子加热能力为G=15×18×13=3510 kg/h.
t 料——被加热物料的出炉温度（℃ ）， 查表得t 料=160℃， t 初——被加热物料的进炉温度（℃ ），为室温，则t 初=20℃
C 料——物料的平均热容量,kJ/(kg ?℃) 查表得C 料=0.88 kJ /(kg ?℃) 则
Q 料=3510×（160-20）×0.88=432432 kJ/40min 2、加热辅助工具的有效热Q 辅（料筐的吸热）
Q 辅=G 辅×（t 辅－t 初）
(3.21)
G——辅助工具的重量（kg/h ）， G=200×15=300 0 kg
C料——物料的平均热容量,kJ/(kg ?℃) 查表得C料=0.88 kJ /(kg ?℃)
则
Q
=3000×(160-20)×0.448=188160 KJ/40min
辅
3、通过炉体的散热损失Q散1
（1）炉墙平均面积
炉墙面积包括外表面面积和表面面积。简化计算可得：
F外墙=（7.385+3.544）×5.329×2=116.49 m2
F墙=(6.95+2.964)×4.759×2=94.37 m2
F墙均=（F外墙+ F墙）÷2=（116.49+94.37）÷2=105.43 m2
(2)炉底平均面积
炉底面积包括外底面面积和底面面积。简化计算可得：
F底均=(6.95×2.964+7.385×3.544)÷2=23.39 m2
(3)炉顶平均面积
由于炉子是规则的长方形，故炉底和炉顶近似看做相等的面积，故
F顶均=F底均=23.39 m2
计算炉墙散热损失：
根据经验，参照生产中应用的同类炉子，本炉子炉墙所用材料及厚度如下选用：
外层为不锈钢钢板：s4=6mm，λ4=32.6W/(m?℃)
钢板是外壳，厚度较薄，计算炉体散热损失时，最外层温度计算到炉衬材料的最
外层，钢板不计算在。以下都是这样。
层也采用不锈钢板：s1=0.8mm，λ1=32.6W/(m?℃)
炉衬材料：第二层为硅酸铝耐火纤维，s2=100mm, λ2=0.083W/(m?℃)第三层硅钙板，s3=75mm, λ3=0.056+0.11×10-3 tW/(m?℃)炉墙结构如下图：
图3.1 时效炉炉墙结构图
计算炉墙散热，根据下式：
1n 1
n
i i 1i i t t Q s F +=-=
λ∑散 (3.22)
首先，炉温度达到250℃才可以满足要求，因为炉膛壁为不锈钢板，导热极好，可以计算可以忽略。第二层耐火纤维侧温度为t 2=250℃。我们假定界面上的
温度及炉壳温度，3t ′=135℃，4t ′
=60℃，
则耐火纤维的平均温度s2t 均=（250+135）/2=192.5℃,硅钙板的平均温度 s3t 均=（135+60）/2=97.5℃，则
2λ=0.083 W /(m?℃)
3λ=0.056×0.11×10-3 ×97.5=0.0667 W /(m?℃)
当炉壳温度为60℃，室温t a =20℃时，查表得∑α=12.17 W/(m 2?℃) ①求热流
②验算交界面上的温度3t 、4t
083
.01
.04.95250t 2
2
23?
-=-=λs q
t =135.06 ℃
2
3322a 295.4W/m 12.1710.06670.0750.0830.120
250α1λs λs t t q =++-=+
+-=∑
?=%4.0135
06
.135135t '33'3=-=
-t t 〈5%，满足设计要求。 ③计算炉壳温度t 1
7.270667
.01
.04.9506.135t t 3
3
345=?
-=-==λs q
t ℃
t 5=27.7℃〈60℃，满足满足炉壳表面平均温度≤60℃的要求。
④计算炉墙散热损失
Q 墙散=q ?F 墙均=95.4×105.43=10058W=36207 KJ/40min 计算炉底散热损失：
根据经验，参照生产中应用的同类炉子，本炉子炉底和炉顶结构和炉墙类似，它们的热流密度平均综合起来计算。通过查表得知炉顶炉底的综合传热系数为：
=∑顶α13.93 W/(m 2.℃)， =∑底α9.83 W/(m 2.℃）
Q 顶底=(∑顶α+∑底α)÷2=11.88 W/(m 2.℃） 则炉底和炉顶的散热量为
Q 顶底= q 1×（F 底均+F 顶均)
=107.5×（23.29+23.29)=5029 W =12069KJ/40min 通过炉体的散热量为
Q 散= Q 顶底+Q 墙散=36207+12069=48276 KJ/40min 4、废烟气带走的热量Q 烟
Q 烟=BV n t 烟c 烟 (3.23)
式中：V n ——实际燃烧产物量（N Nm 3/Nm 3），前面计算得V n =5.208 N Nm 3/Nm 3 t 烟——出炉废烟气温度（℃）， t 烟=160℃
c 烟——出炉烟气的平均比热容，查表得c 烟=1.42 kJ/(Nm 3?℃)
则
Q 烟=B ×5.208×160×1.42=1183B
5、炉子的蓄热Q 蓄
炉体的蓄热可分为三部分，金属的蓄热Q 金、耐火纤维毡的蓄热Q 耐、和硅钙板、蓄热Q 板。