氣體燃燒計算及其運用

曹 彤，韓豪杰

（江蘇天楹等離子體科技有限公司上海分公司，上海 201315）

0 引言

在進行熱工工藝的設計過程中，燃燒過程是一種非常常見的工藝流程。燃燒段設備的形狀、尺寸、出口氧含量、燃燒溫度等，都需要依據燃燒計算的結果開展后續設計工作。一般進行燃燒計算的時候，需要利用Fluent、Matlab 等仿真模擬軟件。此類軟件價格昂貴，且需要經過專業培訓的人員才能進行操作，軟件方針模擬需要的時間也比較長。這種工作方式如果是用于科研分析，是能夠滿足要求的。但是對處于工藝設計階段，需要進行多種設備方案選型的設計工作來說，這種方式的工作效率就不能滿足需要了。本文總結以往設計實踐，利用Excel 表格計算功能，總結了一種能夠快速進行燃燒計算的工作方法。考慮到固體燃燒和液體燃燒過程中多相反應的復雜性，這里以氣體燃燒設備為例，對燃燒計算進行討論。

1 工程設計過程中的燃燒計算需求

1.1 工程設計初期需要確定的參數

一般項目立項后，需要首先設計設備總平面布置圖，并在此基礎上提出設備平立面布置圖，設備載荷條件圖等。對于燃燒設備來說，又有一些特殊之處。因為內部一般有耐熱爐襯，所以燃燒設備一般整體質量比較大。因為內部高溫，設備存在一定的熱膨脹，膨脹量累積到一定程度，還應考慮設置膨脹節吸收膨脹量。燃燒設備因為內部有耐熱爐襯，與前后續段設備的連接方式不能僅考慮設備殼體連接，還應考慮耐熱爐襯的過渡連接方式。

工程設計中，對于此類非標設備，需要出具多個設計方案，相互之間進行對比，選取較為合理的布置形式開展設計工作。但是因為燃燒仿真模擬軟件使用門檻較高，需要的時間較長，如果對每一個方案都進行仿真模擬計算，會大大延誤設計工作進度。因此一般此類設備設計初期，需要有經驗的設計人員，進行初步的估算，確定大致尺寸，再參考以往類似項目的設備方案開展后續設計。

一般的燃燒計算的估算方法如下。首先統計進口氣體的可燃組分，根據不同的化學反應方程的需氧量，加權計算理論燃燒配風量。然后取1.25～1.3 的過量空氣系數，得到實際配風量。按照進口氣量+配風量得到總煙氣量，按照一般氣體經驗流速確定設備內徑和長度，從而確定設備的估算尺寸。

這樣的工作方式，最大的問題是，無法對燃燒煙氣溫度進行計算。而煙氣溫度會影響爐襯厚度和形成指標，直接有影響設備外形尺寸和載荷。同時煙氣溫度造成的熱膨脹，會影響燃燒設備內部煙氣流速，影響燃燒設備內部氣體停留時間。

缺少燃燒煙氣溫度的情況下，只能依賴工程師經驗對溫度進行估算。這種工作形式過于依賴經驗，而且對于一些工藝特殊的燃燒設備（例如富氧燃燒），往往找不到可參考的燃燒溫度。此時就需要一種能夠快速進行的，相對精準的燃燒計算方法。

1.2 需要通過燃燒計算確定的設計參數

通過一般設備設計流程進行歸納總結，設備設計需要的工藝設計參數及其對應燃燒計算需求如表1 所示。

表1 工藝設計參數及其燃燒計算需求

2 燃燒算法邏輯設計

2.1 燃燒計算原理

燃燒設備內部發生的是燃燒放熱反應，考慮到不同的化學物質燃燒反應速率不同，這里按照空氣過量系數>1，所有可燃氣體完全燃燒的情況來考慮。根據能量守恒定律，對燃燒設備進口段和出口段分別計算能量，可以得出式（1）：

等式左邊根據輸入和輸出的能量計算得到最終的能量，為正向算式。

等式右邊為根據假設的出氣溫度，計算對應的氣體總焓值，為反向算式。

最終將取得一個出氣溫度值，使得等式左右相等，則此溫度值就是所要計算的燃燒后出氣溫度。

其中氣體顯熱可以通過查詢《實用無機物熱力學數據手冊》（第二版）進行計算，可燃氣體低位熱值可以查詢相關燃燒氣體的性能參數，特殊物質可以進行試驗測定。其中氣體顯熱與氣體的種類和溫度直接相關，只要建立相關的氣體焓值數據庫，就可以利用插值法，根據氣體顯熱，反算氣體的對應溫度。

2.2 Excel 算法設計

本算法和傳統估算方式，最大的不同是，能夠計算燃燒煙氣最終溫度。氣體燃燒溫度受到兩個因素影響，首先是可燃氣體的體積比和熱值，其次是配風量?？扇細怏w的體積比越大，熱值越高，最終溫度越高。在滿足完全燃燒的基礎上，配風量越大，最終煙氣溫度越低。但是同時，配風量越大，最終煙氣出口氧含量越大，對排放達標越不利。

基于以上邏輯在本文中采用的算法思路如下：

（1）根據《實用無機物熱力學數據手冊》建立氣體焓值與溫度對應關系的數據庫，并建立自定義公式，可以隨時調用參數并進行插值計算。

（2）根據不同可燃氣體的燃燒反應方程式，建立配風量和進氣量的計算關系。

（3）根據燃燒反應方程式，建立出口氧含量和配風量之間的計算關系。

（4）根據工藝要求，設定燃燒段出口氧含量（干基），反算實際配風量和過量空氣系數。

（5）根據燃燒反應方程，計算得到燃燒后氣體組成比例，并利用第一步的數據庫，建立溫度與能量的對應計算關系。

（6）根據熱平衡算式（1）計算得到輸入燃燒設備的總能量。

（7）根據第6 步的總能量和第5 步的溫度能量關系，利用Excel 的變量求解功能，反向計算得到燃燒后煙氣溫度。

圖1 燃燒計算流程

3 Excel 計算表格的具體實施

下文舉例說明如何建立一個可重復利用的氣體燃燒計算表格，條件如下：進氣總體積流量2235.38Nm3/h，進氣溫度1119℃，各組分體積百分比H2（13.82%），CO（17.86%），CO2（5.54%），H2O（9%），N2（53.42%），HCl（0.27%），SO2（0.09%），配風量4160Nm3/h，配風溫度25℃，計算燃燒后的煙氣溫度。

設備布置方案如圖2 所示。

圖2 燃燒設備物料進出

3.1 建立無機物溫度-焓值數據庫及調用公式

在Excel 文件中建立一個名為“GAST”的數據表[1]，建立相應氣體的溫度-焓值對應參數表。

在Excel 文件打開狀態下，按Alt+F11 打開VBA編程界面，右擊文件名，在彈出菜單中如圖選擇“插入”→“模塊”。

隨后雙擊打開新建的“模塊1”文件，在右側輸入界面輸入以下程序作為自定義數據庫調用函數。

Function CtoH（S As String，a As String，c As Double）

Dim n As Integer

For i=1 To Sheets.Count

If Sheets（i）.Name=S Then

n=i

End If

Next

For j=2 To Sheets（n）.UsedRange.Columns.Count

If Sheets（n）.Cells（1，j）=a Then

If c

CtoH="超限"

Exit Function

ElseIf c>Sheets（n）.Cells（Sheets（n）.UsedRange.Rows.Count，1）Then

CtoH="超限"

Exit Function

End If

For i=3 To Sheets（n）.UsedRange.Rows.Count

If（Sheets（n）.Cells（i，1）>c Or Sheets（n）.Cells（i，1）=c）AndSheets（n）.Cells（i-1，j）< >""And Sheets（n）.Cells（i，j）< >""Then

CtoH=Sheets（n）.Cells（i-1，j）+（Sheets（n）.Cells（i，j）-Sheets（n）.Cells（i-1，j））*（c-Sheets（n）.Cells（i-1，1））/（Sheets（n）.Cells（i，1）-Sheets（n）.Cells（i-1，1））

Exit Function

End If

Next

End If

Next

End Function

關閉VBA 編程界面，回到Excel 界面，建立一個名為“燃燒計算”的空白表格，在表格中輸入“=ctoh”能夠自動彈出下面公式提示，則說明自定義公式設定成功?？梢愿鶕囟炔樵儗獨怏w的焓值。

3.2 建立燃燒計算表格并計算燃燒溫度

建立燃燒計算基礎表格，并填充計算公式，如圖3所示。

圖3 燃燒計算基礎

4 Excel 燃燒計算在項目設計中的運用及拓展

采用Excel 表格計算氣體燃燒溫度，可以迅速對多種不同的燃燒工況進行計算對比，并快速得到結果。不需要長時間的軟件模擬，便于設計人員快速確定燃燒工藝方案，開展后續工作。

以上只是一個氣體燃燒案例，實際使用過程中，可以有以下3 個拓展方向。

（1）根據工藝需要，自定義表格，添加其他氣體物性參數，計算特殊的氣體燃燒工藝溫度。

（2）利用單變量求解功能，預設出氣氧含量（干基），反算需要的配風量。

（3）調整配風中的含氧量，計算富氧燃燒對燃燒溫度的影響。

5 結語

通過設計合理的算法，結合VBA 二次開發功能在Excel 中自定義公式，可以滿足工程設計的大部分計算要求，大大減少了設計工作量。本文為氣體燃燒計算，提供了一種有效的方法。同時也為工業設計中的Excel開發使用，提供了一種新的思路。