3.1　燃料燃烧所需的空气量

燃料中的可燃元素一般为碳、氢和硫，燃烧时，它们分别与氧发生反应，释放燃烧热。大多数燃烧装置均从空气中获得氧气。因此，通常情况下必须计算所需的空气量，以此作为选择风机容量的根据。

3.1.1　液体燃料和固体燃料的理论空气需要量

计算理论空气量，应首先从计算燃料中可燃元素完全燃烧所需的氧气量入手。燃料完全燃烧所需的空气量，可根据燃烧化学反应方程式中各元素完全燃烧时所需空气量相加来求得。

一般来说，液体燃料和固体燃料以质量或物质的量表示，各可燃成分燃烧时的理论耗氧量可分别表示如下。

（1）碳燃烧所需理论空气量

碳的燃烧化学反应方程式为：

C+O₂ CO₂　　        （3-5）

1kmol碳完全燃烧需要1kmol氧气，并可生成1kmol的二氧化碳。1kmol碳的质量为12kg，1kg碳完全燃烧需要1/12kmol的氧气，并可生成1/12kmol的二氧化碳。

　　        （3-6）

即1kg碳完全燃烧时需要或2.667kg氧气。而1kg燃料中碳的含量是，故完全燃烧时其所需的氧气量为：

　　        

碳的分子量为12，12kg的碳完全燃烧时，其反应方程式为：

12kgC+22.4m³O₂ 22.4m³CO₂　　        （3-7）

即12kg碳完全燃烧需氧22.4m³。1kg碳完全燃烧时需氧，而1kg燃料中碳的含量是，故完全燃烧时其所需的氧气量为：

　　        （3-8）

（2）氢燃烧所需理论空气量

氢的燃烧反应方程式为：

　　        （3-9）

同上可知，1kg燃料中氢的含量是，故完全燃烧时其所需的氧气量为：

　　        

或

　　        

（3）硫燃烧所需理论空气量

硫的燃烧反应方程式为：

　　        （3-10）

1kg燃料中硫的含量是，故完全燃烧时其所需的氧气量为：

　　        

或

　　        

考虑燃料本身的氧含量（它是和燃料可燃质化合在一起的），所以在计算需要氧气量时，就要把这部分氧气量扣除，即有：

　　        （3-11）

或

　　        （3-12）

由上可见，所谓理论空气需要量是指单位质量（或体积）燃料完全燃烧时，理论上应配给的最少空气量，它是按化学反应式求得的。

3.1.2　气体燃料的理论空气需要量

习惯上，气体燃料以体积计量，各可燃成分的燃烧反应式为：

　　        （3-13）

相同温度和压力下，每摩尔气体的体积相同。由式（3-13）可知，每立方米CO完全燃烧需要0.5m³氧气，每立方米氢完全燃烧需0.5m³氧气，其余类推。因此在标准状态下，每立方米气体燃料完全燃烧所需的理论氧气量为：

　　        （3-14）

将式（3-14）乘以1/0.21（或4.76），则得每立方米气体燃料完全燃烧所需的理论空气量为：

　　         （3-15）

3.1.3　实际空气供给量与空气消耗系数

大多数燃烧装置运行时，为了实现完全燃烧，实际空气供给量总是大于理论空气需要量。这是因为，燃料中的可燃物分子与氧分子的相互碰撞是燃烧反应得以进行的前提。在实际燃烧装置中，燃料和空气往往是分别送入炉膛的。由于炉膛空间有限，燃料和空气很难达到绝对均匀的混合，因此按理论空气需要量运行时，必将导致炉膛内部的一些区域燃料过剩（或空气不足），而另一些区域则燃料不足（或空气过剩），从而使一部分燃料失去与空气接触的机会，导致不完全燃烧。为避免这种情况，在实际运行时，往往人为地向燃烧装置供入过量空气，使燃料与空气在混合不均的条件下仍有充分的机会与空气接触。

习惯上，把实际空气供给量与理论空气需要量的比值称为“空气消耗系数”或“空气系数”，并以符号α表示，即：

α=V/V⁰　　        （3-16）

式中　V——每千克（或立方米）燃料的实际空气供给量。

显然，空气消耗系数存在以下三种情况。

α>1，表明实际空气供给量大于理论空气需要量，为贫油燃烧。

α=1，表明实际空气供给量正好等于理论空气需要量，为化学恰当燃烧。

α<1，表明实际空气供给量小于理论空气需要量，为富油燃烧。

燃烧装置设计和运行时，应从分析整个热工系统的热损失着手，选取最为合适的空气消耗系数，再由式（3-16）确定实际空气供给量。一般而言，热工系统中的主要热损失有以下几种。

①一定温度的废气从烟囱排出引起的排烟热损失q₂。

②烟气中残存的可燃气体CO、H₂、CH₄等引起的化学不完全燃烧损失q₃。

③未燃尽的炭粒引起的机械不完全燃烧损失q₄。对于气体和液体燃料可取q₄=0。

以上三项损失与空气消耗系数有关。显然，α值增大意味着空气供给量增多，燃料有更多的机会与空气相遇，因此化学不完全燃烧损失和机械不完全燃烧损失均下降，但由于排烟量同步增多，烟气带走的物理热焓增加（当排烟温度相同时）。实践表明，不同α值时，上述三项热损失的总和为一下凹曲线，在某一α值时具有最小值，这时经济性最好。因此在设计和运行操作时，应尽量选用或力求接近于这个最佳空气消耗系数。

最佳α值随燃料性质和燃烧装置的结构而变化。原则上，易燃燃料及设计完善的燃烧装置，其最佳α值较小（更接近于1）。根据经验，对于液体和气体燃料，最佳α约为1.10，烟煤约为1.20，而贫煤和无烟煤为1.20～1.25。

必须指出，式（3-11）、式（3-12）和式（3-15）均是对干空气而言，未计入空气中的水分。实际上，参加燃烧的空气总含有一定量的水蒸气。当其含量较高，或要求精确计算时，应当把含有的水蒸气计算在内。一般情况下，空气中的水含量可按相应温度下的饱和湿度计算，或按习惯，取常温常压下每千克干空气中含水10g，或每立方米干空气中含水0.01293kg。若每立方米干空气中含水g克，则相应的水蒸气容积为：

　　        （3-17）

于是，实际的湿空气供给量为：

　　        （3-18）