3.3　不完全燃燒的燃燒產物

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

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算方法計算，因此，不完全燃燒時的煙氣量不能像完全燃燒時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的煙氣量。

3.3.1　不完全燃燒產物生成量的變化

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

　　        （3-40）

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

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

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

如果以表示實際的不完全燃燒產物的生成量，表示如果完全燃燒時的產物生成量，則有：

　　        （3-41）

　　        （3-42）

　　        （3-43）

故有：

　　        （3-44）

如果只是討論干燃燒產物生成量（不包括水分在內的燃燒產物生成量）的變化，則由反應式（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生不完全燃燒的情況，燃燒產物的體積將比完全燃燒時增加。不完全燃燒的程度越嚴重，燃燒產物的體積增加得就越多。

當α<1時，相當于空氣供應不足（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，那么燃燒產物中可能有CO、H₂及CH₄等可燃產物，但不會有O₂。

由反應式（3-40）可以看出，為使不完全燃燒產物中的1m³的CO完全燃燒，應再加進0.5m³的O₂和相應的1.88m³的N₂，而生成1m³的CO₂和1.88m³的N₂。燃燒產物的生成量由不完全燃燒的1m³變為（如果）完全燃燒的（1+1.88）m³，反過來講，即不完全燃燒時，當燃燒產物中有1m³的CO時，便使產物的體積比完全燃燒時減少了1.88m³。

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

故知：

　　        （3-47）

　　        （3-48）

故有：

　　        （3-49）

對于干燃燒產物生成量來說，同理可得到：

　　        （3-50）

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

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

　　        （3-51）

據此便可對式（3-49）和式（3-50）加以修正。即當α<1，且O'₂≠0時：

　　        （3-52）

　　        （3-53）

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

如果已知不完全燃燒產物的成分［討論時，應用產物的濕成分；討論時，應用產物的干成分］，便可根據這些公式估計不完全燃燒產物的生成量。

3.3.2　不完全燃燒產物成分和生成量的計算

和完全燃燒計算原理一樣，不完全燃燒計算也是按反應前后的物質平衡計算的。因此只能對由于氧化劑供應不足（α<1）而造成的不完全燃燒進行計算，并認為混合是充分均勻的。在這樣的條件下，燃燒產物的組成除了CO₂、SO₂、H₂O、N₂外，尚有可燃物。可燃物包括可燃氣體及固體炭粒（煙粒），它的具體組成與燃料成分、溫度和氧氣消耗系數有關。一般不完全燃燒產物中的可燃氣體包括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。按照靜力學計算結果，產物中固體炭粒的含量只是在低溫和氧氣消耗系數很小的情況下才較多。對于一般用還原性氣氛的工業爐，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）消耗系數多在0.3以上。因此，為了簡化計算，炭粒含量可忽略，故燃燒產物生成量為：

　　         （3-54）

成分組成為：

　　        （3-55）

　　式中，，，其余類推。

因此，為計算燃燒產物的生成量或燃燒產物的成分，需求出、、等六個未知數。

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

（1）碳平衡方程

　　        （3-56）

對于固、液體燃料，可寫為：

　　        （3-57）

即：

　　        （3-58）

對于氣體燃料，可寫為：

　　        （3-59）

（2）氫平衡方程

　　        （3-60）

對于固、液體燃料，可寫為：

　　        （3-61）

對于氣體燃料，可寫為：

　　        （3-62）

（3）氧平衡方程

　　        （3-63）

對于固、液體燃料，可寫為：

　　        （3-64）

對于氣體燃料，可寫為：

　　        （3-65）

（4）氮平衡方程

　　        （3-66）

對于固、液體燃料，可寫為：

　　        （3-67）

對于氣體燃料，可寫為：

　　        （3-68）

（5）水煤氣反應的平衡常數

　　        （3-69）

　　        （3-70）

（6）甲烷分解反應的平衡常數

　　        （3-71）

　　        （3-72）

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

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

在運算式（3-70）和式（3-72）時，如果燃燒室（爐膛）內的氣體平衡壓力接近1個大氣壓（大多數工業爐如此），那么式中各組成的分壓將在數值上與各組成的成分相等。

聯立求解式（3-56）～式（3-72），便可求出六個組成的生成量，以及燃燒產物生成量和燃燒產物的成分。當估計到燃燒產物中的甲烷含量甚微而可忽略不計時，則可略去方程式（3-72），然后聯立求解其他五個方程式即可。

顯然，上述運算過程是比較復雜的，必須借助計算機完成。