空气需要量和燃烧产物生成量.ppt

1 第四章空气需要量和燃烧产物生成量 2 上一章回顾 气体燃料有什么优点 气体燃料的燃烧过程最容易控制 也最容易实现自动调节气体燃料可以进行高温预热 因此可以用低热值燃料来获得较高的燃烧温度 有利于节约燃料 降低能耗气体燃料在冶金工业的燃料平衡中占有重要地位 3 上一章回顾 工业上生成和使用的人造气体燃料有哪些 炼铁产生的高炉煤气炼焦产生的焦炉煤气转炉炼钢产生的转炉煤气煤气化产生的发生炉煤气重油大分子量碳氢化合物分解产生的重油裂化气 4 上一章回顾 具有毒性的煤气成分有哪些 有 硫化氢 H2S 氰化氢 氰氢酸HCN 二氧化硫 SO2 一氧化碳 CO 氨气 NH3 苯 C6H6 硫化氢 H2S 体积百分数达0 1 0 2可短时间内置人死亡 一氧化碳 CO 体积百分数达0 5 1 0可短时间内置人死亡 5 上一章回顾 煤气中的各气体其干成分数值大还是湿成分数值大 湿成分如何换算成干成分 干成分的数值比湿成分的数值大换算关系如下 6 上一章回顾 已知50oC时饱和蒸汽为1234Pa 平衡状态空气中的水蒸气含量是多少 水蒸气体积百分数如下 7 上一章回顾 气体燃料的发热量如何确定 1 由容克式量热计直接测定 2 按各成分气体发热量之和计算 查附表3获得各成分气体的发热量 8 上一章回顾 我国车间允许的最高CO浓度为30mg m3 20oC时对应允许的体积浓度是多少 空气在20oC时密度1 205kg m3 9 上一章回顾 发生炉煤气有哪几种 根据气化剂和气化过程的不同 将发生炉煤气分为三种空气发生炉煤气 空气为气化剂 气化温度高 热量低 水煤气 水蒸气为气化剂 热量高 但制造工艺和设备要求复杂 混合发生炉煤气 空气中加入适量水蒸气为气化剂 避免上两种的缺点 最常用 也简称发生炉煤气 10 上一章回顾 高炉煤气 焦炉煤气 转炉煤气 发生炉煤气的发热量对比情况如何 高炉煤气的发热量最低 4000kJ m3左右 发生炉煤气其次 6000kJ m3左右 焦炉煤气发热量最大 16000kJ m3左右 常将焦炉煤气与高炉煤气或发生炉煤气配比成混合煤气 发热量约8000kJ m3 转炉煤气发热量比配比的混合煤气的略低 7000kJ m3左右 11 燃烧计算 确定单位数量燃料燃烧所需要的氧化剂 空气或氧气 的数量确定燃烧产物的数量确定燃烧产物的成分确定燃烧温度确定燃烧完全程度 12 计算的作用 要设计炉子的燃烧装置和鼓风系统 就必须知道为保证一定热负荷 燃料消耗量 所应供给的空气量而设计排烟系统 就必须知道燃烧产物 或烟气 的生成量 成分和密度在进行炉内热交换 压力 温度等的热工计算 热工测试或热工分析时也需要进行供给空气量和燃烧产物生成量 成分和密度的计算 13 燃烧计算中的干空气 仅由氧气和氮气组成体积百分比氧气为21 氮气为79 氧气 氮气的摩尔体积相同 在标准状态下为22 4L mol 质量百分比氧气为23 3 氮气为76 7 14 由体积百分比确定质量百分比 已知干空气中体积百分比氧气21 氮气79 如何确定质量百分比 15 固体和液体燃料理论空气量的计算 固体和液体燃料的成分表示法 质量百分比含量C H O N S A W 100 按照化学反应质量守恒的原则 列出各成分完全燃烧的反应方程式 依据方程式计算各物质的量 16 各成分的燃烧计算 碳元素的燃烧 方程式和质量关系C O2 CO2123244 kg 18 311 3 kg 氢元素的燃烧 方程式和质量关系4H O2 2H2O43236 kg 189 kg 17 各成分的燃烧计算 硫元素的燃烧 方程式和质量关系S O2 SO2323264 kg 112 kg 18 每公斤燃料需要的氧气量 需要的氧气质量为G0 O2 8C 3 8H O S 100 kg 需要的氧气体积先计算氧气的密度 按标准状态计算密度 32 22 4 1 429 kg m3 因此L0 O2 8C 3 8H O S 100 1 429 m3 上式是不考虑其他因素影响下的数值 称为 理论氧气需要量 19 理论空气需要量 已知理论氧气质量需要量G0 O2 确定理论空气质量需要量G0 G0 O2 23 3 kg 已知理论氧气体积需要量L0 O2 确定理论空气体积需要量L0 L0 O2 21 m3 20 气体燃料空气需要量计算 气体燃料成分表示法 体积百分数CO H2 CH4 CnHm H2S CO2 O2 N2 H2O 100 各成分燃烧需要的氧气量之和就是气体燃烧所需的总氧气量由于反应方程式中各物质的系数就表示所需的摩尔数 而认为气体的摩尔体积相同 因此系数比就等于各气体物质的体积比 21 各成分氧气需要量 一氧化碳燃烧 方程式和体积比CO O2 CO21 m3 氢气燃烧 方程式和体积比H2 O2 H2O1 m3 22 各成分氧气需要量 碳氢化合物燃烧 方程式和体积比CnHm n m 4 O2 nCO2 m 2H2O1 n m 4 m3 硫化氢燃烧 方程式和体积比H2S 3 2O2 H2O SO213 2 m3 23 理论氧气和空气需要量 1m3气体燃料的理论氧气需要量 体积 为1m3气体燃料的理论空气需要量 体积 为 24 实际空气需要量 在实际设计和操作中 炉内实际消耗的空气量与计算的理论空气量会有区别为保证燃料完全燃烧 会增加空气量 比理论值多一些为得到炉内的还原性气氛 会减少空气量 比理论值少一些实际空气消耗量Ln n值为空气消耗系数 n 1称空气过量系数 25 空气中水蒸气的考虑 查附表5可得到每m3干空气吸收的水蒸气体积数量lH2OL0为理论干空气需要量 L0 w为理论湿空气需要量 则实际湿空气消耗量Ln 26 已知理论氧气质量需要量G0 O2 如何计算理论氧气体积需要量L0 O2 先计算氧气的密度 按标准状态计算密度 32 22 4 1 429 kg m3 因此L0 O2 G0 O2 1 429 m3 27 燃烧产物计算 单位燃料完全燃烧后生成的燃烧产物包括CO2 SO2 H2O N2 O2 其中O2是当n 1时才有的燃烧产物的生成量 当n 1时称 实际燃烧产物生成量 Vn 当n 1时称 理论燃烧产物生成量 V0 Vn VCO2 VSO2 VH2O VN2 VO2 m3 28 n 1时产物体积 V0和Vn的差别在于n 1时比n 1时的燃烧产物生成量少一部分过剩空气量 因此Vn V0 Ln L0或Vn V0 n 1 L0 29 n 1各燃烧产物的生成量 对固体和液体燃料 除了完全反应 N要考虑燃料中N和空气中N H2O要考虑燃料中H W和空气中水蒸气 还要考虑过量空气对1kg燃料 30 31 总的燃烧产物生成量 上式很好理解 等式右边括号组成的第一项表示燃料中C H N S W燃烧后所形成的烟气量 O已经和其他元素结合在一起了不用考虑 A不是气体也不用考虑右边第二项是所有空气减去反应的氧气 或所有氮气和剩余的氧气 仍在烟气中右边第三项是所有空气所带的水蒸气 32 气体燃料总燃烧产物生成量 同样道理 等式右边中括号组成的第一项表示燃料中各成分燃烧后所形成的烟气量 O2已经和可燃成分反应不用再考虑右边第二项是所有空气减去反应的氧气 或所有氮气和剩余的氧气 仍在烟气中右边第三项是所有空气所带的水蒸气 33 讨论 Vn的有效性 对固体液体燃料 12g 1mol 的C生成1mol的CO2 只有在标准状态下 0oC 1atm 其体积才是22 4升 而在烟气中温度越高体积越大 从上述角度理解 Vn应该指标准状态下的烟气体积但在标准状态 或其他冷态条件下 烟气中饱和水蒸气的量很少 不能将水都计为气体 只有在100oC以上才全部是气态 34 讨论 Vn的有效性 同样对气体燃料 只有当烟气压力温度与初始气体燃料的压力温度一样时 1m3的CO才生成1m3的CO2 而在烟气中温度越高其体积就会越大 从上述角度理解 Vn应该指燃烧前后压力温度相同时的烟气体积但同样烟气中饱和水蒸气量是随压力温度变化的 在1大气压下温度小于100oC时不能将水都计为气态 只有在100oC以上才全部是气态 35 更科学的表述方法 用体积m3来表述燃烧生成物比较直观但更科学的方法是对燃烧生成物用摩尔mol 或质量kg 来表述然后利用理想气体假设 利用理想气体状态方程根据烟气的压力温度换算成体积PV nRT同时根据烟气对应温度确定饱和水蒸气量 同燃烧后的总水分比较 取两者间的最小值计算水蒸气体积 36 燃烧产物的密度 密度用参加反应的物质 燃料与氧化剂 的总质量除以燃烧产物的总体积以固体和液体燃料为例 37 讨论 密度 密度等于烟气总质量除以烟气总体积对分子mtotal来说 根据质量守恒燃烧前后的总质量是不变的 但关键是要依据烟气的压力温度确定有多少水蒸气是气态对分母Vn来说 体积是随压力温度变化的 所含的水蒸气量跟燃烧后总水分和烟气压力温度同时有关 其讨论见前面 38 不完全燃烧 在实际炉中 有很多不完全燃烧的情况不完全燃烧所发生的反应也是多种情况的不完全燃烧的计算要根据具体不同的情况进行分析 然后相应求解并且并非所有的每一种情况都可以按静力学方法分析求解 有时要靠实验测定 39 不完全燃烧产物生成量的变化 以成分CO H2 CH4为例进行分析 在空气中燃烧将不反应的N2也写进方程式 CO 0 5O2 1 88N2 CO2 1 88N2H2 0 5O2 1 88N2 H2O 1 88N2CH4 2O2 7 52N2 CO2 2H2O 7 52N2对CO H2等可燃成分而言 反应前的体积数 mol数 大于反应后的体积数对CH4而言 反应前和反应后的体积数 mol数 不变 40 n 1时的不完全燃烧 空气过剩 燃烧产物中剩余O2及相应的N2燃烧产物中每有1m3CO 产物体积就相应增加0 5m3同样 燃烧产物中每有1m3H2 产物体积就相应增加0 5m3 但水分去除将增加1 5m3燃烧产物中含有CH4 不会使体积增加 但如果将水分去除 则燃烧产物中每有1m3CH4 产物体积就相应增加2m3 41 完全与不完全燃烧产物量变化关系 考虑水分为气态 则干烟气 即不考虑水分 42 n 1时的不完全燃烧 第一种情况 O2没有剩余全部参与了反应 由于燃烧1m3CO需要空气 0 5m3O2 1 88m3N2 生成1m3CO2 1 88m3N2 因此每剩余1m3CO就少产生产物1 88m3同样 每剩余1m3H2就少产生产物1 88m3每剩余1m3CH4 需要空气2m3O2 7 52m3N2 就少产生产物9 52m3 43 n 1且没有氧气剩余 完全燃烧与不完全燃烧产物间体积关系干烟气 即不考虑水分 44 n 1且有氧气剩余 相比于n 1且没有氧气剩余的情况 现在烟气中多了一部分空气 空气量为空气量 1 0 21 VO2 4 76VO2因此对干烟气有 45 理论与实际燃烧产物生成量间的统一关系 n 1时完全燃烧根据氧平衡有n 1时不完全燃烧 46 理论与实际燃烧产物生成量间的统一关系 n 1时不完全燃烧根据氧平衡有 47 理论与实际燃烧产物生成量间的统一关系 n 1时无氧剩余n 1时有氧剩余 48 不完全燃烧产物成分和生成量计算 空气消耗系数n 1 混合是均匀的没有氧气剩余燃烧产物除了CO2 SO2 H2O N2外 还有可燃物 包括可燃气体及固体碳粒 烟粒 在计算燃烧产物的成分和生成量时 往往要跟实验相结合 确定产物中所存在的成分和以及可以忽略掉的成分 49 产物成分和生成量计算例子 例如 忽略燃烧产物中碳粒含量 H等 产物成分有CO2 CO H2O N2 CH4 H2 需要求VCO2 VCO VH2O VN2 VCH4 VH2六个未知数建立六个方程 然后求解 1 碳平衡方程 Cfuel C VCO2 VCO VCH4 对1kg固体液体则 50 产物成分和生成量计算例子 2 氢平衡方程 Hfuel H VH2O VCH4 VH2 对1kg固体液体则 3 氧平衡方程 Ofuel air O VCO2 VCO VH2O 对1kg固体液体则 51 产物成分和生成量计算例子 4 氮平衡方程 Nfuel air N VN2 对1kg固体液体则 5 建立产物间的反应式 水煤气反应及平衡常数 52 产物成分和生成量计算例子 6 建立产物间的反应式 甲烷分解反应及平衡常数上述六个方程联立即可求出六给未知数如果还有一个未知数如碳粒数需求解 则需要再增加一个反应式及相应的平衡常数如果CH4的含量忽略不计 那么就只有五个未知数 将式 6 去掉 五个方程即可求解 5