消防知识_消防燃烧学之空气需要量和燃烧产物生成量

第二篇燃烧反应计算 2 燃烧计算的内容 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 从外界提供的 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 3 燃烧计算中的空气 假定其仅由氧气 氮气及水蒸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 同状态下体积之比等于物质的量之比 4 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 5 燃烧产物 其成分和数量与反应条件有关可能完全燃烧 可能不完全燃烧产物包含两部分 经化学反应的产物未经化学反应的物质 未混合的燃料和空气 过剩的空气和过剩燃料 我们所讲的燃烧计算中 假定均匀混合 同时允许燃料过剩和氧化剂过剩 第四章空气需要量和燃烧产物生成量 7 计算的实际意义 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 8 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 9 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 10 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 故 单位燃料燃烧时耗氧量为 G 8C 3 8H S 100 kg 所以需要提供的空气量应该为G 23 3 kg 11 每公斤燃料需要的氧气量 需要的氧气质量为G0 O2 8C 3 8H S O 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 12 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 13 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 14 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 15 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 16 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 17 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 18 实际空气需要量 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 n值的确定一般是在设计炉子或燃烧装置的时候预先选取的 或根据实测确定 19 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 20 第二节燃烧产物生成量 成分 密度 完全燃烧 21 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 kg 或者 m3 m3 22 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 如何计算Vn 23 n 1各燃烧产物的生成量 对固体和液体燃料 N要考虑燃料中N和空气中的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 24 25 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 或所有氮气加上剩余的氧气 仍在烟气中右边第三项是所有空气所带的水蒸气 如何理解各项的意义 26 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 27 燃烧产物的成分 V0只与燃料成分有关 可燃成分越高 V0越大 Vn则与n有关 n越大 Vn越大 28 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 29 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 30 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 根据理想气体状态方程 将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 31 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 32 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 33 第三节不完全燃烧产物 34 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 35 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 不变左边 不完全燃烧产物中可燃成分右边 该部分完全燃烧产物成分 36 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 37 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 38 完全与不完全燃烧产物量变化关系 有空气过剩时的不完全燃烧 燃烧产物的体积比完全燃烧时的体积增加不完全燃烧程度越大 产物的体积增加越大 39 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 40 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 41 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 42 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 43 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 44 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 45 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 46 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 47 例题1 有一煤样 经测定 其成分 表达为 Cdaf 85 Hdaf 5 Odaf 5 Ndaf 2 Sdaf 3 Ad 12 5 War 20 试求 1 理论空气需要量L0 m3 kg 2 理论燃烧产物生成量V0 m3 kg 3 若用该煤样作为燃料 需要的热负荷为1 7 104kW 空气消耗系数n 1 15 求每小时的供风量 48 需要明确的问题 计算燃烧空气需要量的时候 所使用的成分含量是应用成分热负荷与发热量 燃料量的关系热负荷 时间 Q燃料低 m燃料 49 1 理论空气需要量 1 进行成分换算 Aar Ad 1 War 12 5 1 0 2 10Car Cdaf 1 Aar War 85 1 0 1 0 2 59 5同理可求H O N S的应用成分分别为3 5 3 5 1 4 2 1 50 1 理论空气需要量 2 求各组分燃烧耗氧量之和G0 O2 8 3C 8H S O 100 kg 8 3 59 5 8 3 5 2 1 3 5 100 1 853 kg L0 O2 G0 O2 32 22 4 G0 O2 1 429 1 297 m3 kg 3 求空气需要量L0 L0 O2 0 21 6 176 m3 kg 51 2 燃烧产物生成量 VCO2 11 3C 44 22 4 C 22 4 12VH2O 9H W 18 22 4 VSO2 2S 64 22 4 VN2 0 79L0 N 28 22 4 52 3 供风量 1 7 104 1 3600 Q燃料低 m燃料Q燃料低的如何计算 门捷列夫公式4 1816 81C 246H 26 O S 6W kJ供风量 m燃料 n L0 53 例题2 某煤气的干成分 为 CO 9 1 H2 57 3 CH4 26 0 C2H4 2 5 CO2 3 0 O2 0 5 N2 1 6 用含氧量30 的富氧空气燃烧 n 1 15 空气水蒸气含量0 0235m3 m3 求 1 富氧空气消耗量Ln m3 m3 2 燃烧产物成分及密度 54 利用以下反应式 CO 0 5O2 CO2H2 0 5O2 H2OCH4 2O2 CO2 2H2OC2H4 3O2 2CO2 2H2O故有 L0 O2 0 5CO 0 5H2 2CH4 3C2H4 O2 100 0 922m3 m3Ln nL0 O2 0 3 3 534m3 m3 55 2 求成分 VCO2 CO CH4 2C2H4 CO2 100 0 431m3 m3VH2O H2 2CH4 2C2H4 100 0 0235Ln 1 266m3 m3VN2 N2 100 0 7Ln 2 49m3 m3求密度时 先求总质量 利用 燃料质量 空气质量 Vn 即可求得密度 56 例题3