消防知識_消防燃燒學(xué)之空氣需要量和燃燒產(chǎn)物生成量

第二篇燃燒反應(yīng)計算 2 燃燒計算的內(nèi)容 確定單位數(shù)量燃料燃燒所需要的氧化劑 空氣或氧氣 的數(shù)量 從外界提供的 確定燃燒產(chǎn)物的數(shù)量確定燃燒產(chǎn)物的成分確定燃燒溫度確定燃燒完全程度 3 燃燒計算中的空氣 假定其僅由氧氣 氮氣及水蒸氣組成體積百分比氧氣為21 氮氣為79 氧氣 氮氣的摩爾體積相同 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為22 4L mol 同狀態(tài)下體積之比等于物質(zhì)的量之比 4 由體積百分比確定質(zhì)量百分比 已知干空氣中體積百分比氧氣21 氮氣79 如何確定質(zhì)量百分比 5 燃燒產(chǎn)物 其成分和數(shù)量與反應(yīng)條件有關(guān)可能完全燃燒 可能不完全燃燒產(chǎn)物包含兩部分 經(jīng)化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物未經(jīng)化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì) 未混合的燃料和空氣 過剩的空氣和過剩燃料 我們所講的燃燒計算中 假定均勻混合 同時允許燃料過剩和氧化劑過剩 第四章空氣需要量和燃燒產(chǎn)物生成量 7 計算的實際意義 要設(shè)計爐子的燃燒裝置和鼓風(fēng)系統(tǒng) 就必須知道為保證一定熱負荷 燃料消耗量 所應(yīng)供給的空氣量而設(shè)計排煙系統(tǒng) 就必須知道燃燒產(chǎn)物 或煙氣 的生成量 成分和密度在進行爐內(nèi)熱交換 壓力 溫度等的熱工計算 熱工測試或熱工分析時也需要進行供給空氣量和燃燒產(chǎn)物生成量 成分和密度的計算 8 固體和液體燃料理論空氣量的計算 固體和液體燃料的成分表示法 質(zhì)量百分比含量C H O N S A W 100 按照化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量守恒的原則 列出各成分完全燃燒的反應(yīng)方程式 依據(jù)方程式計算各物質(zhì)的量 9 各成分的燃燒計算 碳元素的燃燒 方程式和質(zhì)量關(guān)系C O2 CO2123244 kg 18 311 3 kg 氫元素的燃燒 方程式和質(zhì)量關(guān)系4H O2 2H2O43236 kg 189 kg 10 各成分的燃燒計算 硫元素的燃燒 方程式和質(zhì)量關(guān)系S O2 SO2323264 kg 112 kg 故 單位燃料燃燒時耗氧量為 G 8C 3 8H S 100 kg 所以需要提供的空氣量應(yīng)該為G 23 3 kg 11 每公斤燃料需要的氧氣量 需要的氧氣質(zhì)量為G0 O2 8C 3 8H S O 100 kg 需要的氧氣體積先計算氧氣的密度 按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)計算密度 32 22 4 1 429 kg m3 因此L0 O2 8C 3 8H O S 100 1 429 m3 上式是不考慮其他因素影響下的數(shù)值 稱為 理論氧氣需要量 12 理論空氣需要量 已知理論氧氣質(zhì)量需要量G0 O2 確定理論空氣質(zhì)量需要量G0 G0 O2 23 3 kg 已知理論氧氣體積需要量L0 O2 確定理論空氣體積需要量L0 L0 O2 21 m3 13 氣體燃料空氣需要量計算 氣體燃料成分表示法 體積百分數(shù)CO H2 CH4 CnHm H2S CO2 O2 N2 H2O 100 各成分燃燒需要的氧氣量之和就是氣體燃燒所需的總氧氣量由于反應(yīng)方程式中各物質(zhì)的系數(shù)就表示所需的摩爾數(shù) 而認為氣體的摩爾體積相同 因此系數(shù)比就等于各氣體物質(zhì)的體積比 14 各成分氧氣需要量 一氧化碳燃燒 方程式和體積比CO O2 CO21 m3 氫氣燃燒 方程式和體積比H2 O2 H2O1 m3 15 各成分氧氣需要量 碳氫化合物燃燒 方程式和體積比CnHm n m 4 O2 nCO2 m 2H2O1 n m 4 m3 硫化氫燃燒 方程式和體積比H2S 3 2O2 H2O SO213 2 m3 16 理論氧氣和空氣需要量 1m3氣體燃料的理論氧氣需要量 體積 為1m3氣體燃料的理論空氣需要量 體積 為 17 實際空氣需要量 在實際設(shè)計和操作中 爐內(nèi)實際消耗的空氣量與計算的理論空氣量會有區(qū)別為保證燃料完全燃燒 會增加空氣量 比理論值多一些為得到爐內(nèi)的還原性氣氛 會減少空氣量 比理論值少一些 18 實際空氣需要量 實際空氣消耗量Ln n值為空氣消耗系數(shù) n 1稱空氣過量系數(shù) n值的確定一般是在設(shè)計爐子或燃燒裝置的時候預(yù)先選取的 或根據(jù)實測確定 19 空氣中水蒸氣的考慮 查附表5可得到每m3干空氣吸收的水蒸氣體積數(shù)量lH2OL0為理論干空氣需要量 L0 w為理論濕空氣需要量 則實際濕空氣消耗量Ln 20 第二節(jié)燃燒產(chǎn)物生成量 成分 密度 完全燃燒 21 燃燒產(chǎn)物計算 單位燃料完全燃燒后生成的燃燒產(chǎn)物包括CO2 SO2 H2O N2 O2 其中O2是當(dāng)n 1時才有的燃燒產(chǎn)物的生成量 當(dāng)n 1時稱 實際燃燒產(chǎn)物生成量 Vn 當(dāng)n 1時稱 理論燃燒產(chǎn)物生成量 V0 Vn VCO2 VSO2 VH2O VN2 VO2 m3 kg 或者 m3 m3 22 n 1時產(chǎn)物體積 V0和Vn的差別在于n 1時比n 1時的燃燒產(chǎn)物生成量少一部分過?？諝饬?因此Vn V0 Ln L0或Vn V0 n 1 L0 如何計算Vn 23 n 1各燃燒產(chǎn)物的生成量 對固體和液體燃料 N要考慮燃料中N和空氣中的N H2O要考慮燃料中H W和空氣中水蒸氣 還要考慮過量空氣對1kg燃料 24 25 總的燃燒產(chǎn)物生成量 上式很好理解 等式右邊括號組成的第一項表示燃料中C H N S W燃燒后所形成的煙氣量 O已經(jīng)和其他元素結(jié)合在一起了不用考慮 A不是氣體也不用考慮右邊第二項是所有空氣減去反應(yīng)的氧氣 或所有氮氣加上剩余的氧氣 仍在煙氣中右邊第三項是所有空氣所帶的水蒸氣 如何理解各項的意義 26 氣體燃料總?cè)紵a(chǎn)物生成量 同樣道理 等式右邊中括號組成的第一項表示燃料中各成分燃燒后所形成的煙氣量 O2已經(jīng)和可燃成分反應(yīng)不用再考慮右邊第二項是所有空氣減去反應(yīng)的氧氣 或所有氮氣和剩余的氧氣 仍在煙氣中右邊第三項是所有空氣所帶的水蒸氣 27 燃燒產(chǎn)物的成分 V0只與燃料成分有關(guān) 可燃成分越高 V0越大 Vn則與n有關(guān) n越大 Vn越大 28 討論 Vn的有效性 對固體液體燃料 12g 1mol 的C生成1mol的CO2 只有在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 0oC 1atm 其體積才是22 4升 而在煙氣中溫度越高體積越大 從上述角度理解 Vn應(yīng)該指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的煙氣體積但在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) 或其他冷態(tài)條件下 煙氣中飽和水蒸氣的量很少 不能將水都計為氣體 只有在100oC以上才全部是氣態(tài) 29 討論 Vn的有效性 同樣對氣體燃料 只有當(dāng)煙氣壓力溫度與初始氣體燃料的壓力溫度一樣時 1m3的CO才生成1m3的CO2 而在煙氣中溫度越高其體積就會越大 從上述角度理解 Vn應(yīng)該指燃燒前后壓力溫度相同時的煙氣體積但同樣煙氣中飽和水蒸氣量是隨壓力溫度變化的 在1大氣壓下溫度小于100oC時不能將水都計為氣態(tài) 只有在100oC以上才全部是氣態(tài) 30 更科學(xué)的表述方法 用體積m3來表述燃燒生成物比較直觀但更科學(xué)的方法是對燃燒生成物用摩爾mol 或質(zhì)量kg 來表述然后利用理想氣體假設(shè) 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程 將煙氣的壓力溫度換算成體積PV nRT同時根據(jù)煙氣對應(yīng)溫度確定飽和水蒸氣量 同燃燒后的總水分比較 取兩者間的最小值計算水蒸氣體積 31 燃燒產(chǎn)物的密度 密度用參加反應(yīng)的物質(zhì) 燃料與氧化劑 的總質(zhì)量除以燃燒產(chǎn)物的總體積以固體和液體燃料為例 32 討論 密度 密度等于煙氣總質(zhì)量除以煙氣總體積對分子mtotal來說 根據(jù)質(zhì)量守恒燃燒前后的總質(zhì)量是不變的 但關(guān)鍵是要依據(jù)煙氣的壓力溫度確定有多少水蒸氣是氣態(tài)對分母Vn來說 體積是隨壓力溫度變化的 所含的水蒸氣量跟燃燒后總水分和煙氣壓力溫度同時有關(guān) 其討論見前面 33 第三節(jié)不完全燃燒產(chǎn)物 34 不完全燃燒 在實際爐中 有很多不完全燃燒的情況不完全燃燒所發(fā)生的反應(yīng)也是多種情況的不完全燃燒的計算要根據(jù)具體不同的情況進行分析 然后相應(yīng)求解并且并非所有的每一種情況都可以按靜力學(xué)方法分析求解 有時要靠實驗測定 35 不完全燃燒產(chǎn)物生成量的變化 以成分CO H2 CH4為例進行分析 在空氣中燃燒將不反應(yīng)的N2也寫進方程式 CO 0 5O2 1 88N2 CO2 1 88N2H2 0 5O2 1 88N2 H2O 1 88N2CH4 2O2 7 52N2 CO2 2H2O 7 52N2對CO H2等可燃成分而言 反應(yīng)前的體積數(shù) mol數(shù) 大于反應(yīng)后的體積數(shù)對CH4而言 反應(yīng)前和反應(yīng)后的體積數(shù) mol數(shù) 不變左邊 不完全燃燒產(chǎn)物中可燃成分右邊 該部分完全燃燒產(chǎn)物成分 36 n 1時的不完全燃燒 空氣過剩 燃燒產(chǎn)物中剩余O2及相應(yīng)的N2燃燒產(chǎn)物中每有1m3CO 產(chǎn)物體積就相應(yīng)增加0 5m3同樣 燃燒產(chǎn)物中每有1m3H2 產(chǎn)物體積就相應(yīng)增加0 5m3 但水分去除將增加1 5m3燃燒產(chǎn)物中含有CH4 不會使體積增加 但如果將水分去除 則燃燒產(chǎn)物中每有1m3CH4 產(chǎn)物體積就相應(yīng)增加2m3 37 完全與不完全燃燒產(chǎn)物量變化關(guān)系 考慮水分為氣態(tài) 則干煙氣 即不考慮水分 38 完全與不完全燃燒產(chǎn)物量變化關(guān)系 有空氣過剩時的不完全燃燒 燃燒產(chǎn)物的體積比完全燃燒時的體積增加不完全燃燒程度越大 產(chǎn)物的體積增加越大 39 n 1時的不完全燃燒 第一種情況 O2沒有剩余 全部參與了反應(yīng) 由于燃燒1m3CO需要空氣 0 5m3O2 1 88m3N2 生成1m3CO2 1 88m3N2 因此每剩余1m3CO就少產(chǎn)生產(chǎn)物1 88m3同樣 每剩余1m3H2就少產(chǎn)生產(chǎn)物1 88m3每剩余1m3CH4 需要空氣2m3O2 7 52m3N2 就少產(chǎn)生產(chǎn)物9 52m3 40 n 1且沒有氧氣剩余 完全燃燒與不完全燃燒產(chǎn)物間體積關(guān)系干煙氣 即不考慮水分 41 n 1且有氧氣剩余 相比于n 1且沒有氧氣剩余的情況 現(xiàn)在煙氣中多了一部分空氣 空氣量為空氣量 1 0 21 VO2 4 76VO2因此對干煙氣有 42 不完全燃燒產(chǎn)物成分和生成量計算 空氣消耗系數(shù)n 1 混合是均勻的沒有氧氣剩余燃燒產(chǎn)物除了CO2 SO2 H2O N2外 還有可燃物 包括可燃氣體及固體碳粒 煙粒 在計算燃燒產(chǎn)物的成分和生成量時 往往要跟實驗相結(jié)合 確定產(chǎn)物中所存在的成分和以及可以忽略掉的成分 43 產(chǎn)物成分和生成量計算例子 例如 忽略燃燒產(chǎn)物中碳粒含量 H等 產(chǎn)物成分有CO2 CO H2O N2 CH4 H2 需要求VCO2 VCO VH2O VN2 VCH4 VH2六個未知數(shù)建立六個方程 然后求解 1 碳平衡方程 Cfuel C VCO2 VCO VCH4 對1kg固體液體則 44 產(chǎn)物成分和生成量計算例子 2 氫平衡方程 Hfuel H VH2O VCH4 VH2 對1kg固體液體則 3 氧平衡方程 Ofuel air O VCO2 VCO VH2O 對1kg固體液體則 45 產(chǎn)物成分和生成量計算例子 4 氮平衡方程 Nfuel air N VN2 對1kg固體液體則 5 建立產(chǎn)物間的反應(yīng)式 水煤氣反應(yīng)及平衡常數(shù) 46 產(chǎn)物成分和生成量計算例子 6 建立產(chǎn)物間的反應(yīng)式 甲烷分解反應(yīng)及平衡常數(shù)上述六個方程聯(lián)立即可求出六給未知數(shù)如果CH4的含量忽略不計 那么就只有五個未知數(shù) 將式 6 去掉 五個方程即可求解 47 例題1 有一煤樣 經(jīng)測定 其成分 表達為 Cdaf 85 Hdaf 5 Odaf 5 Ndaf 2 Sdaf 3 Ad 12 5 War 20 試求 1 理論空氣需要量L0 m3 kg 2 理論燃燒產(chǎn)物生成量V0 m3 kg 3 若用該煤樣作為燃料 需要的熱負荷為1 7 104kW 空氣消耗系數(shù)n 1 15 求每小時的供風(fēng)量 48 需要明確的問題 計算燃燒空氣需要量的時候 所使用的成分含量是應(yīng)用成分熱負荷與發(fā)熱量 燃料量的關(guān)系熱負荷 時間 Q燃料低 m燃料 49 1 理論空氣需要量 1 進行成分換算 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的應(yīng)用成分分別為3 5 3 5 1 4 2 1 50 1 理論空氣需要量 2 求各組分燃燒耗氧量之和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 求空氣需要量L0 L0 O2 0 21 6 176 m3 kg 51 2 燃燒產(chǎn)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 供風(fēng)量 1 7 104 1 3600 Q燃料低 m燃料Q燃料低的如何計算 門捷列夫公式4 1816 81C 246H 26 O S 6W kJ供風(fēng)量 m燃料 n L0 53 例題2 某煤氣的干成分 為 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 的富氧空氣燃燒 n 1 15 空氣水蒸氣含量0 0235m3 m3 求 1 富氧空氣消耗量Ln m3 m3 2 燃燒產(chǎn)物成分及密度 54 利用以下反應(yīng)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求密度時 先求總質(zhì)量 利用 燃料質(zhì)量 空氣質(zhì)量 Vn 即可求得密度 56 例題3