《消防燃烧学》第4章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2222222222222222222222(%)(%)(%)(%)3221%23.3%3221%2879%OOOmONOONNOOOVOONNOVNVmMnOmmMnMnMVMOMVMVMOMN%7.76%7928%2132%7928%)(%)(%)(%)(2222222VNVOVNmNMOMNMN5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＝CO2•123244（kg）•18/311/3（kg）氢元素的燃烧，方程式和质量关系•4H＋O2＝2H2O•43236（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＝SO2•323264（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＋½O2＝CO2•1½(m3)氢气燃烧，方程式和体积比•H2＋½O2＝H2O•1½(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/2H2O•1(n+m/4)(m3)硫化氢燃烧，方程式和体积比•H2S＋3/2O2＝H2O＋SO2•13/2(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10012342121222,02OSHHCmnHCOLmnO%212,00OLL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，（n1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00LLnnLLnn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lH2OL0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Ln0,0)1(2LlLOHw0,0)1(2nLlnLLOHwn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n1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)22n1时产物体积V0和Vn的差别在于n＝1时比n1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？？23n1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)/(100124.2232kgmCVCO)/(100324.2232kgmSVSO24nOHOHLlWHV22100184.2210024.22nNLNV10079100284.222)(1002102LLVnO25总的燃烧产物生成量)/()10021(1004.22)183228212(302燃料kgmLlLnWSNHCVnOHn1.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燃料）33022222/()10021(10012)2(2mmLlLnOHNCOSHHCmnHCOVnOHmnn1.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2.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3.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'''222''22%%%%%100%COSOHONO2'2100COnVCOV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3(1)1.293100(/)nnALkgmV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+1.88N2•H2+0.5O2+1.88N2=H2O+1.88N2•CH4+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36n=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2m337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100'5.0'5.0100)(5.05.0)()(2''2HCOVVVVVuncompnHCOuncompncompn100'2'5.1'5.0100)(25.15.0)()(42,''',,42CHHCOVVVVVVuncompdnCHHCOuncompdncompdn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39n1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9.52m340n1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100'52.9'88.1'88.1100)(52.988.188.1)()(42'''42CHHCOVVVVVVuncompnCHHCOuncompncompn100'52.7'88.0'88.1100)(52.788.088.1)()(42,''',,42CHHCOVVVVVVuncompdnCHHCOuncompdncompdn41n1且有氧气剩余相比于n1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'''''422252.988.188.1)()(76.4)(CHHCOcom