《消防燃烧学》第4章空气需要量和燃烧产物生成量

对1kg燃料
VCO2
22.4 C 12 100
(m3 / kg)
22.4 S
VSO2
32
100
(m3 / kg)
23
22.4 H 22.4 W
VH2O
2
100
18
100 lH2O Ln
22.4 N 79 VN2 28 100 100 Ln
VO2
21 100
(Ln
L0 )
24
硫化氢燃烧，方程式和体积比
• H2S ＋ 3/2 O2 ＝ H2O ＋ SO2
•1
3/2
(m3)
15
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
1 1
L0,O2 2 CO 2 H2
n
m 4
Cn
H
m
3 2
H
2
S
O2
1 100
1m3气体燃料的理论空气需要量（体积）
为
L0
3
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
(O2 %)m
mO2
mO2 mN2
M O2 nO2 M O2 nO2 M N2 nN2
M O2 VO2
M O2 (O2 %)V
M O2 VO2 M N2 VN2 M O2 (O2 %)V M N2 (N2 %)V
（kg） （kg）
氢元素的燃烧，方程式和质量关系
• 4H ＋ O2 ＝ 2H2O • 4 32 36 （kg）
• 1 8 9 （kg）
9
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 • 32 32 64
•1 1 2
（kg） （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)
10
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)
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
26
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
CO2' % SO2' % H2O' %
N
' 2
%
O2'
%
100%
CO2'
VCO2 Vn
19
第二节 燃烧产物生成量、成分、密度 （完全燃烧）
20
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)
28
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
Ln nL0
n Ln L0
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
18
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
L0,w (1 lH2O )L0
实际湿空气消耗量Ln
Ln nL0,w (1 lH2O ) nL0
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
25
气体燃料总燃烧产物生成量
Vn
CO
H2
(n
m 2 )Cn H m
2H2S
CO2
N2
H 2O
1
21
100 (n 100)L0 lH2O Ln
(m3 / m3燃料）
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
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”
11
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）
12
气体燃料空气需要量计算
一氧化碳燃烧，方程式和体积比
• CO ＋ ½ O2 ＝ CO2
•1 ½
(m3)
氢气燃烧，方程式和体积比
• H2 ＋ ½ O2 ＝ H2O
•1 ½
(m3)
14
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)
(Vn
)
d
,uncomp
100
0.5CO'1.5H 100
2
'2CH
4
'
37
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
38
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
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
35
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
30
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
(1
A) 100
1.293Ln
Vn
(kg / m3)
31
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
32 21%
23.3%
32 21% 28 79%
(N2 %)m
M N2 (N2 %)V
M O2 (O2 %)V M N2 (N2 %)V
28 79%
76.7%
32 21% 28 79%
4
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、
7
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
8
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 • 12 32 44 • 1 8/3 11/3
32
第三节 不完全燃烧产物
33
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
34
不完全燃烧产物生成量的变化
空以气成中分燃CO烧、将H不2、反C应H4的为N例2也进写行进分方析程。式在。
1m3CH4，产物体积就相应增加2m3
36
完全与不完全燃烧产物量变化关 系
考虑水分为气态，则
(Vn )comp (Vn )uncomp 0.5VCO' 0.5VH2 '
(Vn
)uncomp
100
0.5CO'0.5H 100
2
'
干烟气，即不考虑水分
(Vn )d ,comp (Vn )d ,uncomp 0.5VCO' 1.5VH2 ' 2VCH4 '
100
27
讨论－Vn的有效性
对固体液体燃料，12g（1mol）的C生成
11matmol)的其C体O积2，才只是有2在2.4标升准，状而态在下烟(气0oC中，温度 越高体积越大。
从上述角度理解， 的烟气体积
Vn应该指标准状态下
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
• CO+0.5O2+1.88N2=CO2+1.88N2 • H2 +0.5O2+1.88N2=H2O+1.88N2 • CH4+2O2+7.52N2=CO2+2H2O+7.52N2
积对数CO（、mHo2l等数可）燃大成于分反而应言后，的反体应积前数的体
（对mCHol4数而）言不，变反应前和反应后的体积数
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
5
第四章 空气需要量和燃烧产物生ຫໍສະໝຸດ 量6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
L0,O2 21%
16
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
17
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）
39
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
(Vn )comp (Vn )uncomp 1.88VCO' 1.88VH2 ' 9.52VCH4 '
21
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？？
22
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
气体燃料成分表示法，体积百分数
• COO2％％＋＋NH22％％＋＋HC2HO4％％＝＋1C0n0H％m％＋H2S％＋CO2％＋
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
13
各成分氧气需要量
第二篇 燃烧反应计算
1
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
2
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
总的燃烧产物生成量
如何理解 各项的意 义
Vn
(C 12
H 2
N 28
S 32
W ) 18
22.4 100
(n
21 100
)L0
lH2O
Ln
(m3 / kg燃料)
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
29
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