第四章空氣需要量和燃燒產(chǎn)物生成量

第四章空氣需要量和燃燒產(chǎn)物生成量1第一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五上一章回顧氣體燃料有什么優(yōu)點(diǎn)？氣體燃料的燃燒過程最容易控制，也最容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)氣體燃料可以進(jìn)行高溫預(yù)熱，因此可以用低熱值燃料來獲得較高的燃燒溫度，有利于節(jié)約燃料，降低能耗氣體燃料在冶金工業(yè)的燃料平衡中占有重要地位。2第二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五上一章回顧工業(yè)上生成和使用的人造氣體燃料有哪些？煉鐵產(chǎn)生的高爐煤氣煉焦產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐煤氣煤氣化產(chǎn)生的發(fā)生爐煤氣重油大分子量碳?xì)浠衔锓纸猱a(chǎn)生的重油裂化氣3第三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五上一章回顧具有毒性的煤氣成分有哪些？有：硫化氫(H2S)、氰化氫(氰氫酸HCN)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)、氨氣(NH3)、苯(C6H6)硫化氫(H2S)體積百分?jǐn)?shù)達(dá)0.1~0.2可短時(shí)間內(nèi)置人死亡，一氧化碳(CO)體積百分?jǐn)?shù)達(dá)0.5~1.0可短時(shí)間內(nèi)置人死亡4第四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五上一章回顧煤氣中的各氣體其干成分?jǐn)?shù)值大還是濕成分?jǐn)?shù)值大？濕成分如何換算成干成分？干成分的數(shù)值比濕成分的數(shù)值大換算關(guān)系如下：5第五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五上一章回顧已知50oC時(shí)飽和蒸汽為1234Pa，平衡狀態(tài)空氣中的水蒸氣含量是多少？水蒸氣體積百分?jǐn)?shù)如下6第六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五上一章回顧氣體燃料的發(fā)熱量如何確定？（1）由容克式量熱計(jì)直接測定（2）按各成分氣體發(fā)熱量之和計(jì)算，查附表3獲得各成分氣體的發(fā)熱量7第七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五上一章回顧我國車間允許的最高CO濃度為30mg/m3，20oC時(shí)對應(yīng)允許的體積濃度是多少？（空氣在20oC時(shí)密度1.205kg/m3）8第八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五上一章回顧發(fā)生爐煤氣有哪幾種？根據(jù)氣化劑和氣化過程的不同，將發(fā)生爐煤氣分為三種空氣發(fā)生爐煤氣，空氣為氣化劑（氣化溫度高、熱量低）水煤氣，水蒸氣為氣化劑（熱量高，但制造工藝和設(shè)備要求復(fù)雜）混合發(fā)生爐煤氣，空氣中加入適量水蒸氣為氣化劑（避免上兩種的缺點(diǎn)，最常用），也簡稱發(fā)生爐煤氣9第九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五上一章回顧高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、發(fā)生爐煤氣的發(fā)熱量對比情況如何？高爐煤氣的發(fā)熱量最低(4000kJ/m3左右)，發(fā)生爐煤氣其次(6000kJ/m3左右)，焦?fàn)t煤氣發(fā)熱量最大(16000kJ/m3左右)常將焦?fàn)t煤氣與高爐煤氣或發(fā)生爐煤氣配比成混合煤氣(發(fā)熱量約8000kJ/m3)轉(zhuǎn)爐煤氣發(fā)熱量比配比的混合煤氣的略低(7000kJ/m3左右)10第十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五燃燒計(jì)算確定單位數(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11第十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五計(jì)算的作用要設(shè)計(jì)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(fù)荷（燃料消耗量）所應(yīng)供給的空氣量而設(shè)計(jì)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(jìn)行爐內(nèi)熱交換、壓力、溫度等的熱工計(jì)算、熱工測試或熱工分析時(shí)也需要進(jìn)行供給空氣量和燃燒產(chǎn)物生成量、成分和密度的計(jì)算12第十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五燃燒計(jì)算中的干空氣僅由氧氣和氮?dú)饨M成體積百分比氧氣為21％，氮?dú)鉃?9％氧氣、氮?dú)獾哪栿w積相同（在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為22.4L/mol）質(zhì)量百分比氧氣為23.3%，氮?dú)鉃?6.7％13第十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五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?dú)?9％，如何確定質(zhì)量百分比14第十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五固體和液體燃料理論空氣量的計(jì)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(jì)算各物質(zhì)的量15第十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五各成分的燃燒計(jì)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）16第十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五各成分的燃燒計(jì)算硫元素的燃燒，方程式和質(zhì)量關(guān)系S＋O2

＝SO2323264 （kg）112 （kg）17第十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五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–O+S)/100 （kg）需要的氧氣體積先計(jì)算氧氣的密度，按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)計(jì)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”18第十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五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）19第十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五氣體燃料空氣需要量計(jì)算氣體燃料成分表示法，體積百分?jǐn)?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(rèn)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20第二十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五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)21第二十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五各成分氧氣需要量碳?xì)浠衔锶紵?，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)22第二十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五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23第二十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五實(shí)際空氣需要量在實(shí)際設(shè)計(jì)和操作中，爐內(nèi)實(shí)際消耗的空氣量與計(jì)算的理論空氣量會(huì)有區(qū)別為保證燃料完全燃燒，會(huì)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(huì)減少空氣量，比理論值少一些實(shí)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)）24第二十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五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(shí)際濕空氣消耗量Ln25第二十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五已知理論氧氣質(zhì)量需要量G0,O2，如何計(jì)算理論氧氣體積需要量L0,O2？先計(jì)算氧氣的密度，按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)計(jì)算密度=32/22.4=1.429(kg/m3)，因此L0,O2=G0,O2/1.429(m3)26第二十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五燃燒產(chǎn)物計(jì)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(shí)才有的燃燒產(chǎn)物的生成量，當(dāng)n!=1時(shí)稱“實(shí)際燃燒產(chǎn)物生成量”(Vn)，當(dāng)n=1時(shí)稱“理論燃燒產(chǎn)物生成量”(V0)Vn=VCO2+VSO2+VH2O+VN2+VO2(m3)27第二十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五n>1時(shí)產(chǎn)物體積V0和Vn的差別在于n＝1時(shí)比n>1時(shí)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)L028第二十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五n>1各燃燒產(chǎn)物的生成量對固體和液體燃料，除了完全反應(yīng)，N要考慮燃料中N和空氣中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29第二十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五30第三十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五總的燃燒產(chǎn)物生成量上式很好理解，等式右邊括號組成的第一項(xiàng)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(xiàng)是所有空氣減去反應(yīng)的氧氣（或所有氮?dú)夂褪Ｓ嗟难鯕猓?，仍在煙氣?/p>

右邊第三項(xiàng)是所有空氣所帶的水蒸氣31第三十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五氣體燃料總?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(xiàng)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(xiàng)是所有空氣減去反應(yīng)的氧氣（或所有氮?dú)夂褪Ｓ嗟难鯕猓?，仍在煙氣中右邊第三?xiàng)是所有空氣所帶的水蒸氣32第三十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五討論－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(jì)為氣體，只有在100oC以上才全部是氣態(tài)33第三十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五討論－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?xì)怏w燃料的壓力溫度一樣時(shí)，1m3的CO才生成1m3的CO2，而在煙氣中溫度越高其體積就會(huì)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(shí)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(shí)不能將水都計(jì)為氣態(tài)，只有在100oC以上才全部是氣態(tài)34第三十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五更科學(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)，利用理想氣體狀態(tài)方程根據(jù)煙氣的壓力溫度換算成體積PV＝nRT同時(shí)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(jì)算水蒸氣體積35第三十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五燃燒產(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36第三十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五討論－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(shí)有關(guān)。其討論見前面37第三十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五不完全燃燒在實(shí)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(jì)算要根據(jù)具體不同的情況進(jìn)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(shí)要靠實(shí)驗(yàn)測定38第三十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五不完全燃燒產(chǎn)物生成量的變化以成分CO、H2、CH4為例進(jìn)行分析。在空氣中燃燒將不反應(yīng)的N2也寫進(jìn)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39第三十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五n>=1時(shí)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(huì)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2m340第四十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五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41第四十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五n<1時(shí)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9.52m342第四十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五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43第四十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五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44第四十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五理論與實(shí)際燃燒產(chǎn)物生成量間的統(tǒng)一關(guān)系n>=1時(shí)完全燃燒根據(jù)氧平衡有n>=1時(shí)不完全燃燒45第四十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五理論與實(shí)際燃燒產(chǎn)物生成量間的統(tǒng)一關(guān)系n>=1時(shí)不完全燃燒根據(jù)氧平衡有46第四十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五理論與實(shí)際燃燒產(chǎn)物生成量間的統(tǒng)一關(guān)系n<1時(shí)無氧剩余n<1時(shí)有氧剩余47第四十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五不完全燃燒產(chǎn)物成分和生成量計(jì)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?xì)怏w及固體碳粒（煙粒）在計(jì)算燃燒產(chǎn)物的成分和生成量時(shí)，往往要跟實(shí)驗(yàn)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48第四十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五產(chǎn)物成分和生成量計(jì)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(gè)未知數(shù)建立六個(gè)方程，然后求解（1）碳平衡方程ΣCfuel＝C(VCO2+VCO+VCH4)對1kg固體液體則：49第四十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五產(chǎn)物成分和生成量計(jì)算例子（2）氫平衡方程ΣHfue