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1、第四章 空气需要量和燃烧产物生成量1 1上一章回顾气体燃料有什么优点？气体燃料有什么优点？气体燃料的燃烧过程最容易控制，也最容气体燃料的燃烧过程最容易控制，也最容易实现自动调节易实现自动调节气体燃料可以进行高温预热，因此可以用气体燃料可以进行高温预热，因此可以用低热值燃料来获得较高的燃烧温度，有利低热值燃料来获得较高的燃烧温度，有利于节约燃料，降低能耗于节约燃料，降低能耗气体燃料在冶金工业的燃料平衡中占有重气体燃料在冶金工业的燃料平衡中占有重要地位要地位。2 2上一章回顾工业上生成和使用的人造气体燃料有哪些？工业上生成和使用的人造气体燃料有哪些？炼铁产生的高炉煤气炼铁产生的高炉煤气炼焦产生的焦
2、炉煤气炼焦产生的焦炉煤气转炉炼钢产生的转炉煤气转炉炼钢产生的转炉煤气煤气化产生的发生炉煤气煤气化产生的发生炉煤气重油大分子量碳氢化合物分解产生的重油重油大分子量碳氢化合物分解产生的重油裂化气裂化气3 3上一章回顾具有毒性的煤气成分有哪些？具有毒性的煤气成分有哪些？有：硫化氢有：硫化氢(H2S)、氰化氢、氰化氢(氰氢酸氰氢酸HCN)、二氧化硫二氧化硫(SO2)、一氧化碳、一氧化碳(CO)、氨气、氨气(NH3)、苯苯(C6H6)硫化氢硫化氢(H2S)体积百分数达体积百分数达0.10.2可短时间可短时间内置人死亡，一氧化碳内置人死亡，一氧化碳(CO)体积百分数达体积百分数达0.51.0可短时间内置人
3、死亡可短时间内置人死亡4 4上一章回顾煤气中的各气体其干成分数值大还是湿成煤气中的各气体其干成分数值大还是湿成分数值大？湿成分如何换算成干成分？分数值大？湿成分如何换算成干成分？干成分的数值比湿成分的数值大干成分的数值比湿成分的数值大换算关系如下：换算关系如下：5 5上一章回顾已知已知50oC时饱和蒸汽为时饱和蒸汽为1234Pa，平衡状，平衡状态空气中的水蒸气含量是多少？态空气中的水蒸气含量是多少？水蒸气体积百分数如下水蒸气体积百分数如下6 6上一章回顾气体燃料的发热量如何确定？气体燃料的发热量如何确定？（1）由容克式量热计直接测定）由容克式量热计直接测定（2）按各成分气体发热量之和计算，查附
4、）按各成分气体发热量之和计算，查附表表3获得各成分气体的发热量获得各成分气体的发热量7 7上一章回顾我国车间允许的最高我国车间允许的最高CO浓度为浓度为 30mg/m3， 20oC时对应允许的体积浓度是多少？（空时对应允许的体积浓度是多少？（空气在气在20oC时密度时密度1.205kg/m3）8 8上一章回顾发生炉煤气有哪几种？发生炉煤气有哪几种？根据气化剂和气化过程的不同，将发生炉根据气化剂和气化过程的不同，将发生炉煤气分为三种煤气分为三种空气发生炉煤气，空气为气化剂（气化温度高、空气发生炉煤气，空气为气化剂（气化温度高、热量低）热量低）水煤气，水蒸气为气化剂（热量高，但制造工水煤气，水蒸气
5、为气化剂（热量高，但制造工艺和设备要求复杂）艺和设备要求复杂）混合发生炉煤气，空气中加入适量水蒸气为气混合发生炉煤气，空气中加入适量水蒸气为气化剂（避免上两种的缺点，最常用），也简称化剂（避免上两种的缺点，最常用），也简称发生炉煤气发生炉煤气9 9上一章回顾高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、发生炉高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、发生炉煤气的发热量对比情况如何煤气的发热量对比情况如何？高炉煤气的发热量最低高炉煤气的发热量最低(4000kJ/m3左右左右)，发生炉煤气其次发生炉煤气其次(6000kJ/m3左右左右) ，焦炉煤，焦炉煤气发热量最大气发热量最大(16000kJ/m3左右左右) 常将焦炉煤气与
6、高炉煤气或发生炉煤气配比常将焦炉煤气与高炉煤气或发生炉煤气配比成混合煤气成混合煤气(发热量约发热量约8000kJ/m3)转炉煤气发热量比配比的混合煤气的略低转炉煤气发热量比配比的混合煤气的略低(7000kJ/m3左右左右) 1010燃烧计算确定单位数量燃料燃烧所需要的氧化剂确定单位数量燃料燃烧所需要的氧化剂(空空气或氧气气或氧气)的数量的数量确定燃烧产物的数量确定燃烧产物的数量确定燃烧产物的成分确定燃烧产物的成分确定燃烧温度确定燃烧温度确定燃烧完全程度确定燃烧完全程度1111计算的作用要设计炉子的燃烧装置和鼓风系统，就必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）须
7、知道为保证一定热负荷（燃料消耗量）所应供给的空气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（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、成分和密供给空气量和燃烧产物生成量、成分和密度的计算度的计算1212燃烧计算中的干空气仅由氧气和氮气组成仅由氧气和氮气组成体积百分比氧气为体积百分比氧气为21，氮气为，氮气为79氧气、氮气的摩尔体积相同（在标准状态下氧气、氮气的摩尔体
8、积相同（在标准状态下为为22.4L/mol）质量百分比氧气为质量百分比氧气为23.3%，氮气为，氮气为76.71313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已知干空气中体积百分比氧气21，氮气，氮气79，如何确定质量百分比如何确定质量百分比1414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，质量百分比固体和液体燃料的成分表示法，质量百分比含量含量CHONSAW100按照化学反应质量守恒的原则，列出各成分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。依据方程式计算各完全燃烧的反应方程式。依据方程式计算各物质的量物质的量1515各成分的燃烧计算碳元素的燃烧
9、，方程式和质量关系碳元素的燃烧，方程式和质量关系C O2 CO212 32 44（kg） 1 8/3 11/3 （kg） 氢元素的燃烧，方程式和质量关系氢元素的燃烧，方程式和质量关系4H O2 2H2O 4 32 36（kg） 1 8 9 （kg）1616各成分的燃烧计算硫元素的燃烧，方程式和质量关系硫元素的燃烧，方程式和质量关系S O2 SO232 32 64（kg） 1 1 2（kg） 1717每公斤燃料需要的氧气量需要的氧气质量为需要的氧气质量为G0,O2 = (8C/3 + 8H O + S) /100 （kg）需要的氧气体积需要的氧气体积先计算氧气的密度，按标准状态计算先计算氧气的密
10、度，按标准状态计算密度密度 = 32 / 22.4 = 1.429 (kg/m3)，因此，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“理论氧气需要量理论氧气需要量”1818理论空气需要量已知理论氧气质量需要量已知理论氧气质量需要量G0,O2，确定理论，确定理论空气质量需要量空气质量需要量G0 G0,O2 / 23.3%（kg）已知理论氧气体积需要量已知理论氧气体积需要量L0,O2，确定理论，确定理论空气体积需要量空气体积需要量L0 L0,O2 / 21%（m3）1919气体
11、燃料空气需要量计算气体燃料成分表示法，体积百分数气体燃料成分表示法，体积百分数COH2CH4CnHmH2SCO2O2N2H2O100各成分燃烧需要的氧气量之和就是气体燃烧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此系数比就等于各气体物质的体积比2020各成分氧气需要量一氧化碳燃烧，方程式和体积比一氧化碳燃烧，方程式和体积比CO O2 CO2 1 (m3)氢气燃烧，方程式和体积比氢气燃烧，方
12、程式和体积比H2 O2 H2O1 (m3)2121各成分氧气需要量碳氢化合物燃烧，方程式和体积比碳氢化合物燃烧，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，方程式和体积比硫化氢燃烧，方程式和体积比H2S 3/2 O2 H2O SO21 3/2(m3)2222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）为气体燃料的理论空气需要量（体积）为2323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在实际设计和操作中，炉内实际消耗的空气量与计
13、算的理论空气量会有区别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，比理论值为保证燃料完全燃烧，会增加空气量，比理论值多一些多一些为得到炉内的还原性气氛，会减少空气量，比理为得到炉内的还原性气氛，会减少空气量，比理论值少一些论值少一些实际空气消耗量实际空气消耗量Ln，n值为空气消耗系数，（值为空气消耗系数，（n1称空气过量系数）称空气过量系数）2424空气中水蒸气的考虑查附表查附表5可得到每可得到每m3干空气吸收的水蒸气体积数干空气吸收的水蒸气体积数量量lH2OL0为理论干空气需要量，为理论干空气需要量，L0,w为理论湿空气需要为理论湿空气需要量，则量，则实际湿空气消耗量实际湿空气
14、消耗量Ln2525已知理论氧气质量需要量已知理论氧气质量需要量G0,O2，如何计算理论氧，如何计算理论氧气体积需要量气体积需要量L0,O2 ？先计算氧气的密度，按标准状态计算先计算氧气的密度，按标准状态计算密度密度 = 32 / 22.4 = 1.429 (kg/m3)，因此，因此L0,O2 = G0,O2 /1.429 (m3)2626燃烧产物计算单位燃料完全燃烧后生成的燃烧产物包括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，其中O2是当是当n1时才有的时才有的燃烧产物的生成量，当燃烧产物的生成量，当n!=1时称时称“实际燃实际燃烧产物生成量烧产物生成量”(
15、Vn)，当，当n=1时称时称“理论燃理论燃烧产物生成量烧产物生成量”(V0)Vn= VCO2+ VSO2+ VH2O+ VN2+ VO2 (m3)2727n1时产物体积V0和和Vn的差别在于的差别在于n1时比时比n1时的燃烧时的燃烧产物生成量少一部分过剩空气量，因此产物生成量少一部分过剩空气量，因此Vn V0 Ln L0或或Vn V0 (n-1)L02828n1各燃烧产物的生成量对固体和液体燃料，除了完全反应，对固体和液体燃料，除了完全反应，N要考虑燃料要考虑燃料中中N和空气中和空气中N，H2O要考虑燃料中要考虑燃料中H、W和空气和空气中水蒸气，还要考虑过量空气中水蒸气，还要考虑过量空气对对1
16、kg燃料燃料29293030总的燃烧产物生成量1.上式很好理解，等式右边括号组成的第一项上式很好理解，等式右边括号组成的第一项上式很好理解，等式右边括号组成的第一项上式很好理解，等式右边括号组成的第一项表示燃料中表示燃料中表示燃料中表示燃料中C C、H H、N N、S S、WW燃烧后所形成燃烧后所形成燃烧后所形成燃烧后所形成的烟气量，的烟气量，的烟气量，的烟气量，OO已经和其他元素结合在一起了已经和其他元素结合在一起了已经和其他元素结合在一起了已经和其他元素结合在一起了不用考虑，不用考虑，不用考虑，不用考虑，A A不是气体也不用考虑不是气体也不用考虑不是气体也不用考虑不是气体也不用考虑右边第二
17、项是所有空气减去反应的氧气（或右边第二项是所有空气减去反应的氧气（或右边第二项是所有空气减去反应的氧气（或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），仍在烟气中所有氮气和剩余的氧气），仍在烟气中所有氮气和剩余的氧气），仍在烟气中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右边第三项是所有空气所带的水蒸气右边第三项是所有空气所带的水蒸气右边第三项是所有空气所带的水蒸气3131气体燃料总燃烧产物生成量1.同样道理，等式右边中括号组成的第一项表示燃同样道理，等式右边中括号组成的第一项表示燃同样道理，等式右边中括号组成的第一项表示燃同样道理，等式右边中括号组成的
18、第一项表示燃料中各成分燃烧后所形成的烟气量，料中各成分燃烧后所形成的烟气量，料中各成分燃烧后所形成的烟气量，料中各成分燃烧后所形成的烟气量，OO2 2已经和可已经和可已经和可已经和可燃成分反应不用再考虑燃成分反应不用再考虑燃成分反应不用再考虑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（或所有右边第二项是所有空气减去反应的氧气（或所有右边第二项是所有空气减去反应的氧气（或所有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），仍在烟气中氮气和剩余的氧气），仍在烟气中氮气和剩余的氧气），仍在烟气中氮气和剩余的氧气），仍在烟气中3.右边第三项是所有空气所带的水蒸气右边第三项
19、是所有空气所带的水蒸气右边第三项是所有空气所带的水蒸气右边第三项是所有空气所带的水蒸气3232讨论Vn的有效性对固体液体燃料，对固体液体燃料，12g（1mol）的）的C生成生成1mol的的CO2，只有在标准状态下，只有在标准状态下(0oC，1atm)其体积才是其体积才是22.4升，而在烟气中温度升，而在烟气中温度越高体积越大。越高体积越大。从上述角度理解，从上述角度理解， Vn应该指标准状态下的应该指标准状态下的烟气体积烟气体积但在标准状态但在标准状态(或其他冷态条件下或其他冷态条件下)，烟气，烟气中饱和水蒸气的量很少，不能将水都计为中饱和水蒸气的量很少，不能将水都计为气体，只有在气体，只有在
20、100oC以上才全部是气态以上才全部是气态3333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，气体燃料的压力温度一样时， 1m3的的CO才生才生成成1m3的的CO2，而在烟气中温度越高其体积就，而在烟气中温度越高其体积就会越大。会越大。从上述角度理解，从上述角度理解， Vn应该指燃烧前后压力温应该指燃烧前后压力温度相同时的烟气体积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但同样烟气中饱和水蒸气量是随压力温度变化的，在的，在1大气压下温度小于大气压下温度小于100oC时不能将水时不能将水都计为气态，只有
21、在都计为气态，只有在100oC以上才全部是气态以上才全部是气态3434更科学的表述方法用体积用体积m3来表述燃烧生成物比较直观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但更科学的方法是对燃烧生成物用摩尔mol（或质量（或质量kg）来表述）来表述然后利用理想气体假设，利用理想气体状然后利用理想气体假设，利用理想气体状态方程根据烟气的压力温度换算成体积态方程根据烟气的压力温度换算成体积PVnRT同时根据烟气对应温度确定饱和水蒸气量，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值计算水蒸气体积3535燃
22、烧产物的密度密度用参加反应的物质（燃料与氧化剂）的总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质量除以燃烧产物的总体积以固体和液体燃料为例以固体和液体燃料为例3636讨论密度密度等于烟气总质量除以烟气总体积密度等于烟气总质量除以烟气总体积对分子对分子mtotal来说，根据质量守恒燃烧前后来说，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的压力温度确定有多少水蒸气是气态对分母对分母Vn来说，体积是随压力温度变化的，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所含的水蒸气量跟
23、燃烧后总水分和烟气压力温度同时有关。其讨论见前面力温度同时有关。其讨论见前面3737不完全燃烧在实际炉中，有很多不完全燃烧的情况在实际炉中，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，有时要靠实验测定学方法分析求解，有时要靠实验测定3838不完全燃烧产物生成量的变化以成分以成分CO、H2、CH4为例进行分析。在空为例进行分析。在空气中燃烧将不反
24、应的气中燃烧将不反应的N2也写进方程式。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对对CO、H2等可燃成分而言，反应前的体积等可燃成分而言，反应前的体积数（数（mol数）大于反应后的体积数数）大于反应后的体积数对对CH4而言，反应前和反应后的体积数而言，反应前和反应后的体积数（mol数）不变数）不变3939n=1时的不完全燃烧空气过剩，燃烧产物中剩余空气过剩，燃烧产物中剩余O2及相应的及相应的N2燃烧产物中每有燃烧产物中每有1m3CO，产物体积就相应，产物体
25、积就相应增加增加0.5m3同样，燃烧产物中每有同样，燃烧产物中每有1m3H2，产物体积就，产物体积就相应增加相应增加0.5m3，但水分去除将增加，但水分去除将增加1.5m3燃烧产物中含有燃烧产物中含有CH4，不会使体积增加。但，不会使体积增加。但如果将水分去除，则燃烧产物中每有如果将水分去除，则燃烧产物中每有1m3CH4，产物体积就相应增加，产物体积就相应增加2m34040完全与不完全燃烧产物量变化关系考虑水分为气态，则考虑水分为气态，则干烟气，即不考虑水分干烟气，即不考虑水分4141n1时的不完全燃烧第一种情况，第一种情况，O2没有剩余全部参与了反应。没有剩余全部参与了反应。由于燃烧由于燃烧
26、1m3CO需要空气需要空气(0.5m3O21.88m3N2)，生成，生成1m3CO21.88m3N2，因，因此每剩余此每剩余1m3CO就少产生产物就少产生产物1.88m3同样，每剩余同样，每剩余1m3H2就少产生产物就少产生产物1.88m3每剩余每剩余1m3CH4 (需要空气需要空气2m3O27.52m3N2) ，就少产生产物，就少产生产物9.52m34242n1且没有氧气剩余完全燃烧与不完全燃烧产物间体积关系完全燃烧与不完全燃烧产物间体积关系干烟气，即不考虑水分干烟气，即不考虑水分4343n1且有氧气剩余相比于相比于n=1时完全燃烧时完全燃烧 根据氧平衡有根据氧平衡有n=1时不完全燃烧时不完全燃烧4545理论与实际燃烧产物生成量间的统一关系n=1时不完全燃烧时不完全燃烧根据氧平衡有根据氧平衡有4646理论与实际燃烧产物生成量间的统一关系n1时无氧剩余时无氧剩余n1时有氧剩余时有氧剩余4747不完全燃烧产物成分和生成量计算空气消耗系数空气消耗系数n1时产物中氧气、氮时产物中氧气、氮气、水蒸汽的生成量气、水蒸汽的生成量VO2、VN2、VH2O是多少？是多少？6、 n1时气体燃料燃烧产物生成量如下式，如何时气体燃料燃烧产物生成量如下式，如何理解？理解？ 7、为什么说用体积、为什么说用体积Vn来表示燃烧产物生成量不够来表示燃烧产物生成量不够科学？科学？ 5454
