1.3 Расход воздуха при горении

Минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания единицы массы (кг) или объема (м³) горючего вещества, называется теоретически необходи­мым и обозначается _.

Таблица 1.2 - Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания веществ

Горючее вещество	Количество воздуха для сгорания 1 кг вещества при 101,3 кПа		Горючее вещество	Количество воздуха для сгорания 1 кг вещества при 101,3 кПа
	кг	м3		кг	м3
Ацетон	9,45	7,35	Ацетилен	15,4	11,9
Бензол	13,2	10,25	Бутан	39,8	30,94
Бензин	14,3	11,1	Водород	3,08	2,38
Древесина	5,4	4,18	Водяной газ	2,84	2,2
Керосин	14,85	11,5	Метан	12,3	9,52
Нефть	13,9	10,8	Окись углерода	3,08	2,38
Толуол	12,9	10,0	Пропан	30,6	23,8
Торф (воз-душно-сухой)	7,5	5,8	Природ-ный газ	6,45	5,0

Примечание - Объем воздуха приведен к нормальным условиям.

В таблице 1.2 приведены значения теоретически необхо­димых количеств воздуха для полного сгорания различ­ных веществ при 0 °С и 101,3 кПа. Значения величин, приведенных для древесины, тор­фа, бензина, керосина, нефти и водяного газа, являются средними, так как состав этих горючих материалов непо­стоянен.

Вид формулы для расчета теоретически необходимо­го количества воздуха зависит от состава горючего ве­щества. Горючее вещество - индивидуальное химическое соединение. Для таких горючих веществ, вне зависимости от их агрегатного состояния, теоретически необходимое количество воздуха определяется из уравнений реакции горения. На m кмоль горючего вещества приходится m кмоль кислорода и 3,76 m кмоль азота. Обозначив массу (в кг) горючего вещества, численно равную его молеку­лярному весу, через М, составляют пропорцию:

mМ (кг) - (n +3,76 n)22,4 (м³)

1 (кг) - (м³),

где 22,4 м³ - объем 1 кмоль газов при 0 °С и 101,3 кПа.

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг вещества равно (из пропорции):

, (1.2)

Подобным образом выводится уравнение для опре­деления теоретически необходимого количества воздуха для сгорания 1 м³ горючих газов:

, (1.3)

Если объемы воздуха, полученные по формулам (1.2) и (1.3), необходимо привести к иным условиям температу­ры и давления, то пользуются формулой:

, (1.4)

где - заданная температура газов, К;

- заданное давление, Па.

Такие вещества, как древесина, торф, каменный уголь, нефть, являясь горючими веществами, представляют собой сложную смесь химических соединений. При определении теоретически необходимого для их сгорания объема воз­духа нужно знать элементарный состав горючего веще­ства, выраженный в весовых процентах, т. е. содержание углерода, водорода, кислорода, серы, азота, золы и влаги. Элементарный состав вещества определяют в анали­тических лабораториях.

Для вывода уравнения расчета запишем уравне­ние реакции горения углерода, водорода и серы и ве­совое соотношение реагирующих веществ:

С + О₂ = СО₂; 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О; S + О₂ = SO_{2 ;}

12 + 32 = 44; 4 + 32 = 36; 32 + 32 = 64;

Если для сгорания 12 кг углерода требуется 32 кг кислорода, то для 0,01 кг углерода (1 весовой процент) потребуется кислорода 0,01·32/12 = 0,01·8/3 (кг), для во­дорода соответственно потребуется 0,01·32/4 = 0,01·8 (кг) кислорода и для серы 0,01·32/32 = 0,01·1 (кг) кислорода.

Для полного сгорания 1 кг горючего вещества по­требуется кислорода (в кг):

,

где [С], [Н], [S] и [О] — содержание углерода, водорода, серы и кислорода в горючем веществе; весовой процент.

На вычисленное количество кислорода в воздухе приходится в 77/23 раза больше азота. Сумма азота и кис­лорода составляет количество воздуха (в кг). Количество воздуха , необ­ходимое для горения 1 кг вещества:

.

Проведя преобразования, получим:

. (1.5)

Чтобы выразить количество воздуха в объемных еди­ницах, нужно выражение (1.6) разделить на массу 1 м³ воздуха при 0 °С и давлении 101,3 кПа, т. е. 1,293 кг/м³. В результате получим:

.

Рассмотрим горючее вещество, как смесь газов. К этой группе веществ относятся горючие газы, например, природный, доменный, коксовый и др. Все они в том или ином ко­личестве содержат СО, СН₄, H₂, H₂S, C₂Н₄ и другие ком­поненты. Состав горючих газов обычно выражают в объ­емных процентах.

Для вывода формулы расчета напишем уравне­ние реакции горения наиболее распространенных газов:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О H₂S + 1,5О₂ = Н₂О + SO₂

2СО + О₂ = 2СО₂; 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О

Если на сгорание 1 м³ метана требуется 2 м³ кисло­рода, как это видно из уравнения, то на сгорание 0,01 м³ метана, т. е. 1 объемный процент, потребуется 0,01·2 м³ кисло­рода. Для окиси углерода на это же количество потребуется 0,01/2 м³, для водорода 0,01/2 м³, а для сероводоро­да 0,01/1,5 м³.

Для полного сгорания 1 м³ горючего газа потребует­ся кислорода (в м³):

,

где [СН₄], [Н₂], [СО], [H₂S] и [О₂] — содержание метана, водорода, окиси углерода, сероводорода и кислорода, объемный процент.

В воздухе на этот объем кислорода приходится в 79/21 раза больше азота. Сумма азота и кислорода состав­ляет объем (м³) воздуха, необходимый для сгорания 1 м³ газа:

Сделав преобразования, получим:

.

Практически при горении во время пожара расхо­дуется воздуха значительно больше теоретически необ­ходимого. Разность между количеством воздуха, прак­тически расходуемым на горение и теоретически необ­ходимым, называется избытком воздуха. Отношение же количества воздуха, практически расходуемого на горение ( ), к теоретически необходимому называет­ся коэффициентом избытка воздуха и обозначается :

. (1.6)

Для ориентировочных расчетов необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг горючего вещества можно рассчитать по формуле:

(м³), (1.7)

где - тепловая способность горючего вещества, кДж/кг.

Тепловая способность горючего вещества вычисляют по формуле:

, (1.8)

где - теплота сгорания, кДж;

- молекулярная масса горючего, кг.

Расчетами установлено, что для сгорания древесины необходимо 5,04 м³ воздуха, а для нефтепродукта – 11, 6 м³ .

В условиях пожара, когда горение протекает с естественным притоком воздуха, коэффи­циент избытка воздуха в большинстве случаев больше единицы и колеблется в широких пределах.