气体燃料的燃烧解析.pptx
会计学1气体燃料的燃烧解析气体燃料的燃烧解析章节安排章节安排n n5.1 5.1 气体燃料燃烧原理及特点气体燃料燃烧原理及特点n n5.2 5.2 预混可燃气体的着火和燃烧预混可燃气体的着火和燃烧n n5.3 5.3 气体燃料的扩散燃烧气体燃料的扩散燃烧第1页/共54页5.1 5.1 气体燃料燃烧原理及特点气体燃料燃烧原理及特点第2页/共54页气体燃料的燃烧过程气体燃料的燃烧过程完成燃烧化学反应完成燃烧化学反应混合后可燃气体混合混合后可燃气体混合物的加热和着火阶段物的加热和着火阶段燃气和空气的混合阶燃气和空气的混合阶段段三三个个阶阶段段两两种种类类型型预混燃烧预混燃烧扩散燃烧扩散燃烧全预混燃烧全预混燃烧半预混燃烧半预混燃烧第3页/共54页预混燃烧预混燃烧n n燃烧前已与燃气混合的空气量与该燃气燃烧的理论空气量之比，称为一次空气系数，当一次空气系数大于0而小于1时，称为半预混燃烧；当一次空气系数大于或等于1时，称为全预混燃烧第4页/共54页5.2 5.2 预混可燃气体的着火和燃烧预混可燃气体的着火和燃烧第5页/共54页预混可燃气体的燃烧过程预混可燃气体的燃烧过程n n有两个基本阶段n n着火阶段着火阶段n n燃烧的准备阶段，主要是积累热量和活化分子燃烧的准备阶段，主要是积累热量和活化分子n n着火后的燃烧阶段着火后的燃烧阶段第6页/共54页预混可燃气的着火方法预混可燃气的着火方法着着火火方方法法自燃自燃点燃点燃由于外界能量的加入，而使预混由于外界能量的加入，而使预混可燃气体的化学反应速度急剧加可燃气体的化学反应速度急剧加快所引起的着火快所引起的着火由于自身温度的升高而导致化学由于自身温度的升高而导致化学反应速度自行加速所引起的着火反应速度自行加速所引起的着火第7页/共54页爆炸式化学反应爆炸式化学反应反反应应机机理理热爆燃热爆燃链锁爆链锁爆燃燃由于链锁反应的分支由于链锁反应的分支使活化中心迅速增加，使活化中心迅速增加，导致化学反应速度急导致化学反应速度急剧增大剧增大系统内热量的积聚，系统内热量的积聚，使温度升高，引起化使温度升高，引起化学反应速度按阿累尼学反应速度按阿累尼乌斯指数规律迅速增乌斯指数规律迅速增加加热自燃热自燃链锁自链锁自燃燃第8页/共54页热自燃理热自燃理论论n n又称谢苗诺夫热着火理论某一反应体系在初始条件下，进行缓慢的氧化还原反某一反应体系在初始条件下，进行缓慢的氧化还原反应，反应产生热量，同时向环境散热，当产生的热量应，反应产生热量，同时向环境散热，当产生的热量大于散热时，体系的温度升高，化学反应速度加快，大于散热时，体系的温度升高，化学反应速度加快，产生更多的热量，反应体系的温度进一步升高，直至产生更多的热量，反应体系的温度进一步升高，直至着火燃烧。着火燃烧。基本思基本思想想即自热体系着火成功与否取决于其即自热体系着火成功与否取决于其放热因素放热因素和和散热因散热因素素的相互关系。的相互关系。发生热自燃时的温度称为发生热自燃时的温度称为热自燃温度或着火温度热自燃温度或着火温度。第9页/共54页研究对象研究对象：预混可燃气体，闭口系预混可燃气体，闭口系简化假设简化假设:体积为体积为V,V,表面积为表面积为S,S,壁温壁温=T=T0 0 混合气初始温度为混合气初始温度为T T0 0 容器对环境的总换热系数容器对环境的总换热系数不变不变 着火前容器内可燃物浓度着火前容器内可燃物浓度均匀不变均匀不变第10页/共54页放热速率放热速率散热速率散热速率Q1TQT01T02ABC第11页/共54页改变散热条件时改变散热条件时第12页/共54页改变初始温度时改变初始温度时Q Q1Q Q2第13页/共54页改变发热曲线时改变发热曲线时Q Q1Q Q2 2第14页/共54页热自燃条件热自燃条件n n系统发生热自燃的条件是Q1=Q2。当发热曲线与散热曲线只有一个切点时，此切点称为着火点，其对应的温度即为着火温度着火温度是不是物性参数？着火温度是不是物性参数？第15页/共54页着火温度的计算着火温度的计算第16页/共54页热自燃热自燃理论的理论的应用应用着火感应期着火感应期着火极限：着火极限：浓度极限、压力极限、温度极限浓度极限、压力极限、温度极限 爆炸极限爆炸极限 爆炸浓度极限，爆炸浓度极限，如：甲烷如：甲烷/空气：空气：5 515%15%爆炸压力极限，爆炸压力极限，如：甲烷如：甲烷/空气：小于空气：小于0.065MPa0.065MPa，不爆炸，不爆炸 爆炸温度极限，爆炸温度极限，如：甲烷如：甲烷/空气：小于空气：小于690690，不爆炸，不爆炸第17页/共54页热自燃的感应期热自燃的感应期n n定义预混可燃气体从初始温度加热到着火温预混可燃气体从初始温度加热到着火温度所需的时间度所需的时间所有的着火过程都有感应期，长短不一，所有的着火过程都有感应期，长短不一，与温度和气体成分有关与温度和气体成分有关提高预混气体的温度和压力，或提高燃提高预混气体的温度和压力，或提高燃气浓度，感应期可缩短气浓度，感应期可缩短第18页/共54页着火极限着火极限在自燃临界状态：（1）（2）两式相除有两式相除有带入（入（1）得）得第19页/共54页两边取对数、整理，得：设反应物总摩尔浓度为C，即CCACBxA为燃料的摩尔分数，xB为空气（氧）摩尔分数谢苗诺夫方程谢苗诺夫方程根据此方程，如果根据此方程，如果、S,VS,V、E E、Q Q、K K0 0 已知，已知，n=2n=2，可，可以将上式简化为：以将上式简化为：第20页/共54页着火界限着火界限n n反应级数为2时的简化谢苗诺夫方程第21页/共54页压力与温度的关系（浓度不变）压力与温度的关系（浓度不变）n n根据热自燃理论，在一定浓度下，着火温度与系统的压力成反比非着火区着火区PcTc第22页/共54页一定压力下的着火极限一定压力下的着火极限Tc100%xAx1x2着火PC=const存在着火的存在着火的浓度极限浓度极限温度升高，浓度极限范围增大，反之减小。温度升高，浓度极限范围增大，反之减小。温度下降至某一值，系统失去爆炸性温度下降至某一值，系统失去爆炸性存在着火的存在着火的温度极限温度极限 第23页/共54页一定温度下的着火极限一定温度下的着火极限存在着火的存在着火的浓度极限浓度极限压力升高，浓度极限范围增大，反之减小。压力升高，浓度极限范围增大，反之减小。压力下降至某一值，系统失去爆炸性压力下降至某一值，系统失去爆炸性存在着火的存在着火的压力极限压力极限 Pc100%xAPcx1x2T0=const第24页/共54页链锁自燃理链锁自燃理论论烃类气体燃烧的烃类气体燃烧的“冷焰冷焰”现象现象卤代烷的高效灭火性能卤代烷的高效灭火性能氢氢/氧体系的着火氧体系的着火“半岛半岛”热自燃理论热自燃理论无法解释的无法解释的现象现象第25页/共54页链锁自燃理论的基本思想链锁自燃理论的基本思想在氧化反应体系中，使反应加速不一定要靠热量的积在氧化反应体系中，使反应加速不一定要靠热量的积累，也可以通过分支的链锁反应，迅速增加活化中心累，也可以通过分支的链锁反应，迅速增加活化中心（自由基）浓度，来促使反应不断加速直至着火爆炸（自由基）浓度，来促使反应不断加速直至着火爆炸 链锁自燃理论的基本出发点：链锁反应体系着火与链锁自燃理论的基本出发点：链锁反应体系着火与否取决于该体系否取决于该体系自由基的生成速度和销毁速度之间的自由基的生成速度和销毁速度之间的关系关系。第26页/共54页（1 1）温度不变，降低压力）温度不变，降低压力 自自由由基基器器壁壁消消毁毁速速度度加加快快,当当压压力力下下降降到到某某一一数数值值后后，销销毁毁速速度度等等于于生生成成速速度度，即即达达到到了了自自燃燃的的第第一一极限极限（2 2）温度不变，升高压力）温度不变，升高压力 自自由由基基气气相相消消毁毁速速度度加加快快,当当压压力力升升高高到到某某一一数数值值后后，销销毁毁速速度度等等于生成速度，达到了第二极限于生成速度，达到了第二极限（3 3）温度不变，压力再升高）温度不变，压力再升高 反反应应放放热热越越来来越越显显著著，放放热热大大于于散散热热，热热量量积积累累而而使使反反应应自自动动加加速引发热自燃速引发热自燃第27页/共54页点燃理论点燃理论第一，强制着火仅仅在混合气局部（点火源附近）中进第一，强制着火仅仅在混合气局部（点火源附近）中进行，而自燃着火则在整个混气空间进行。行，而自燃着火则在整个混气空间进行。第二，自燃着火是第二，自燃着火是全部混合气体都处于环境温度全部混合气体都处于环境温度T0包围包围下，由于反应自动加速，使全部可燃混合气体下，由于反应自动加速，使全部可燃混合气体的温度逐的温度逐步提高到自燃温度而引起。强制着火时，混合气处于较步提高到自燃温度而引起。强制着火时，混合气处于较低的温度状态，为了保证火焰能在较冷的混合气体中传低的温度状态，为了保证火焰能在较冷的混合气体中传播，播，点火温度一般要比自燃温度高点火温度一般要比自燃温度高第三，可燃混合气能否被点燃，不仅取决于炽热物体附第三，可燃混合气能否被点燃，不仅取决于炽热物体附面层内局部混合气能否着火，而且还取决于火焰能否在面层内局部混合气能否着火，而且还取决于火焰能否在混合气中自行传播混合气中自行传播点燃与自燃的主要区别点燃与自燃的主要区别第28页/共54页点燃过程点燃过程第29页/共54页可燃混合物的点火浓度界限可燃混合物的点火浓度界限n n点火浓度界限在工业上比较常用，与着火浓度界限相近第30页/共54页预混可燃气体的预混可燃气体的燃烧燃烧n n预混可燃气体的燃烧过程就是火焰的传播过程当可燃混合气的某一局部点燃着火时，将形成一个薄层火当可燃混合气的某一局部点燃着火时，将形成一个薄层火焰面，火焰面产生的热量加热邻近层的混合气，使其温度焰面，火焰面产生的热量加热邻近层的混合气，使其温度升高至着火温度而发生燃烧。这样一层一层地着火燃烧，升高至着火温度而发生燃烧。这样一层一层地着火燃烧，把燃烧扩展到整个混合气，称为把燃烧扩展到整个混合气，称为火焰传播火焰传播燃烧化学反应只在一个薄层火焰面内进行，火焰将已燃气燃烧化学反应只在一个薄层火焰面内进行，火焰将已燃气体和未燃气体分隔开来，并非在整个混合气内同时进行体和未燃气体分隔开来，并非在整个混合气内同时进行根据流动状况，预混燃烧可以分为根据流动状况，预混燃烧可以分为层流燃烧层流燃烧和和湍流燃烧湍流燃烧两两种种第31页/共54页一、层流燃烧一、层流燃烧正在进行激烈发光反应的气体薄层正在进行激烈发光反应的气体薄层火焰前锋火焰前锋层流流动下火焰前锋的传播速度（沿法线方向）称为层流流动下火焰前锋的传播速度（沿法线方向）称为“正常传播速度正常传播速度”或或“层流传播速度层流传播速度”第32页/共54页焰锋结构焰锋结构n n正锥形火焰前锋n n球面火焰前锋n n抛物线形火焰前锋n n倒锥形火焰前锋第33页/共54页层流火焰传播理论层流火焰传播理论热力理论热力理论扩散理论扩散理论火焰中化学反应主要是由于热量的导入火焰中化学反应主要是由于热量的导入使分子热活化而引起的，所以火焰前沿使分子热活化而引起的，所以火焰前沿的反应区在空间中的移动决定于从反应的反应区在空间中的移动决定于从反应区向新鲜预混可燃气体传热的传导率区向新鲜预混可燃气体传热的传导率火焰中的化学反应主要是由活化中心向火焰中的化学反应主要是由活化中心向新鲜预混可燃气体扩散，促使其链锁反新鲜预混可燃气体扩散，促使其链锁反应发展所致应发展所致热力理论热力理论不否认不否认火焰中有活化中心存在和扩散，但认为火焰中有活化中心存在和扩散，但认为活化中心的扩散对反应速度的影响不是主要的。活化中心的扩散对反应速度的影响不是主要的。热力理热力理论与实际较为接近论与实际较为接近第34页/共54页层流火焰传播速度层流火焰传播速度n n层流火焰传播速度与预混可燃气体的热扩散系数a的平方根成正比，与平均化学反应时间t 的平方根成反比n n火焰前锋面厚度d与火焰传播速度成反比第35页/共54页层流火焰传播速度的影响因素层流火焰传播速度的影响因素可燃气体混合物的性可燃气体混合物的性质质燃料分子的结构燃料分子的结构过量空气系数过量空气系数可燃混合气的压力可燃混合气的压力mm第36页/共54页层流火焰传播速度的影响因素层流火焰传播速度的影响因素可燃混合气的初始温可燃混合气的初始温度度混合气中的惰性气体混合气中的惰性气体第37页/共54页多组分燃气混合物多组分燃气混合物SL计算计算第38页/共54页例题例题n n已知煤气中各成分体积组成已知煤气中各成分体积组成又知其中各可燃气体组分在又知其中各可燃气体组分在25mm25mm管中的最大火焰传播速度管中的最大火焰传播速度和相应燃气浓度和相应燃气浓度求煤气在求煤气在25mm25mm管中的最大火焰传播速度管中的最大火焰传播速度H2COCH4C2H4CO2O2N238.7510.9123.865.718.780.31.7H2COCH4C2H4SLi(m/s)4.831.250.671.42li(%)38.59.845.07.1第39页/共54页n n煤气中可燃成分的组成为煤气中可燃成分的组成为100-100-（18.78+0.3+1.718.78+0.3+1.7）=79.22=79.22（%）n n不考虑不可燃气体的可燃气组成含量为不考虑不可燃气体的可燃气组成含量为n nH H2 2:38.75/79.22=48.91(%):38.75/79.22=48.91(%)n nCHCH4 4:30.12(%)CO:13.77(%)C:30.12(%)CO:13.77(%)C2 2H H4 4:7.20(%):7.20(%)n n因此燃气的最大火焰传播速度为因此燃气的最大火焰传播速度为n n考虑不可燃的惰性气体后的实际火焰传播速度为考虑不可燃的惰性气体后的实际火焰传播速度为第40页/共54页二、湍流燃烧二、湍流燃烧火焰长度缩短，焰锋变宽，火焰长度缩短，焰锋变宽，并有明显的噪声，焰锋不再是并有明显的噪声，焰锋不再是光滑的表面，而是抖动的粗糙光滑的表面，而是抖动的粗糙表面，火焰传播快。表面，火焰传播快。湍流火焰：湍流火焰：火焰锋面光滑，焰锋厚度火焰锋面光滑，焰锋厚度很薄，火焰传播速度小。很薄，火焰传播速度小。层流火焰：层流火焰：第41页/共54页紊流火焰紊流火焰n n紊流火焰的特点n n湍流火焰传播速度较层流大几倍，湍流火焰传播速度较层流大几倍，不仅与燃料的物理化学性质有关，不仅与燃料的物理化学性质有关，而且与湍流性质有关，湍流强度而且与湍流性质有关，湍流强度增大，将使湍流火焰传播速度增增大，将使湍流火焰传播速度增加，火焰更短。加，火焰更短。n n燃烧室尺寸更紧凑，加上向外散燃烧室尺寸更紧凑，加上向外散热损失小，因此燃烧设备的经济热损失小，因此燃烧设备的经济性好。性好。n n湍流火焰伴随着噪音湍流火焰伴随着噪音第42页/共54页（1 1）湍流流动使火焰变形，火焰表面积增加，因而增大）湍流流动使火焰变形，火焰表面积增加，因而增大了反应区；了反应区；（2 2）湍流加速了热量和活性中心的传输，使反应速率增）湍流加速了热量和活性中心的传输，使反应速率增加，即燃烧速率增加；加，即燃烧速率增加；（3 3）湍流加快了新鲜氧气和燃气之间的混合，缩短了混）湍流加快了新鲜氧气和燃气之间的混合，缩短了混合时间，提高了燃烧速度。合时间，提高了燃烧速度。为什么紊流火焰传播速度更快？为什么紊流火焰传播速度更快？第43页/共54页湍流火焰传播湍流火焰传播理论理论皱折表面燃烧理论皱折表面燃烧理论容积燃烧理论容积燃烧理论湍湍流流的的脉脉动动作作用用使使火火焰焰前前沿沿面面发发生生弯弯曲曲和和皱皱折折，显显著著地地增增大大了了已已燃燃气气体体与与未未燃燃气气体体相相接接触触的的焰焰锋锋表表面面积积，使使反反应应速速度度加加快快，从从而而使使火火焰焰传传播播速速度度ST增增大大；同同时时由由于于湍湍流流作作用用使使得得热热传传导导速速度度及及活活性性物物质质扩扩散散速速度度加加快快，也也促促使使ST增增大大；湍湍流流的的脉脉动动使使燃燃气气与与燃燃烧烧产产物物快快速速混混合合，使使火火焰焰本本质质上上成成为均匀可燃混合物为均匀可燃混合物第44页/共54页湍流火焰传播湍流火焰传播三种湍流火焰：三种湍流火焰：第45页/共54页容积燃烧理论容积燃烧理论湍湍流流对对燃燃烧烧的的影影响响以以扩扩散散为为主主，由由于于扩扩散散迅迅速速，不不存存在在将将未未燃燃可可燃燃物物和和已已燃燃气气体体分分开开的的火火焰焰面面；每每个个湍湍动动的的气气团团内内，温温度度和和浓浓度度是是均均匀匀的的，但但不不同同气气团团的的温温度度和和浓浓度度是是不不同同的的；在在整整个个微微团团内内存存在在着着快快慢慢不不同同的的燃燃烧烧反反应应，达达到到着着火火的的微微团团整整体体燃燃烧烧，未未达达到到着着火火条条件件的的微微团团在在脉脉动动中中被被加加热热并并达达到到着着火火燃燃烧烧；火火焰焰不不是是连连续续的的薄薄层层，但但到到处处都都有有；各各气气团团间间互互相相渗渗透透混混合合，不不时时形形成成新新微微团团，进进行行不不同同程程度度的的容容积积化学反应化学反应第46页/共54页湍流火焰传播湍流火焰传播湍流火焰传播速度的实验研究可燃混合物浓度的影响：与层流相似，存在前沿传播的浓度界限和最大传播速度Re的影响：Re越大，最大传播速度越大。气流速度增加，最大传播速度显著增加可燃混合物的初始温度：初始温度越高，传播速度越大改善实际燃烧性能的方法使用层流燃烧传播速度大的可燃预混气提高紊流强度提高混合气体的压力和温度第47页/共54页均相预混气体火焰的稳定均相预混气体火焰的稳定n n火焰稳定的两个基本条件必须满足余弦定理必须满足余弦定理火焰根部必须有一火焰根部必须有一个有足够能量的固个有足够能量的固定点火源定点火源第48页/共54页5.3 5.3 气体燃料的扩散燃烧气体燃料的扩散燃烧第49页/共54页层流扩散火焰结构层流扩散火焰结构n n火焰可分为四个区域n n中心的纯燃料中心的纯燃料区区n n外围的纯空气外围的纯空气区区n n火焰面外侧的火焰面外侧的燃烧产物和空燃烧产物和空气的混合区气的混合区n n火焰面内侧的火焰面内侧的燃烧产物和燃燃烧产物和燃料的混合区料的混合区第50页/共54页层流扩散火焰层流扩散火焰w：燃料流速，d：燃烧器管径D：燃料扩散系数火焰长度第51页/共54页湍流扩散燃烧湍流扩散燃烧第52页/共54页扩散燃烧火焰的稳定扩散燃烧火焰的稳定n n扩散燃烧一般不会发生回火，但是会发生脱火。预防方法：n n使高温烟气回流使高温烟气回流n n采用旋转气流采用旋转气流n n使用稳焰器使用稳焰器第53页/共54页
