5气体燃料的燃烧

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1、第五章第五章 气体燃料的燃烧气体燃料的燃烧章节安排章节安排5.1 气体燃料燃气体燃料燃烧烧原理及特点原理及特点5.2 预预混可燃气体的着火和燃混可燃气体的着火和燃烧烧5.3 气体燃料的气体燃料的扩扩散燃散燃烧烧5.1 气体燃料燃气体燃料燃烧烧原理及特点原理及特点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物混合后可燃气体混合物的加热和着火阶段的加热和着火阶段燃气和空气的混合阶段燃气和空气的混合阶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预混燃烧预混燃烧燃燃烧烧前已与燃气混合的空气量与前已与

2、燃气混合的空气量与该该燃气燃燃气燃烧烧的理的理论论空气量之比，称空气量之比，称为为一次空气系数一次空气系数，当一次空气，当一次空气系数大于系数大于0而小于而小于1时时，称，称为为半半预预混燃混燃烧烧；当一次；当一次空气系数大于或等于空气系数大于或等于1时时，称，称为为全全预预混燃混燃烧烧5.2 预预混可燃气体的着火和燃混可燃气体的着火和燃烧烧预混可燃气体的燃烧过程预混可燃气体的燃烧过程有两个基本有两个基本阶阶段段着火着火阶阶段段燃燃烧烧的准的准备阶备阶段，主要是段，主要是积积累累热热量和活化分子量和活化分子着火后的燃着火后的燃烧阶烧阶段段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

3、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燃链锁爆燃由于链锁反应的分支使由于链锁反应的分支使活化中心迅速增加，导活化中心迅速增加，导致化学反应速度急剧增致化学反应速度急剧增大大系统内热量的积聚，使系统内热量的积聚，使温度升高，引起化学反温度升高，引起化学反应速度按阿累尼乌斯指应速度按阿累尼乌斯指数规律迅速增加数

4、规律迅速增加热自燃热自燃链锁自燃链锁自燃热自燃理论热自燃理论又称又称谢谢苗苗诺诺夫夫热热着火理着火理论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。基本思想基本思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

5、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。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放热速率放热速率散热速率散热速率Q1TQT01T02ABC改变散热条件时改变散热条件时改变初始温度时改变初始温度时Q Q1Q Q2改变发热曲线时改变发热曲线时Q Q1Q Q2 2热自

6、燃条件热自燃条件系系统发统发生生热热自燃的条件是自燃的条件是Q1=Q2。当。当发热发热曲曲线线与与散散热热曲曲线线只有一个切点只有一个切点时时，此切点称，此切点称为为着火点着火点，其其对应对应的温度即的温度即为为着火温度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？着火温度的计算着火温度的计算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0.0

7、65MPa0.065MPa，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，不爆炸热自燃的感应期热自燃的感应期定定义义预混可燃气体从初始温度加热到着火温度预混可燃气体从初始温度加热到着火温度所需的时间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，或提高燃气提高预混气体的温度和压力，或提高燃气浓度，感应期可缩短浓度，感应期可缩短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）得两边取对数、整理，得：设反应物

8、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：着火界限着火界限反反应级应级数数为为2时时的的简简化化谢谢苗苗诺诺夫方程夫方程压力与温度的关系（浓度不变）压力与温度的关系（浓度不变）根据根据热热自燃理自燃理论论，在一定在一定浓浓度下，着火温度与系度下，着火温度与系统统的的压压力成反比力成反比非着火区着火区PcTc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

9、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温度极限度极限 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链锁自燃理论链锁自燃理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

10、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”热自燃理论无热自燃理论无法解释的现象法解释的现象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累，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（自由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

11、之间的关系关系。（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成速度，即达到了自燃的第一极限生成速度，即达到了自燃的第一极限（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于生成速度，达到了第二极限生成速度，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

12、使反反应应自自动动加加速速引引发热自燃发热自燃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

13、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点燃过程点燃过程可燃混合物的点火浓度界限可燃混合物的点火浓度界限点火点火浓浓度界限在工度界限在工业业上比上比较较常用，与着火常用，与着火浓浓度界度界限相近限相近预混可燃气体的燃烧预混可燃气体的燃烧预预混可燃气体的燃混可燃气体的燃烧过烧过程就是火焰的程就是火焰的传

14、传播播过过程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

15、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”焰锋结构焰锋结构正正锥锥形火焰前形火焰前锋锋球面火焰前球面火焰前锋锋抛物抛物线线形火焰前形火焰前锋锋倒倒锥锥形火焰前形火焰前锋锋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

16、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层流火焰传播速度层流火

17、焰传播速度层层流火焰流火焰传传播速度播速度与与预预混可燃气体的混可燃气体的热扩热扩散系数散系数a的平方根成正比的平方根成正比，与平均化学反与平均化学反应时间应时间t t 的平方的平方根成反比根成反比火焰前火焰前锋锋面厚度面厚度d d与火焰与火焰传传播速度成反比播速度成反比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质可燃气体混合物的性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度可燃混合气的初始温度混合气中的惰性气体混合气中的惰性气体多组分燃气混合物多组

18、分燃气混合物SL计算计算例题例题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25mm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25mm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煤气中可燃成分的组成为煤气中可燃成分的组成为100-（18.78+0.3+1.7）=79.22（%）不考虑不可燃气体的可燃

19、气组成含量为不考虑不可燃气体的可燃气组成含量为H2:38.75/79.22=48.91(%)CH4:30.12(%)CO:13.77(%)C2H4:7.20(%)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二、湍流燃烧二、湍流燃烧火焰长度缩短，焰锋变宽，并火焰长度缩短，焰锋变宽，并有明显的噪声，焰锋不再是光滑有明显的噪声，焰锋不再是光滑的表面，而是抖动的粗糙表面，的表面，而是抖动的粗糙表面，火焰传播快。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。

20、很薄，火焰传播速度小。层流火焰：层流火焰：紊流火焰紊流火焰紊流火焰的特点紊流火焰的特点湍流火焰湍流火焰传播速度播速度较层流大几倍，不流大几倍，不仅与燃料的物理与燃料的物理化学性化学性质有关，而且与湍流性有关，而且与湍流性质有关，湍流有关，湍流强度增大，度增大，将使湍流火焰将使湍流火焰传播速度增加，火焰更短。播速度增加，火焰更短。燃燃烧室尺寸更室尺寸更紧凑，加上向外散凑，加上向外散热损失小，因此燃失小，因此燃烧设备的的经济性好。性好。湍流火焰伴随着噪音湍流火焰伴随着噪音（1）湍流流）湍流流动使火焰使火焰变形，火焰表面形，火焰表面积增加，因而增大增加，因而增大了反了反应区；区；（2）湍流加速了）湍

21、流加速了热量和活性中心的量和活性中心的传输，使反，使反应速率增速率增加，即燃加，即燃烧速率增加；速率增加；（3）湍流加快了新）湍流加快了新鲜氧气和燃气之氧气和燃气之间的混合，的混合，缩短了混短了混合合时间，提高了燃，提高了燃烧速度。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？湍流火焰传播理论湍流火焰传播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

22、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湍流火焰传播湍流火焰传播三种湍流火焰：三种湍流火焰：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

23、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R

24、e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均相预混气体火焰的稳定均相预混气体火焰的稳定火焰火焰稳稳定的两个基本条件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个火焰根部必须有一个有足够能量的固定点有足够能量的固定点火源火源5.3 气体燃料的气体燃料的扩扩散燃散燃烧烧层流扩散火焰结构层流扩散火焰结构火焰可分火焰可分为为四个区域四个区域中心的中心的纯纯燃料区燃料区外外围围的的纯纯空气区空气区火焰面外火焰面外侧侧的燃的燃烧产烧产物和物和空气的混合区空气的混合区火焰面内火焰面内侧侧的燃的燃烧产烧产物和物和燃料的混合区燃料的混合区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湍流扩散燃烧湍流扩散燃烧扩散燃烧火焰的稳定扩散燃烧火焰的稳定扩扩散燃散燃烧烧一般不会一般不会发发生回火，但是会生回火，但是会发发生脱火。生脱火。预预防方法：防方法：使高温烟气回流使高温烟气回流采用旋采用旋转转气流气流使用使用稳稳焰器焰器