第4章1可燃气体燃烧

1,第4章可燃气体的燃烧,4.1预混气中火焰的传播理论4.2层流火焰传播速度及其传播机理4.3可燃气体爆炸4.4爆炸极限理论及计算4.5爆轰4.6气体爆炸的预防4.7湍流燃烧和扩散燃烧,2,可燃气体燃烧的形式扩散燃烧预混燃烧,燃气+空(氧)气,3,4.1预混气中火焰的传播理论,预混气中火焰的传播分为两种形式缓燃（正常火焰传播）爆震（爆轰）缓燃（正常火焰传播）火焰传播机理：依靠导热和分子扩散使未燃混合气温度升高，并进入反应区而引起化学反应，导致火焰传播传播速度一般不大于13m/s爆震（爆轰）火焰传播机理：传播不是通过传热、传质发生的，它是依靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度不断升高而引起化学反应的，从而使燃烧波不断向未燃混合气中推进。传播速度很高，常大于1000m/s，超音速,4,假定混合气的流动（或燃烧波的传播速度）是一维的稳定流动忽略粘性力；其燃烧前后的定压比热容CP为常数；与管壁无摩擦、无热交换燃烧波的传播速度=流速u,图4-1燃烧过程示意图-火焰驻定,一维定常流动的平面波-火焰驻定,5,连续方程：（质量平衡）,动量方程：,常数,能量方程：,常数,状态方程：,或,常数,6,热量（焓）方程：,代入能量方程可得：,7,连续方程：（质量平衡）,动量方程：,8,瑞利（Rayleigh）直线横坐标：1/P纵坐标：pP斜率：-m2,瑞利（Rayleigh）方程,瑞利方程反应了在给定的初态（p，）条件下，终态（pp，p）应满足的关系。,9,能量方程：,10,前式结论代入可得：,整理可得：,11,休贡纽（Hugoniot）方程（雨果尼特）,休贡纽方程曲线横坐标：1/P纵坐标：pP,p,1/,休贡纽（Hugoniot）方程（雨果尼特）,休贡纽方程反应了在给定初态p、及反应热Q的条件下，终态pp、p的关系。,12,其中M为马赫数。,此外，由瑞利方程,还可得：,结合声速公式：,13,(p,1/),图4-2燃烧的状态图,p,A,休贡纽曲线,瑞利曲线,（）,Q1,Q2,Q2Q1,B,D,E,C,F,上C-J点,下C-J点,（）,（）,G,H,（）,1/,A,14,讨论：（p，1/）是初态通过（p，1/）点，将平面分成四个区域。过程的终态只能发生在、区，不可能发生在、区交点A、B、C、D、E、F、G、H等是可能的终态。区域（）是爆震区，而区域（）是缓燃区。区域（），1/Pp，即经过燃烧后气体压力增加、燃烧后气体密度增加、燃烧以超音速传播（M1）。区域（），1/P1/，pPH2ON2HeAr,50,（4）容器容器管子直径越小、爆炸极限范围越小。同一可燃物质，管径越小，其火焰蔓延速度亦越小。当管径（或火焰通道）小到一定程度时，火焰即不能通过。这一间距称最大灭火间距，亦称临界直径(消焰径）。当管径小于最大灭火间距，火焰因不能通过而被熄灭。（5）点火能源火花的能量、热表面的面积、火源与混合物的接触时间等，对爆炸极限均有影响,图4-24火源能量对甲烷爆炸极限的影响（常压，26）,51,4.4.3爆炸极限的测定爆炸极限的测定一般采用传播法测试原理：首先将爆炸管内抽成真空，然后充以一定浓度的可燃气与空气的混合气体，用循环泵使可燃气混合均匀，再用电极点火，观察火焰传播情况。火焰传播的最低浓度或最高浓度（可燃气的体积百分含量），即为该可燃气的爆炸下限或爆炸上限。,4.4.4爆炸极限的经验公式,1）通过1摩尔可燃气在燃烧反应中所需氧原子的摩尔数（N）计算有机可燃气爆炸极限（体积百分数）,如：甲烷：N=4x下=6.5%，x上=17.3%，,52,（2）利用可燃气体在空气中完全燃烧时的化学计量浓度x0计算有机物爆炸极限,AnO23.76nN2生成物,有机可燃气A在空气中的化学计量浓度为,如：甲烷：n=2x0%=9.5%，x下=5.2%，x上=14.7%,53,（3）通过燃烧热计算有机可燃气的爆炸下限,（4）多种可燃气体组成的混合物爆炸极限的计算,莱夏特尔公式,莱夏特尔公式的证明如下：证明时的指导思想：将可燃混合气体中的各种可燃气与空气组成一组，其组成符合爆炸下限时的比例，可燃混气与空气组成的总的混合气体为各组之和。,54,1）设各种可燃气体积为：V1，V2，V3，Vi。则总的可燃气体积为,VV1+V2+V3+Vi,2）设各组可燃气空气在爆炸下限时的体积为：V1，V2，V3，VI。则总的可燃混气空气体积为,VV1+V2+V3，VI,3）设各种可燃气爆炸下限为：x1下，x2下，x3下，xi下。则,55,4）设总的可燃混气的爆炸下限为x下。则有,（5）设,56,例题,有燃气体含C2H640%，C4H1060%，取1m3该燃气与19m3空气混合。该混合气体遇明火是否有爆炸危险？（C2H6和C4H10在空气中的爆炸上限分别为12.5%、8.5%，下限为3.0%、1.6%）解：乙烷：P1=40%丁烷：P2=60%,混合气中可燃气浓度：1/（1+19）=5%2.0%5%9.7%故，该混合气体遇火爆炸。,57,例题,有混合气体含C2H61%，C4H101.5%，其余为空气。该混合气体遇明火是否有爆炸危险？（C2H6和C4H10在空气中的爆炸上限分别为12.5%、8.5%，下限为3.0%、1.6%）解：可燃气体总浓度1%1.5%2.5%乙烷：P11/2.5=40%丁烷：P2=1.5/2.5=60%2.0%2.5%9.7%故，该混合气体遇火爆炸。,58,（5）含有惰性气体的可燃混气爆炸极限的计算方法,如果可燃混气中含有惰性气体，如N2、CO2等，计算其爆炸极限时，仍然利用莱夏特尔公式但需将每种惰性气体与一种可燃气编为一组，将该组气体看成一种可燃气体成分。比如：H2+N2,CO+CO2,CH4该组在混合气体中的体积百分含量为该组中惰性气体和可燃气体体积百分含量之和。而该组气体的爆炸极限可先列出该组惰性气体与可燃气的组合比值，再从图中查出该组气体的爆炸极限，然后代入莱夏特尔公式进行计算。,59,60,图4-26乙烷、丙烷、丁烷和氮、二氧化碳混合物气体在空气中的爆炸极限,61,例41求煤气的爆炸极限。煤气组成为：H2一12.4；CO一27.3；CO2一6.2；O2一0；CH4一0.7；N2一53.4。,解分组：CO2+H2；N2+CO；CH4CO2+H2：6.2+12.418.6；N2+CO：27.3+53.480.7；CH4：0.77。,从图425查得：H2CO2组的爆炸极限为：6.070；CON2组的爆炸极限为：4073。CH4的爆炸极限为：515,问题：1m3该煤气和19m3空气混合，遇明火是否爆炸？,62,表4-7某些气体混合物的爆炸浓度极限,63,（六）、爆炸浓度极限图可燃气体助燃气体惰性气体（F-S-I）可燃气体1可燃气体2助燃气体（F1-F2-S）,64,（一）三角坐标表示方法,A,C%,B%,B,A%,C,65,C,（二）三角坐标的性质,A,B,M,N,性质1,直线MN上的任一点所表示的混合物中的A组分含量相同。,P,性质2,直线AP上的任一点所表示的混合物中B、C组分的比值（B%/C%）相同。,Q,推论,在Q点所表示的混合物中加入A组分，则Q点沿PA直线向A点移动。,66,（三）F-S-I体系爆炸浓度极限图（以可燃气氧气氮气体系为例）,F,S,I,U,L,C,L,U-可燃气在氧气中的爆炸浓度极限,C-爆炸临界点,（氧）,（氮）,LUC-爆炸三角形,20.9,U,L,L,U-可燃气在空气中的爆炸浓度极限,P,Q,Q-失爆氧浓度,PCQI-绝对安全区,LUC-爆炸三角形,UFPC-潜在危险区,SLCQ-相对安全区,67,68,69,例题,已知乙烯在氧气中的爆炸浓度极限为380%，氮气惰化时的爆炸临界点为（氧气10%，氮气87%，乙烯3）。(1)请绘出乙烯氧气氮气体系的爆炸浓度极限图。(2)用图解法计算乙烯在空气中的爆炸浓度极限。(3)在1m3的混合气（乙烯20%，其余为空气）中，至少掺入多少m3的氮气后遇明火不会爆炸。,70,例题解答：,乙烯,氧,氮,80%,3%,C,20.9%,35%,2