5气体燃料的燃烧.ppt

第五章气体燃料的燃烧 章节安排 5 1气体燃料燃烧原理及特点5 2预混可燃气体的着火和燃烧5 3气体燃料的扩散燃烧 5 1气体燃料燃烧原理及特点 气体燃料的燃烧过程 完成燃烧化学反应 混合后可燃气体混合物的加热和着火阶段 燃气和空气的混合阶段 三个阶段 两种类型 预混燃烧 扩散燃烧 全预混燃烧 半预混燃烧 预混燃烧 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 5 2预混可燃气体的着火和燃烧 预混可燃气体的燃烧过程 有两个基本阶段着火阶段燃烧的准备阶段 主要是积累热量和活化分子着火后的燃烧阶段 预混可燃气的着火方法 着火方法 自燃 点燃 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快所引起的着火 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 爆炸式化学反应 反应机理 热爆燃 链锁爆燃 由于链锁反应的分支使活化中心迅速增加 导致化学反应速度急剧增大 系统内热量的积聚 使温度升高 引起化学反应速度按阿累尼乌斯指数规律迅速增加 热自燃 链锁自燃 热自燃理论 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 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 基本思想 即自热体系着火成功与否取决于其放热因素和散热因素的相互关系 发生热自燃时的温度称为热自燃温度或着火温度 研究对象 预混可燃气体 闭口系简化假设 体积为V 表面积为S 壁温 T0 混合气初始温度为T0 容器对环境的总换热系数 不变 着火前容器内可燃物浓度均匀不变 放热速率 散热速率 改变散热条件时 改变初始温度时 改变发热曲线时 热自燃条件 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 着火温度的计算 热自燃理论的应用 着火感应期着火极限 浓度极限 压力极限 温度极限 爆炸极限爆炸浓度极限 如 甲烷 空气 5 15 爆炸压力极限 如 甲烷 空气 小于0 065MPa 不爆炸爆炸温度极限 如 甲烷 空气 小于690 不爆炸 热自燃的感应期 定义 预混可燃气体从初始温度加热到着火温度所需的时间 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 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 着火极限 在自燃临界状态 1 2 两式相除有 带入 1 得 两边取对数 整理 得 设反应物总摩尔浓度为C 即C CA CBxA为燃料的摩尔分数 xB为空气 氧 摩尔分数 谢苗诺夫方程 根据此方程 如果 S V E Q K0已知 n 2 可以将上式简化为 着火界限 反应级数为2时的简化谢苗诺夫方程 压力与温度的关系 浓度不变 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 一定压力下的着火极限 存在着火的浓度极限温度升高 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 存在着火的温度极限 一定温度下的着火极限 存在着火的浓度极限压力升高 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 存在着火的压力极限 链锁自燃理论 烃类气体燃烧的 冷焰 现象卤代烷的高效灭火性能氢 氧体系的着火 半岛 热自燃理论无法解释的现象 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 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 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自由基的生成速度和销毁速度之间的关系 1 温度不变 降低压力自由基器壁消毁速度加快 当压力下降到某一数值后 销毁速度等于生成速度 即达到了自燃的第一极限 2 温度不变 升高压力自由基气相消毁速度加快 当压力升高到某一数值后 销毁速度等于生成速度 达到了第二极限 3 温度不变 压力再升高反应放热越来越显著 放热大于散热 热量积累而使反应自动加速引发热自燃 点燃理论 第一 强制着火仅仅在混合气局部 点火源附近 中进行 而自燃着火则在整个混气空间进行 第二 自燃着火是全部混合气体都处于环境温度T0包围下 由于反应自动加速 使全部可燃混合气体的温度逐步提高到自燃温度而引起 强制着火时 混合气处于较低的温度状态 为了保证火焰能在较冷的混合气体中传播 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 点燃与自燃的主要区别 点燃过程 可燃混合物的点火浓度界限 点火浓度界限在工业上比较常用 与着火浓度界限相近 预混可燃气体的燃烧 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 把燃烧扩展到整个混合气 称为火焰传播 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 预混燃烧可以分为层流燃烧和湍流燃烧两种 一 层流燃烧 正在进行激烈发光反应的气体薄层 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 正常传播速度 或 层流传播速度 焰锋结构 正锥形火焰前锋球面火焰前锋抛物线形火焰前锋倒锥形火焰前锋 层流火焰传播理论 热力理论 扩散理论 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 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 促使其链锁反应发展所致 热力理论不否认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 热力理论与实际较为接近 层流火焰传播速度 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的平方根成反比火焰前锋面厚度d与火焰传播速度成反比 层流火焰传播速度的影响因素 可燃气体混合物的性质 燃料分子的结构 过量空气系数 可燃混合气的压力 层流火焰传播速度的影响因素 可燃混合气的初始温度 混合气中的惰性气体 多组分燃气混合物SL计算 例题 已知煤气中各成分体积组成又知其中各可燃气体组分在25mm管中的最大火焰传播速度和相应燃气浓度求煤气在25mm管中的最大火焰传播速度 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 火焰长度缩短 焰锋变宽 并有明显的噪声 焰锋不再是光滑的表面 而是抖动的粗糙表面 火焰传播快 湍流火焰 火焰锋面光滑 焰锋厚度很薄 火焰传播速度小 层流火焰 紊流火焰 紊流火焰的特点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 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加 火焰更短 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性好 湍流火焰伴随着噪音 1 湍流流动使火焰变形 火焰表面积增加 因而增大了反应区 2 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 3 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 为什么紊流火焰传播速度更快 湍流火焰传播理论 皱折表面燃烧理论 容积燃烧理论 湍流的脉动作用使火焰前沿面发生弯曲和皱折 显著地增大了已燃气体与未燃气体相接触的焰锋表面积 使反应速度加快 从而使火焰传播速度ST增大 同时由于湍流作用使得热传导速度及活性物质扩散速度加快 也促使ST增大 湍流的脉动使燃气与燃烧产物快速混合 使火焰本质上成为均匀可燃混合物 湍流火焰传播 三种湍流火焰 容积燃烧理论 湍流对燃烧的影响以扩散为主 由于扩散迅速 不存在将未燃可燃物和已燃气体分开的火焰面 每个湍动的气团内 温度和浓度是均匀的 但不同气团的温度和浓度是不同的 在整个微团内存在着快慢不同的燃烧反应 达到着火的微团整体燃烧 未达到着火条件的微团在脉动中被加热并达到着火燃烧 火焰不是连续的薄层 但到处都有 各气团间互相渗透混合 不时形成新微团 进行不同程度的容积化学反应 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 均相预混气体火焰的稳定 火焰稳定的两个基本条件 必须满足余弦定理