气体燃烧速度

第三节 热值与燃烧温度及燃烧速度热值 我们知道，1摩尔的物质与氧气进行完全燃烧反应时所放出的热量，叫做该物质的燃烧热。例如1mol乙炔完全燃烧时，放出1306104 J的热量，这些热量就是乙炔的燃烧热，其反应式为：C2H2+25O22CO2十H2O十1306104J 不同物质燃烧时放出的热量亦不相同，所谓热值：是指单位质量或单位体积的可燃物质完全燃烧时所发出的热量。可燃性固体和可燃性液体的热值以“Jkg”表示，可燃气体的热值以“Jm3 ”表示。可燃物质燃烧爆炸时所能达到的最高温度、最高压力及爆炸力等与物质的热值有关。物质的燃烧热见表12。 表1-2物质的燃烧热、热值和燃烧温度 物质的名称燃烧热Jmol热值燃烧温度*JkgJm3*碳氢化合物：*甲烷882577*394007191800乙烷1542417*693334081895苯3279939420500900*乙炔1306282*583200002127醇类：*甲醇71552423864760*1100乙醇137327030990694*1180酮、醚类：*丙酮178776430915331*1000乙醚272853836873148*2861石油及其产品：*原油43961400*1100汽油46892160*1200煤油4144932046054800*7001030煤和其它物品：*无烟煤*31401000*2130氢气211997*108050931600煤气*32657040*1850木材*7117560l4653800*10001177镁6143525120800*3000一氧化碳285624*1680硫33410710437692*1820二硫化碳103246514036666127488062195硫化氢543028*2110液化气*104670001138000002020天然气*35462196395233922120石油气*3843482442161076*磷*24970075*棉花*17584560* 可燃物质的热值是用量热法测定出来的，或者根据物质的元素组成用经验公式计算。 Q=(1000*Q燃烧)/22.4(11)1 可燃物质如果是气态的单质和化合物，其热值可按下式计算，式中：Q每1m3可燃气体的热值，Jm3；Q燃烧每摩尔可燃气体的燃烧热，Jmol。例1试求乙炔的热值。解从表12中查得乙炔的燃烧热为130.6104Jmol；代入公式(11)答：乙炔的热值为5.83107J/m3。2. 可燃物质如果是液态或固态的单质和化合物，其热值可按下式计算：Q=(1000*Q燃烧)/M (12)式中：M可燃液体或固体的摩尔质量。例2试求苯的热值；(苯的摩尔质量为78)解从表12查得苯的燃烧热为328X104Jmol，代入公式(12)答：苯的热值为421107Jkg。3对于组成比较复杂的可燃物，如石油、煤炭、木材等，其热值可采用门捷列也夫经验公式计算其高热值和低热值。高热值是指单位质量的燃料完全燃烧，生成的水蒸汽也全部冷凝成水时所放出的热量；低热值是指单位质量的燃料完全燃烧，生成的水蒸汽不冷凝成水时所放出的热量。门捷列也夫经验公式如下：Q高 = 81C+300H-26(O-S) (13)Q低 = 81C+300H-26(O-S)-6(9H+w) (14)式中，Q高、Q低可燃物质的高热值和低热值，kcalkg；C可燃物质中碳的含量，；H可燃物质中氢的含量，；O一可燃物质中氧的含量，；S可燃物质中硫的含量，；w一可燃物质中的水分含量，例 试求5kg木材的低热值。木材的成分为：C43，H一7，O41，S2%，W7解将己知物质的百分组成代入公式(14)Q8143+3007-26(41-2)一6(97+7)=4149(kcalkg)=17359104(Jkg)则5kg木材的低热值为：517359104=8679.7104J答：5kg木材的低热值为86797104J。可燃物质的热值见表l2。二、燃烧温度 可燃物质燃烧时所放出的热量，一部分被火焰辐射散失，而大部分则消耗在加热燃烧产物上。由于可燃物质燃烧所产生的热量是在火焰燃烧区域内析出的，因而火焰温度也就是燃烧温度。可燃物质的燃烧温度见表12。火焰最高温度的计算： 燃烧过程是典型的非等温反应。在这种情况下，可利用图35那样的恒压循环过程作计算。如反应物的温度为T1，产物温度为T2，则反应的H为: HH1H0298H2 常温下的反应物，进入火焰后立即变为产物。由于过程是瞬间完成的，可以近似地认为反应是在绝热条件下完成的，反应放出的热全部用来加热产物和掺杂在反应物中的惰性气体，使之升高到火焰温度。根据如此假设计算出的是火焰的最高温度Tm。实际上，火焰并不是绝热的化学反应气团，所以温度要低一些。 例39 燃烧水泥的转炉是利用煤粉燃烧加热的。假设喷进转炉的煤粉掺有按燃烧反应计量的空气，试问转炉可能达到多高的温度?解 煤粉燃烧过程可以用图36那样的恒压循环过程表示。假设反应是在绝热条件下进行的，所以H0。因为循环过程，H1H2 H0，所以H1H2H1是煤粉的燃烧热，也就是CO2的生成热，等于94.05千卡。1摩尔煤粉燃烧需要1摩尔氧气，生成1摩尔二氧化碳，同时还混有4摩尔的氮气(空气中O2：N21：4)。所以，H2是l摩尔CO2和4摩尔氮气从298K升温到Tm所需的热量。查表知它们的热容为CO2 Cp6.37十10.1010-3T3.4110-6T2N2 Cp6.66十1.0210-3T 33.01Tm7.09103Tm21.14106Tm310434又因为H2H194050卡，所以得到关于火焰最高温度的方程为:1.14106Tm37.09103Tm233.01Tm 1044840解得 Tm2404（K）实际上，火焰温度要比Tm低，因为不能达到绝热条件，而且从理论上讲，计算中假设碳和氧完全化合成CO2，这是近似的，在高温下二氧化碳的离解作用也不应忽视。理论上严格计算火焰温度时，一般要经过多次逼近才行。几种火箭燃料所能达到的理论最高温度如下： 燃料氧化剂理论最高温度()NH2NH2NH2NH9B2H6C2N6O2F2F2O32970416043605240三、燃烧速度 （一）气体燃烧速度由于气体的燃烧不需要象固体、液体那样经过熔化、蒸发等过程，所以燃烧速度很快。气体的燃烧速度随物质的组成不同而异。简单气体燃烧如氢气只需受热、氧化等过程；而复杂的气体如天然气、乙炔等则要经过受热、分解、氧化过程才能开始燃烧。因此，简单的气体比复杂的气体燃烧速度快。在气体燃烧中，扩散燃烧速度取决于气体扩散速度，而混合燃烧速度则取决于本身的化学反应速度；在通常情况下混合燃烧速度高于扩散燃烧速度。气体的燃烧性能也常见火焰传播速度来衡量，一些气体与空气的混合物在254毫米直径的管道中火焰传播速度的试验数据见表。表48 一些可燃气体在直径25.4毫米管道中火焰传播速度，米秒气体名称最大火焰传播速度可燃气体在空气中的含量，气体名称最大火焰传播速度可燃气体在空气中的含量，氢一氧化碳甲烷乙烷丙烷4.831.250.670.850.8238.5459.86.54.6丁烷乙烯炼焦煤气焦炭发生煤气水煤气0.821.421.700.733.13.67.11748.543 火焰传播速度在不同演径的管道中测试时其值不同，一般随着管道直径增加而增加，当达到某个直径时速度就不再增加。同样，随着管道直径的减少而减少，并在达到某种小的直径时火焰在管中就不再传播。表49示甲烷和空气混合物在不同管径下的火焰传播速度。 表49 甲烷和空气混台物在不同管径时的传播速度，厘米秒 甲烷()管径(厘米)2.5厘米10厘米20厘米40厘米60厘米80厘米623.543.563951181378508010015418320310651101361882152361235748012316318513224562104130138本表摘自.MTOB：“物质燃烧原理”。 此外在管道中测试火焰传播速度时还与管子材料以及火焰的重力场有关。如10甲烷与空气混合气，管子平放时，火焰传播速度为65厘米秒，向上垂直放时为75厘米秒，而向下垂直放为595厘米秒。 如果在大管径中燃烧的混合物在小管径中熄灭，这种现象是由于在管子直径减小时增加了热损失所致。按热损失观点来分析，那么加热区域与反应区域的比例是：式中d直径；r半径；h反应区长度。 对于直径为10厘米的管子，这个比例等于04，而对于直径为2厘米的管子这个比例等于2。由此可见，随着管子直径的减小，热损失就逐步加大，燃烧温度与火焰传播速度就相应降低，度至停止传播。阻火器就是根据这一原理制成的。 （二）液体燃烧速度液体燃烧速度取决于液体的蒸发。其燃烧速度有两种表示方法。一种是以每平方米面积上，l小时烧掉液体的重量表示，叫做液体燃烧的重量速度。一种是以1小时烧掉液体层的高度来表示，叫做液体燃烧的直线速度。易燃液体的燃烧速度与很多因素有关，如液体的初温、贮罐直径、罐内液面的高低，液体中水分含量等。初温越高，燃烧速度越快，贮罐中低液位燃烧比高液位燃烧的速度要快。含水的比不含水的石油产品燃烧速度要慢。 液体燃烧前须先蒸发而后燃烧。易燃液体在常温下蒸气压就很高，因此有火星、灼热物体等靠近时便能着火，随后，火焰便很快沿液体表面蔓延，其速度可达052米秒。另一类液体则必须在火焰或灼热物体长久作用下，使其表面层强烈受热而大量蒸发后才能着火。故在常温下生产，使用这类液体的厂房没有火灾爆炸危险。这类液体着火后只在不大的地段上燃烧，火焰在液体表面上蔓延得很慢。 为了使液体燃烧继续下去，必须向液体传入大量热，使表层的液体被加热并蒸发。火焰向液体传热的途径是靠辐射。故火焰沿液面蔓延的速度除决定于液体的初温、热容、蒸发潜热外还决定于火焰的辐射能力。如苯在初温为16时燃烧速度为16537公斤米2小时；而在40时为17718公斤米2小时；60时为1933公斤米2小时。此外，风速对火焰蔓延速度也有很大影响。几种易燃液体的燃烧速度见表410。表410 几种易然液体的燃烧速度 液体名称燃烧速度比重直线速度(厘米/小时)重量速度(公斤米2小时)苯乙醚甲苯航空汽油车用汽油二硫化碳丙酮甲醇煤油18.917.516.0812.610.510.478.47.26.6165.37125.84138.2991.9880.85132.9766.3657.655.11d160.875d150.715d150.86 d100.73d1.27d18O.79d100.8d10