燃烧学点火可燃性和熄火PPT课件

1、 第一节 基本概念 1.着火概念 （1）着火过程是从无反应状态向强烈反应状态 过渡的过程。 （2）熄火是由强烈反应状态向无反应状态过渡 的过程。 （3）任何燃烧过程均由着火过程，稳定燃烧过 程和熄火过程组成。 （4）着火过程是燃烧过程的预备过程。它是一种典型的 受化学动力学控制的燃烧现象。 第1页/共60页 燃烧过程分为三个阶段： （1）着火（化学反应加速的过程） （2）燃烧（剧烈的化学反应） （3）熄火（化学反应的减速过程）第2页/共60页 2.着火条件 （1）反应物：必须配比合适，处于可燃浓度极限内。 （2）温度（能量）：必须高到足以引起明显的化学反 应或者热分解。 （3）时间：经过一定的

2、感应期。 （4）湍流：湍流强度必须足够高，足以保证燃料和氧 化剂能进行成分混合并且使热量从产物传递到反 应物中去。第3页/共60页 着火方式 链锁自燃：燃料和氧化剂的混合物，在一定的温度和压力下， 当其中活性中心的增殖率超过了它的衰减率，经过 一段感应期以后（即活性中心积累的足够多时）， 就会使反应物着火。例如：内燃机燃料的提前爆发 ，矿瓦斯爆炸。 热自燃：因自发的微量反应形成热的积累，而使温度升高，使 反应加速而生成火焰。 点燃（强迫点火）：外部施加能量使混合物局部区域受到加热 而着火，然后，火焰向混合物的其余部分传播，使整 个反应体系燃烧。第4页/共60页 热自燃与点燃的区别与联系 热自燃

3、：整个混合气的温度较高，反应和着火是 在容器的整个空间进行的。 点燃：混合气的温度较低，混合气的部分气体受到 高温点火源的加热而反应，而在混合气的大 部分空间中其化学反应为零，其着火是在局 部地区首先发生，然后向空间传播。 点火=局部点燃（着火）+火焰传播 热自燃和点燃的差别仅在于整体加热与局部加热的 不同而已，着火机理相同。第5页/共60页第二节第二节 点火机理点火机理 点火有两个基本机理：链锁机理和热机理。这两个机理代表两种极限情况，而在大部分实际情况下他们都是同时起作用的。但在某些情况下只有一种机理主导着点火过程。1 1 链锁机理（电离理论）链锁机理（电离理论） 由于链的分支使活化中心迅

4、速增加，从而使反应速由于链的分支使活化中心迅速增加，从而使反应速率剧烈升高导致着火。在这种情况下，温度增高固然率剧烈升高导致着火。在这种情况下，温度增高固然能促使反应速率加快，但即使在等温情况下，亦会由能促使反应速率加快，但即使在等温情况下，亦会由于活化中心浓度的迅速增大而造成自发着火。于活化中心浓度的迅速增大而造成自发着火。第6页/共60页 2.热机理 火花放电能量 （高温热源） 对较小的混气团加热 至着火温度着火燃烧 并且，混气团的火焰 能够向周围混气传播 总容量燃烧第7页/共60页 实际燃烧过程中热机理和链锁机理常常是同 时存在，互相促进的。一般而言，热自燃所需要 的热量较多， 在高温高

5、压下，热机理是主要原 因，低温低压下链锁机理是主要原因。 第8页/共60页 着火的本质：化学反应速率急剧升高 热自燃条件：反应生热大于放热 热自燃理论认为：着火是反应生热因素和散热 因素相互作用的结果。 生热散热：有热积累，着火成功 生热散热：无热积累，不成功第9页/共60页 3.着火的热理论（均匀热点火模型） 均匀热点火模型：气态燃料-氧化剂混合物的爆炸特性是用混合物的能量平衡来解释的。整个燃烧过程是放热的，它使气体温度上升，因为反应速率随温度的升高而升高，因此整个能量释放率呈增加趋势，结果使温度进一步升高，反应随之加速。第10页/共60页 热自燃理论的基本思路 可燃物质的反应能够放出热量，

6、但同时又向外界散 失热量，这二者之间有三种情况： （1）当反应释放的热量多于散失的热量，则反应物 存在的空间热量得到积累，温度升高，反应加速以 致形成热爆炸。 （2）当反应释放的热量小于散失的热量，则无热积 累，不能着火。 （3）当释放的热量恰等于散失的热量时则反应处于 慢速氧化状态。第11页/共60页 热自燃理论模型： 容器中混气的热自燃示意图第12页/共60页 热自燃理论简化假设（谢苗诺夫热自燃理论） （1）由一个体积为V表面积为S的容器。内部充满了温度为T3，密度为0的均匀可燃混气。 （2）开始时混气的温度与外界环境温度一样，反应过程中，混气的温度为T3，并且随时间而变化。这时容器内的温

7、度和浓度仍是均匀的。 （3）容器壁的初始温度也为T3，在反应过程中始终与混气温度相同。 （4）外界和容器壁之间有对流换热，对流换热系数为h，它不随温度变化是个定值。 （5）设反应在形成着火前，由于反应速度很低，可不计反应物浓度因反应而引起的变化，即认为着火时浓度0=i 第13页/共60页 系统的化学反应放（生）热量 通过器壁的散热量 单位体积化学反应生热量 对流换热系数 表面积 体积 反应过程中温度 系统本身升温吸收热量： .()exp()abtotalcfOcrEqRRHAHRT 第14页/共60页 系统的热平衡方程：.0.0.0()()()VrVrldTC Vq VhS TTdtdThSC

8、qTTdtVhSqTTV或令散热量第15页/共60页 则系统的能量方程为： 表示单位气体混合气在单位时间内反应放出的热 量，称为生热速率。 表示单位气体混合气在单位时间内平均向外界散 发的热量，称为散热速率。 取决于阿累尼乌斯因子 为T的线性函数，斜率 初始值：第16页/共60页 取决于阿累尼乌斯因子 为T的线性函数，斜率 初始值：第17页/共60页 着火速率取决于生热速率与散热速率的相互关系及其随温度而增长的性质。分析 和 随温度的变化，就可以得出系统的着火特点，并导出着火的临界条件。 着火临界点： A点：稳定点，对于一个 反应速率很小的缓慢氧化 工况。 C点：非稳定点，两种发 展方向，对热

9、自燃而言不 可能出现的工况。 B点：临界工况。不稳定。第18页/共60页 A点稳定： （1）温度自A点下降，放热 大于散热，温度回升恢复到 A点。 （2）温度自A点上升，放热 小于散热，温度降低恢复到 A点。 C点不稳定： （1）温度自C点下降，散热大于放热，温度继续下降远离C点，最后达到A点。 （2）温度自C点上升，放热大于散热，温度继续上升远离C点，反应越来越剧烈，温度进一步上升，导致混气着火。第19页/共60页 可见 相切的情况是着火的临界状态，切点B称为着火点。第20页/共60页 着火温度 B点是释热曲线与散热曲线 的切点,即为着火温度第21页/共60页 可以看出TB有两个解。取等号右

10、边两项相加所对应的TB 值很高，它位于 曲线上的拐点以上，实际上TB不可能如此高。所以我们可以不予考虑，只取TB较低的值。0exp()expabIItotalcfOBBabtotaltotalcfOBBEhSHATTRTVEEhSHARTRTV 2001 422IIBBtotalIItotaltotalBtotalRTTTEEETTRRRE第22页/共60页 即： 对于典型碳氢燃料， 因此，根号中 把根号中各项按二项式展开，取前三项，可以写为： 对于 有01 422IItotaltotalBtotalEETTRRRE第23页/共60页 熄火的有关概念 对着火，熄火条件的定性分析: 我们讨论生热

11、率曲线 与排热率曲线 的相互关系，同样也有三种类型的趋势变化，如下图： 2,3点稳定，1点不稳定； 点2温度很低，只是缓慢 燃烧，点3是稳定的燃烧； C点是熄火点，B点是着 火点。第24页/共60页 曲线（a）表示初温 变化对排热曲线的影 响，当 时， 右移，但斜率不变。 当 增加到 时， 与 曲线有一个 切点B和4，切点B为 着火点，此时系统受 干扰温度上升一点，使工况转向工况4，这就是从热自 燃到稳定燃烧的转变。第25页/共60页 曲线（b）表示混气在燃 烧室里停留时间 或燃 烧所需时间 对生热曲 线 的影响， 时， 燃烧越接近完善，因而生 热量增加， 左移；或 左移。第26页/共60页

12、曲线（c）表示混气排 热系数对排热率 的 影响，当 时， 的 斜率 。 与前类似，先分析 （或h）及 不变时，初温改 变对着火，熄火的影响。 第27页/共60页 二.有关着火，熄火的结论： 由以上分析可知，燃烧系统的熄火比着火要在更不利的条件下才会发生，即熄火过程带有滞后性。（这可从各自的初始条件分析，着火，初始条件差，故要求高；熄火，初始条件好，故要求低。）亦即着火时，所要求初温，停留时间（与流速有关），均要大于熄火时的，而其排热系数要小于熄火时的。 总之，混气的初温，浓度，流速和混气性质对着火和熄火都有影响。初温较高，浓度接近于化学恰当比，混气流速低或活化能小均会使着火过程容易实现，亦即有

13、利于稳定燃烧；而熄火则发生在初温较低（比着火温度低），浓度偏离化学恰当比，流速较高的情况下。第28页/共60页 第三节 可燃极限1.可燃性 燃料与氧化剂的混合物在点火的情况下，如果会产生自持的燃烧波，（爆燃波或爆震波）或者爆炸（均匀燃烧），那么就称其具有可燃性。混合物的可燃性取决于点火源和容器特定的几何外形。2.可燃极限 在一定的温度或压力条件下，并不是所有混合气成分都能够着火，而是存在着一定的浓度范围，超出这个范围，混合气就不可能着火。第29页/共60页 如果取 常数，可以得到 与混合气的关系（左下），如果取 常数，可以得到着火温度与混合气成分的关系（右下）。 燃料/氧化剂混合物中温度和压力

14、可燃极限随当量比变化的典型曲线第30页/共60页 在上图中，只有在一定的浓度范围内可燃混合气才可能着火。我们把可燃物含量大的称为上限（或富限），可燃物含量小的称为下限（或贫限）。这就是着火或自燃的浓度界限。 燃料/氧化剂混合物中温度和压力可燃极限随当量比变化的典型曲线第31页/共60页 从图中可以看出，当温度或压力降低时，着火温度缩小，当压力或温度下降到某一数值时，着火界限缩成一点，如果压力或温度继续降低，任何混合气成分都不能着火。 燃料/氧化剂混合物中温度和压力可燃极限随当量比变化的典型曲线 第32页/共60页 可燃边界 取决于反应容器的尺寸，点火源的能量，火焰传播的方向（向上，向下，水平）

15、，压力，温度和混合物中稀释气体的量和性质。 右图为甲烷-空气混合物的可燃下（贫）跟随着火焰传播方向而变化的情况。最低的边界对应于向上传播的情形，这是通常所说的低限。第33页/共60页 右图显示了，在低于大气 压力下，压力对甲烷-空气 混合物的可燃边界的影响。 对于给定的燃料浓度和未 燃气体温度，显然存在一 个最低压力，在其下，混合 物不可燃。这个最低压力出 现在混合物浓度接近于化学 恰当比时。图中也显示了随 着未燃气体温度的升高，可 燃边界是不断扩大的。第34页/共60页 下图显示了，在大于大气压力下，压力对甲烷-空气混合物可燃边界的影响。增加压力促使边界扩大，尤其对富燃极限影响明显。第35页

16、/共60页 下图显示了未燃气体温度对甲烷-空气可燃边界的影响。随着温度的降低，可燃物上下燃烧边界间的宽度也减小。也存在一个最低温度，在其下，甲烷-空气混合物不能燃烧，虽然图中并未显示这一点。这个最小温度的值取决于反应容器的大小和点火源的强度。第36页/共60页 常见燃料氧化剂混合物在标准温度和压力下的可燃界限第37页/共60页 可燃界限可以和反应混合物的反应热联系起来，图中LFL是贫油极限，RFL是富油极限。第38页/共60页 贫油可燃边界的关系线可用以下公式表示： 这个结果可以用来推导多种燃料组成的混合物的贫油可燃边界的表达式： 式中： 为某种燃料i在燃料混合物中的 摩尔分数。因此：=iiH

17、HVx HHV混合物()/()lfliixx HHV燃料常数第39页/共60页 由于： 则 公式（7.1）可以用于估计某种燃料混合物的贫油可燃界限。 根据上式不难得到以下几点结果： （1）在贫油可燃界限处各种燃料混合物具有近似相同的反应热： 由 由于在贫油可燃界限处燃料混合物的定压比热非常接近空气 的定压比热，另外 因此上式变为：/( )()1/( ) (7.1)iilfllfliilflHHVxxxx燃料混合物常数,-( )buTRp airTcT dT（H ）=-第40页/共60页 （2）在贫油可燃边界处，燃料混合物的燃烧温度近似相同。利用PER软件，可以算出： 由上表可见：第41页/共6

18、0页 （3）由于当温度一定时，氧气和氮气的定压比热近似相等，所以对于各种碳氢燃料，在氧气可在空气中的贫油可燃边界（以摩尔分数表示）近似相同 由于 故此结论适用于各种配比的 系统。第42页/共60页 对于某种混合物，氧气与氮气比例是一定的（例如空气），这时贫油可燃边界处的当量比 近似相同。第43页/共60页 【7.1】 在标准状态下，乙烷/空气混合物的贫油可燃极限 xLFL=0.03，在当量比为1时，需要提供多少摩尔的稀释氮气 ，就会使得可燃物达到贫油可燃极限？ 解：由推论3得， 乙烷/空气的化学反应为 所以2,|0.03LFLaLFLa Nxx第44页/共60页 【7.2】甲烷与空气在可燃贫油

19、极限的当量比是0.55，试求甲烷 与氧气在可燃贫油极限的当量比。 解：在贫油可燃极限的当量比为0.55，则此时甲烷/空气的化学 反应为 设甲烷与氧气在贫油可燃极限的当量比为 则此时甲烷/ 氧气的化学反应为第45页/共60页 因为 所以 故 所以甲烷与氧气在贫油可燃极限的当量比2,0.0542LFL Ox第46页/共60页 第四节 最小点火能量与淬熄距离 由电容放电产生的火花 穿过气体火花能量，等 于 一直增加直到点火发生。 第47页/共60页 最小点火能量 实验表明，当电极间隙内的混合气压力，温度，混合比一定时，要想形成初始火焰中心，电极能量必须有一最小值。 放电能量大于此最小值，初始火焰就能

20、形成。 这个必须的放电能量就是所谓的最小点火能量。 可燃混合气的混合比，压力，初温等都不同程度的影响最小点火能量。 汽油的最小点火能量为0.2mJ，乙醚为0.19mJ，甲醇为0.215mJ，丙烯为0.282mJ，丙烷为0.305mJ。第48页/共60页 最小点火能量：能将一个最小混气团点着，并能使这个混气团的火焰在主燃区传播所需的火花能量。 半经验公式： 起始球面火花微团的表面积， 火焰传播的临界直径，这里认定它等于熄火距离， 未燃混气的导热系数， 层流火焰传播速度， 已燃气体温度， 混气初始温度，第49页/共60页 最小点火能量与当量比的关系第50页/共60页 熄火（淬熄）距离： 实验还表明，当其他条件给定时， 混合气所需的能量与电极间隙距离有关。 当电极距离小于熄火距离时，则无论多大的火花能量都不能使混合气点燃。 这是因为，当间隙太小时，受电极的散热作用影响太强，使初始火焰的形成和传播发生困难。 淬熄距离 当管径或容器尺寸小到某个临界值时，由于火焰 单位容积的散热量太大，生热量不足，火焰便不能传播 。这个临界管径，叫淬熄距离 周围混气能否点着，在于小混气团的发热率是否大于散热率。这个小混气团的大小和它具有的能量对点火有决定性的意义。第5