1、2020年9月28日1第五章第五章 气体燃料的燃烧气体燃料的燃烧2020年9月28日2章节安排章节安排 5.1 气体燃料燃烧原理及特点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预混可燃气体的着火和燃烧 5.3 气体燃料的扩散燃烧气体燃料的扩散燃烧2020年9月28日35.1 气体燃料燃烧原理及特点气体燃料燃烧原理及特点2020年9月28日4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个阶段三个阶段两种类型两种类型预混燃烧预混燃烧扩散燃烧扩散燃烧
2、全预混燃烧全预混燃烧半预混燃烧半预混燃烧2020年9月28日5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，称为论空气量之比，称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，称为半预混燃烧；当一次时，称为半预混燃烧；当一次空气系数大于或等于空气系数大于或等于1时，称为全预混燃烧时，称为全预混燃烧2020年9月28日65.2 预混可燃气体的着火和燃烧预混可燃气体的着火和燃烧2020年9月28日7预混可燃气体的燃烧过程预混可燃气体的燃烧过程 有两个基本阶段有两个基本阶段 着火阶段着火阶段
3、燃烧的准备阶段，主要是积累热量和活化分子燃烧的准备阶段，主要是积累热量和活化分子 着火后的燃烧阶段着火后的燃烧阶段2020年9月28日8预混可燃气的着火方法预混可燃气的着火方法着火方法着火方法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2020年9月28日9爆炸式化学反应爆炸式化学反应反应机理反应机理热爆燃热爆燃链锁爆燃链锁爆燃由于链锁反应的分支由于链锁反应的分支使活化中心
4、迅速增加，使活化中心迅速增加，导致化学反应速度急导致化学反应速度急剧增大剧增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规律迅速增加热自燃热自燃链锁自燃链锁自燃2020年9月28日10热自燃理论热自燃理论 又称又称谢苗诺夫热着火理论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
5、，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。2020年9月28日11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
6、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2020年9月28日12/10nE RTAQq k C e 20()SQTTV/1E RTQAe20()QB TT 放热速率放热速率 散热速率散热速率Q1TQT01T02ABC2020年9月28日13改变散热条件时改变散热条件时2020年9月28日14改变初始温度时改变初始温度时Q Q1Q Q22020年9月28日15改变发热曲线时改变发热曲线时Q Q1Q Q2 22020年9月28日16热自燃条件热自燃条件 系统发生热自燃的条件是系统发生热自燃的条件是Q1=Q2。当发热曲线与。当发热曲线与散热曲线只有一个切点时
7、，此切点称为散热曲线只有一个切点时，此切点称为着火点着火点，其对应的温度即为其对应的温度即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？2020年9月28日17着火温度的计算着火温度的计算1212CCCCT TT TT TT TQQQQTT 02CCERTCERTCA eB TTEAeBRT04122CRTEETRRE0222000222122CR TRTRTEETTRREEE200CRTTTE2020年9月28日18热自燃理论的应用热自燃理论的应用 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
8、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0.065MPa0.065MPa，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2020年9月28日19热自燃的感应期热自燃的感应期 定义定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
9、和压力，或提高燃气浓度，感应期可缩短浓度，感应期可缩短2020年9月28日20着火极限着火极限在自燃临界状态：1212CCCCT TT TT TT TQQQQTT 00cBERTabAcK QV C C eS TT/02()CE RTabABCEK QVCC eSRT（1）（2）210CCABERTabcT TRTQK QVC C EeSE两式相除有两式相除有20CCRTTTE带带入（入（1）得）得2020年9月28日21两边取对数、整理，得：设反应物总摩尔浓度为C，即CCACB xA为燃料的摩尔分数，xB为空气（氧）摩尔分数AACxCBBCxCccPCRT1201lnln2(1)nncnan
10、 accAAPESRTRTK QVExx20cABERTabcRTK QVC C EeSE012(1)CEnRTan acAAnnCQVK PSxxeRTE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：21lnln2(1)cccAAPABTTxx2020年9月28日22着火界限着火界限 反应级数为反应级数为2时的简化谢苗诺夫方程时的简化谢苗诺夫方程21lnln2(1)cccAAPABTTxx2020年9月28日23压力与温度的关系（浓度不变）压力与温度的关系（浓度不变）根据热
11、自燃理论，根据热自燃理论，在一定浓度下，着火温度与系在一定浓度下，着火温度与系统的压力成反比统的压力成反比非着火区着火区PcTc物资名称 自燃点（）0.1MPa 0.15MPa 0.20MPa 0.25MPa 0.30MPa 0.40MPa 汽油蒸汽 480 350 310 290 280 250 2020年9月28日24一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
12、在着火的温度极限温度极限 2020年9月28日25一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=const2020年9月28日26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2020年9月28日2
13、7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之间的关系关系。2020年9月28日28（1 1）温度不变，降低压力）温度不变，降低压力 自由基器壁消
14、毁速度加快自由基器壁消毁速度加快,当压当压力下降到某一数值后，销毁速度等于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 自由基气相消毁速度加快自由基气相消毁速度加快,当压当压力升高到某一数值后，销毁速度等于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 反应放热越来越显著，放热大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于散热，热量积累而使反应自动加速引发热自燃引发热自燃2020年9月28日29
15、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的混合气体中传播，播，点火温度一般要比自燃温度
16、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2020年9月28日30点燃过程点燃过程0WdTdn点火临界条件：2020年9月28日31可燃混合物的点火浓度界限可燃混合物的点火浓度界限 点火浓度界限在工业上比较常用，与着火浓度界点火浓度界限在工业上比较常用，与着火浓度界限相近限相近100iiixVx2020年9月28日32预混可燃气体的燃烧预混可燃气体
17、的燃烧 预混可燃气体的燃烧过程就是火焰的传播过程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
18、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2020年9月28日33一、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”2020年9月28日34焰锋结构焰锋结构 正锥形火焰前锋正锥形火焰前锋 球面火焰前锋球面火焰前锋 抛物线形火焰前锋抛物线形火焰前锋 倒锥形火焰前锋倒锥形火焰前锋20
19、20年9月28日35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
20、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2020年9月28日36层流火焰传播速度层流火焰传播速度 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与预混可燃气体的热扩散系数a的平方根成正比的平方根成正比，与平均化学反应时间与平均化学反应时间t t 的平方的平方根成反比根成反比 火焰前锋面厚度火焰前锋面厚度d d与火焰传播速度成反比与火焰传播速度成反比2LaStLaSd2020年9月28日37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
21、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mm2020年9月28日38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2020年9月28日39多组分燃气混合物多组分燃气混合物SL计算计算2020年9月28日40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H2COCH4C2H4CO
22、2O2N238.7510.9123.865.718.780.31.7H2COCH4C2H4SLi(m/s)4.831.250.671.42li(%)38.59.845.07.12020年9月28日41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
23、体后的实际火焰传播速度为Lmax48.9130.1213.777.24.830.671.251.4238.59.8457.148.9130.1213.777.238.59.8457.1 =1.75(m/s)SLLmax22(1 0.010.012)=1.75(1-0.01 1.7-0.012 18.78)=1.33(m/s)SSNCO2020年9月28日42二、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
24、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。很薄，火焰传播速度小。层流火焰：层流火焰：2020年9月28日43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传播速度较层流大几倍，不仅与燃料的物理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。，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。设备的经济性好。湍流火焰伴随着噪音湍流火焰伴随着噪音2020年9
25、月28日44（1）湍流流动使火焰变形，火焰表面积增加，因而增大）湍流流动使火焰变形，火焰表面积增加，因而增大了反应区；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）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；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）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。合时间，提高了燃烧速度。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？2020年9月28日45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流的脉动作用使火焰前沿
26、面发生弯曲和皱折，显著地增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度加快，从而使火焰传播速度ST增大；同时由于湍流作用增大；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，也促使使得热传导速度及活性物质扩散速度加快，也促使ST增大；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为均匀可燃混合物2020年9月28日46湍流火焰传播湍流火焰传播三种湍流火焰：三种湍流火焰：2020年9
27、月28日47容积燃烧理论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，湍流对燃烧的影响以扩散为主，由于扩散迅速，不存在将不存在将未燃可燃物和已燃气体分开的火焰面未燃可燃物和已燃气体分开的火焰面；每个湍动的气团内，；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；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；各气团到着火
28、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化学反应2020年9月28日48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2020年9月28日49均相预混气体火焰的稳定均相预混气体火焰的稳定 火焰稳定的两
29、个基本条件火焰稳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2020年9月28日505.3 气体燃料的扩散燃烧气体燃料的扩散燃烧2020年9月28日51层流扩散火焰结构层流扩散火焰结构 火焰可分为四个区域火焰可分为四个区域 中心的纯燃料区中心的纯燃料区 外围的纯空气区外围的纯空气区 火焰面外侧的燃烧产物和火焰面外侧的燃烧产物和空气的混合区空气的混合区 火焰面内侧的燃烧产物和火焰面内侧的燃烧产物和燃料的混合区燃料的混合区2020年9月28日52层流扩散火焰层流扩散火焰24cwdLDw：燃料流速，d：燃烧器管径D：燃料扩散系数火焰长度2020年9月28日53湍流扩散燃烧湍流扩散燃烧2020年9月28日54演讲完毕，谢谢观看！Thank you for reading!In order to facilitate learning and use,the content of this document can be modified,adjusted and printed at will after downloading.Welcome to download!汇报人：XXX 汇报日期：20XX年10月10日
