燃氣燃燒理論基礎(chǔ)考試要點

1、燃燒理論復(fù)習(xí)一、復(fù)習(xí)提綱燃氣的高低熱值1 m3燃氣完全燃燒后，其煙氣被冷卻至初始溫度所放出的熱量稱為該燃氣的熱值，單位為kJ/m3。當(dāng)燃燒煙氣中H2O以氣體狀態(tài)排出時，燃燒所放出的熱量稱之為低熱值；當(dāng)H2O以凝結(jié)水狀態(tài)排出時，蒸汽中所含的潛熱得以釋放，此種狀態(tài)下所放出的熱量稱之為高熱值。顯然，燃氣的高熱值大于低熱值，差值為水蒸氣的氣化潛熱。如何得到混合氣體的熱值混合氣體的熱值可以由各單一氣體的熱值根據(jù)混合法則進行計算 理論空氣需要量理論空氣需要量：指按燃燒反應(yīng)計量方程式，1m3（或kg）燃氣完全燃燒所需的空氣量，是燃氣完全燃燒所需的最小空氣量，單位為m3/m3或m3/kg。過剩空氣系數(shù)實際供給

2、的空氣量與理論空氣需要量之比稱為過剩空氣系數(shù) 熱量計溫度熱量計溫度。假設(shè)燃燒過程在絕熱條件下（Q2=0）,且完全燃燒（ Q3=0 ）,忽略煙氣成分的高溫分解（ Q4=0 ）,由燃氣和空氣帶入的全部熱量完全用于加熱煙氣本身，這時煙氣所能達到的溫度稱為熱量計溫度燃燒熱量溫度燃燒熱量溫度。在上述（1）的假設(shè)條件下，若不計燃氣和空氣帶入的物理熱（Ig=Ia=0），并且假設(shè)=1，得到的煙氣溫度稱為燃燒熱量溫度理論燃燒溫度理論燃燒溫度。在絕熱且完全燃燒的條件下，所得到的煙氣溫度稱為理論燃燒溫度,它表明某種燃氣在一定條件下燃燒，其煙氣所能達到的最高溫度。 實際燃燒溫度實際燃燒溫度。實際燃燒溫度與理論燃燒溫度

3、的差值隨工藝過程和爐窯結(jié)構(gòu)的不同而不同，很難精確地計算出來。實際工作中采用經(jīng)驗公式 式中 高溫系數(shù)。對于一般燃氣工業(yè)爐窯可取=0.650.85；無焰燃燒器的火道可取=0.9。影響燃燒溫度的因素1.熱值的影響 一般來說，燃燒溫度隨燃氣低熱值的增大而增大。但有時熱值低的燃氣的燃燒溫度可能高于熱值高的燃氣的燃燒溫度，這主要是由于燃燒產(chǎn)物的數(shù)量和比熱等因素起了主要作用。比如CH4的熱值雖高于H2，但其燃燒溫度卻低于H2。2.過?？諝庀禂?shù)的影響 燃燒區(qū)的過剩空氣系數(shù)太小時，會導(dǎo)致燃燒不完全；若過?？諝庀禂?shù)太大，則增加了燃燒產(chǎn)物的數(shù)量。3.空氣和燃氣溫度的影響 預(yù)熱空氣或燃氣可加大空氣和燃氣的焓值，從而提

4、高燃燒溫度。由于燃燒時空氣量比燃氣量大得多，因此預(yù)熱空氣對提高燃燒溫度的影響比較明顯。4.設(shè)備散熱的影響 由于被加熱物體的吸熱和設(shè)備向四周的散熱，實際燃燒溫度比理論燃燒溫度低。設(shè)備結(jié)構(gòu)越合理，保溫越好，實際燃燒溫度也就越接近理論燃燒溫度。5.燃燒的化學(xué)熱損失 燃燒的化學(xué)熱損失越多，提供給煙氣的熱量就越少，燃燒溫度也越低。在提供了足夠空氣的情況下，使燃氣與空氣充分混合是減少化學(xué)熱損失的有效方法。 理論煙氣量 當(dāng)只供給理論空氣量時，燃氣完全燃燒后產(chǎn)生的煙氣量稱為理論煙氣量。當(dāng)有過剩空氣時，稱為實際煙氣量。 煙氣中各種成分的函數(shù)關(guān)系煙氣的焓煙氣的焓，是指1m3干燃氣燃燒所生成的煙氣在等壓條件下從0加

5、熱到煙氣溫度時所需要的熱量，單位為kJ/m3干燃氣。化學(xué)反應(yīng)速率在化學(xué)反應(yīng)中，單位時間內(nèi)反應(yīng)物質(zhì)（或燃燒產(chǎn)物）的濃度改變率。質(zhì)量作用定律當(dāng)溫度不變時，某化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率是與該瞬間各反應(yīng)物濃度的乘積成正比的。該定律說明了化學(xué)反應(yīng)速率在一定溫度下與反應(yīng)物濃度的關(guān)系一級反應(yīng)如果實驗測得的反應(yīng)速率只與反應(yīng)物濃度一次方成正比，這個反應(yīng)稱為一級反應(yīng)。二級反應(yīng)如果實驗測得的反應(yīng)速率或當(dāng)時則這種反應(yīng)為二級反應(yīng)，依此類推。半衰期反應(yīng)物濃度降為初始濃度一半所需的時間1/2稱為半衰期對行反應(yīng)對行反應(yīng)：假如正逆反應(yīng)每消耗一個單位濃度，都形成一個單位濃度的產(chǎn)物，則經(jīng)過時間后，消耗了cx濃度的A，形成了cx濃度的B。在

6、對行反應(yīng)中，經(jīng)過無限長時間后反應(yīng)物濃度等于其平衡濃度平行反應(yīng)平行反應(yīng)：假設(shè)兩個平行反應(yīng)都是一級反應(yīng)，經(jīng)過時間后，反應(yīng)物消耗了cx，形成的產(chǎn)物分別為cx1，cx2，則cx= cx1 + cx2 連續(xù)反應(yīng)連續(xù)反應(yīng)：假設(shè)都是一級反應(yīng)，經(jīng)過時間后，反應(yīng)物A消耗了cx，形成的產(chǎn)物C為cy，則產(chǎn)物B的濃度為cx cy 活化能在一定溫度下，只有具有一定能量足以克服勢能使其能量從Ea達到Eb能量水平的活化分子才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，兩者能量之差即為活化能：Ea=Ea Eb 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后到達終點c，這之間所釋放出的能量為Eb Ec ，而氣體真正放熱為Q=EaEc ，稱為反應(yīng)的熱效應(yīng)。如果Q為正值則此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，

7、如果為負(fù)值則為吸熱反應(yīng)?；罨行脑谠S多實驗中，在反應(yīng)區(qū)有大量自由原子和游離基，這些自由原子和游離基具有高度的化學(xué)活潑性，這使得反應(yīng)變得更容易，我們把這些自由原子和游離基稱為活化中心（或物質(zhì)鏈），鏈的傳遞過程就是活化中心再生的過程。支鏈反應(yīng)當(dāng)一個活化中心引發(fā)一個單元反應(yīng)后，會生成多個活化中心時，稱為支鏈反應(yīng)支鏈反應(yīng)歷程鏈的激發(fā)過程：氫原子由于熱力活化或其他激發(fā)作用形成最初的活化中心。H22H鏈的傳遞過程：H+O2OH+O-71.2kJ/mol所需活化能75.4kJ/molO+H2OH+H+2.1kJ/mol所需活化能25.1kJ/mol OH+H2H2O+H+50.2kJ/mol所需活化能42k

8、J/mol加在一起為總的連傳遞過程：H+3H2+O2 3H+2H2O可見氫與氧的燃燒反應(yīng)過程中，鏈傳遞的每一個循環(huán)都會使一個活化中心變成三個。鏈的斷裂過程：與容器壁或惰性分子碰撞H+OH H2O H+H H2 O+O O2自然著火著火可能是由于氧化反應(yīng)逐漸積累熱能，或活化中心濃度不斷積累，從而自行加速反應(yīng)，最后導(dǎo)致燃燒。這種著火稱為自燃著火。強制著火、點火著火也可能通過外加熱源，使得局部地區(qū)的可燃混合物完成著火，然后以一定速度向其他地區(qū)擴展導(dǎo)致全部可燃混合物燃燒，這種著火方式稱為強迫著火或點火。灼熱固體顆粒點燃可燃混合物的臨界條件有一熱金屬顆粒放入可燃混合物中，其附近的溫度分布示于圖中，當(dāng)發(fā)生

9、放熱反應(yīng)時，溫度梯度較小，因而從表面?zhèn)飨蚪橘|(zhì)的熱流也較小。當(dāng)顆粒溫度升高到某一臨界值Tis時，表面?zhèn)飨蚪橘|(zhì)的熱流等于零。如果顆粒表面溫度稍高于Tis則反應(yīng)加快，而大部分則流向周圍介質(zhì)。溫度臨界值Tis就是強制點火的點火溫度。熱力著火一般工程上遇到的著火是由于系統(tǒng)中熱量的積聚，氧化反應(yīng)過程生成的熱量大于散失的熱量，使溫度急劇上升而引起的。這種著火稱為熱力著火。熱力著火的渠道支鏈著火在支鏈反應(yīng)中，當(dāng)活化中心增加的數(shù)量不僅能抵償鏈的斷裂同時又能抵償反應(yīng)物濃度減少時，活化中心數(shù)量將不斷增加，引起反應(yīng)自動加速從而使反應(yīng)由穩(wěn)定的氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的氧化反應(yīng)的過程，稱為支鏈著火。支鏈著火的壓力下限和上限支

10、鏈著火有兩個壓力極限。在一定溫度條件下，當(dāng)壓力低于某一個極限值時，分子運動的自由行程較長，活化中心擴散到壁面的速度大，增加了其銷毀的可能性，會失去支鏈著火的能力，該壓力極限值稱為支鏈著火的壓力下限；當(dāng)壓力超過某一極限值時，增加了活化中心與其他惰性氣體分子碰撞的機會，而大量在氣相中銷毀，失去支鏈著火的能力，該壓力極限值稱為支鏈著火的壓力上限。著火半島爆炸下限與溫度關(guān)系不大。爆炸上限隨著溫度的升高而升高，這是因為活化中心的形成速率隨溫度的升高而增加，而其銷毀的速率與溫度無關(guān)，所以爆炸區(qū)域隨溫度升高而增大，形成一個類似半島的形狀，稱之為著火半島。著火感應(yīng)期可燃混合物從開始到溫度達到著火點所經(jīng)歷的時間

11、i，稱為熱力著火感應(yīng)期。在此期間系統(tǒng)主要進行熱量的積聚，化學(xué)反應(yīng)所占比重很小。最小點火能 當(dāng)電極間隙內(nèi)的可燃混合物的濃度、溫度和壓力一定時，若要形成初始火焰中心。放電能量必須有一最小極值。能量低于此極值時不能形成初始火焰中心。這個必要的最小放電能量就是最小點火能Emin?；鸹óa(chǎn)生后便形成一高溫可燃混合氣的小球，如果火焰球過小，則溫度梯度過陡，內(nèi)核的反應(yīng)析熱率不足以抵償預(yù)熱外層未燃氣體的熱損失率。這時，熱損失量不斷超過反應(yīng)熱量，造成整個反應(yīng)空間溫度下降，反應(yīng)逐漸中斷，火焰波只是在點火時點燃一小部分氣體后就熄滅了。所以，最小點火能就是為建立臨界最小尺寸的火焰所需的能量。熄火距離 當(dāng)其他條件給定時，

12、點燃可燃混合物所需的能量與電極間距d有關(guān)。當(dāng)d小到無論多大的火花能量都不能使可燃混合物點燃時，這個最小距離就叫熄火距離dq。因為當(dāng)電極間隙過小時，初始火焰中心對電極的散熱過大，以致火焰不能向周圍混合物傳播。層流（湍流）火焰?zhèn)鞑ニ俣仍诳扇蓟旌衔镏蟹湃朦c火源點火時，產(chǎn)生局部燃燒反應(yīng)而形成點源火焰。由于反應(yīng)釋放的熱量和生成的自由基等活性中心向四周擴散傳輸，使緊挨著的一層未燃氣體著火、燃燒，形成一層新的火焰。反應(yīng)依次往外擴張，形成瞬時的球形火焰面。此火焰面的移動速度稱為層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n(或稱層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐l，或正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣?，簡稱火焰?zhèn)鞑ニ俣?。在湍流流動時，火焰面變得混亂和曲折，形成火焰的

13、湍流傳播。在研究湍流火焰?zhèn)鞑r，把焰面視為一束燃氣與已燃氣之間的宏觀整體分界面，也稱為火焰鋒面。湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣纫彩菍@個幾何面來定義的，用St表示。影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩?. 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c平均熱導(dǎo)率的平方根成正比，與熱容的平方根成反比，因此層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c氣體混合物的物理常數(shù)有關(guān)。2. 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著差值（Ti-T0）的減小而增加，若將氣體預(yù)熱到Ti，則層流火焰?zhèn)鞑ニ俣染蜁呄蛴跓o窮大。3. 可燃混合物的熱效應(yīng)及化學(xué)反應(yīng)速率顯著地影響著層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?. 可燃混合物的過?？諝庀禂?shù)亦將影響其層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，?dāng)>1或<1時都會降低層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?/p>

14、測定方法一般可歸納為靜力法和動力法兩類。靜力法有管子法和皂泡法，動力法有本生火焰法和平面火焰法火焰?zhèn)鞑舛壬舷藓拖孪弈苁够鹧胬^續(xù)不斷傳播所必需的最低燃氣濃度，稱為火焰?zhèn)鞑舛认孪?或低限)；能使火焰繼續(xù)不斷傳播所必需的最高燃氣濃度，稱為火焰?zhèn)鞑舛壬舷?或高限)。自由射流當(dāng)氣流由管嘴或孔口噴射到充滿靜止介質(zhì)的無限空間時，形成的氣流稱為自由射流。自由射流的實質(zhì)是噴出氣體與周圍介質(zhì)進行動量和質(zhì)量交換的過程，即噴出氣體與周圍介質(zhì)的混合過程。層流自由射流結(jié)構(gòu)射流的外部邊界為直線OB、OC，交點O為射流的極點。在射流邊界上，前進運動速度為零。射流向外部介質(zhì)進行分子擴散的邊界AD、ED也是直線。在ADE區(qū)

15、域內(nèi)，氣體速度等于噴嘴出口的起始速度，稱為射流核心區(qū)。射流外部邊界的夾角1稱為射流張角。射流核心區(qū)邊界的夾角為射流核心收縮角2。通常周圍介質(zhì)的溫度和密度與噴出氣流不同，這時稱為非等溫射流。湍流自由射流規(guī)律一般噴嘴噴出速度都很大，在噴嘴出口處即形成湍流射流。 湍流射流內(nèi)部有許多分子微團的橫向脈動，引起射流與周圍介質(zhì)之間的質(zhì)量和動量交換，使周圍介質(zhì)被卷吸。這就是湍流擴散過程。射流的卷吸作用是由于內(nèi)摩擦產(chǎn)生的，內(nèi)摩擦力的大小決定于擴散系數(shù)和速度梯度。湍流擴散系數(shù)比分子擴散系數(shù)大得多。絕對（相對）穿透深度當(dāng)射流軸線變得與主氣流方向一致時，噴嘴出口平面到射流軸線之間的法向距離h定義為絕對穿透深度。絕對穿

16、透深度h與噴嘴直徑d之比，定義為相對穿透深度。射程在射流軸線上定出一點，使該點的軸速度在x方向上的分速度x為出口速度2的5%，以噴嘴平面至該點的相對法向距離，定義為射程。旋轉(zhuǎn)射流規(guī)律1. 在旋轉(zhuǎn)射流中除了具有直流射流中存在的軸向分速和徑向分速外，還有一個切向分速，而且其徑向分速在噴嘴出口附近比直流射流的徑向分速大得多。2. 由于旋轉(zhuǎn)的原因，使得在軸向和徑向上都建立了壓力梯度，這兩個壓力梯度反過來又影響流場。在強旋轉(zhuǎn)下，旋轉(zhuǎn)射流的內(nèi)部建立了一個回流區(qū)。3. 在強旋轉(zhuǎn)下，旋轉(zhuǎn)射流不但從射流外側(cè)卷吸周圍介質(zhì)，而且還從內(nèi)回流區(qū)中卷吸介質(zhì)。在燃燒過程中，從內(nèi)、外回流區(qū)卷吸的煙氣對著火的穩(wěn)定性起著十分重要

17、的作用。4. 旋轉(zhuǎn)射流的擴展角一般比直流射流的大，而且它隨旋轉(zhuǎn)的強弱而變化。5. 旋轉(zhuǎn)射流的射程較小。旋流數(shù)旋轉(zhuǎn)射流的無因次特性擴散式燃燒燃氣中不含氧化劑(即=0)，則燃燒所需的氧氣將依靠擴散作用從周圍大氣獲得。這種燃燒方式稱為擴散式燃燒。 擴散火焰高度層流擴散火焰的長度與氣流速度成正比，而在湍流區(qū)火焰長度與氣流速度無關(guān)。碳氫化合物擴散燃燒時的多相過程碳氫化合物進行擴散燃燒時，可能出現(xiàn)兩個不同的區(qū)域：一個是真正的擴散火焰，它是一個很薄的反應(yīng)層；另一個是光焰區(qū)，其中有固體碳粒燃燒。 大氣式燃燒1855年本生創(chuàng)造出一種燃燒器，燃燒前預(yù)先混入一部分燃燒所需空氣，火焰變得清潔，燃燒得以強化。習(xí)慣上又稱

18、大氣式燃燒。部分預(yù)混燃燒中影響火焰穩(wěn)定的因素層流：氣流速度大于燃燒速度，火焰底部被推離，火孔壁面對火焰底部的冷卻作用減弱，燃燒速度增大，焰面底部能夠重新穩(wěn)定。湍流：氣流速度，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎苓吽俣忍荻壤碚撛谌紵鞒隹诘闹苓吿?，火焰?zhèn)鞑ニ俣群蜌饬魉俣榷际窃谧兓?。氣流速度梯?、 2 、3分別為產(chǎn)生回火；產(chǎn)生回火的極限位置；火焰穩(wěn)定三種情況。當(dāng)周邊速度梯度再繼續(xù)增大，使火焰進一步被推離火孔。這時由于可燃混合物物與空氣的相互擴散過強，使得氣流邊界層附近的可燃混合物被空氣過分稀釋，導(dǎo)致該處的燃燒速度下降。這時在火焰底部任何一點上的氣流速度都大于燃燒速度，于是火焰就被無限制推離火孔,產(chǎn)生脫火。 火焰拉伸

19、理論當(dāng)未燃氣體具有速度梯度時，則從某單位面積焰面?zhèn)鹘o未燃氣體的熱量并不全部返回到該單位面積焰面，而是有一部分熱量從低流速區(qū)向高流速區(qū)轉(zhuǎn)移。這樣，低流速區(qū)的火焰溫度就降低，該區(qū)的燃燒速度也相應(yīng)降低。而且，某一段火焰的氣流速度梯度越大，這一段火焰低流速區(qū)的火焰溫度也降得越多，熄火作用也越厲害。這顯然是一種可能導(dǎo)致脫火的機理。 周邊速度梯度的增加既引起火焰拉伸，又引起周圍空氣對可燃混合物的稀釋。火焰拉伸脫火理論強調(diào)了前者，而周邊速度梯度理論則強調(diào)了后者。 完全預(yù)混燃燒燃氣-空氣混合物到達燃燒區(qū)后能在瞬時間燃燒完畢。火焰很短甚至看不見，所以又稱無焰燃燒完全預(yù)混燃燒的條件進行完全預(yù)混式燃燒的條件是：第一

20、、燃氣和空氣在著火前預(yù)先按化學(xué)當(dāng)量比混合均勻；第二、設(shè)置專門的火道(或燃燒室)，使燃燒區(qū)內(nèi)保持穩(wěn)定的高溫。面積熱強度面積熱強度是指燃燒室(或火道)單位面積上在單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量。容積熱強度容積熱強度是指燃燒室(或火道)單位容積內(nèi)單位時間所產(chǎn)生的熱量。熱力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx一般把NOx的生成分成熱力NOx(T-NOx)、快速NOx(P-NOx)和燃料NOx(F-NOx)。熱力NOx是指燃燒用空氣中的N2在高溫下氧化而生成的氮氧化物?？焖傩蚇Ox的生成機理是指碳氫系燃料在過?？諝庀禂?shù)小于1的情況下，在火焰面內(nèi)急劇生成大量的NOx。燃料NOx的生成取決于燃料中的含氮化合物，城市

21、燃氣中一般不含燃料氮，所以不必考慮燃料NOx。NOx生成的影響因素溫度的影響、過?？諝庀禂?shù)的影響、停留時間的影響、燃料種類的影響（燃料種類對熱力NOx影響很小）、壓力的影響、湍流脈動的影響降低NOx的排放措施實際措施有分段燃燒（包括空氣分級和燃料分級）、濃淡燃燒、催化燃燒、低氧燃燒、煙氣再循環(huán)、添加劑等。煙氣脫硝方法煙氣脫硝技術(shù)是最直接的手段，可以更徹底地消除NOx，同時不會對燃燒方式產(chǎn)生制約 。該技術(shù)是利用NO具有氧化、還原和吸附的特征采取的措施，有氧化法（也稱濕法）和還原法（也稱干法）。氨選擇性催化還原法、選擇性非催化還原法；臭氧氧化法、ClO2氣相氧化吸收還原法、高錳酸鉀液相氧化吸收法二、敘述題質(zhì)量作用定律是化學(xué)反應(yīng)的基本定律，但為何大多燃燒反應(yīng)不能直接使用質(zhì)量作用定律。燃燒多為復(fù)雜反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)方程式并非整個化學(xué)反應(yīng)的真正過程，所以無法直接使用質(zhì)量作用定律可燃混合物燃燒前是否有氧化反應(yīng)？如何才能著火燃燒？燃氣的燃燒可分為兩個階段，第一階段為著火階段，燃氣和氧化劑進行著緩慢的氧化反應(yīng)。氧化反應(yīng)過程生成的熱量大于散失的熱量，或者活化中心增加的數(shù)量大于其銷毀的數(shù)量，這個過程就稱為不穩(wěn)定的氧化反應(yīng)過程。由穩(wěn)定的氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的氧化反應(yīng)而引起燃燒的一瞬間，稱為著火。在強制點火中，灼熱固體顆粒將周圍可燃混合物點燃的臨界條件是什么。顆粒表面溫度稍高于臨界值Tis 也