燃燒學(xué)-4氣體燃料的燃燒

著火方式：自燃點(diǎn)燃著火機(jī)理熱力著火連鎖著火氣體燃料和氧化劑混合狀態(tài)預(yù)混氣體燃燒半預(yù)混氣體燃燒擴(kuò)散燃燒燃燒狀態(tài)層流燃燒湍流燃燒小尺度湍流火焰大尺度弱湍流火焰大尺度強(qiáng)湍流火焰工業(yè)火焰穩(wěn)定性值班火焰鈍體穩(wěn)焰小股反向射流旋轉(zhuǎn)射流受限射流第4章氣體燃料的燃燒自然界中燃料的著火可分為兩種：自燃——燃料自發(fā)地著火點(diǎn)燃——依靠外熱源強(qiáng)迫加熱，使燃料著火自燃機(jī)理主要包括兩種：熱力著火——反應(yīng)物溫度不斷升高，反應(yīng)加快，直到著火，可用Arrihenius定律和質(zhì)量作用定律解釋連鎖著火——活化粒子增值數(shù)大于銷毀數(shù)，反應(yīng)不斷加快，分支鏈反應(yīng)和直鏈反應(yīng)4.1預(yù)混可燃?xì)怏w的著火和自燃理論一、自燃的分類可燃?xì)怏w混合物在反應(yīng)過(guò)程中的釋熱率（產(chǎn)熱率）可用下式表示式中：QI——燃燒過(guò)程的釋熱率，kJ/(s·m3)Q1——單位摩爾數(shù)燃料的燃燒熱，kJ/molv——燃燒的化學(xué)反應(yīng)速度，mol/(s·m3)C——反應(yīng)物濃度，mol/m3t——反應(yīng)時(shí)間，s二、絕熱條件下的自燃過(guò)程二、絕熱條件下的自燃過(guò)程可燃?xì)怏w混合物在反應(yīng)過(guò)程中的釋熱率（產(chǎn)熱率）可用下式表示式中，Q1——可燃?xì)怏w混合物的熱值，kJ/mol可燃?xì)怏w吸收熱量而升溫，單位時(shí)間單位容積內(nèi)吸收的熱量為：kJ/m3·skJ/m3·s二、絕熱條件下的自燃過(guò)程穩(wěn)定條件下，QI=QII，即：二、絕熱條件下的自燃過(guò)程對(duì)上式進(jìn)行積分，得到：當(dāng)T達(dá)到著火溫度時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)著火，自發(fā)著火，自燃。當(dāng)燃料燃盡，即C=0時(shí)，燃燒產(chǎn)物溫度達(dá)到理論燃燒溫度Ta二、絕熱條件下的自燃過(guò)程自燃過(guò)程中，反應(yīng)物濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)速度和反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系可用下圖表示：TvCtiti稱為著火感應(yīng)期，著火延遲期或著火誘導(dǎo)期三、非絕熱條件下的自燃過(guò)程自然界中不存在絕熱過(guò)程，任何系統(tǒng)總是存在散熱過(guò)程，在有散熱的條件下，可以用謝苗諾夫非穩(wěn)態(tài)著火理論揭示自燃的熱力著火規(guī)律。單位時(shí)間、單位體積內(nèi)釋放的熱量單位時(shí)間、單位容積內(nèi)散熱損失量式中：a——放熱系數(shù)S——表面積V——系統(tǒng)容積三、非絕熱條件下的自燃過(guò)程TQI釋熱率曲線TQII散熱率曲線三、非絕熱條件下的自燃過(guò)程一般情況下，釋熱率曲線和散熱率曲線有兩個(gè)交點(diǎn)，A點(diǎn)和B點(diǎn)。A點(diǎn)穩(wěn)定。當(dāng)外界有微小擾動(dòng)時(shí)，例如T?，散熱>釋熱，T?，回到A點(diǎn);當(dāng)T?，散熱<釋熱，T?，回到A點(diǎn)。B點(diǎn)不穩(wěn)定。輕微擾動(dòng)將使B點(diǎn)失去平衡。圖中

c點(diǎn)為著火臨界點(diǎn)

Tc為著火溫度

T0c為自燃溫度

T0c~Tc之間的時(shí)間為著火感應(yīng)期TaTcTbABCT0cQT三、非絕熱條件下的自燃過(guò)程c點(diǎn)是曲線qg與ql的切點(diǎn)，因此可得自燃的臨界條件四、影響著火的因素增加釋熱量QI增加燃料濃度增加燃料壓力增加燃料發(fā)熱量增加燃料活性釋熱率曲線左移，在相同溫度下，燃料放熱量增加，著火溫度降低，著火溫度降低，著火提前QTQI’QI’’QII’’QII’C’’C’T0c’T0c’’四、影響著火的因素環(huán)境溫度環(huán)境溫度升高，相當(dāng)于散熱曲線右移，散熱率曲線與釋熱率曲線的交點(diǎn)B降低，著火溫度降低，著火提前QTQIQII1CT0cABT0bT0aT02T01T03QII2QII3四、影響著火的因素比表面積和散熱系數(shù)燃料粒徑的大小燃燒區(qū)周圍的散熱條件燃料的比表面積越大，相當(dāng)于散熱面積越大，散熱率增加，燃料著火條件變差，著火溫度上升，著火推遲；散熱系數(shù)越大，散熱率越大，燃料著火條件變差，著火溫度上升，著火推遲QII3TQIQII1CT0cAB1T0b1T0aT01QII2T0b2B2Q五、著火延滯期實(shí)際的燃燒設(shè)備，不僅要求燃料能穩(wěn)定地燃燒，而且要求預(yù)混氣體能及時(shí)地著火，因此了解可燃混合物的著火延滯期具有實(shí)際意義著火延滯期就是可燃混合物從初始慍度T0上升到著火溫度Tc所經(jīng)歷的時(shí)間

一、什么是點(diǎn)燃工程上是燃料著火的方式通常為點(diǎn)燃點(diǎn)燃定義具有較高能量的外界熱源接觸可燃?xì)怏w，依靠外界能源使部分預(yù)混可燃?xì)怏w首先發(fā)生劇烈反應(yīng)而著火，然后火焰?zhèn)鞑サ秸麄€(gè)混合氣中去，又稱為強(qiáng)迫著火，強(qiáng)燃常用的外界熱源熾熱物體（石英球、鉑球）小火焰（具有一定的溫度和火焰厚度）電火花，工程上常用，控制電極距離4.2預(yù)混可燃?xì)怏w的點(diǎn)燃理論二、點(diǎn)燃機(jī)理熾熱物體對(duì)預(yù)混可燃?xì)怏w的影響熱球T預(yù)混可燃?xì)怏wTwxTT-Tw之間溫差帶來(lái)的溫升預(yù)混氣燃燒帶來(lái)的溫升二、點(diǎn)燃機(jī)理對(duì)于不可燃?xì)怏w，當(dāng)有熾熱物體靠近時(shí)，只帶來(lái)邊界處溫升，沒(méi)有燃燒放熱帶來(lái)的溫升對(duì)于可燃?xì)怏w，當(dāng)有熾熱物體靠近時(shí)，既有溫差帶來(lái)的溫升，又有燃燒帶來(lái)的溫升靠近壁面處，T=Tw，反應(yīng)快，放熱多，?T高；遠(yuǎn)離壁面處，傳熱少，溫升小溫度低，燃燒反應(yīng)慢，溫升小二、點(diǎn)燃機(jī)理Tx可燃?xì)怏w反應(yīng)發(fā)熱，但是dT/dx<0，不能著火可燃?xì)怏w反應(yīng)發(fā)熱，同時(shí)dT/dx=0，處于著火臨界狀態(tài)可燃?xì)怏w反應(yīng)發(fā)熱，同時(shí)dT/dx>0，能夠著火，反應(yīng)速率大，溫度升高TxTx三、熱物體表面附近溫度濃度分析熱物體表面附近，預(yù)混氣溫度濃度分析條件穩(wěn)定工況定義相對(duì)混度：f=c/r(預(yù)混氣產(chǎn)物濃度/預(yù)混氣密度）xTxdxfT三、熱物體表面附近溫度濃度分析假設(shè)：穩(wěn)定狀態(tài)下，微元體dx的傳熱與反應(yīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)此時(shí)，存在物質(zhì)平衡

GI=GII式中，GII——散熱量

GI——化學(xué)反應(yīng)量則三、熱物體表面附近溫度濃度分析同時(shí)，存在熱平衡

QI=QII式中：QI——單位距離導(dǎo)熱量，主要是傳導(dǎo)熱

QII——化學(xué)反應(yīng)放熱量整理后得到三、熱物體表面附近溫度濃度分析一般情況下，熱擴(kuò)散系數(shù)（導(dǎo)熱系數(shù)）近似等于物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，則：積分，并代入邊界條件x=+∞，T=T0，f=f0同時(shí)考慮理論燃燒溫度Ta與Q1的關(guān)系Q1C0=Cpr0

(Ta-T0)得到三、熱物體表面附近溫度濃度分析代入積分式可見(jiàn)，點(diǎn)燃條件與下列因素有關(guān)：氣體的物理性質(zhì)（決定Ta）氣體燃料的濃度（決定Ta）周圍環(huán)境溫度（決定T0）點(diǎn)燃物質(zhì)能量（決定f）四、點(diǎn)燃熱力理論在點(diǎn)燃臨界狀態(tài)下，可燃?xì)怏w層中的溫度和濃度分布應(yīng)滿足下述條件：四、點(diǎn)燃熱力理論五、可燃界限要使可燃混合物著火，不僅要求熱源要有一定的溫度水平，而且熱源與可燃混合物的接觸要保證有一定的時(shí)間。在一定的能源性質(zhì)、形狀及大小等條件下，使一定的可燃混合物發(fā)生著火所必須的能源與混合物的接觸時(shí)間，稱臨界點(diǎn)燃時(shí)間tc。五、可燃界限層流燃燒預(yù)混可燃?xì)怏w與流速不高（層流狀態(tài)）的火焰?zhèn)鞑シQ為層流燃燒火焰?zhèn)鞑タ扇細(xì)怏w混合物的局部首先著火，著火部分向未燃部分傳遞熱量和活性粒子，使之相繼著火的過(guò)程稱為火焰?zhèn)鞑セ鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣妊鼗鹧驿h面的法向，火焰移動(dòng)的速度稱為火焰?zhèn)鞑ニ俣?.3層流火焰?zhèn)鞑ヒ弧恿魅紵闹饕獌?nèi)容火焰鋒面很薄，通常只有1mm到幾mm厚層流火焰壓力變化很小，可以認(rèn)為是等壓流動(dòng)、燃燒過(guò)程層流火焰?zhèn)鞑ニ俣群艿?，un通常在1m/s以下生成物未燃物unv為平均化學(xué)反應(yīng)速度二、層流火焰?zhèn)鞑タ扇蓟旌蠚怏w初溫un∝T01.5~2絕熱火焰溫度v∝e-E/RT影響很大而1/(Ta-T0)影響很小,v起決定性作用unT0CH4C2H4unTaCH4C2H4三、影響層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩貕毫1/p；rp；vpnunpn/2-1n——反應(yīng)級(jí)數(shù)，通常為1~2n小于2,降低n等于2，無(wú)關(guān)n大于2，升高unaa=1化學(xué)當(dāng)量比化學(xué)當(dāng)量比在略小于1時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲髐npr0unp三、影響層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩厝剂闲再|(zhì)烷烴含碳量越高，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱笙N和炔烴含碳量越高，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍叫√砑觿┘尤攵栊詺怏w后，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸冃〖尤肟扇嘉锖?，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兇髐nnc炔烴烯烴烷烴加惰性氣體燃料量un加可燃物unCO+空氣三、影響層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩貙?shí)際燃燒過(guò)程中，氣流速度都很高，多數(shù)處于湍流狀態(tài)湍流火焰分類湍流火焰小尺度湍流火焰大尺度湍流火焰大尺度弱湍流火焰大尺度強(qiáng)湍流火焰4.4湍流火焰?zhèn)鞑ヒ?、湍流火焰的分類小尺度湍流火焰條件：流體微團(tuán)的平均尺寸<層流火焰面厚度現(xiàn)象：能夠保持規(guī)則的火焰鋒面湍流火焰面厚度dT>層流火焰面厚度dn特點(diǎn)：小尺度湍流火焰只是增強(qiáng)了物質(zhì)的輸運(yùn)特性，從而使熱量和活性粒子的傳輸加速，而在其他方面沒(méi)有什么影響dndTF二、小尺度弱湍流火焰大尺度弱湍流火焰條件：流體微團(tuán)的平均尺寸>層流火焰面厚度脈動(dòng)速度w’<層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萿n現(xiàn)象：火焰鋒面扭曲火焰鋒面未被吹破dndTunuTwF三、大尺度弱湍流火焰大尺度強(qiáng)湍流火焰條件流體微團(tuán)的平均尺寸>層流火焰面厚度脈動(dòng)速度w’>層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萿n現(xiàn)象不存在連續(xù)的火焰面F四、大尺度強(qiáng)湍流火焰小尺度湍流火焰和大尺度弱湍流火焰可用表面理論來(lái)解釋認(rèn)為燃燒化學(xué)反應(yīng)本身的速度非常高，燃燒化學(xué)反應(yīng)只是在薄薄的一層火焰鋒面內(nèi)進(jìn)行。對(duì)于小尺度湍流火焰:2300<Re<6000對(duì)于管內(nèi)流動(dòng)因此有人認(rèn)為：五、湍流火焰的表面理論對(duì)于大尺度弱湍流火焰Re>6000火焰面被吹得扭曲微團(tuán)尺寸大于火焰鋒面尺寸認(rèn)為微團(tuán)面上法線方向火焰?zhèn)鞑ニ俣热詾閷恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣萿n五、湍流火焰的表面理論大尺度強(qiáng)湍流火焰用容積理論來(lái)解釋容積理論：燃燒化學(xué)反應(yīng)在火焰中各處表現(xiàn)都以不同速度進(jìn)行著。湍流輸運(yùn)使不同成分的氣體在火焰區(qū)內(nèi)燃燒同時(shí)進(jìn)行著摻混，燃燒與摻混造成火焰?zhèn)鞑チ⑼牧骰鹧娴娜莘e理論大尺度強(qiáng)湍流火焰模型可以設(shè)想成大團(tuán)大團(tuán)未燃燒的可燃混合物沖破火焰鋒面，而輸入高溫的燃燒產(chǎn)物中，大團(tuán)大團(tuán)的高溫燃燒產(chǎn)物也沖破火焰鋒面而輸入未燃燒的可燃混合物中。這些大團(tuán)的尺寸都超過(guò)層流火焰厚度，它們?cè)谳斶\(yùn)之后都保存自己的獨(dú)立性，一下子不能和周圍氣團(tuán)混合。湍動(dòng)使火焰遷移的哪里，就燃燒到哪里。所以這時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢哉J(rèn)為近似等于脈動(dòng)速度。六、湍流火焰的容積理論根據(jù)上述規(guī)律，得出火焰?zhèn)鞑ニ俣纫?guī)律uT/unRe×1032.351051層流小尺度湍流大尺度湍流七、火焰?zhèn)鞑ニ俣纫?guī)律強(qiáng)化燃燒設(shè)法提高火焰的傳播速度強(qiáng)化層流燃燒火焰的途徑燃料Q1空氣化學(xué)當(dāng)量比v溫度Ta與T0壓力r0un添加劑Q1v4.5火焰的穩(wěn)定一、強(qiáng)化燃燒的途徑強(qiáng)化湍流火焰的途徑除針對(duì)層流火焰燃燒的影響因素外還要注意提高湍流的氣流速度但是氣流速度過(guò)大會(huì)使火焰吹熄一、強(qiáng)化燃燒的途徑工程上希望燃料和氧化劑保持穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)和釋放熱量，以便于控制和工程應(yīng)用。因此常要求燃燒設(shè)備中火焰穩(wěn)定在一定位置，即在一定位置著火，按一定速度發(fā)生劇烈反應(yīng)，并在一定位置燃盡和離開(kāi)燃燒室工程上應(yīng)用的火焰都是湍流火焰，氣流速度和Re比較高,因此可以減少回火現(xiàn)象，而應(yīng)主要防止脫火穩(wěn)定火焰的核心方法：保持著火區(qū)局部高溫二、工程火焰穩(wěn)定性工程火焰穩(wěn)定方法值班火焰：在流速較高的預(yù)混可燃?xì)怏w附近放置一個(gè)流速較低的穩(wěn)定的小型點(diǎn)火火焰，使主氣流受到小火焰不間斷的點(diǎn)燃，只要小火焰的點(diǎn)火能量足夠，主火焰就能夠保持穩(wěn)定。鈍體穩(wěn)燃：鈍體是不良流線體，在大Re數(shù)下，流體繞過(guò)鈍體時(shí)，在鈍體的某個(gè)位置會(huì)使流體邊界層脫離開(kāi)鈍體，從而在下游鈍體的背面形成回流區(qū)，可以反卷高溫?zé)煔獬蔀闊嵩?，有利于穩(wěn)定著火和燃燒。二、工程火焰穩(wěn)定性小股反向射流：采用小股高速反向射流噴入可燃主氣流中，形成局部回流區(qū)來(lái)提高火焰穩(wěn)定性，原理上和鈍體接近，但主氣流的阻力損失較小，小股射流介質(zhì)可使用壓縮空氣，也可以使用蒸汽。旋轉(zhuǎn)射流：利用旋轉(zhuǎn)射流的離心作用，在燃燒室的噴口軸線附近形成回流區(qū)。受限射流：射流空間受限，散熱損失小，局部氣流溫度高，火焰容易穩(wěn)定。二、工程火焰穩(wěn)定性總結(jié)工程上穩(wěn)定火焰的方法可分為三類：設(shè)置點(diǎn)火器，實(shí)時(shí)對(duì)主燃燒器提供點(diǎn)火能量制造回流區(qū)，卷吸高溫?zé)煔?，?qiáng)化進(jìn)入燃燒室的燃料的傳熱，滿足著火條件穩(wěn)定著火改變?nèi)紵齾^(qū)的散熱條件，減小著火階段火焰的散熱損失，保持著火區(qū)足夠的溫度，穩(wěn)定火焰二、工程火焰穩(wěn)定性預(yù)混火焰預(yù)混射流（燃料和空氣混合物）直接形成的火焰，又稱為反應(yīng)動(dòng)力火焰或動(dòng)力火焰擴(kuò)散火焰燃燒時(shí)燃料與空氣尚未混合，而是邊擴(kuò)散邊燃燒，燃燒所用的氧氣全靠外界擴(kuò)散獲得，稱為擴(kuò)散控制燃燒，擴(kuò)散燃燒，其火焰稱為擴(kuò)散火焰4.6氣體燃料火焰的類型和射流火焰一、預(yù)混火焰和擴(kuò)散火焰本生燈二、本生燈的燃燒現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)燃料一次空氣二次空氣外焰內(nèi)焰F二、本生燈的燃燒現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)一次空氣全關(guān)。燃料所需空氣全部由外部供給，火焰很長(zhǎng)，發(fā)出黃色亮光，且不時(shí)冒黑煙，只有外焰。一次空氣的當(dāng)量比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1。燃料與一級(jí)空氣在第一個(gè)內(nèi)火焰處開(kāi)始燃燒，因?yàn)檠趿坎蛔悖A(yù)混氣中的氧耗盡后，煤氣沒(méi)有燒完，靠二級(jí)空氣來(lái)燃燒，火焰變短，內(nèi)外焰。一次空氣的當(dāng)量比小于1