5氣體燃料的燃燒.ppt

第五章氣體燃料的燃燒 章節(jié)安排 5 1氣體燃料燃燒原理及特點5 2預混可燃氣體的著火和燃燒5 3氣體燃料的擴散燃燒 5 1氣體燃料燃燒原理及特點 氣體燃料的燃燒過程 完成燃燒化學反應 混合后可燃氣體混合物的加熱和著火階段 燃氣和空氣的混合階段 三個階段 兩種類型 預混燃燒 擴散燃燒 全預混燃燒 半預混燃燒 預混燃燒 燃燒前已與燃氣混合的空氣量與該燃氣燃燒的理論空氣量之比 稱為一次空氣系數(shù) 當一次空氣系數(shù)大于0而小于1時 稱為半預混燃燒 當一次空氣系數(shù)大于或等于1時 稱為全預混燃燒 5 2預混可燃氣體的著火和燃燒 預混可燃氣體的燃燒過程 有兩個基本階段著火階段燃燒的準備階段 主要是積累熱量和活化分子著火后的燃燒階段 預混可燃氣的著火方法 著火方法 自燃 點燃 由于外界能量的加入 而使預混可燃氣體的化學反應速度急劇加快所引起的著火 由于自身溫度的升高而導致化學反應速度自行加速所引起的著火 爆炸式化學反應 反應機理 熱爆燃 鏈鎖爆燃 由于鏈鎖反應的分支使活化中心迅速增加 導致化學反應速度急劇增大 系統(tǒng)內(nèi)熱量的積聚 使溫度升高 引起化學反應速度按阿累尼烏斯指數(shù)規(guī)律迅速增加 熱自燃 鏈鎖自燃 熱自燃理論 又稱謝苗諾夫熱著火理論 某一反應體系在初始條件下 進行緩慢的氧化還原反應 反應產(chǎn)生熱量 同時向環(huán)境散熱 當產(chǎn)生的熱量大于散熱時 體系的溫度升高 化學反應速度加快 產(chǎn)生更多的熱量 反應體系的溫度進一步升高 直至著火燃燒 基本思想 即自熱體系著火成功與否取決于其放熱因素和散熱因素的相互關系 發(fā)生熱自燃時的溫度稱為熱自燃溫度或著火溫度 研究對象 預混可燃氣體 閉口系簡化假設 體積為V 表面積為S 壁溫 T0 混合氣初始溫度為T0 容器對環(huán)境的總換熱系數(shù) 不變 著火前容器內(nèi)可燃物濃度均勻不變 放熱速率 散熱速率 改變散熱條件時 改變初始溫度時 改變發(fā)熱曲線時 熱自燃條件 系統(tǒng)發(fā)生熱自燃的條件是Q1 Q2 當發(fā)熱曲線與散熱曲線只有一個切點時 此切點稱為著火點 其對應的溫度即為著火溫度 著火溫度是不是物性參數(shù) 著火溫度的計算 熱自燃理論的應用 著火感應期著火極限 濃度極限 壓力極限 溫度極限 爆炸極限爆炸濃度極限 如 甲烷 空氣 5 15 爆炸壓力極限 如 甲烷 空氣 小于0 065MPa 不爆炸爆炸溫度極限 如 甲烷 空氣 小于690 不爆炸 熱自燃的感應期 定義 預混可燃氣體從初始溫度加熱到著火溫度所需的時間 所有的著火過程都有感應期 長短不一 與溫度和氣體成分有關 提高預混氣體的溫度和壓力 或提高燃氣濃度 感應期可縮短 著火極限 在自燃臨界狀態(tài) 1 2 兩式相除有 帶入 1 得 兩邊取對數(shù) 整理 得 設反應物總摩爾濃度為C 即C CA CBxA為燃料的摩爾分數(shù) xB為空氣 氧 摩爾分數(shù) 謝苗諾夫方程 根據(jù)此方程 如果 S V E Q K0已知 n 2 可以將上式簡化為 著火界限 反應級數(shù)為2時的簡化謝苗諾夫方程 壓力與溫度的關系 濃度不變 根據(jù)熱自燃理論 在一定濃度下 著火溫度與系統(tǒng)的壓力成反比 一定壓力下的著火極限 存在著火的濃度極限溫度升高 濃度極限范圍增大 反之減小 溫度下降至某一值 系統(tǒng)失去爆炸性 存在著火的溫度極限 一定溫度下的著火極限 存在著火的濃度極限壓力升高 濃度極限范圍增大 反之減小 壓力下降至某一值 系統(tǒng)失去爆炸性 存在著火的壓力極限 鏈鎖自燃理論 烴類氣體燃燒的 冷焰 現(xiàn)象鹵代烷的高效滅火性能氫 氧體系的著火 半島 熱自燃理論無法解釋的現(xiàn)象 鏈鎖自燃理論的基本思想 在氧化反應體系中 使反應加速不一定要靠熱量的積累 也可以通過分支的鏈鎖反應 迅速增加活化中心 自由基 濃度 來促使反應不斷加速直至著火爆炸 鏈鎖自燃理論的基本出發(fā)點 鏈鎖反應體系著火與否取決于該體系自由基的生成速度和銷毀速度之間的關系 1 溫度不變 降低壓力自由基器壁消毀速度加快 當壓力下降到某一數(shù)值后 銷毀速度等于生成速度 即達到了自燃的第一極限 2 溫度不變 升高壓力自由基氣相消毀速度加快 當壓力升高到某一數(shù)值后 銷毀速度等于生成速度 達到了第二極限 3 溫度不變 壓力再升高反應放熱越來越顯著 放熱大于散熱 熱量積累而使反應自動加速引發(fā)熱自燃 點燃理論 第一 強制著火僅僅在混合氣局部 點火源附近 中進行 而自燃著火則在整個混氣空間進行 第二 自燃著火是全部混合氣體都處于環(huán)境溫度T0包圍下 由于反應自動加速 使全部可燃混合氣體的溫度逐步提高到自燃溫度而引起 強制著火時 混合氣處于較低的溫度狀態(tài) 為了保證火焰能在較冷的混合氣體中傳播 點火溫度一般要比自燃溫度高 第三 可燃混合氣能否被點燃 不僅取決于熾熱物體附面層內(nèi)局部混合氣能否著火 而且還取決于火焰能否在混合氣中自行傳播 點燃與自燃的主要區(qū)別 點燃過程 可燃混合物的點火濃度界限 點火濃度界限在工業(yè)上比較常用 與著火濃度界限相近 預混可燃氣體的燃燒 預混可燃氣體的燃燒過程就是火焰的傳播過程 當可燃混合氣的某一局部點燃著火時 將形成一個薄層火焰面 火焰面產(chǎn)生的熱量加熱鄰近層的混合氣 使其溫度升高至著火溫度而發(fā)生燃燒 這樣一層一層地著火燃燒 把燃燒擴展到整個混合氣 稱為火焰?zhèn)鞑?燃燒化學反應只在一個薄層火焰面內(nèi)進行 火焰將已燃氣體和未燃氣體分隔開來 并非在整個混合氣內(nèi)同時進行 根據(jù)流動狀況 預混燃燒可以分為層流燃燒和湍流燃燒兩種 一 層流燃燒 正在進行激烈發(fā)光反應的氣體薄層 火焰前鋒 層流流動下火焰前鋒的傳播速度 沿法線方向 稱為 正常傳播速度 或 層流傳播速度 焰鋒結(jié)構(gòu) 正錐形火焰前鋒球面火焰前鋒拋物線形火焰前鋒倒錐形火焰前鋒 層流火焰?zhèn)鞑ダ碚?熱力理論 擴散理論 火焰中化學反應主要是由于熱量的導入使分子熱活化而引起的 所以火焰前沿的反應區(qū)在空間中的移動決定于從反應區(qū)向新鮮預混可燃氣體傳熱的傳導率 火焰中的化學反應主要是由活化中心向新鮮預混可燃氣體擴散 促使其鏈鎖反應發(fā)展所致 熱力理論不否認火焰中有活化中心存在和擴散 但認為活化中心的擴散對反應速度的影響不是主要的 熱力理論與實際較為接近 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c預混可燃氣體的熱擴散系數(shù)a的平方根成正比 與平均化學反應時間t的平方根成反比火焰前鋒面厚度d與火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸煞幢?層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩?可燃氣體混合物的性質(zhì) 燃料分子的結(jié)構(gòu) 過量空氣系數(shù) 可燃混合氣的壓力 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩?可燃混合氣的初始溫度 混合氣中的惰性氣體 多組分燃氣混合物SL計算 例題 已知煤氣中各成分體積組成又知其中各可燃氣體組分在25mm管中的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣群拖鄳細鉂舛惹竺簹庠?5mm管中的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣?煤氣中可燃成分的組成為100 18 78 0 3 1 7 79 22 不考慮不可燃氣體的可燃氣組成含量為H2 38 75 79 22 48 91 CH4 30 12 CO 13 77 C2H4 7 20 因此燃氣的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣葹榭紤]不可燃的惰性氣體后的實際火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?二 湍流燃燒 火焰長度縮短 焰鋒變寬 并有明顯的噪聲 焰鋒不再是光滑的表面 而是抖動的粗糙表面 火焰?zhèn)鞑タ?湍流火焰 火焰鋒面光滑 焰鋒厚度很薄 火焰?zhèn)鞑ニ俣刃?層流火焰 紊流火焰 紊流火焰的特點湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣容^層流大幾倍 不僅與燃料的物理化學性質(zhì)有關 而且與湍流性質(zhì)有關 湍流強度增大 將使湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?火焰更短 燃燒室尺寸更緊湊 加上向外散熱損失小 因此燃燒設備的經(jīng)濟性好 湍流火焰伴隨著噪音 1 湍流流動使火焰變形 火焰表面積增加 因而增大了反應區(qū) 2 湍流加速了熱量和活性中心的傳輸 使反應速率增加 即燃燒速率增加 3 湍流加快了新鮮氧氣和燃氣之間的混合 縮短了混合時間 提高了燃燒速度 為什么紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚?皺折表面燃燒理論 容積燃燒理論 湍流的脈動作用使火焰前沿面發(fā)生彎曲和皺折 顯著地增大了已燃氣體與未燃氣體相接觸的焰鋒表面積 使反應速度加快 從而使火焰?zhèn)鞑ニ俣萐T增大 同時由于湍流作用使得熱傳導速度及活性物質(zhì)擴散速度加快 也促使ST增大 湍流的脈動使燃氣與燃燒產(chǎn)物快速混合 使火焰本質(zhì)上成為均勻可燃混合物 湍流火焰?zhèn)鞑?三種湍流火焰 容積燃燒理論 湍流對燃燒的影響以擴散為主 由于擴散迅速 不存在將未燃可燃物和已燃氣體分開的火焰面 每個湍動的氣團內(nèi) 溫度和濃度是均勻的 但不同氣團的溫度和濃度是不同的 在整個微團內(nèi)存在著快慢不同的燃燒反應 達到著火的微團整體燃燒 未達到著火條件的微團在脈動中被加熱并達到著火燃燒 火焰不是連續(xù)的薄層 但到處都有 各氣團間互相滲透混合 不時形成新微團 進行不同程度的容積化學反應 湍流火焰?zhèn)鞑?湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒炑芯靠扇蓟旌衔餄舛鹊挠绊?與層流相似 存在前沿傳播的濃度界限和最大傳播速度Re的影響 Re越大 最大傳播速度越大 氣流速度增加 最大傳播速度顯著增加可燃混合物的初始溫度 初始溫度越高 傳播速度越大改善實際燃燒性能的方法使用層流燃燒傳播速度大的可燃預混氣提高紊流強度提高混合氣體的壓力和溫度 均相預混氣體火焰的穩(wěn)定 火焰穩(wěn)定的兩個基本條件 必須滿足余弦定理