燃烧学气体燃料的燃烧课件.pptx

1、气体燃料的燃烧着火方式：自燃 点燃着火机理 热力着火 连锁着火气体燃料和氧化剂混合状态 预混气体燃烧 半预混气体燃烧 扩散燃烧燃烧状态 层流燃烧 湍流燃烧工业火焰稳定性 值班火焰 钝体稳焰 小股反向射流 旋转射流 受限射流自然界中燃料的着火可分为两种：自燃燃料自发地着火 点燃依靠外热源强迫加热，使燃料着火自燃机理主要包括两种：热力着火反应物温度不断升高，反应加快，直到着火，可用Arrihenius定律和质量作用定律解释 连锁着火活化粒子增值数大于销毁数，反应不断加快，分支链反应和直链反应 可燃气体混合物在反应过程中的释热率（产热率）可用下式表示ddCQvQQI11式中：QI燃烧过程的释热率，k

2、J/(sm3)Q1单位摩尔数燃料的燃烧热，kJ/molv燃烧的化学反应速度，mol/(s m3)C反应物浓度，mol/m3反应时间，s稳定条件下，QI=QII，即：dCCQdTdTCdCQddTCddCQddTCddCQpppp1111对上式进行积分，得到：CCCQTTCQCCTTCCCQTTdCCQdTpppCCpTT010100010100当T达到着火温度时，即可实现着火，自发着火，自燃。当燃料燃尽，即C=0时，燃烧产物温度达到理论燃烧温度Ta010CCQTTpa 可燃气体混合物在反应过程中的释热率（产热率）可用下式表示ddCQvQQI11式中，Q1可燃气体混合物的热值，kJ/mol可燃气

3、体吸收热量而升温，单位时间单位容积内吸收的热量为：kJ/m3sddTCQpIIkJ/m3s自燃过程中，反应物浓度、反应温度、反应速度和反应时间的关系可用下图表示：TvCii称为着火感应期，着火延迟期或着火诱导期自然界中不存在绝热过程，任何系统总是存在散热过程，在有散热的条件下，可以用揭示自燃的热力着火规律。nRTEICekQvQQ011单位时间、单位体积内释放的热量0TTVSQII单位时间、单位容积内散热损失量式中：放热系数S表面积V系统容积TQI释热率曲线TQII散热率曲线 一般情况下，释热率曲线和散热率曲线有两个交点，A点和B点。A点稳定。当外界有微小扰动时，例如T，散热释热，T，回到A点

4、;当T，散热释热，T，回到A点。B点不稳定。轻微扰动将使B点失去平衡。图中 c点为着火临界点 Tc为着火温度 T0c为自燃温度 T0cTc之间的时间为着火感应期TaTcTbABCT0cQT0)(0TTSddTVcVqpgddTcqqplgc点是曲线qg与ql的切点，因此可得自燃的临界条件 clcgqqclcgdTdqdTdq)(/expoccocnoTTSRTECQVkSRTECQVkRTECnC)/exp(002ERTTTccc202104122ERTRERETcc按泰勒级数展开指数项 21002021 412cccRTRTRTEEE ERTTTccc200ERTVSCRTEQkcno20e

5、xpERTEVQkSRTpcnncn00120exp假定预混气体为理想气体 ERTEVQkSRTpcnncn00120expVQESRTRTEpnncnc12exp图5-9 自燃条件下温度与压力的关系临界压力温度 一定压力下着火温度成分增加释热量QI 增加燃料浓度 增加燃料压力 增加燃料发热量 增加燃料活性释热率曲线左移，在相同温度下，燃料放热量增加，着火温度降低，着火温度降低，着火提前QTQIQIQIIQIICCT0cT0c环境温度环境温度升高，相当于散热曲线右移，散热率曲线与释热率曲线的焦点B降低，着火温度降低，着火提前QTQIQII1CT0cABT0bT0aT02T01T03QII2QI

6、I3比表面积和散热系数 燃料粒径的大小 燃烧区周围的散热条件燃料的比表面积越大，相当于散热面积越大，散热率增加，燃料着火条件变差，着火温度上升，着火推迟；散热系数越大，散热率越大，燃料着火条件变差，着火温度上升，着火推迟QII3TQIQII1CT0cAB1T0b1T0aT01QII2T0b2B2Q实际的燃烧设备，不仅要求燃料能稳定地燃烧，而且要求预混气体能及时地着火，因此了解可燃混合物的着火延滞期具有实际意义 着火延滞期就是可燃混合物从初始愠度T0上升到着火温度Tc所经历的时间 ncCRTEkv00exp21vCCci0ncpiCRTEkERTQc002exp2工程上是燃料着火的方式通常为点燃

7、点燃点燃定义 具有较高能量的外界热源接触可燃气体，依靠外界能源使部分预混可燃气体首先发生剧烈反应而着火，然后火焰传播到整个混合气中去，又称为强迫着火，强燃常用的外界热源 炽热物体（石英球、铂球）小火焰（具有一定的温度和火焰厚度）电火花，工程上常用，控制电极距离炽热物体对预混可燃气体的影响热球T预混可燃气体TwxTT-Tw之间温差带来的温升预混气燃烧带来的温升对于不可燃气体，当有炽热物体靠近时，只带来边界处温升，没有燃烧放热带来的温升对于可燃气体，当有炽热物体靠近时，既有温差带来的温升，又有燃烧带来的温升 靠近壁面处，T=Tw，反应快，放热多，T高；远离壁面处，Tx可燃气体反应发热，但是dT/d

8、x0，能够着火，反应速率大，温度升高TxTx热物体表面附近，预混气温度浓度分析条件 稳定工况 定义相对混度：f=c/预混气产物浓度/预混气密度）xTxdxfT假设：稳定状态下，微元体dx的传热与反应处于稳定状态此时，存在 GI=GII式中，GII散热量 GI化学反应量dxdfDdxdnRTECek0nRTECekdxdfDdxd0则同时，存在 QI=QII式中：QI单位距离导热量，主要是传导热 QII化学反应放热量22dxTdnRTECekQ01dxdfDdxdQdxTd122整理后得到一般情况下，热扩散系数（导热系数）近似等于物质扩散系数，则：2212222122dxfdCQdxTddxfd

9、CQdxTdCDCDpppp积分，并代入边界条件x=+，T=T0，f=f0同时考虑理论燃烧温度Ta与Q1的关系Q1C0=Cp0(Ta-T0)得到000001fTTCTTCQaap代入积分式)(0000TTffTTTTTTffaaaa可见，点燃条件与下列因素有关：气体的物理性质（决定Ta）气体燃料的浓度（决定Ta）周围环境温度（决定T0）点燃物质能量（决定f）在点燃临界状态下，可燃气体层中的温度和浓度分布应满足下述条件：00exp00022waandxdTTTTTffRTECQkdxTdexpexp1cccEERTTTRTTexp1cccTTERTT2expexpcccE TTERTRT要使可燃

10、混合物着火，不仅要求热源要有一定的温度水平，而且热源与可燃混合物的接触要保证有一定的时间。在一定的能源性质、形状及大小等条件下，使一定的可燃混合物发生着火所必须的能源与混合物的接触时间，称临界点燃时间tc。2、流速的影响3.可燃混合物初温的影响4.掺入其它物质的影响层流燃烧预混可燃气体与流速不高（层流状态）的火焰传播称为层流燃烧火焰传播可燃气体混合物的局部首先着火，着火部分向未燃部分传递热量和活性粒子，使之相继着火的过程称为火焰传播火焰传播速度沿火焰锋面的法向，火焰移动的速度称为火焰传播速度火焰锋面很薄，通常只有1mm到几mm厚层流火焰压力变化很小，可以认为是等压流动、燃烧过程层流火焰传播速度

11、很低，un通常在1m/s以下生成物未燃物un21022012vTTCQuapnv为平均化学反应速度F022QdxdTucdxTdp022dxdfudxfdDff02222dxdfuQdxdTucdxfdQDdxTdp022QfTcdxdDuQfTcdxdpp00TTTTffff00dxdTTTxTTxxii，：0TTcudxdTipsoxxi022QdxTd0dxdTTTxTTxxfii，：2222dxTddxdTdxdTdxddxdTQdxTddxdT2222dxdTQdxdTdxd22fiiTTxxdTQdxdT22212fiiTTxxdTQdxdT2102fiTTipsodTQTTcu2

12、1002fiTTfpodTQTTcu001fTTfdTTT1 2022002pfuQcTT 可燃混合气体初温 unT01.52绝热火焰温度 v e-E/RT影响很大 而1/(Ta-T0)影响很小,v起决定性作用unT0CH4C2H4unTaCH4C2H4压力1/p；p；v pnun pn/2-1n反应级数，通常为12un=1 化学当量比 化学当量比在略小于1时，火焰传播速度最大unp0unp燃料性质 烷烃含碳量越高，火焰传播速度越大 烯烃和炔烃含碳量越高，火焰传播速度越小添加剂 加入惰性气体后，火焰传播速度变小 加入可燃物后，火焰传播速度变大unnc炔烃烯烃烷烃加惰性气体燃料量un加可燃物un

13、CO+空气实际燃烧过程中，气流速度都很高，多数处于湍流状态湍流火焰分类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强湍流火焰小尺度湍流火焰 条件：流体微团的平均尺寸层流火焰面厚度 现象：特点：dndTF大尺度弱湍流火焰 条件：现象：dndTunuTwF大尺度强湍流火焰 条件 现象F小尺度湍流火焰和大尺度弱湍流火焰可用表面理论来解释 认为燃烧化学反应本身的速度非常高，燃烧化学反应只是在薄薄的一层火焰锋面内进行。对于小尺度湍流火焰:2300Re6000 火焰面被吹得扭曲 微团尺寸大于火焰锋面尺寸 认为微团面上发现方向火焰传播速度仍为层流火焰传播速度un大尺度弱湍流火焰传播表面理论模型

14、稳定情况下 uTS=unS即 uT=unS/S只要求出S/S即可求出uThSSuThll222221224lhlhllSS211211)2/(22wuuuwuuwuuulwhnnnTnnTn大尺度强湍流火焰用容积理论来解释容积理论：燃烧化学反应在火焰中各处表现都以不同速度进行着。湍流输运使不同成分的气体在火焰区内燃烧同时进行着掺混，燃烧与掺混造成火焰传播 大尺度强湍流火焰模型可以设想成大团大团未燃烧的可燃混合物冲破火焰锋面，而输入高温的燃烧产物中，大团大团的高温燃烧产物也冲破火焰锋面而输入未燃烧的可燃混合物中。这些大团的尺寸都超过层流火焰厚度，它们在输运之后都保存自己的独立性，一下子不能和周围

15、气团混合。湍动使火焰迁移的哪里，就燃烧到哪里。所以这时的火焰传播速度可以认为近似等于脉动速度。2132nuwuT根据上述规律，得出火焰传播速度规律uT/unRe1032.351051层流小尺度湍流大尺度湍流强化燃烧设法提高火焰的传播速度强化层流燃烧火焰的途径21022012vTTCQuapn强化湍流火焰的途径 除针对层流火焰燃烧的影响因素外 还要注意提高湍流的气流速度 但是气流速度过大会使火焰吹熄 工程上希望燃料和氧化剂保持稳定的化学反应和释放热量，以便于控制和工程应用。因此常要求燃烧设备中火焰稳定在一定位置，即在一定位置着火，按一定速度发生剧烈反应，并在一定位置燃尽和离开燃烧室 工程上应用的

16、火焰都是湍流火焰，气流速度和Re比较高,因此可以减少回火现象，而应主要防止脱火 稳定火焰的核心方法：保持着火区局部高温工程火焰稳定方法 值班火焰值班火焰：在流速较高的预混可燃气体附近放置一个流速较低的稳定的小型点火火焰，使主气流受到小火焰不间断的点燃，只要小火焰的点火能量足够，主火焰就能够保持稳定。钝体稳燃钝体稳燃：钝体是不良流线体，在大Re数下，流体绕过钝体时，在钝体的某个位置会使流体边界层脱离开钝体，从而在下游钝体的背面形成回流区，可以反卷高温烟气成为热源，有利于稳定着火和燃烧。小股反向射流小股反向射流：采用小股高速反向射流喷入可燃主气流中，形成局部回流区来提高火焰稳定性，原理上和钝体接近

17、，但主气流的阻力损失较小，小股射流介质可使用压缩空气，也可以使用蒸汽。旋转射流旋转射流：利用旋转射流的离心作用，在燃烧室的喷口轴线附近形成回流区。受限射流受限射流：射流空间受限，散热损失小，局部气流温度高，火焰容易稳定。总结 工程上稳定火焰的方法可分为三类：预混火焰 预混射流（燃料和空气混合物）直接形成的火焰，又称为反应动力火焰或动力火焰扩散火焰 燃烧时燃料与空气尚未混合，而是边扩散边燃烧，燃烧所用的氧气全靠外界扩散获得，称为扩散控制燃烧，扩散燃烧，其火焰称为扩散火焰本生灯燃料一次空气二次空气外焰内焰F1.一次空气全关。2.一次空气的当量比远远小于1。3.一次空气的当量比小于1。4.一次空气的

18、当量比等于1。5.一次空气的当量比大于1。按质量守恒定律，层流预混火焰长度LSr0wu112020202202200202200020uwrlrlrlruwlrrurwlrrSrFrFFuFwAgAg影响预混火焰长度的因素 管径增加，预混火焰长度增加 气流速度增加，预混火焰长度增加 火焰传播速度增加，预混火焰长度减小湍流状态下，上述公式也成立 火焰传播速度为uT，由于此时w已很高，w/u1uwruwrL0201 从管内流出的可燃气体流量M1r02w喷出的可燃气体向火焰面外扩散量为M2DFdf/dy火焰面Fr0LM2Dr0L(1/r0)平衡状态下，M1=M2r02wDL即Lr02w/Dr0M1LFM2xy影响扩散火焰长度的因素 喷口直径（半径）对火焰长度的影响是绝对的，而且成平方关系。为了强化燃烧，应该减小管径，以小孔代替大孔。层流区 湍流区 火焰面上，化学当量比等于1。燃烧产物浓度最高，温度最高。碳氢化合物在缺氧条件下，可受热分解产生炭黑，形成光亮火焰，同时可能带来未完全燃烧损失和环境污染燃料浓度温度燃烧产物