燃气工程燃气燃烧基本理论课件

第八章燃气燃烧基本理论第一节燃气的燃烧计算第二节燃气燃烧过程第三节燃气燃烧方法第四节燃气燃烧污染控制第五节燃气的互换性第八章燃气燃烧基本理论第一节燃气的燃烧计算1第一节燃气的燃烧计算一、燃烧及燃烧反应计量方程式二、燃气热值的确定三、燃烧所需空气量四、完全燃烧产物的计算第一节燃气的燃烧计算一、燃烧及燃烧反应计量方程式2一、燃烧及燃烧反应计量方程式对于气体燃料来说，燃烧是指气体中的可燃成分在一定条件下与氧发生剧烈的氧化作用，并产生大量的热和光的物理化学反应过程。燃烧反应计量方程式是进行燃烧计算的依据。它可以表示出燃烧反应前后，燃气中的各种可燃物质与其燃烧产物之间的量值比例关系。一、燃烧及燃烧反应计量方程式对于气体燃料来说，燃烧是指气体中3一、燃烧及燃烧反应计量方程式任何一种形式的碳氢化合物CmHn的燃烧反应方程式都可以用以下通式表示：一、燃烧及燃烧反应计量方程式任何一种形式的碳氢化合物CmHn4二、燃气热值的确定在工业与民用燃气应用设备中，烟气中的水蒸气通常是以气体状态排出的，因此实际工程中经常用到的是燃气的低热值。有时为了进一步利用烟气中的热量，把烟气冷却至其露点温度以下使水蒸气冷凝液化，只有这时才用到燃气的高热值。二、燃气热值的确定在工业与民用燃气应用设备中，烟气中的水蒸气5二、燃气热值的确定实际使用的燃气是含有多种组分的混合气体。混合气体的热值一般根据式(1-19)或(1-20)，由各单一气体的热值计算得出。二、燃气热值的确定实际使用的燃气是含有多种组分的混合气体。混6三、燃烧所需空气量燃烧所需的氧一般是从空气中直接获得的。若不考虑空气中含有的少量的二氧化碳和其他稀有气体，干空气的容积成分可按含氧气21%、含氮气79%计算。在燃气的燃烧过程中要供给适量的空气，过多或过少都会对燃烧产生不利影响。三、燃烧所需空气量燃烧所需的氧一般是从空气中直接获得的。若不7三、燃烧所需空气量(一)理论空气需要量(二)实际空气需要量三、燃烧所需空气量(一)理论空气需要量8(一)理论空气需要量理论空气需要量是指按燃烧反应计量方程式，1m3(或1kg)燃气完全燃烧所需的空气量，是燃气完全燃烧所需的最小空气量，单位为m3/m3或m3/kg当燃气组分已知时，可根据各组分的反应方程式，按下式计算燃气燃烧所需的理论空气量:(一)理论空气需要量理论空气需要量是指按燃烧反应计量方程式，9V0——理论空气需要量，m3干空气/m3干燃气；一般，燃气的热值越高，燃烧所需的理论空气量就越多。V0——理论空气需要量，m3干空气/m3干燃气；10(二)实际空气需要量理论空气需要量是燃气完全燃烧所需的最小空气量。由于燃气与空气的混合很难达到完全均匀，实际供给的空气量应大于理论空气需要量，即要供应一部分过剩空气。过剩空气的存在增加了燃气分子与空气分子接触的机会，也增加了其相互作用的机会，从而促使其燃烧完全。(二)实际空气需要量理论空气需要量是燃气完全燃烧所需的最小空11过剩空气系数实际供给的空气量V与形论空气需要量V0之比称为过剩空气系数α，即通常α>1。实际中，α的取值取决于所采用的燃烧方法及燃烧设备的运行状况。在工业设备中,α一般控制在1.05～1.20；在民用燃具中，α一般控制在1.3～1.8。过剩空气系数实际供给的空气量V与形论空气需要量V0之比称为过12正确选择和控制a值α过小或过大都会导致不良后果。α过小会导致不完全燃烧，造成能源的浪费和对环境的污染；α过大则使烟气体积增大，炉膛温度与烟气温度降低，导致换热设备换热效率的降低与排烟热损失的增大，同样造成能源的浪费。因此，先进的燃烧设备应在保证完全燃烧的前提下，尽量使α值趋近于1。正确选择和控制a值α过小或过大都会导致不良后果。13四、完全燃烧产物的计算

燃气燃烧后的产物就是烟气。当只供给理论空气量时，燃气完全燃烧后产生的烟气量称为理论烟气量。理论烟气的组分有CO2、H2O和N2。一些燃料中含有一定的硫分，则在它们的燃烧产物中还含有SO2。四、完全燃烧产物的计算燃气燃烧后的产物就是烟气。当只供给理14四、完全燃烧产物的计算由于在做气体分析时，CO2和SO2

的含量经常合在一起，而产生CO2和SO2的化学反应式也有许多相似之处，因此通常将CO2和SO2合称为三原于气体，用符号RO2表示。当有过剩空气时，烟气中除上述组分外还含有过剩空气，这时的烟气量称为实际烟气量。如果燃烧不完全，则除上述组分外，烟气中还将出现CO、CH4、H2等可燃组分。四、完全燃烧产物的计算由于在做气体分析时，CO2和SO2的15

根据燃烧反应方程式，可以计算出燃气中各可燃组分单独燃烧后产生的理论烟气量。(一)理论烟气量(α=1)(二)实际烟气量(α>1时)根据燃烧反应方程式，可以计算出燃气中各可燃组分单独燃烧后产16(一)理论烟气量(α=1)(1)三原子气体体积(2)水蒸气体积(3)氮气体积(4)理论烟气总体积(一)理论烟气量(α=1)(1)三原子气体体积17(1)三原子气体体积(1)三原子气体体积18(2)水蒸气体积(2)水蒸气体积19(3)氮气体积(3)氮气体积20(4)理论烟气总体积(4)理论烟气总体积21(二)实际烟气量(α>1时)(1)三原子气体体积(2)水蒸气体积(3)氮气的体积(4)过剩氧体积(5)实际烟气总体积(二)实际烟气量(α>1时)(1)三原子气体体积22(1)三原子气体体积计算，同式(8-4)。(1)三原子气体体积计算，同式(8-4)。23(2)水蒸气体积(2)水蒸气体积24(3)氮气体积(3)氮气体积25(4)过剩氧体积(4)过剩氧体积26(5)实际烟气总体积(5)实际烟气总体积27(三)烟气的密度在标准状况下烟气的密度可按下式计算：(三)烟气的密度在标准状况下烟气的密度可按下式计算：28燃气工程燃气燃烧基本理论课件29五、燃气燃烧温度及焓湿图(一)燃气燃烧温度(二)烟气的焓温图五、燃气燃烧温度及焓湿图(一)燃气燃烧温度30(一)燃气燃烧温度燃气燃烧时所放出的热量加热烟气，使之能达到的温度称为燃气的燃烧温度。它由燃烧过程的热量平衡来确定。(一)燃气燃烧温度燃气燃烧时所放出的热量加热烟气，使之能达31燃气工程燃气燃烧基本理论课件32由此可以得到烟气温度：由此可以得到烟气温度：33燃烧温度

为了比较燃气在不同条件下的热力特性，假设出多种简化了的热平衡条件，从而得到了不同定义的燃烧温度：(1)热量计温度tc

(2)燃烧热量温度tther(3)理论燃烧温度tth(4)实际燃烧温度tact燃烧温度为了比较燃气在不同条件下的热力特性34(1)热量计温度假设燃烧过程在绝热条件下(Q2=0)进行，且完全燃烧(Q3=0)，忽略烟气成分的高温分解(Q4=0)，由燃气和空气带入的全部热量完全用于加热烟气本身，这时烟气所能达到的温度称为热量计温度tc，即：(1)热量计温度假设燃烧过程在绝热条件下(Q2=0)进行，且35(2)燃烧热量温度tther在上述(1)的假设下，再令Ig=Ia=0,a=1(2)燃烧热量温度tther在上述(1)的假设下，再令Ig=36(3)理论燃烧温度tthQ2=0，Q3=0(3)理论燃烧温度tthQ2=0，Q3=037(4)实际燃烧温度tact根据长期的实践经验得出的经验公式：(4)实际燃烧温度tact根据长期的实践经验得出的经验公式：38(二)烟气的焓温图在进行工业炉和锅炉热力计算时，必须知道烟气在不同温度下的焓。(二)烟气的焓温图在进行工业炉和锅炉热力计算时，必须知道烟气39燃气工程燃气燃烧基本理论课件40燃气工程燃气燃烧基本理论课件41例题8-1例题8-142第二节燃气燃烧过程一、燃气燃烧反应机理二、燃气的着火与点火三、燃气燃烧的火焰传播四、燃烧过程的强化第二节燃气燃烧过程一、燃气燃烧反应机理43一、燃气燃烧反应机理古典化学动力学是从分子的观点出发．用化学反应方程式来研究化学反应的。物质能量在分子间的分布总是不均匀的，总存在一些不稳定的分子。参与反应的物质中的这些不稳定分子在碰撞过程中不断率先变成化学上很活跃的质点——活化中心，这些活化中心大多是不稳定的自由原子和游离基。活化中心与稳定分子相互作用的活化能是不大的，从而使化学反应避开了高能的障碍。因此，通过活化中心来进行反应，比原来的反应物直接反应容易得多。一、燃气燃烧反应机理古典化学动力学是从分子的观点出发．用化44一、燃气燃烧反应机理通过活化中心与稳定分子的反应，又会不断形成新的中间活性产物。因此，一旦中间活性产物形成，不仅本身发生化学反应，而且还会导致一系列新的活化中心的生成，就像链锁一样，一环扣一环地相继发展，使反应一直继续下去，直到反应物消耗殆尽或通过外加因素使链环中断。一、燃气燃烧反应机理通过活化中心与稳定分子的反应，又会不断45最初的活化中心可能是按下列方式得到的：最初的活化中心可能是按下列方式得到的：46活化中心与稳定分子相互作用的活化能是不大的，故在系统中可发生以下反应：活化中心与稳定分子相互作用的活化能是不大的，故在系统中可发生47氢和氧的链锁反应可以用如下的枝状图来表示：氢和氧的链锁反应可以用如下的枝状图来表示：48从一个氢原子和一个氧分子开始，最后生成两个水分子和三个新的氢原子。新的氢原子可以成为另一个短环的起点，使链反应继续下去；也可能在气相中或在容器壁上销毁。销毁的方式可以是：从一个氢原子和一个氧分子开始，最后生成两个水分子和三个新的氢49二、燃气的着火与点火燃烧反应能够进行必须具备一定的能量条件，即必须有一个能量积聚的吸热准备过程。除了在一定条件下会自发进行的自燃着火外，在实际工程中更广泛采用的是用强制点火的方法引燃可燃气体混合物。常见的点火源有电火花、小火焰及电热线圈等。二、燃气的着火与点火燃烧反应能够进行必须具备一定的能量条件，50燃气工程燃气燃烧基本理论课件51最小点火能与熄火距离图8-2表示出了点火能与电极间距之间的关系。另外，最小点火能Emin及熄火距离dq的最小值一般在化学计量比附近，同时Emin及dq随混合物中燃气含量的变化曲线均呈U形，如图8-3、8-4所示。由图8-3可看出，天然气所需点火能高，而且点火范围也窄，因此较难点着，而含氢量较高的城市燃气则易于点火。最小点火能与熄火距离图8-2表示出了点火能与电极间距之间的关52燃气工程燃气燃烧基本理论课件53燃气工程燃气燃烧基本理论课件54三、燃气燃烧的火焰传播(一)火焰的传播方式(二)火焰传播速度Sn

(三)火焰传播浓度极限三、燃气燃烧的火焰传播(一)火焰的传播方式55(一)火焰的传播方式火焰的传播有三种形式；正常的火焰传播、爆炸和爆燃。燃气在工业与民用燃烧设备中的燃烧过程都属于正常火焰传播过程，在工程中常见的是紊流状态下的火焰传播。(一)火焰的传播方式火焰的传播有三种形式；正常的火焰传播、爆56(二)火焰传播速度Sn

火焰在处于静止或层流状态下的可燃气体混合物中的传播速度与气流向管壁的散热有关。管径越大，管壁散热对火焰传播速度的影响就越小，火焰传播速度就越大。当管径大到一定程度时，可以近似认为散热影响消失，这时火焰传播速度趋近于一最大值，该值称为法向火焰传播速度Sn，法向火焰传播速度的物理意义是单位时间内在单位火焰面积上所燃烧的可燃混合物体积，有时也称为燃烧速度。(二)火焰传播速度Sn火焰在处于静止或层流状态下的可燃气体57(二)火焰传播速度SnSn(二)火焰传播速度SnSn58影响法向火焰传播速度Sn的因素(1)可燃混合物的性质:包括可燃混合物的导热系数及分子结构等；(2)燃气浓度:最大值出现在燃气含量比化学剂量略高处；影响法向火焰传播速度Sn的因素(1)可燃混合物的性质:包括可59影响法向火焰传播速度Sn的因素(3)可燃混合物初始温度:随可燃物初始温度的升高，燃烧温度增加，带来化学反应速率增加，从而使Sn显著增大；(4)可燃混合物的压力:碳氢化合物-空气混合物的Sn随压力的增大而减小；(5)添加剂:在可燃气体混合物中加入添加剂可以增大或减小火焰传播速度。影响法向火焰传播速度Sn的因素(3)可燃混合物初始温度:随可60(三)火焰传播浓度极限在燃气—空气混合物中，只有当燃气与空气的比例在一定极限范围之内时，火焰才有可能传播。能使火焰持续不断传播所必需的最低燃气浓度，称为火焰传播浓度下限；能使火焰持续不断传播所必需的最高燃气浓度，称为火焰传播浓度上限。下限和上限之间就是火焰传播浓度极限范围。(三)火焰传播浓度极限在燃气—空气混合物中，只有当燃气与空气61(三)火焰传播浓度极限火焰传播浓度极限又称为着火浓度极限。由于火焰传播浓度极限范围内的可燃气体混合物，在一定条件下会瞬间完成着火而形成爆炸，因此火焰传播浓度极限又称为爆炸极限。(三)火焰传播浓度极限火焰传播浓度极限又称为着火浓度极限。62影响火焰传播浓度极限的因素(1)燃气在纯氧中着火燃烧时，火焰传播浓度极限范围扩大；(2)提高燃气-空气混合物温度，火焰传播浓度极限范围扩大；(3)提高燃气-空气混合物压力，火焰传播浓度极限范围扩大；(4)燃气中加入惰性气体时，火焰传播浓度极限范围缩小；(5)含尘量、含水蒸气量以及容器形状和壁面材料等因素，有时也会影响传播浓度极限。影响火焰传播浓度极限的因素(1)燃气在纯氧中着火燃烧时，火焰63四、燃烧过程的强化在工程上，为了满足工艺的需要或者提高加热效率，往往需要对基本的燃烧过程进行一定强化，以获得较高的加热温度、减小炉膛空间和加热时间。强化燃烧过程主要应从提高温度和加强气流混合两方面来考虑：(一)预热燃气和空气(二)加强气流紊动四、燃烧过程的强化在工程上，为了满足工艺的需要或者提高加热效64(一)预热燃气和空气预热燃气和空气，可以提高火焰传播速度，从而提高燃烧温度，增大燃烧强度。如省煤器和空气预热器。还可以将燃烧产生的部分高温烟气重新引回燃气-空气入口处，使之与尚未着火的或正在燃烧的燃气-空气混合，以提高反应区温度，从而增大燃烧强度。(一)预热燃气和空气预热燃气和空气，可以提高火焰传播速度，65(二)加强气流紊动燃气燃烧的化学反应速度要远大于燃气分子与氧气分子之间相互扩散混合的速度，因此，制约燃烧速度提高的主要因素是燃气—空气之间的混合过程。如果能够提高燃气—空气之间混合的速度，将会极大提高燃烧速度。(二)加强气流紊动燃气燃烧的化学反应速度要远大于燃气分子与氧66(二)加强气流紊动工程上最常见的方法是应用旋转气流来提高气流混合速度。采用旋转气流可以大大改善混合过程。产生旋流的常见方法主要有以下两种：(1)使气流切向进入主通道；(2)在轴向管道中设置导流叶片，使气流旋转。(二)加强气流紊动工程上最常见的方法是应用旋转气流来提高气流67燃气工程燃气燃烧基本理论课件68第三节燃气燃烧方法燃气的燃烧分为三种基本方式，即；扩散式燃烧、部分预混式燃烧和完全预混式燃烧。根据燃气与空气在燃烧前的混合情况，燃烧所需要的空气可分为一次空气和二次空气。第三节燃气燃烧方法燃气的燃烧分为三种基本方式，即；扩散式69第三节燃气燃烧方法一次空气是指在燃烧前燃气中掺混的空气，一次空气占燃烧所需理论空气量的比例叫一次空气系数α’；二次空气是指燃气在燃烧过程中依靠扩散作用从周围获得的空气，二次空气占燃烧所需理论空气量的比例叫二次空气系数。第三节燃气燃烧方法一次空气是指在燃烧前燃气中掺混的空气，70一、扩散式燃烧如果在点燃前，燃气与空气不相接触(α’＝0)，而燃烧所需的氧气完全依靠扩散作用从周围大气获得，燃气与空气在接触面处边混合边燃烧，这种燃烧方式称为扩散式燃烧。流态不同，扩散的方式也不同。一、扩散式燃烧如果在点燃前，燃气与空气不相接触(α’＝0)，71(一)层流扩散火焰结构燃料燃烧所需的全部时间通常由两部分组成，即氧化剂与燃料之间发生物理性接触所需的时间和进行化学反应所需要的时间。火焰锥顶与喷口之间的距离称为火焰长度或火焰高度。对于层流扩散火焰，其火焰高度与燃气流量成正比，而与气体的扩散系数成反比，有(一)层流扩散火焰结构燃料燃烧所需的全部时间通常由两部分组成72燃气工程燃气燃烧基本理论课件73氧气燃气燃烧产物氧气燃气燃烧产物74(二)层流扩散火焰向紊流扩散火焰的过渡在紊流扩散火焰中无法区分焰面和其他部分，在整个火焰内都进行着燃气与空气的混合、预热和化学反应。这种火焰的形状和长度完全取决于燃气与空气的流动方向(交角)和流动特性。火焰长度与气流速度无关。(二)层流扩散火焰向紊流扩散火焰的过渡在紊流扩散火焰中无法区75(三)扩散火焰中的多相过程一般来说，燃气火焰是不发光的透明火焰。但实际中，会发现扩散火焰往往呈现出明亮的淡黄色的颜色。这不是气体燃料本身燃烧形成的，而是由于燃料气在高温缺氧的环境下发生热分解而产生的固体碳的颗粒燃烧造成的。(三)扩散火焰中的多相过程一般来说，燃气火焰是不发光的透明火76(三)扩散火焰中的多相过程碳氢化合物进行扩散燃烧时，可能出现两个不同的燃烧区域：一个是真正的扩散火焰，它是从燃烧器出口向上伸展的一个很薄的反应层，不发光；另一个是光焰区，其中有固体碳粒的燃烧，呈现出明亮的淡黄色的光焰。(三)扩散火焰中的多相过程碳氢化合物进行扩散燃烧时，可能出现77燃气工程燃气燃烧基本理论课件78二、部分预混式燃烧在燃烧前预先混入部分空气，一部分预先混合好的燃气-空气混合物一出喷口即可燃烧，而其余的燃气则需通过与周围空气(即二次空气)的扩散混合燃烧掉，这种燃烧方式称为部分预混式燃烧。二、部分预混式燃烧在燃烧前预先混入部分空气，一部分预先混合好79(一)部分预混层流火焰

图8-9为部分预混层流火焰结构。它由内焰和外焰构成。(一)部分预混层流火焰图8-9为部分预混层流火焰结构。它80(二)部分预混层流火焰的稳定层流时，管道横截面上气体的速度呈抛物线分布。喷口中心气流速度最大，至管壁处降为零。在火焰根部，靠近壁面处气流速度逐渐减小至零，但该处的火焰传播速度因管壁散热也减小了，因此火焰并不会传到燃烧器里去。(二)部分预混层流火焰的稳定层流时，管道横截面上气体的速度呈81点火环的存在的条件如果燃烧强度不断增大，气流速度等于法向火焰传播速度的平衡点就逐渐靠近火孔出口，点火环逐渐变窄，最终消失。火焰脱离燃烧器出口，在一定距离以外燃烧，这种现象称为离焰。点火环的存在的条件如果燃烧强度不断增大，气流速度等于法向火焰82点火环的存在的条件若气流速度再增大，火焰将被吹熄，称为脱火。如果混合气流速度不断减小，蓝色锥体越来越低，最终由于气流速度小于火焰传播速度，火焰将缩进燃烧器向内传播，称为回火。点火环的存在的条件若气流速度再增大，火焰将被吹熄，称为脱火。83燃气工程燃气燃烧基本理论课件84(三)部分预混紊流火焰当可燃混合气流从层流变为紊流时，火焰发生显著变化。部分预混紊流火焰的结构与层流火焰相比，其长度明显地缩减，而且顶部较圆。焰面由光滑变为皱曲，火焰厚度增加，火焰总表面积也相应增加，燃烧得到强化。(三)部分预混紊流火焰当可燃混合气流从层流变为紊流时，火焰发85(三)部分预混紊流火焰当紊动尺度很大时，焰面将强烈扰动，气体各个质点离开焰面，分散成许多燃烧的气体微团，它们随着可燃混合物和燃烧产物的流动而不断飞散，最后完全燃尽。这时焰面变为由许多燃烧中心组成的一个燃烧层，其厚度取决于在该气流速度下质点燃尽所需的时间。(三)部分预混紊流火焰当紊动尺度很大时，焰面将强烈扰动，气体86紊流火焰结构可分为三个区。焰核3是燃气-空气混合物尚未点着的冷区；焰面2为着火与燃烧区，大约90%的燃气在这里燃烧；在燃尽区1完成全部燃烧过程，这个区的边界是看不见的，要通过气体分析来确定。紊流火焰结构可分为三个区。87(四)部分预混紊流火焰的稳定在紊流条件下，可燃预混气体的流速较之层流有极大提高，其流速往往接近或超过稳定燃烧的脱火极限。而对于同种燃气来说，虽然随着气流混合强度的加剧火焰传播速度也得以提高，但与流速的增大相比毕竟有限。(四)部分预混紊流火焰的稳定在紊流条件下，可燃预混气体的流速88(四)部分预混紊流火焰的稳定因此，对于部分预混紊流火焰的稳定，主要考虑的是如何防止脱火现象的发生。(四)部分预混紊流火焰的稳定因此，对于部分预混紊流火焰的稳定89(四)部分预混紊流火焰的稳定为了使火焰稳定，应当在局部地区保持气流速度和火焰传播速度的平衡。可以从改变气流的速度着手，用流体力学的方法进行稳焰；也可以从改变火焰传播速度着手，用热力学或化学的方法进行稳焰。(四)部分预混紊流火焰的稳定为了使火焰稳定，应当在局部地区保90(四)部分预混紊流火焰的稳定为了防止脱火，最常用的方法是在燃烧器出口设置一个点火源，可以对可燃混合气体连续点火。点火源可以是连续作用的人工点火装置，如炽热物体或稳定的辅助点火小火焰。另外，也可以在可燃预混气流中设置钝体稳焰器，使炽热的燃烧产物回流到火焰根部而形成点火源。(四)部分预混紊流火焰的稳定为了防止脱火，最常用的方法是在燃91三、完全预混式燃烧完全预混式燃烧是在部分预混式燃烧的基础上发展起来的。它是按一定比例(通常a’=a=1.05-1.10)先将燃气和空气均匀混合，再经燃烧器火孔喷出进行燃烧。三、完全预混式燃烧完全预混式燃烧是在部分预混式燃烧的基础上发92三、完全预混式燃烧由于预先混合均匀，可燃混合气一到达燃烧区就能在瞬间燃烧完毕，燃烧火焰极短且不发光，常常看不到，故也称为无焰燃烧。由于预先混合均匀，所以完全预混式燃烧能在较小的过剩空气系数下实现完全燃烧，因此燃烧温度可以很高。三、完全预混式燃烧由于预先混合均匀，可燃混合气一到达燃烧区就93三、完全预混式燃烧完全预混火焰的传播速度很快，火焰稳定性较差，很容易发生回火。为了防止回火，必须尽可能使气流的速度场均匀，以保证在最低负荷下各点的气流速度都大于火焰传播速度。三、完全预混式燃烧完全预混火焰的传播速度很快，火焰稳定性较差94三、完全预混式燃烧采用小火孔，增大火孔壁对火焰的散热，从而降低火焰传播速度，是防止发生回火的有效措施。小火孔燃烧器广泛应用于民用燃具，不适合工业燃烧器。工业上可以采用水冷却燃烧器头部的方式来加强对火焰的散热，从而降低火焰传播速度。三、完全预混式燃烧采用小火孔，增大火孔壁对火焰的散热，从而降95为了防止脱火，工业上的完全预混式燃烧器常常用一个紧接着的火道来稳焰。为了防止脱火，工业上的完全预混式燃烧器常常用一个紧接着的火道96第四节燃气燃烧污染控制燃气虽为较清洁的燃料，但通过在高温下的燃烧，产生的部分燃烧产物不可避免地将对人体和大气环境产生危害。燃烧过程也不可避免地会产生噪声。只有清楚这些污染产生的原因后，才能采取有效的措施对其加以控制。第四节燃气燃烧污染控制燃气虽为较清洁的燃料，但通过在高温下97一、烟气污染烟气中的有害物质主要包括：CO2、CO、NOx、SOx等。碳氢化合物的燃烧不可避免地会产生CO2，其本身并没有毒性，但CO2却是造成大气温室效应，导致全球气候变暖的重要物质。一、烟气污染烟气中的有害物质主要包括：CO2、CO、NOx、98一、烟气污染因此节能降耗，提高燃料利用效率，减少燃料耗量从而减少烟气排放总量就很重要。而CO、NOx和SOx均具有较大的毒性，对人体危害很大，其排放水平应严加控制。一、烟气污染因此节能降耗，提高燃料利用效率，减少燃料耗量从而9920世纪重大污染事件马斯河谷事件：1930年12月1～5日，比利时马斯河谷工业区。该工业区处于狭窄盆地中，发生气温逆转，工厂排出的有害气体在近地层积累。3天后，有人发病，症状为胸痛、咳嗽、呼吸困难等。一周内有60多人死亡。心脏病、肺病患者死亡率最高。多诺拉事件：1948年10月26～31日，美国宾夕法尼亚州多诺拉镇。该镇处于河谷，10月最后一个星期大部地区受反气旋和逆温控制，加上26～30日持续有雾，使大气污染物在近地层积累。二氧化硫及其氧化作用的产物与大气中尘粒结合是致害因素。发病者

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人，占全镇总人口43%。症状是眼痛、肢体酸乏、呕吐、腹泻；死亡17人。20世纪重大污染事件马斯河谷事件：1930年12月1～5日，10020世纪重大污染事件洛杉矶光化学烟雾事件：20世纪40年代初期，美国洛杉矶全市50

多万辆汽车每天消耗汽油约1600万升，向大气排放大量碳氢化合物、氮氧化物、一氧化碳。该市临海依山，处于50千米长的盆地中，汽车排出的废气在日光作用下，形成以臭氧气为主的光化学烟雾。伦敦烟雾事件：1952年12月5～8日，英国伦敦市。5～8日，英国几乎全境为浓雾覆盖，4天中死亡人数较常年同期约多4000人：45

岁以上的死亡最多，约为平时3倍；1岁以下死亡的，约为平时2倍。事件发生的1周中，因支气管炎死亡的人数是平时的9.3倍。20世纪重大污染事件洛杉矶光化学烟雾事件：20世纪40年代初10120世纪重大污染事件四日市哮喘事件：1961年，日本四日市。1955年以来，该市石油冶炼和工业燃油产生的废气严重污染城市空气。重金属微粒与二氧化硫形成硫酸烟雾。1961年，哮喘病发作。1967年，一些患者不堪忍受痛苦而自杀。1972年，全市共确认哮喘病患者达817

人，死亡10多人。米糠油事件：1968年3月，日本北九洲市、爱知县一带生产米糠油时所用的脱臭热载体多氯联苯，由于生产管理不善，混入米糠油中，人食用后中毒，患病者超过1400人。至7～8月份，患病者超过5000人，其中16人死亡，实际受害者约13000

人。20世纪重大污染事件四日市哮喘事件：1961年，日本四日市。10220世纪重大污染事件水俣病事件：1953～1956

年，日本熊本县水俣市含甲基汞的工业废水污染水体，使水俣湾的鱼中毒，人食毒鱼后受害。1972年，日本环境厅公布：水俣湾和新县阿贺野川下游汞中毒者有

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人，其中60人死亡。痛痛病事件：1955～1972年，日本富山县神通川流域锌、铅冶炼工厂等排放的含镉废水污染了神通川水体。两岸居民利用河水灌溉农田，使稻米含镉，居民食含镉稻米和饮用含镉水而中毒。1963～1979年3月，共有患者130人，其中死亡

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人。20世纪重大污染事件水俣病事件：1953～1956

年，日本103一、烟气污染在正常条件下，气体燃料在使用前都必须经过脱硫净化处理，燃料中的含硫量可以得到有效控制。因此对于气体燃料燃烧以后产生的SOx数量很少。气体燃料的燃烧，重点是研究如何通过有效的方法来降低排烟中CO和NOx的含量。一、烟气污染在正常条件下，气体燃料在使用前都必须经过脱硫净化104(一)CO与NOx的危害CO是人类最早认识到的燃烧污染物。它是无色无味的气体，是燃料不完全燃烧的产物，当CO被吸入人体后，与血色素结合成一氧化碳血色素(COHb)，CO与血液中的血色素的亲合力高于O2，它阻碍了氧随血液的输送，造成人体组织缺氧，进而引起各种疾病甚至死亡。(一)CO与NOx的危害CO是人类最早认识到的燃烧污染物。105(一)CO与NOx的危害已经知道的氮的氧化物有NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等。在燃烧过程中生成的氮氧化物几乎全是NO和NO2，因此我们通常所说的NOx也主要是指燃烧过程中生成的NO和NO2。(一)CO与NOx的危害已经知道的氮的氧化物有NO、NO2、106(一)CO与NOx的危害NO是无色无味的气体，微溶于水，在空气中易氧化为NO2。NO与血液中的血色素的亲和力约为CO的数百倍，很容易和人体或动物血液中的血色素结合生成氮氧血红蛋白(NOHb)或氮氧-正铁血红蛋白。它们是变性血色素，不能再与氧结合，从而不能将氧气输送到人体的各器官，使人缺氧而引起中枢神经麻痹、痉挛等症状。此外，NO还有致癌作用，对细胞分裂及遗传信息的传递亦有不良影响。(一)CO与NOx的危害NO是无色无味的气体，微溶于水，在空107(一)CO与NOx的危害NO2是一种有窒息性臭味的红棕色气体，是由NO氧化而来的，它可以与冷水或盐的水溶液作用生成亚硝酸、硝酸及其盐类。NO2毒性比NO高4-5倍，对人体的呼吸系统、心脏、肝脏、肾脏以及造血组织有很大危害。NO2对人的最低致死量为100ppm，相当于CO在1000PPm以上或SO2在300ppm以上的毒性。NO2参与光化学烟雾的形成，会产生更强的毒性。(一)CO与NOx的危害NO2是一种有窒息性臭味的红棕色气体108(一)CO与NOx的危害除了对人体健康产生危害，NOx对森林和农作物的损害也相当大。会损坏机体的细胞和组织，阻碍各种代谢功能。此外，由NOx生成的硝酸与SO2生成的硫酸等一起形成的酸雨中，NOx约占整个来源的40%。酸雨不仅对人、植物有严重危害，对水源、建筑物等都有严重的污染和侵蚀损害。(一)CO与NOx的危害除了对人体健康产生危害，NOx对森林109光化学烟雾形成过程光化学烟雾形成过程110光化学烟雾实例光化学烟雾形成前光化学烟雾形成后光化学烟雾实例光化学烟雾形成前光化学烟雾形成后1111952年12月伦敦烟雾事件中死亡人数与大气中烟尘和二氧化硫浓度的相关性1952年12月伦敦烟雾事件中死亡人数与大气中烟尘和二氧化硫112(二)NOx的生成特点(1)NOx的生成途径(2)影响NOx

生成的因素(二)NOx的生成特点(1)NOx的生成途径113(1)NOx的生成途径固定燃烧装置排放的NOx中90%-95%为NO，因此研究NOx的生成机理及抑制途径主要是针对NO而言。NO生成途径有以下三种：1)温度型NO(简称T—NO)2)快速型NO(简称P—NO)3)燃料型NO(简称F-NO)(1)NOx的生成途径固定燃烧装置排放的NOx中90%-91141)温度型NO(简称T—NO)NO的生成速度可用如下一组不分支链反应来说明：按照化学反应动力学的方法，可以得到NO生成速度的公式1)温度型NO(简称T—NO)NO的生成速度可用如下一组不分1151)温度型NO(简称T—NO)由此可知，影响T—NO生成的主要因素为燃烧温度、氧气浓度及烟气在高温区停留的时间。1)温度型NO(简称T—NO)由此可知，影响T—NO生成的主1162)快速型NO(简称P—NO)P-NO是在燃料浓度较大，氧浓度较低时产生。因此，要降低P-NO，只要供给足够的氧气就可以了。P-NO产生于火焰面内，是富碳化氢类燃料燃烧时特有的现象。通常P-NO生成量比T-NO生成量小一个数量级。P-NO的生成量与温度关系不大。2)快速型NO(简称P—NO)P-NO是在燃料浓度较大，氧浓1173)燃料型NO(简称F-NO)F-NO是以化合物形式存在于燃料中的氮原子被氧化而生成的。其生成温度约为600-900℃，具有中温生成特性。由于一般燃烧温度都远高于此值，因此燃烧温度对F-NO的生成影响不大。由于气体燃料中氮的化合物含量很少，故F-NO可以不考虑。3)燃料型NO(简称F-NO)F-NO是以化合物形式存在于燃118综上所述，气体燃料燃烧所生成的NO大部分为T-NO因此，抑制T-NO的生成是减少NOx排放的主要措施之一。综上所述，气体燃料燃烧所生成的NO大部分为T-NO因此，抑制119(2)影响NOx生成的因素1)过量空气系数的影响：燃烧温度与氧气浓度是影响NO生成量的主要因素。2)燃烧热负荷的影响：一般认为，燃烧热负荷的变化会引起火焰温度的改变，进而对NO生成量也产生影响。除了甲醇，其他燃料的NOx浓度均随着热负荷的增加而增加。(2)影响NOx生成的因素1)过量空气系数的影响：燃烧温度120(三)CO的生成特点燃烧室中CO的形成是碳氢化合物燃烧机理中的主要反应过程之一，其过程可用下式表示碳氢原子团(三)CO的生成特点燃烧室中CO的形成是碳氢化合物燃烧机理121(三)CO的生成特点由此可以得出结论：燃料中最初所含的碳都将生成CO；CO是由含碳燃料氧化而必然产生的一种中间产物。因此，控制CO的排放的注意力应集中在如何使CO再完全氧化，而不是集中在限制它的形成上。(三)CO的生成特点由此可以得出结论：燃料中最初所含的碳都将122二、噪声污染声音是由物体(固体、液体和气体)的振动而产生的。当声音干扰了人们休息、学习和工作时，就成为噪声。噪声已严重地破坏了人类的生活环境，危害了人体健康，影响了人们的日常工作和生产活动，被列为国际三大公害(大气传染、水污染和噪声污染)之一。目前，世界各国都在采取各种措施对噪声污染严加控制。二、噪声污染声音是由物体(固体、液体和气体)的振动而产生的。123(一)噪声的来源在燃烧系统中，噪声主要来源于风机、气流和火焰。燃烧系统噪声按来源不同可分为机械噪声、空气动力噪声、燃烧噪声和振荡燃烧噪声。(一)噪声的来源在燃烧系统中，噪声主要来源于风机、气流和火焰124(一)噪声的来源(1)机械噪声，机械噪声主要是指来源于燃烧及辅助设备的机械振动引起的噪声；(2)空气动力噪声，当燃烧系统中的气流形成紊流时，出现速度和压力的脉动，便产生了噪声。(一)噪声的来源(1)机械噪声，机械噪声主要是指来源于燃烧及125(一)噪声的来源(3)燃烧噪声，燃烧噪声是由于燃烧反应的波动引起的局部区域气体流速和压力的变化而产生的。(4)振荡燃烧噪声，所谓振荡燃烧，是由燃烧放热反应脉动引起燃烧速度和释热率的周期性变化，从而激发的不稳定燃烧现象。(一)噪声的来源(3)燃烧噪声，燃烧噪声是由于燃烧反应的波动126(二)噪声的消除与控制噪声系统是由噪声源、传声途径、接受器组成的，因此控制噪声就要从这三个环节来考虑。(二)噪声的消除与控制噪声系统是由噪声源、传声途径、接受器组127(1)控制噪声声源控制噪声声源是控制噪声的最根本和最有效的途径。常采用的方法有以下几种：1)提高风机装配的精确度，消除不平衡性。2)改变喷嘴形状减少噪声的产生。3)减少燃烧器热负荷，可以减少噪声。(1)控制噪声声源控制噪声声源是控制噪声的最根本和最有效128(2)控制噪声传播途径1)吸声材料2)隔声罩3)消声器(声学滤波器)(2)控制噪声传播途径1)吸声材料129(3)在噪声接收点进行防护当其他措施不能实现时，或只有少数人在吵闹环境中工作时，个人保护是一种经济而又有效的措施。常用的防护装置有：耳塞、耳罩、头盔等。(3)在噪声接收点进行防护当其他措施不能实现时，或只有少数人130第五节燃气的互换性一、燃气互换性与燃具适应性二、燃气互换性的判定第五节燃气的互换性一、燃气互换性与燃具适应性131一、燃气互换性与燃具适应性任何燃具都是按特定燃气成分设计的。当燃气成分发生变化而导致其热值、密度和燃烧特性发生变化时，燃具燃烧器的热负荷、燃烧稳定性、火焰结构、烟气中有害成分的含量等燃烧工况就会改变。一、燃气互换性与燃具适应性任何燃具都是按特定燃气成分设计的132一、燃气互换性与燃具适应性设某一燃具以a燃气为基准进行设计，由于某种原因要以s燃气置换a燃气，如果燃烧器此时不加任何调整而能保证燃具正常工作，则表示s燃气可以置换a燃气，或称s燃气对于a燃气而言具有“互换性”。a燃气称为“基准气”，s燃气称为“置换气”。一、燃气互换性与燃具适应性设某一燃具以a燃气为基准进行设计133一、燃气互换性与燃具适应性但是，互换性并不一定是可逆的，即s燃气能置换a燃气，并不代表a燃气一定能置换s燃气。燃气互换性是对燃气生产单位提出的要求，它限制了燃气性质的任意改变。一、燃气互换性与燃具适应性但是，互换性并不一定是可逆的，即134一、燃气互换性与燃具适应性两种燃气是否能够互换，并非只决定于燃气性质本身，它还与燃烧器及其他部件的性能有密切关系。一般来说，工业燃具对燃气的互换性要求较低，考虑燃气互换性，主要应考虑燃气在民用燃具上能够互换。一、燃气互换性与燃具适应性两种燃气是否能够互换，并非只决定135二、燃气互换性的判定燃气互换问题的提出是与燃气事业的发展相联系的。(一)华白指数法(二)燃烧特性判定法(三)A．G．A指数判定法(四)德尔布判定法二、燃气互换性的判定燃气互换问题的提出是与燃气事业的发展相136(一)华白指数法当以一种燃气置换另一种燃气时，首先要保证热负荷在互换前后不发生大的改变。当燃烧器喷嘴前压力不变时，燃气流量不变，燃具热负荷Q与燃气热值H成正比，与燃气相对密度S的平方根成反比。定义华白数：(一)华白指数法当以一种燃气置换另一种燃气时，首先要保证热137(一)华白指数法(一)华白指数法138(一)华白指数法这样，燃具热负荷Q就与华白数W成正比：(一)华白指数法这样，燃具热负荷Q就与华白数W成正比：139华白数是代表燃气特性的一个参数。设有两种燃气的热值和密度均不相同，但只要它们的华白数相等，就能在同一燃气压力下和同一燃具上获得相同热负荷，如果其中一种燃气的华白数比另一种大，则其所能达到的热负荷也大。因此，华白数又称热负荷指数。(一)华白指数法华白数是代表燃气特性的一个参数。设有两种燃气的热值和密度均不140当燃气性质改变时，除了引起热负荷改变外，还会引起燃烧器一次空气系数的变化。(一)华白指数法当燃气性质改变时，除了引起热负荷改变外，还会引起燃烧器一次空141(一)华白指数法可以得出一个重要结论：如果两种燃气具有相同的华白数，则在互换时能使燃具保持相同的热负荷和一次空气系数。如果置换气的华白数比基准气大，则在置换时燃具热负荷将增大，而一次空气系数将减小。反之，则燃具热负荷将减小，一次空气系数将增大。(一)华白指数法可以得出一个重要结论：如果两种燃气具有相同的142(一)华白指数法华白数是在互换性问题产生初期所使用的一个互换性判定指数。各国一般规定，在两种燃气互换时华白数的变化不大于±(5%~10%)。(一)华白指数法华白数是在互换性问题产生初期所使用的一个互换143(二)燃烧特性判定法表示燃烧特性最形象的方法是在以燃烧器火孔热强度qp为纵坐标，以一次空气系数a’为横坐标的坐标系上作出离焰、回火、黄焰和燃烧产物中CO极限含量曲线。这四条曲线总称为燃气燃烧特性曲线。(二)燃烧特性判定法表示燃烧特性最形象的方法是在以燃烧器火144燃气工程燃气燃烧基本理论课件145(二)燃烧特性判定法不同的燃气在同一燃具上通过实验所作出的燃烧特性曲线不同，说明这两种燃气具有不同的燃烧特性。根据这两套特性曲线的相对位置．就可以看出这两种燃气对离焰、回火、黄焰和不完全燃烧的不同倾向性。(二)燃烧特性判定法不同的燃气在同一燃具上通过实验所作出的146(二)燃烧特性判定法只有当运行点落在特性曲线范围之内时，燃具的运行工况才认为是满意的。当燃气性质(燃气成分)改变时，燃气燃烧特性和华白数也同时改变。燃气燃烧特性的改变引起特性曲线位置的改变，华白数的改变引起燃具运行点的改变。从互换性角度来讲，当以一种燃气置换另一种燃气时，应保证置换后燃具的新上作点落在置换后新的特性曲线范围之内。(二)燃烧特性判定法只有当运行点落在特性曲线范围之内时，燃147(三)A．G．A指数判定法美国燃气协会(A．G．A)对热值大于32000kJ/m3(800Btu／ft3)的燃气的互换性进行了系统研究，用各种试验燃烧器试验燃烧性能，得出离焰、回火、黄焰三个互换指数来判别互换后火焰的稳定性。以后的试验表明，这些互换指数对热值低于32000kJ/m3的燃气也有一定的适用性。(三)A．G．A指数判定法美国燃气协会(A．G．A)对热值148(三)A．G．A指数判定法(1)离焰互换指数(2)回火互换指数(3)黄焰互换指数(三)A．G．A指数判定法(1)离焰互换指数149(1)离焰互换指数(1)离焰互换指数(1)离焰互换指数(1)离焰互换指数150(1)离焰互换指数在预先算出基准气和置换气的f、a和K后，即能用离焰互换指数IL判定这两种燃气是否可以互换。从理论上讲，IL<1就能获得稳定火焰；IL>1就发生离焰现象。(1)离焰互换指数在预先算出基准气和置换气的f、a和K后，151(2)回火互换指数(2)回火互换指数(2)回火互换指数(2)回火互换指数152(3)黄焰互换指数(3)黄焰互换指数(3)黄焰互换指数(3)黄焰互换指数153(三)A．G．A指数判定法用s燃气去置换a燃气时，把用以上公式计算的结果，与表8-3比较，只有当IL、IF、IY三个指数同时符合所规定的范围时，才能置换。(三)A．G．A指数判定法用s燃气去置换a燃气时，把用以上公154燃气工程燃气燃烧基本理论课件155(四)德尔布判定法法国燃气公司从1950年开始进行燃气互换性研究，到1956年获得比较完善的成果。大量试验表明，当不同燃气在同一燃烧器上燃烧时，离焰、回火和CO三条曲线主要取决于与内焰高度有关的因素，而黄焰曲线则与内焰高度无关。因此可以用一个参数来表示离焰、回火和CO互换特性，而用另一个参数来表示黄焰互换特性。当然，前一个参数比后一个参数重要得多。(四)德尔布判定法法国燃气公司从1950年开始进行燃气互换156(四)德尔布判定法经过大量试验，研究主持人德尔布博士选样校正华白数W’和燃烧势CP作为判定的两个指数，并以在W’-CP坐标系上的曲线图来表示燃气允许互换的范围。各项指数如下：(四)德尔布判定法经过大量试验，研究主持人德尔布博士选样校157(四)德尔布判定法(1)校正华白数W’(四)德尔布判定法(1)校正华白数W’158(四)德尔布判定法(2)燃烧势(CombustionPotential，简称CP)燃烧势是反映预混火焰内焰高度的指数，又称燃烧速度指数。其定义如下：(四)德尔布判定法(2)燃烧势(CombustionPo159(四)德尔布判定法用具有不同W’和燃烧势(CP)值的燃气在典型燃具上进行试验，就可以在坐标系上作出等离焰线、等回火线和等CO线。这三条曲线所限定的范围就是具有不同和CP值的燃气在该燃具上的互换范围。(四)德尔布判定法用具有不同W’和燃烧势(CP)值的燃气在160燃气工程燃气燃烧基本理论课件161第八章燃气燃烧基本理论第一节燃气的燃烧计算第二节燃气燃烧过程第三节燃气燃烧方法第四节燃气燃烧污染控制第五节燃气的互换性第八章燃气燃烧基本理论第一节燃气的燃烧计算162第一节燃气的燃烧计算一、燃烧及燃烧反应计量方程式二、燃气热值的确定三、燃烧所需空气量四、完全燃烧产物的计算第一节燃气的燃烧计算一、燃烧及燃烧反应计量方程式163一、燃烧及燃烧反应计量方程式对于气体燃料来说，燃烧是指气体中的可燃成分在一定条件下与氧发生剧烈的氧化作用，并产生大量的热和光的物理化学反应过程。燃烧反应计量方程式是进行燃烧计算的依据。它可以表示出燃烧反应前后，燃气中的各种可燃物质与其燃烧产物之间的量值比例关系。一、燃烧及燃烧反应计量方程式对于气体燃料来说，燃烧是指气体中164一、燃烧及燃烧反应计量方程式任何一种形式的碳氢化合物CmHn的燃烧反应方程式都可以用以下通式表示：一、燃烧及燃烧反应计量方程式任何一种形式的碳氢化合物CmHn165二、燃气热值的确定在工业与民用燃气应用设备中，烟气中的水蒸气通常是以气体状态排出的，因此实际工程中经常用到的是燃气的低热值。有时为了进一步利用烟气中的热量，把烟气冷却至其露点温度以下使水蒸气冷凝液化，只有这时才用到燃气的高热值。二、燃气热值的确定在工业与民用燃气应用设备中，烟气中的水蒸气166二、燃气热值的确定实际使用的燃气是含有多种组分的混合气体。混合气体的热值一般根据式(1-19)或(1-20)，由各单一气体的热值计算得出。二、燃气热值的确定实际使用的燃气是含有多种组分的混合气体。混167三、燃烧所需空气量燃烧所需的氧一般是从空气中直接获得的。若不考虑空气中含有的少量的二氧化碳和其他稀有气体，干空气的容积成分可按含氧气21%、含氮气79%计算。在燃气的燃烧过程中要供给适量的空气，过多或过少都会对燃烧产生不利影响。三、燃烧所需空气量燃烧所需的氧一般是从空气中直接获得的。若不168三、燃烧所需空气量(一)理论空气需要量(二)实际空气需要量三、燃烧所需空气量(一)理论空气需要量169(一)理论空气需要量理论空气需要量是指按燃烧反应计量方程式，1m3(或1kg)燃气完全燃烧所需的空气量，是燃气完全燃烧所需的最小空气量，单位为m3/m3或m3/kg当燃气组分已知时，可根据各组分的反应方程式，按下式计算燃气燃烧所需的理论空气量:(一)理论空气需要量理论空气需要量是指按燃烧反应计量方程式，170V0——理论空气需要量，m3干空气/m3干燃气；一般，燃气的热值越高，燃烧所需的理论空气量就越多。V0——理论空气需要量，m3干空气/m3干燃气；171(二)实际空气需要量理论空气需要量是燃气完全燃烧所需的最小空气量。由于燃气与空气的混合很难达到完全均匀，实际供给的空气量应大于理论空气需要量，即要供应一部分过剩空气。过剩空气的存在增加了燃气分子与空气分子接触的机会，也增加了其相互作用的机会，从而促使其燃烧完全。(二)实际空气需要量理论空气需要量是燃气完全燃烧所需的最小空172过剩空气系数实际供给的空气量V与形论空气需要量V0之比称为过剩空气系数α，即通常α>1。实际中，α的取值取决于所采用的燃烧方法及燃烧设备的运行状况。在工业设备中,α一般控制在1.05～1.20；在民用燃具中，α一般控制在1.3～1.8。过剩空气系数实际供给的空气量V与形论空气需要量V0之比称为过173正确选择和控制a值α过小或过大都会导致不良后果。α过小会导致不完全燃烧，造成能源的浪费和对环境的污染；α过大则使烟气体积增大，炉膛温度与烟气温度降低，导致换热设备换热效率的降低与排烟热损失的增大，同样造成能源的浪费。因此，先进的燃烧设备应在保证完全燃烧的前提下，尽量使α值趋近于1。正确选择和控制a值α过小或过大都会导致不良后果。174四、完全燃烧产物的计算

燃气燃烧后的产物就是烟气。当只供给理论空气量时，燃气完全燃烧后产生的烟气量称为理论烟气量。理论烟气的组分有CO2、H2O和N2。一些燃料中含有一定的硫分，则在它们的燃烧产物中还含有SO2。四、完全燃烧产物的计算燃气燃烧后的产物就是烟气。当只供给理175四、完全燃烧产物的计算由于在做气体分析时，CO2和SO2

的含量经常合在一起，而产生CO2和SO2的化学反应式也有许多相似之处，因此通常将CO2和SO2合称为三原于气体，用符号RO2表示。当有过剩空气时，烟气中除上述组分外还含有过剩空气，这时的烟气量称为实际烟气量。如果燃烧不完全，则除上述组分外，烟气中还将出现CO、CH4、H2等可燃组分。四、完全燃烧产物的计算由于在做气体分析时，CO2和SO2的176

根据燃烧反应方程式，可以计算出燃气中各可燃组分单独燃烧后产生的理论烟气量。(一)理论烟气量(α=1)(二)实际烟气量(α>1时)根据燃烧反应方程式，可以计算出燃气中各可燃组分单独燃烧后产177(一)理论烟气量(α=1)(1)三原子气体体积(2)水蒸气体积(3)氮气体积(4)理论烟气总体积(一)理论烟气量(α=1)(1)三原子气体体积178(1)三原子气体体积(1)三原子气体体积179(2)水蒸气体积(2)水蒸气体积180(3)氮气体积(3)氮气体积181(4)理论烟气总体积(4)理论烟气总体积182(二)实际烟气量(α>1时)(1)三原子气体体积(2)水蒸气体积(3)氮气的体积(4)过剩氧体积(5)实际烟气总体积(二)实际烟气量(α>1时)(1)三原子气体体积183(1)三原子气体体积计算，同式(8-4)。(1)三原子气体体积计算，同式(8-4)。184(2)水蒸气体积(2)水蒸气体积185(3)氮气体积(3)氮气体积186(4)过剩氧体积(4)过剩氧体积187(5)实际烟气总体积(5)实际烟气总体积188(三)烟气的密度在标准状况下烟气的密度可按下式计算：(三)烟气的密度在标准状况下烟气的密度可按下式计算：189燃气工程燃气燃烧基本理论课件190五、燃气燃烧温度及焓湿图(一)燃气燃烧温度(二)烟气的焓温图五、燃气燃烧温度及焓湿图(一)燃气燃烧温度191(一)燃气燃烧温度燃气燃烧时所放出的热量加热烟气，使之能达到的温度称为燃气的燃烧温度。它由燃烧过程的热量平衡来确定。(一)燃气燃烧温度燃气燃烧时所放出的热量加热烟气，使之能达192燃气工程燃气燃烧基本理论课件193由此可以得到烟气温度：由此可以得到烟气温度：194燃烧温度

为了比较燃气在不同条件下的热力特性，假设出多种简化了的热平衡条件，从而得到了不同定义的燃烧温度：(1)热量计温度tc

(2)燃烧热量温度tther(3)理论燃烧温度tth(4)实际燃烧温度tact燃烧温度为了比较燃气在不同条件下的热力特性195(1)热量计温度假设燃烧过程在绝热条件下(Q2=0)进行，且完全燃烧(Q3=0)，忽略烟气成分的高温分解(Q4=0)，由燃气和空气带入的全部热量完全用于加热烟气本身，这时烟气所能达到的温度称为热量计温度tc，即：(1)热量计温度假设燃烧过程在绝热条件下(Q2=0)进行，且196(2)燃烧热量温度tther在上述(1)的假设下，再令Ig=Ia=0,a=1(2)燃烧热量温度tther在上述(1)的假设下，再令Ig=197(3)理论燃烧温度tthQ2=0，Q3=0(3)理论燃烧温度tthQ2=0，Q3=0198(4)实际燃烧温度tact根据长期的实践经验得出的经验公式：(4)实际燃烧温度tact根据长期的实践经验得出的经验公式：199(二)烟气的焓温图在进行工业炉和锅炉热力计算时，必须知道烟气在不同温度下的焓。(二)烟气的焓温图在进行工业炉和锅炉热力计算时，必须知道烟气200燃气工程燃气燃烧基本理论课件201燃气工程燃气燃烧基本理论课件202例题8-1例题8-1203第二节燃气燃烧过程一、燃气燃烧反应机理二、燃气的着火与点火三、燃气燃烧的火焰传播四、燃烧过程的强化第二节燃气燃烧过程一、燃气燃烧反应机理204一、燃气燃烧反应机理古典化学动力学是从分子的观点出发．用化学反应方程式来研究化学反应的。物质能量在分子间的分布总是不均匀的，总存在一些不稳定的分子。参与反应的物质中的这些不稳定分子在碰撞过程中不断率先变成化学上很活跃的质点——活化中心，这些活化中心大多是不稳定的自由原子和游离基。活化中心与稳定分子相互作用的活化能是不大的，从而使化学反应避开了高能的障碍。因此，通过活化中心来进行反应，比原来的反应物直接反应容易得多。一、燃气燃烧反应机理古典化学动力学是从分子的观点出发．用化205一、燃气燃烧反应机理通过活化中心与稳定分子的反应，又会不断形成新的中间活性产物。因此，一旦中间活性产物形成，不仅本身发生化学反应，而且还会导致一系列新的活化中心的生成，就像链锁一样，一环扣一环地相继发展，使反应一直继续下去，直到反应物消耗殆尽或通过外加因素使链环中断。一、燃气燃烧反应机理通过活化中心与稳定分子的反应，又会不断206最初的活化中心可能是按下列方式得到的：最初的活化中心可能是按下列方式得到的：207活化中心与稳定分子相互作用的活化能是不大的，故在系统中可发生以下反应：活化中心与稳定分子相互作用的活化能是不大的，故在系统中可发生208氢和氧的链锁反应可以用如下的枝状图来表示：氢和氧的链锁反应可以用如下的枝状图来表示：209从一个氢原子和一个氧分子开始，最后生成两个水分子和三个新的氢原子。新的氢原子可以成为另一个短环的起点，使链反应继续下去；也可能在气相中或在容器壁上销毁。销毁的方式可以是：从一个氢原子和一个氧分子开始，最后生成两个水分子和三个新的氢210二、燃气的着火与点火燃烧反应能够进行必须具备一定的能量条件，即必须有一个能量积聚的吸热准备过程。除了在一定条件下会自发进行的自燃着火外，在实际工程中更广泛采用的是用强制点火的方法引燃可燃气体混合物。常见的点火源有电火花、小火焰及电热线圈等。二、燃气的着火与点火燃烧反应能够进行必须具备一定的能量条件，211燃气工程燃气燃烧基本理论课件212最小点火能与熄火距离图8-2表示出了点火能与电极间距之间的关系。另外，最小点火能Emin及熄火距离dq的最小值一般在化学计量比附近，同时Emin及dq随混合物中燃气含量的变化曲线均呈U形，如图8-3、8-4所示。由图8-3可看出，天然气所需点火能高，而且点火范围也窄，因此较难点着，而含氢量较高的城市燃气则易于点火。最小点火能与熄火距离图8-2表示出了点火能与电极间距之间的关213燃气工程燃气燃烧基本理论课件214燃气工程燃气燃烧基本理论课件215三、燃气燃烧的火焰传播(一)火焰的传播方式(二)火焰传播速度Sn

(三)火焰传播浓度极限三、燃气燃烧的火焰传播(一)火焰的传播方式216(一)火焰的传播方式火焰的传播有三种形式；正常的火焰传播、爆炸和爆燃。燃气在工业与民用燃烧设备中的燃烧过程都属于正常火焰传播过程，在工程中常见的是紊流状态下的火焰传播。(一)火焰的传播方式火焰的传播有三种形式；正常的火焰传播、爆217(二)火焰传播速度Sn

火焰在处于静止或层流状态下的可燃气体混合物中的传播速度与气流向管壁的散热有关。管径越大，管壁散热对火焰传播速度的影响就越小，火焰传播速度就越大。当管径大到一定程度时，可以近似认为散热影响消失，这时火焰传播速度趋近于一最大值，该值称为法向火焰传播速度Sn，法向火焰传播速度的物理意义是单位时间内在单位火焰面积上所燃烧的可燃混合物体积，有时也称为燃烧速度。(二)火焰传播速度Sn火焰在处于静止或层流状态下的可燃气体218(二)火焰传播速度SnSn(二)火焰传播速度SnSn219影响法向火焰传播速度Sn的因素(1)可燃混合物的性质:包括可燃混合物的导热系数及分子结构等；(2)燃气浓度:最大值出现在燃气含量比化学剂量略高处；影响法向火焰传播速度Sn的因素(1)可燃混合物的性质:包括可220影响法向火焰传播速度Sn的因素(3)可燃混合物初始温度:随可燃物初始温度的升高，燃烧温度增加，带来化学反应速率增加，从而使Sn显著增大；(4)可燃混合物的压力:碳氢化合物-空气混合物的Sn随压力的增大而减小；(5)添加剂:在可燃气体混合物中加入添加剂可以增大或减小火焰传播速度。影响法向火焰传播速度Sn的因素(3)可燃混合物初始温度:随可221(三)火焰传播浓度极限在燃气—空气混合物中，只有当燃气与空气的比例在一定极限范围之内时，火焰才有可能传播。能使火焰持续不断传播所必需的最低燃气浓度，称为火焰传播浓度下限；能使火焰持续不断传播所必需的最高燃气浓度，称为火焰传播浓度上限。下限和上限之间就是火焰传播浓度极限范围。(三)火焰传播浓度极限在燃气—空气混合物中，只有当燃气与空气222(三)火焰传播浓度极限火焰传播浓度极限又称为着火浓度极限。由于火焰传播浓度极限范围内的可燃气体混合物，在一定条件下会瞬间完成着火而形成爆炸，因此火焰传播浓度极限又称为爆炸极限。(三)火焰传播浓度极限火焰传播浓度极限又称为着火浓度极限。223影响火焰传播浓度极限的因素(1)燃气在纯氧中着火燃烧时，火焰传播浓度极限范围扩大；(2)提高燃气-空气混合物温度，火焰传播浓度极限范围扩大；(3)提高燃气-空气混合物压力，火焰传播浓度极限范围扩大；(4)燃气中加入惰性气体时，火焰传播浓度极限范围缩小；(5)含尘量、含水蒸气量以及容器形状和壁面材料等因素，有时也会影响传播浓度极限。影响火焰传播浓度极限的因素(1)燃气在纯氧中着火燃烧时，火焰224四、燃烧过程的强化在工程上，为了满足工艺的需要或者提高加热效率，往往需要对基本的燃烧过程进行一定强化，以获得较高的加热温度、减小炉膛空间和加热时间。强化燃烧过程主要应从提高温度和加强气流混合两方面来考虑：(一)预热燃气和空气(二)加强气流紊动四、燃烧过程的强化在工程上，为了满足工艺的需要或者提高加热效225(一)预热燃气和空气预热燃气和空气，可以提高火焰传播速度，从而提高燃烧温度，增大燃烧强度。如省煤器和空气预热器。还可以将燃烧产生的部分高温烟气重新引回燃气-空气入口处，使之与尚未着火的或正在燃烧的燃气-空气混合，以提高反应区温度，从而增大燃烧强度。(一)预热燃气和空气预热燃气和空气，可以提高火焰传播速度，226(二)加强气流紊动燃气燃烧的化学反应速度要远大于燃气分子与氧气分子之间相互扩散混合的速度，因此，制约燃烧速度提高的主要因素是燃气—空气之间的混合过程。如果能够提高燃气—空气之间混合的速度，将会极大提高燃烧速度。(二)加强气流紊动燃气燃烧的化学反应速度要远大于燃气分子与氧227(二)加强气流紊动工程上最常见的方法是应用旋转气流来提高气流混合速度。采用旋转气流可以大大改善混合过程。产生旋流的常见方法主要有以下两种：(1)使气流切向进入主通道；(2)在轴向管道中设置导流叶片，使气流旋转。(二)加强气流紊动工程上最常见的方法是应用旋转气流来提高气流228燃气工程燃气燃烧基本理论课件229第三节燃气燃烧方法燃气的燃烧分为三种基本方式，即；扩散式燃烧、部分预混式燃烧和完全预混式燃烧。根据燃气与空气在燃烧前的混合情况，燃烧所需要的空气可分为一次空气和二次空气。第三节燃气燃烧方法燃气的燃烧分为三种基本方式，即；扩散式230第三节燃气燃烧方法一次空气是指在燃烧前燃气中掺混的空气，一次空气占燃烧所需理论空气量的比例叫一次空气系数α’；二次空气是指燃气在燃烧过程中依靠扩散作用从周围获得的空气，二次空气占燃烧所需理论空气量的比例叫二次空气系数。第三节燃气燃烧方法一次空气是指在燃烧前燃气中掺混的空气，231一、扩散式燃烧如果在点燃前，燃气与空气不相接触(α’＝0)，而燃烧所需的氧气完全依靠扩散作用从周围大气获得，燃气与空气在接触面处边混合边燃烧，这种燃烧方式称为扩散式燃烧。流态不同，扩散的方式也不同。一、扩散式燃烧如果在点燃前，燃气与空气不相接触(α’＝0)，232(一)层流扩散火焰结构燃料燃烧所需的全部时间通常由两部分组成，即氧化剂与燃料之间发生物理性接触所需的时间和进行化学反应所需要的时间。火焰锥顶与喷口之间的距离称为火焰长度或火焰高度。对于层流扩散火焰，其火焰高度与燃气流量成正比，而与气体的扩散系数成反比，有(一)层流扩散火焰结构燃料燃烧所需的全部时间通常由两部分组成233燃气工程燃气燃烧基本理论课件234氧气燃气燃烧产物氧气燃气燃烧产物235(二)层流扩散火焰向紊流扩散火焰的过渡在紊流扩散火焰中无法区分焰面和其他部分，在整个火焰内都进行着燃气与空气的混合、预热和化学反应。这种火焰的形状和长度完全取决于燃气与空气的流动方向(交角)和流动特性。火焰长度与气流速度无关。(二)层流扩散火焰向紊流扩散火焰的过渡在紊流扩散火焰中无法区236(三)扩散火焰中的多相过程一般来说，燃气火焰是不发光的透明火焰。但实际中，会发现扩散火焰往往呈现出明亮的淡黄