燃烧学讨论课-富氧燃烧

燃烧学燃烧效率计算思考题湖南大学机械与运载工程学院吴振阔个人信息吴振阔办公室：219电话mail：wzhk504281826@163.com教学网址：湖南大学课程中心-燃烧学燃烧效率计算第三次讨论课燃烧效率及不完全燃烧损失一、燃烧效率ηc＝100－q3－q4q3为可燃气体不完全燃烧热损失；%q4为固体燃料不完全燃烧热损失；%二、可燃气体不完全燃烧热损失q3的计算

可燃气体不完全燃烧热损失是指锅炉等热工设备的排烟中残留的可燃气体CO、H2

、CH4、CnHm等未燃烧放热而造成的热损失，

其数值等于烟气中各种可燃气体的容积与其容积热值的乘积。（1）q3的计算

Vgy为干烟气量；CO、H2、CH4、CnHm为容积分数。各成分热值三、固体燃料不完全燃烧热损失q4的计算（1）q4的计算为了确定afh等，需要进行灰平衡计算。

灰平衡指进入炉内燃料的总灰分应等于排烟中飞灰、炉渣灰和沉降灰的灰量之和：例题：某汽油机在一工况下稳定运行，燃油质量流量为3kg/h,其中燃烧排放物CO、未燃HC、H2、NOx质量流量分别为0.05、0.04、0.01、0.02kg/h，其该工况下发动机的燃烧效率？燃油的低热值43.2MJ/kgCO的低热值10.1MJ/kg

H2的低热值120MJ/kg答案：可燃气体不完全燃烧热损失：输入燃料总热量：燃烧效率：思考题讨论第三次讨论课1、自然界有哪些形式的能量？机械能（动能、位（势）能），化学能、电能、风能、水能、核能、光（太阳）能、声能、生物质能2、简述燃烧的定义、基本特征和要素？燃烧是一种同时伴有放热和发光效应的激烈的化学反应；放热、发光、生成新物质是燃烧现象的三个基本特征；燃烧的三要素：可燃物、氧化剂和温度。3、什么是燃料的高位发热量和低位发热量？为什么在工程和设计计算中使用低位发热量？燃料高位发热量是指单位质量或单位体积的燃料完全燃烧后，其燃烧烟气的温度降低至室温所放出的全部热量；燃料的低位发热量是指单位质量或单位体积的燃料完全燃烧后，所放出全部热量扣除水蒸汽潜热的燃料发热量；因为工程热力设备的所产生的烟气中的水蒸气尚未冷凝而直接排出，燃料燃烧后烟气中的水蒸汽潜热未被利用。4、什么是标准煤？能源的种类很多，所含的热量也各不相同，为了便于相互对比和在总量上进行研究，我国规定应用基低位发热量Qnet,ar=29271kJ/kg(即7000kcal/kg)的燃料为标准煤，也称煤当量。5、煤的分析方法有哪些？工业分析组成(工分)：灰分（A)、水分(M)、挥发份(V)、固定碳(FC)；元素分析组成(元分)：碳、氢、氧、氮、硫、水分、挥发份。6、简述煤的化学组成、挥发份及灰分、水分、碳分等对煤特性的影响？煤的化学组成主要由碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)等元素组成：碳是煤中主要的可燃元素，在燃烧过程中放出大量的热；煤的炭化程度越高，含碳量就越大；含碳量高的煤难以着火与燃烬，但是发热量很高。氢也是煤中主要的可燃元素，有效氢的发热量很高，是碳发热量的3～4倍，煤中氢含量先随着炭化程度的增加而增加，当煤中含碳量为85%时达到最大值，然后随着炭化程度的增加而下降。氧是煤中有害的不可燃元素，煤中含氧量随着炭化程度的增加而下降，煤中氧含量的存在会使煤发热量降低。氮是煤中的有害不可燃元素，其存在不但降低煤的发热量，而且会生成NOx等污染物；硫是煤中的有害元素，在煤燃烧过程中会生成SOx等有害污染物。6、简述煤的化学组成、挥发份及灰分、水分、碳分等对煤特性的影响？挥发分是煤在隔绝空气条件下加热到850℃时析出的气体。挥发分含量多的煤，着火容易，着火温度低，燃烬容易；挥发分含量少的煤，着火温度高，着火困难，燃烬非常困难。灰分是指煤中所含的矿物质在燃烧过程中经过高温分解和氧化作用后生成的一些固体残留物。灰分含量高的煤不仅使煤的发热量减小，而且影响煤的着火与燃烧。由于燃烧烟气中飞灰浓度大，使受热面易受污染影响传热、降低效率，并使受热面易磨损而减少寿命。同时，对排烟中的含尘量必须采用高效除尘措施，使排烟中含尘降低到合格的排放指标。在煤的使用过程中，一定要重视煤的灰熔点，否则容易造成结渣，不利于燃烧过程中空气的流通和气流均匀分布，破坏燃烧过程的稳定运行。水分是煤中的不可燃成分，其存在不仅降低了燃料的可燃质含量，含水量大的燃料发热量低，不易着火、燃烧，而且在燃烧时还要消耗热量使其蒸发和将蒸发的水蒸气加热，降低燃烧室温度，使锅炉效率降低，并使排烟损失加大，还易在低温处腐蚀设备。含水量大的煤使得制粉设备制粉困难，需要高温空气或烟气干燥。同时，水分大的煤也不利于运输，并使成本增加。但是，在高温火焰中水蒸气对燃烧具有催化、媒介作用，可以加速煤粉焦碳的燃烧，可以提高火焰黑度，增加火焰及烟气的辐射放热强度，加强燃烧室炉壁的辐射换热。另外，水蒸气分解时产生的氢分子和氢氧根可以提高火焰的热传导率。这样，水分使飞灰中碳粒减少，从而使机械不完全损失减少，TSP减少，同时水分的蒸发有利于疏松煤层，增加孔隙率，改善燃烧。因此综合考虑，应以合适水分为好。煤中碳分包括固定碳和游离碳。固定碳是指在隔绝空气的情况下煤中挥发分析出后剩下的固体物质中的含碳量；游离碳是指挥发分中的含碳量。一般来说，煤的煤化程度越高，挥发分含量越少，固定碳含量越高。煤中固定碳含量高，不利于煤的着火和燃烧，煤难以燃烬。7、油的闪点和燃点及着火点？闪点：当燃料油加热至一定温度时，其中分子量较小，沸点低的成分将先由油的表面气化逸出，形成油蒸气。油温升高，油蒸气越多，油表面附近的油蒸汽浓度越大。此时，有外来火源的情况下，在油面上会出现闪火现象(时间不超过5s)，但是未构成持续燃烧；燃点：当燃料油加热至一定温度时，其中分子量较小，沸点低的成分将先由油的表面气化逸出，形成油蒸气。油温升高，油蒸气越多，油表面附近的油蒸汽浓度越大。当油的蒸发速度很快时，在有外来火源情况下，在油面上闪火后持续燃烧(>5s)；着火点：当燃料油加热至一定温度时，其中分子量较小，沸点低的成分将先由油的表面气化逸出，形成油蒸气。油温升高，油蒸气越多，油表面附近的油蒸汽浓度越大。在无外来火源的情况下，在油面上形成的持续燃烧。8、何谓理论空气量？单位质量或单位体积的燃料完全燃烧(无剩余可燃组分和CO)时所需要的最小空气量(燃烧产物中氧气为零)，即从燃烧化学反应式出发计算出的1kg(或1m3)燃料所含可燃元素完全燃烧所需的空气量称为理论空气量。一般来说，燃料的理论空气量与其发热量大致成正比关系。1000kcal热量的燃料燃烧时约需1Nm3空气量。9、何谓理论烟气量？何谓实际烟气量？其烟气成分中有何差别？为什么？理论烟气量：1kg或1m3燃料在a=1的情况下完全燃烧，所生成的烟气量为理论烟气量。实际烟气量：1kg或1m3燃料在a不为1的情况下燃烧，所生成的烟气量为实际烟气量。当a＞1，完全燃烧时，与理论烟气量相比，实际烟气组分上多了一项O2和相应的多余空气中的N2，及带入的水蒸气，当不完全燃烧时，实际烟气组分上多了不完全燃烧产物CO10、何谓过量空气系数？过量空气系数的大小对燃烧及设备效率有何影响？过量空气系数a为实际空气量Vk与理论空气量V0之比，其大小直接影响燃烧效率和设备效率。实际煤正常的燃烧过程中空气消耗系数通常大于1，而实际煤气化过程中空气消耗系数通常小于1。在燃烧设备中，燃烧过程一般在炉膛出口处结束，因此对燃烧有重大影响的是炉膛出口处的过量空气系数a''。a''太大会造成过大的排烟热损失，使得设备效率降低，并使炉温偏低，不利于炉内燃烧；a''太小会造成固体及气体燃料不完全燃烧损失过大，使得燃烧效率降低，污染物排放浓度高；对于不同燃料和不同的燃烧方式，a''大不相同，存在一个最佳值，应在设计和运行中接近此值。教材81教材8011、不同的过量空气系数情况下的燃烧产物有何区别？a≥1：完全燃烧时，燃烧产物中除了CO2、H2O、SO2、NOx之外，还有剩余的氧；不完全燃烧时，燃烧产物中除了CO2、H2O、SO2、Nox、O2之外，还有不完全燃烧产物CO和H2以及CH4等。此时，不完全燃烧程度越严重，燃烧产物体积增加的也就越多。a<1：燃料与空气混合均匀，燃烧产物中可能有CO、H2、CH4，但是没有O2；燃料与空气混合不充分，燃烧产物中有CO、H2、CH4，但是有O2；此时，将会使燃烧产物生成量有所减少。12、什么是当量比？当量比与过量空气系数的关系？当量比为实际燃空比与理论燃空比的比值，与过量空气系数成反比。13、燃料的理论燃烧温度和理论发热温度有何区别（计算公式）？各有什么意义？理论燃烧温度：14、理论燃烧温度与哪些因素有关？提高理论燃烧温度的措施？理论燃烧温度是燃料燃烧的一个重要指标，为某种燃料在某一燃烧条件下所能达到的最高温度，其对于炉内过程分析和热工计算都是一个极其重要的依据，对于燃料与燃烧条件的选择，温度水平的估计和炉内换热计算，都有实际意义。其影响因素如下：燃料的种类和发热量，理论燃烧温度的增加与燃料低热值；空气消耗系数；空气或燃料的预热温度；空气的富氧程度，氧气浓度在30%以下增加氧气浓度效果明显；燃烧速度及减少散热。提高理论燃烧温度的措施：提高空气和燃料的预热温度；选择合适的空气消耗系数，在较小的烟气排放量下保证燃料的快速燃烧与燃尽；提高氧气浓度等。理论发热温度：过量空气系数为1教材85页15、阿累尼乌斯定律？何为活化能E？活化能与何因素有关？阿累尼乌斯定律：Arrhenius在一系列等温条件下实验测定了反应物浓度随时间变化关系，发现（比）反应速度常数kn与温度的关系，建立了阿累尼乌斯定律活化能(E)：根据活化分子碰撞理论，活化分子所具有的平均能量(Ee)与反应物分子的平均能量(Em)之差称为活化能(ActivationEnergy,用Ea表示)，表明反应物分子由普通分子转化为活化分子所需要吸收的平均能量，单位kJ•mol-1。在一定温度下，某一燃料的活化能越小，其反应能力越强，反应速度受温度的影响也就越小，在较低的温度下也容易着火与燃尽；活化能越大的燃料，其反应能力越差，反应速度受温度的影响越大，不但着火困难，而且需要在较高的温度下经过长时间才能燃尽。活化能的水平是决定燃烧反应速度的内因条件。活化能的影响因素：与反应物性质有关，与浓度、温度无关。16、何谓链锁反应？由几个步骤组成？链锁反应是由若干个相继发生或相继又平行发生的基元反应所组成，整个反应过程是由那些基元反应相继不断地反复进行来完成的，如同链环一样，称为链锁反应。链的激发过程、链的传递过程、链的终止过程。17、什么是均相燃烧、异相燃烧？举例。均相燃烧：燃料和氧化剂的物态相同，如气体燃料在空气中的燃烧，燃料和氧化剂都是气体，属于同相燃烧。异相燃烧：燃料和氧化的物态不同，如固体燃料在空气中的燃烧属于异相燃烧。18、什么是动力燃烧、扩散燃烧？举例。动力燃烧：燃料与氧化剂混合时间远小于燃料与氧化剂的混合物为达到开始燃烧反应的温度时所需的加热时间和完成化学反应所需时间之和，扩散性能远远超过化学反应性能，燃烧速度取决于化学反应性能，而与扩散性能无关。此时，扩散性能很强，燃料表面有足够的氧气，阻碍燃烧的是不能迅速进行化学反应。如预先混合好的可燃气体与空气混合物的燃烧过程、层燃炉尾部燃烬区的燃烧过程、细小颗粒煤粉的燃烧过程和煤粉炉尾部的燃烧等，即动力燃烧不只在气体燃料燃烧时才存在。其主要影响因素是可燃物与氧的化学反应速度，化学反应速度与反应空间的压力、温度、反应物质浓度有关。对于锅炉的实际燃烧，影响化学反应速度的主要因素是炉内温度，炉温高，化学反应速度快。扩散燃烧：燃料与氧化剂混合时间远大于燃料与氧化剂的混合物为达到开始燃烧反应的温度时所需的加热时间和完成化学反应所需时间之和，化学反应性能远远超过扩散性能时，燃烧速度取决于扩散性能，而与化学反应能力无关，化学反应能力很强，只要氧气扩散到燃料表面，就能立即燃烧掉，阻碍燃烧的是氧气供给不足。如气体燃料与空气分别由两个喷口进入燃烧室的燃烧过程和大颗粒煤的燃烧过程。对于扩散燃烧，对其燃烧进行强化的主要方法是加强燃料与空气的混合，其次是提高二者的温度等。19、解释热自燃、链锁自燃、点燃的概念。点燃和自燃的区别？热自燃理论主要研究系统内因化学反应放热而使系统温度自行升高，从而促进了化学反应放热速度的急剧增大而导致着火的过程链锁自燃理论认为，使反应加速并不一定要靠热量积累，也可以通过链锁分支反应而迅速增值活化中心，来促使反应不断加速直至爆燃着火。自燃和点燃的相同之处在于燃烧反应都有低速度突然加速为极高速度的过程；不同之处：a.点燃促使混合气体局部(点火源附近)化学反应加速，而自燃则在整个预混可燃气体内进行；b.点燃温度一般高于自燃温度；c.预混可燃气体能否点燃不仅取决于点火源附近局部预混气体能否着火，而且取决于火焰能否在混合气中顺利传播。20、着火温度和着火浓度界限的影响因素？影响着火温度和着火浓度界限的因素有：可燃混合物的压力、成分、浓度、温度、惰性气体含量、流速、可燃预混混合物的初始温度等。。21、何谓火焰传播速度？火焰传播的特征是什么？按照气体的流动状况，预混可燃气体中的火焰传播可分为哪几种？火焰传播速度：当一个炽热物体或电火花将可燃混合气的某一局部点燃着火时，将形成一个薄层火焰面。火焰面将未燃气体与已燃的烟气分隔开来，燃烧反应只在火焰面内进行。火焰面产生的热量将加热临近层的未燃混合气，使其温度升高直至着火燃烧。这样一层层地着火燃烧，把燃烧逐渐扩展到整个混合气，这种现象称为火焰传播。火焰前沿面在其表面的法线方向上相对于新鲜混合气的移动速度称为火焰传播速度。火焰传播的特征：燃烧反应不是在整个混合气体内同时发生，而是集中在火焰面内进行并逐层传播、逐层进行，传播速度的大小取决于预混气体的物理化学性质与气体的流动状况。按照流动状况，预混可燃气体中的火焰传播可分为层流火焰传播(层流燃烧)和湍流火焰传播(湍流燃烧)。其中层流气流的火焰传播速度是预混可燃气体的物性参数，即其大小取决于预混气体的物理化学性质。22、提高可燃预混气体燃烧速度的措施是什么？使用火焰传播速度大的可燃预混气体；提高湍流强度；提高混合气体的压力与温度。23、火焰稳定性的概念？何谓回火？何谓脱火？工程上如何防止回火和脱火？火焰稳定性：火焰传播速度与新鲜可燃混合气的流动速度两者大小相等，方向相反。回火：预混可燃气体的火焰传播速度UL大于新鲜可燃混合气的流动速率W，火焰前沿位置将向新鲜可燃物的上游方向移动，则火焰向预混气体内部烧去称为回火。回火不仅仅发生于预混可燃气体的燃烧过程中，在固体燃料如煤粉燃烧过程中，也会发生回火。在工程上采用小孔或缩口等方法减小喷口直径、均匀喷口流速及冷却喷口等措施防止回火。具体措施如下：可燃混合气体从烧嘴流出的速度必须大于某一临界速度，后者与煤气成分、预热温度、烧嘴口径及气流性质等有关；当空气或煤气预热时，其出口速度还应该提高；注意保证出口断面上速度的均匀分布，避免使气流受到外界的扰动；对于燃烧能力大的烧嘴，需用气冷或水冷将烧嘴头进行冷却。脱火：预混可燃气体的火焰传播速度UL远小于新鲜可燃混合气的流动速率W，火焰前沿位置将向燃烧产物的下游方向移动，则火焰被吹息或吹脱称为脱火。工程上采用各种形式的气流稳焰器或组织大小适中的高温回流区、合理控制预混气体流速W、各种形式的钝体等综合措施来防止脱火。具体措施如下：使气体的喷出速度与火焰传播速度相