燃烧学-4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小尺度湍流火焰大尺度弱湍流火焰大尺度强湍流火焰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第4章气体燃料的燃烧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4.1预混可燃气体的着火和自燃理论一、自燃的分类可燃气体混合物在反应过程中的释热率（产热率）可用下式表示式中：QI——燃烧过程的释热率，kJ/(s·m3)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/m3t——反应时间，s二、绝热条件下的自燃过程二、绝热条件下的自燃过程可燃气体混合物在反应过程中的释热率（产热率）可用下式表示式中，Q1——可燃气体混合物的热值，kJ/mol可燃气体吸收热量而升温，单位时间单位容积内吸收的热量为：kJ/m3·skJ/m3·s二、绝热条件下的自燃过程稳定条件下，QI=QII，即：二、绝热条件下的自燃过程对上式进行积分，得到：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Ta二、绝热条件下的自燃过程自燃过程中，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：TvCtiti称为着火感应期，着火延迟期或着火诱导期三、非绝热条件下的自燃过程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，可以用谢苗诺夫非稳态着火理论揭示自燃的热力着火规律。单位时间、单位体积内释放的热量单位时间、单位容积内散热损失量式中：a——放热系数S——表面积V——系统容积三、非绝热条件下的自燃过程TQI释热率曲线TQII散热率曲线三、非绝热条件下的自燃过程一般情况下，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;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

T0c~Tc之间的时间为着火感应期TaTcTbABCT0cQT三、非绝热条件下的自燃过程c点是曲线qg与ql的切点，因此可得自燃的临界条件四、影响着火的因素增加释热量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QTQI’QI’’QII’’QII’C’’C’T0c’T0c’’四、影响着火的因素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交点B降低，着火温度降低，着火提前QTQIQII1CT0cABT0bT0aT02T01T03QII2QII3四、影响着火的因素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五、着火延滞期实际的燃烧设备，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

一、什么是点燃工程上是燃料着火的方式通常为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4.2预混可燃气体的点燃理论二、点燃机理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二、点燃机理对于不可燃气体，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，传热少，温升小温度低，燃烧反应慢，温升小二、点燃机理Tx可燃气体反应发热，但是dT/dx<0，不能着火可燃气体反应发热，同时dT/dx=0，处于着火临界状态可燃气体反应发热，同时dT/dx>0，能够着火，反应速率大，温度升高TxTx三、热物体表面附近温度浓度分析热物体表面附近，预混气温度浓度分析条件稳定工况定义相对混度：f=c/r(预混气产物浓度/预混气密度）xTxdxfT三、热物体表面附近温度浓度分析假设：稳定状态下，微元体dx的传热与反应处于稳定状态此时，存在物质平衡

GI=GII式中，GII——散热量

GI——化学反应量则三、热物体表面附近温度浓度分析同时，存在热平衡

QI=QII式中：QI——单位距离导热量，主要是传导热

QII——化学反应放热量整理后得到三、热物体表面附近温度浓度分析一般情况下，热扩散系数（导热系数）近似等于物质扩散系数，则：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=Cpr0

(Ta-T0)得到三、热物体表面附近温度浓度分析代入积分式可见，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）四、点燃热力理论在点燃临界状态下，可燃气体层中的温度和浓度分布应满足下述条件：四、点燃热力理论五、可燃界限要使可燃混合物着火，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。五、可燃界限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4.3层流火焰传播一、层流燃烧的主要内容火焰锋面很薄，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很低，un通常在1m/s以下生成物未燃物unv为平均化学反应速度二、层流火焰传播可燃混合气体初温un∝T01.5~2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unT0CH4C2H4unTaCH4C2H4三、影响层流火焰传播速度的因素压力a1/p；rp；vpnunpn/2-1n——反应级数，通常为1~2n小于2,降低n等于2，无关n大于2，升高unaa=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unpr0unp三、影响层流火焰传播速度的因素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unCO+空气三、影响层流火焰传播速度的因素实际燃烧过程中，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4.4湍流火焰传播一、湍流火焰的分类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：能够保持规则的火焰锋面湍流火焰面厚度dT>层流火焰面厚度dn特点：小尺度湍流火焰只是增强了物质的输运特性，从而使热量和活性粒子的传输加速，而在其他方面没有什么影响dndTF二、小尺度弱湍流火焰大尺度弱湍流火焰条件：流体微团的平均尺寸>层流火焰面厚度脉动速度w’<层流火焰传播速度un现象：火焰锋面扭曲火焰锋面未被吹破dndTunuTwF三、大尺度弱湍流火焰大尺度强湍流火焰条件流体微团的平均尺寸>层流火焰面厚度脉动速度w’>层流火焰传播速度un现象不存在连续的火焰面F四、大尺度强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:2300<Re<6000对于管内流动因此有人认为：五、湍流火焰的表面理论对于大尺度弱湍流火焰Re>6000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法线方向火焰传播速度仍为层流火焰传播速度un五、湍流火焰的表面理论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六、湍流火焰的容积理论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。六、湍流火焰的容积理论根据上述规律，得出火焰传播速度规律uT/unRe×1032.351051层流小尺度湍流大尺度湍流七、火焰传播速度规律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燃料Q1空气化学当量比v温度Ta与T0压力r0un添加剂Q1v4.5火焰的稳定一、强化燃烧的途径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一、强化燃烧的途径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二、工程火焰稳定性工程火焰稳定方法值班火焰：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。二、工程火焰稳定性小股反向射流：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，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：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：射流空间受限，散热损失小，局部气流温度高，火焰容易稳定。二、工程火焰稳定性总结工程上稳定火焰的方法可分为三类：设置点火器，实时对主燃烧器提供点火能量制造回流区，卷吸高温烟气，强化进入燃烧室的燃料的传热，满足着火条件稳定着火改变燃烧区的散热条件，减小着火阶段火焰的散热损失，保持着火区足够的温度，稳定火焰二、工程火焰稳定性预混火焰预混射流（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4.6气体燃料火焰的类型和射流火焰一、预混火焰和扩散火焰本生灯二、本生灯的燃烧现象实验燃料一次空气二次空气外焰内焰F二、本生灯的燃烧现象实验一次空气全关。燃料所需空气全部由外部供给，火焰很长，发出黄色亮光，且不时冒黑烟，只有外焰。一次空气的当量比远远小于1。燃料与一级空气在第一个内火焰处开始燃烧，因为氧量不足，预混气中的氧耗尽后，煤气没有烧完，靠二级空气来燃烧，火焰变短，内外焰。一次空气的当量比小于1