-201208《燃气燃烧与应用》答辩(部编)课件

注册公用设备工程师动力专业复习二、燃气专业

11.

燃气燃烧与应用目录

燃气组成与分类一、燃气的燃烧反应及其计算（一）燃气的燃烧与热值

（二）燃烧所需空气量

（三）理论烟气量和实际烟气量（四）确定系数

（五）燃烧温度二、燃气燃烧反应过程

（一）链反应

（二）燃气的着火与点火

（三）燃气燃烧的火焰传播

三、燃气燃烧的方法（一）三种燃烧方法（二）扩散式燃烧（三）部分预混式燃烧（四)完全预混式燃烧四、燃烧器的设计和计算（一）大气式燃烧器的构造（二）大气式燃烧器的计算（三）全预混燃烧器五、燃气互换性（一）燃气互换性和燃具的适应性（二）华白数与燃烧势燃气组成与分类1.燃气组成

可燃组分：H2，CO，CmHn

不可燃组分：N2，CO2，O2

杂质：H2O，氨，H2S，萘，焦油，灰尘等2.城市燃气的分类(特性：P518)(1)人工煤气（R）：H2，CO，CH4

煤制气：焦炉煤气低热值17MJ/m3

油制气：催化裂解气低热值16.5MJ/m3

热裂解气低热值35MJ/m3(2)天然气（T）：CH4，CmHn，（CO2，N2）

低热值36-45MJ/m3

(3)液化石油气（Y/LPG）：丙烷，丁烷，丙烯，丁烯低热值90-115MJ/m3一、燃气的燃烧反应及其计算（一）

燃气的燃烧与热值

1.燃气燃烧反应方程式

CmHn

+(m+0.25n)O2=mCO2+0.5nH2OCO+0.5O2=CO2H2+0.5O2=H2O2.燃气的热值Q（MJ/Nm3）

低热值Qnet（Hl）和高热值Qgr（Hh）

混合燃气的热值计算:Q=ΣQi

ri

=Q1r1+Q2r2+…

…+Qn

rn（二）燃烧所需空气量

1.

理论空气需要量

V0

=0.02381H2+0.02381CO+0.04762

（m+n/4）CmHn

+0.07143H2S0.04762O2

（m3/Nm3干燃气）

2.实际空气量V

=

V0（三）理论烟气量和实际烟气量（计算同前）

V0f=VRO2+V0H2O+V0N2

Vf=VRO2+

VH2O+VN2

+VO2

烟气的密度（四）确定

系数

≈21÷（21O2

′）

其中O2

′—干烟气中氧气容积百分数（五）燃烧温度

1.

计算原理：

热量平衡

（单位kJ/Nm3干燃气）,燃烧温度为tf

Hl

+Ig

+Ia

=If

+Qc

+Q5Qc—化学不完全燃烧损失的热量

If

=VnCftfQ5—向周围散热损失

（1）热量计温度

t

c

绝热，完全燃烧Hl

+Ig

+Ia

=If

（2）燃烧热量温度

t

ther

（只与燃料本身有关）

Hl

+Ig

+Ia

=If

+Qc

+Q5

燃气、空气不预热，完全燃烧α=1

，绝热

Hl

=If

If

=V0

Cftther（3）理论燃烧温度

t

thHl

+Ig

+Ia

=If

+Qc

+Q5

绝热，Hl

+Ig

+Ia

=If

+QcIf

=VnCftth

（4）

实际燃烧温度

tact

Hl

+Ig

+Ia

=If

+Qc

+Q5If

=VnCftact[例题1]单选题。下列哪种单一燃气的高热值与低热值相等？（A）CH4

（B）CO（C）H2

（D）H2S[例题2]单选题。1m3CH4与空气混合完全燃烧，在以下哪个过剩空气系数α

下燃烧生成的实际烟气量（m3/m3干烟气）最多？（A）α=1.1（B）α=1.2（C）α=1.5（D）α=1.8[例题3]多选题（至少选2项）。燃料完全燃烧时，以下各项哪些与过剩空气系数有关？（A）实际燃烧温度（B）燃烧过程空气供给量（C）烟气量（D）烟气容积成分[例题4]单选题。任何一种形式的碳氢化合物的燃烧反应方程式都可用一通式表示，下列答案中哪一个是正确的？

（A）

CmHn

+(m+0.25n)O2=mCO2+0.5nH2O+ΔH

（B）CmHn

+(m+0.25n)O2=mCO2+0.25nH2O+ΔH

（C）CmHn

+(m+0.5n)O2=mCO2+0.5nH2O+ΔH

（D）CmHn

+(m+n)O2=mCO2+nH2O+ΔH[案例题5]

钢铁厂的一个加热炉采用焦炉、高炉、转炉三种煤气掺混成热值为9240kJ/m3的混合煤气加热。已知焦炉、高炉、转炉三种煤气的热值分别为18400、3400、8400kJ/m3，要求先由高炉煤气和转炉煤气混合成热值为4200kJ/m3后，再与焦炉煤气混合。计算他们的体积混合比是多少（%）？焦炉煤气高炉煤气转炉煤气

（A)35.554.210.3

（B）40.649.99.5

（C）45.745.68.7

（D）50.841.37.9解：假设转炉煤气为1m3，先与ym3的高炉煤气混合成9240kJ/m3热值的煤气，

8400×1+3400y=4200（1+y）

y=5.25m3

再次掺混：设焦炉煤气为xm318400x+4200（1+5.25）=9240（1+5.25+x）

x=3.44

所以体积比焦炉煤气：高炉煤气：转炉煤气=x：y：1=3.44：5.25：1

折合成百分比：焦炉煤气：高炉煤气：转炉煤气=35.5：54.2：10.3[案例题6]天然气组分：CH4=95.3%，N2=4.7%，过剩空气系数α=2.1，完全燃烧时的实际烟气量为多少m3/m3?

（A）18.3（B）19.2（C）20.1（D）22.0

解：[案例题7]续上题，天然气低热值Hl=34.21MJ/m3，过剩空气系数α=2.1，实际烟气量Vf=20.1m3/m3。假设是绝热完全燃烧，并且燃气与空气的热焓可忽略。计算热量计温度。已知烟气比热：700–1000℃时，Cf=1.51kJ/(m3·℃)

＞1000–1200℃时，Cf=1.55kJ/(m3·℃)

（A）930℃（B）1100℃（C）1150℃（D）1200℃

解：假设热量计温度在1000-1200℃二、燃气燃烧反应过程（一）链反应

氢的燃烧反应

H2+0.5O2=H2O

基元反应（形成活化中心）（H）

H+O2

O+OHO+H2

H+OH

OH+H2

H+H2O

（二）燃气的着火与点火着火：燃气与氧气接触发生反应，当化学反应发出的热量超过散失的热量时，就能着火。点火：用一点热源使之局部点火燃烧，并向周围传播，最后整个可燃混合物达到着火燃烧。成为强制点火。最小点火能：当可燃混合气的浓度、温度和压力一定时，要形成初始火焰中心，点火电极需要的最小放电能量。熄火距离：当电极间距d小到无论多大的火花能量都不能使可燃混合气点燃时，这个最小距离）即为熄火距离dq（三）燃气燃烧的火焰传播1.正常火焰传播正常火焰传播速度即法向火焰传播速度Sn

法向火焰传播速度就是单位时间内，在单位火焰面积上所燃烧的可燃混合物体积。也称作燃烧速度。管径越小，管壁散热越大，气流紊动使火焰面皱曲，火焰传布速度就越小。当管径小到某个极限时，使管壁散热大到火焰无法传播，称为临界直径dC。（右下图）2.影响火焰传播速度Sn的因素

（1）可燃混合气性质如导热系数（热扩散系数）越大，Sn

也越大。

（2）燃气含量（右图）

Sn

最大值时燃气与空气接近化学计量比，两侧最小值就是着火下限和着火上限。（3）可燃混合气初始温度

初始温度高，燃烧温度提高，反应速率增加，使Sn也增大。3.火焰传播极限（爆炸极限，着火极限）

燃气-空气混合物中，两者的容积比例只有在一定极限范围内，火焰才会传播，继续燃烧过程；在一定条件下遇到明火会发生爆炸。其燃气最低（最高）含量称为火焰传播下限（上限），或爆炸下限（上限）。

(1)当混合燃气不含O2和惰性气体时混合燃气的爆炸极限是

其中

yi

—燃气组分容积百分比

Li—燃气组分的爆炸极限(2)当混合燃气含有惰性气体时按照图示，将某一惰性气体与某一可燃气体合在一起，看作为一种组分，来计算混合燃气的爆炸极限：其中

yi’

—某一惰性气体与某一可燃气体的组分百分比之和

Li’—某一惰性气体与某一可燃气体合在一起的爆炸极限（按照图示）【例题】发生炉煤气的%组成：H2=12.4CO2=6.2CH4=0.7CO=27.3N2=53.4

该煤气的爆炸下限和爆炸上限分别为：（A)10%/55%(B)19%/62%(C)19%/71%(D)25%/82%解：按图10-10，将CO2与H2组合，两者比为6.2/12.4=0.5，两者之和6.2+12.4=18.6

爆炸下限6.0%，爆炸上限70%

将N2与CO组合，53.4/27.3=1.9653.4+27.3=80.7

爆炸下限40%，爆炸上限73.5%

查表10.6，CH4的爆炸极限为5.0%和15%

混合燃气的爆炸极限是表10-6

常用气体的物理化学特性(3)当混合燃气含有O2时（必然含N2）先扣除O2含量以及与其组成空气的相应N2含量，重新调整混合燃气的容积分率；然后按照（2）的方法计算混合燃气的爆炸极限。【例题】某燃气容积%组成：CO2=5.7C3H6=5.3O2=1.7CO=8.4H2=20.93CH4=18.27N2=39.7。该燃气的爆炸下限和爆炸上限分别为：（A)7.74%/35.31%(B)9.65%/42.90%(C)15.62%/49.27%(D)21.33%/57.48%解：按照O2：N2=21：79，应扣除1.7%O2

和6.4%的N2；两者共扣除8.1%。按照总量（100-8.1）%=91.9%，（N2=33.3%）；重新调整混气的容积百分比组分：

CO2=6.2C3H6=5.77CO=9.14H2=22.78CH4=19.9N2=36.2

将N2与H2看作一种组分：其爆炸极限为11%-75%

将CO2与CO看作一种组分：其爆炸极限22%～68%CH4爆炸极限5.0%～15%，

C3H6爆炸极限2.0%～11.7%该混合燃气爆炸极限：[例题8]单选题。下列4种燃气在空气中的着火温度，由低至高排序，哪项是正确的？（A）发生炉煤气，甲烷，乙烷，正丁烷（B）甲烷，乙烷，正丁烷，发生炉煤气

（C）正丁烷，乙烷，甲烷，发生炉煤气（365，515，540，＞605℃）（D）乙烷，正丁烷，发生炉煤气，甲烷[例题9]单选题。研究火焰传播临界直径的主要作用是为了防止产生下列哪种燃烧现象？（A）回火（B）脱火（C）离焰（D）光焰（黄焰）[例题10]单选题。燃气—空气混合物的初始温度越高，则火焰传播速度就会出现下列哪种现象？（A）越小（B）越大（C）与温度无关（D）剧烈波动[例题11]多选题（至少选2项）。下列哪些因数影响燃气燃烧的火焰传播速度？（A）可燃混合物的性质

（B）燃气—空气混合物中燃气浓度（C）燃气—空气混合物的流动速度（D）燃气—空气混合物的初始温度三、燃气燃烧的方法

（一）三种燃烧方法按照混合时间与化学反应时间两者比较

1.扩散式燃烧（有焰燃烧）扩散混合控制：

2.预混式燃烧（无焰燃烧）动力学控制：

3.部分预热式燃烧（大气式燃烧器）介乎两者之间（二）扩散式燃烧层流扩散火焰的结构：喷嘴喷出燃气没有氧气。层流流动，靠分子扩散；化学反应速度很快，火焰面（α=1）很薄，燃烧速度取决于扩散速度。

1—外侧混合区（燃烧产物+空气）

2—内侧混合区（燃烧产物+燃气）

α=1处为火焰面

α=0处为燃料区

（三）部分预混式燃烧

燃气预先混入部分空气（0＜α′＜1），燃烧加强，火焰清晰，又称本生火焰。内锥火焰（兰色锥体），燃气与一次空气燃烧所形成，气流的法向速度与法向火焰传播速度相等，形成稳定火焰面。外锥体，未燃烧的燃气以扩散方式与周围空气混合后燃烧。部分预混层流火焰的稳定

离焰：气流速度加快，使火焰离开燃烧器喷口一定距离燃烧。脱火：气流速度继续增大，火焰被吹熄，（大于火焰传播速度)

回火：气流速度减到小于火焰传播速度，火焰缩回喷口

光焰(黄焰）：一次空气较小，供氧不足，CmHn受热分解，生成碳粒和煤烟，形成不完全燃烧，呈现黄色发光火焰。

（四)完全预混式燃烧条件：1.α′＞1。2.专门火道，保持高温特点：1.燃烧速度快，火焰很短甚至看不出，无焰燃烧。陶瓷板2.容积热强度高100-200×106kJ/m3·h3.空气过剩系数小（α=1.05-1.10），燃烧温度高4.可燃气全预混，火焰传播能力强，火焰稳定性差，易回火。5.红外线辐燃烧器，多孔陶瓷板，金属丝网，金属纤维等，火孔直径小于临界直径，不易回火。

铁铬铝编织网铁铬铝纤维网板

不锈钢冲孔板铁铬铝折片网[例题12]单选题。燃气燃烧的光焰（黄焰）是由于哪个因数造成的？（A）燃气中氢气的燃烧（B）燃气中碳氢化合物受热分解（C）燃气—空气混合物中氮气在燃烧中的作用（D）燃气中硫化氢的燃烧[例题13]单选题。为什么气体燃料既能产生火炬燃烧，也能产生无焰燃烧？（A）燃烧空气的温度不同（B）燃气中预混的空气份额不同（C）燃气的压力不同（D)燃烧器的点火方式不同[例题14]单选题。家用燃气灶通常采用哪一种燃烧器？（A）自然引凤式扩散燃烧器（B）鼓风式燃气燃烧器

（C）大气式燃气燃烧器（D）完全预混是燃气燃烧器四、燃烧器的设计和计算（一）大气式燃烧器的构造

1.大气式燃烧器由引射器和头部组成。工作原理：燃气在一定压力下，以一定流速从喷嘴流出，进入吸气收缩管，同时引射空气并均匀混合，经扩压最后从头部火孔流出燃烧。

α′=0.45-0.75,α=1.3-1.8。低压引射大气式燃烧器（燃气灶）

（1）风门（2）一次空气口（3）引射器喉部（4）喷嘴（5）火孔2.引射器引射器由喷嘴、收缩管、混合管和扩压管组成。引射器的作用：（a）以高能量的燃气引射空气，并使均匀混合；（b）引射器末端形成剩余压力，以克服气流在头部的阻力损失，使燃气-空气混合物在火孔出口具有一定速度；（c）输送一定的燃气量，达到热负荷要求。

（1）喷嘴以一定速度喷出，输送一定的燃气量燃具热负荷与燃气流量关系：Q=燃气流量×低热值=Vg×Hl

(kW)

喷嘴流量公式：（注意单位！）

μ—流量系数（与喷嘴结构、尺寸和燃气压力有关）（p534）

d—喷嘴直径(mm)H—燃气压力(Pa)

s—相对密度（2）一次空气吸入口开口面积为火孔总面积的1.25-2.25倍，吸入口处空气流速≤1.5m/s。（3）吸气收缩管减少空气阻力，进口面积为喉部面积的4-6倍。（4）扩压管增加静压，进一步均匀混合，减少阻力。张角为6-8°。3.

头部将燃气/空气混合物均匀分布到各火孔，要求火孔出口前混合气有一定的压力且相等，二次空气能均匀流至各火孔，保证稳定地完全燃烧。头部容积不应过大，否则熄火噪声过大。（二）大气式燃烧器的设计计算1.头部设计计算头部设计要求：稳定燃烧，功率、火焰特性满足工艺要求。多火孔大气式燃烧器头部设计内容：①选择头部形式和火孔形状；②计算火孔尺寸、间距、火孔深度、火孔排数、头部容积；③计算头部静压力。（1）火孔尺寸

火孔大，散热小，火焰传播速度快，易回火；火孔小，易堵塞。火孔排数不超过2排，当超过2排时，每增加一排一次空气系数增加5-7%。（2）火孔总面积和火孔燃烧能力

火孔热强度：火孔燃烧能力用火孔热强度或火孔出口气流速度火孔总面积：

（3）燃烧器头部的静压力燃气-空气混合物在燃烧器头部须有一定的静压力，以克服阻力损失，达到要求的气流出口速度和火孔热强度。

头部特性方程式头部必须有的静压力,应能克服3方面阻力：

—流动阻力损失

—因气体被加热膨胀而产生气流加速的能量损失

—火孔出口动压头损失

ξp—火孔阻力系数μp—火孔流量系数（P535)

燃气-空气混合物的密度：

质量引射系数：2.低压引射器计算

低压引射器的特性方程式3.低压引射大气式燃烧器的计算

最佳燃烧器参数F1，OP：

K－引射器能量损失系数

K1－头部能量损失系数

如A=1，则X=1，F1，OP=F1，燃烧器计算工况与最佳工况一致;

如A＞1，则无实数解,燃烧器不能保证所要求的引射能力；如A＜1，则表明燃烧器有多余的燃气压力。可以考虑缩小引射器尺寸。两类设计问题（1）计算燃烧器的几何尺寸，确定所需燃气压力（2）已知燃气压力，计算燃烧器的几何尺寸（三）全预混燃烧器1.红外辐射燃烧器

低压引射式全预混燃烧器，由混合装置和头部组成。

α=1.03-1.06

头部3种形式：陶瓷板金属丝网金属纤维多空金属板[案例题15]天然气灶具，热负荷3kW，喷嘴前压力H=1.8kPa，热值Hl=35.9MJ/m3，相对密度S=0.580，喷嘴流量系数

μ=0.7，计算喷嘴直径。（A）1.24mm（B）1.48mm（C）1.70mm（D）1.86mm

解：[案例题16]一低压燃气的大气式燃烧器，喷嘴出口直径dj=2.7mm，喉部直

径dt=8.75mm，能量损失系数K=1.5，质量引射系数u=3.3，喷嘴流量系数μ=0.8，头部静压力h=22.3Pa，当燃气相对密度s=0.54时，燃气所需压力是多少Pa？

（A）1239（B）1150（C）1106（D）959

解：低压引射器的特性方程式

五、燃气互换性（一）燃气互换性和燃具的适应性燃气的成分可能发生变化，则燃具的热负荷、α′、燃烧稳定性、火焰结构、烟气中CO含量等也会改变。当燃气成分变化不大时，要求燃具不用调整仍能正常使用。这就需要考虑互换性问题。设某燃具以a燃气为基准进行设计调整，现改用置换气s燃气。如果不加任何调整燃具仍能正常工作，则表示s燃气可以置换a燃气，即s燃气对a燃气具有“互换性”。否则就不具有“互换性”。互换性是对燃气品质的要求。两种燃气能否互换还与燃具的性能有关。燃具适应性是指燃具对于燃气性质变化的适应能力。适应性是对燃具性能所提的要求。燃气互换性问题主要是针对民用燃具。（二）华白数与燃烧势

1.华白数W燃具热负荷Q=燃气热值×燃气流量当喷嘴前压力不变时，燃气流量与成反比。燃具热负荷正比于

热负荷与华白数成正比，α′与华白数成反比。

Q=KWK—比例常数一次空气系数α′与成正比，则与W成反比如两种燃气W相同，且压力不变，则互换时热负荷和α′保持不变。一般规定，两种燃气互换时，华白数的变化不大于±（5-10）%。2.燃烧势Cp燃烧势是与燃烧稳定性有关的参数。

实验证明，内焰高度h与离焰、回火、不完全燃烧工况有关；内焰高度又与相对密度S和燃烧速度Sn有关，则与燃气成分有关。所以燃烧势是燃气成分的函数。定义燃烧势：

3.燃气互换性原理（能否互换还与初始运行点的调定有关）基准气a，离焰曲线La，黄焰曲线Ya，Wa=47.6MJ/m3置换气s，离焰曲线Ls，黄焰曲线Ys，Ws=