燃烧学5-第五章 气体燃料燃烧.ppt

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1,第五章气体燃料燃烧,5.1着火基本原理5.2火焰传播5.3扩散火焰和预混火焰5.4气体燃料燃烧时的火焰稳定措施5.5气体燃料火焰长度,2,燃烧过程是包括发光放热的化学反应，故存在两个最基本的阶段：

着火阶段、着火后燃烧阶段。

着火定义：

燃料和氧化剂混合后，由无化学反应（从缓慢的氧化反应）向稳定的强烈放热状态的过渡过程。

热着火,链式着火,3,热着火：

可燃混合物由于本身氧化反应放热大于散热，或由于外部热源加热，温度不断升高导致化学反应不断自动加速，积累更多能量最终导致着火。

大多数气体燃料着火特性符合热着火的特征。

链式着火：

由于某种原因，可燃混合物中存在活化中心，活化中心产生速率大于销毁速率时，导致化学反应速度不断加速，最终导致着火。

某些低压下着火实验（如H2+O2，CO+O2的着火）和低温下的“冷焰”现象符合链式着火的特征。

4,5.1着火基本原理,热着火过程与链式着火过程区别热着火通常比链式着火过程强烈得多。

热着火过程：

温度升高引发的，将使得系统中整体的分子动能增加，超过活化能的活化分子数按指数规律增加。

导致燃烧反应自动加速。

链式着火过程：

主要是活化中心局部增加并加速繁殖引起的，由于活化中心会被销毁，所以链式着火通常局限在活化中心的繁殖速率大于销毁速率的区域，而不引起整个系统的温度大幅度增加，形成“冷焰”。

但是，如果活化中心能够在整个系统内加速繁殖并引起系统能量的整体增加，就形成爆炸。

一个完善的燃烧过程应是：

及时着火，稳定燃烧，充分燃尽,5,热着火过程分两类,自燃：

自发的着火，依靠系统自身化学反应的放热来维持系统的升温。

强燃：

强迫着火，借助外部能量（固壁、火花塞），使其局部着火，然后火焰传播到整个可燃混合物中。

6,零元系统：

容器内可燃气体混合物的成分、温度与压力是均匀的，也称强烈掺混模型。

5.1.1自燃,一、由热平衡的角度分析,7,产热（单位时间）：

C可燃混合物中反应物浓度n反应级数V容器体积Q可燃混合物的燃烧热T温度,散热：

散热系数S容器壁散热面积T0容器壁温度T容器内可燃混合物温度,热平衡,8,Q,T,A,B,C,T0,T0,T0,Tlj,Q2,Q2,Q2,Q1,产热：

散热：

9,两个交点：

A点，稳定，但其温度绝对值太低，熄灭状态;C点，不稳定，脉动燃烧or熄灭线：

Q1Q2，没交点，着火线：

Q1Q2，一个切点切点B不稳定，有波动要么回到B点，要么着火B：

着火临界点,10,由切点的数学条件得着火临界条件,解方程得：

（另一根舍去）,所以：

将,展开，忽略高次项，,11,两种着火温度的定义,区别不大,影响因素：

有利着火燃料活性强（E小或k0大）易着火T0容易着火,定义一：

T0II,定义二：

Tlj,12,、不至于着火情况着火，在Tlj时，温度拐点，孕育时间Tyu如果系统初温升高是有利于着火，孕育时间缩短（V线）。

（为Tyu,可以提高初温）,二、自燃过程温度变化,Tyu,13,一些燃料空气混合物大气压下着火温度

（1）,14,烷、烯、炔的着火温度是烷烃最高（为饱和烃，所以活性低）炔烃最低（三价键不饱和烃，活性最强）液体燃料着火温度一般小于气体燃料着火温度。

注意，这里说的着火温度是自燃的着火温度固体燃料中挥发分高的着火温度低，无烟煤、焦炭挥发分很少，所以温度最高。

褐煤煤场、油炉空气预热器上积的油、制粉系统的积粉等等，在通风不良（散热Q2很小时），经相当长时间孕育，可燃物浓度达到着火限时，在低于室温的情况下，也会自燃着火。

着火温度与燃料空气混合物的浓度有关；通常用过量空气系数来表示,15,T,散热增大,自燃温度Tzr,着火温度与燃料空气混合物的浓度（过量空气系数）的关系,自燃范围,如果温度T和燃料浓度（过量空气系数）配合的点在U形曲线以上的区域，则会发生自燃甚至爆炸，称为爆炸区。

16,特别强调，无论定义Tlj或T0为着火温度Tzh，这个Tzh不是一个物理常数，它是随着着火条件变化而变化的，散热条件增强，则着火温度上升。

17,5.1.2强迫点燃,强迫点燃：

用炽热物体使可燃混合物着火常用方法：

炽热固壁点燃、电火花或电弧点燃（汽油发动机）、火焰点燃、自燃方法点燃（柴油机中的压缩的点燃）。

炽热物体向周围可燃混合气散热，在边界层中可燃混合物由于温度升高而进行化学反应，反应产热使气体温度不断升高而着火。

18,强迫点燃的热过程,19,强迫点燃的临界条件：

设有温度不同的炽热物体置于静止或低速可燃混合气中（T0），则有以下几种可能性：

1.Tw较低，远低于自燃温度，但TwT0。

此时，炽热物体与混合可燃气间由于导热作用交换热量，仅使得靠近物体表面附近的薄层内（热边界层）的气体温度升高，导致该层内化学反应速度升高、产热。

但不足以点燃主流中的气体。

T,x,T0,可燃混合物的温度分布（不含化学反应）,可燃混合物实际的温度分布（含化学反应）,化学反应放热,20,2.如Tw升高，则上图中实线虚线均上升，边界层的温度分布达到下图所示：

此时边界层内，边界层内气体与固壁间已无热交换，可以想象此时气体边界层会一点点向混合气推进，使混合气T升高。

这是主流着火的临界条件。

T,x,T0,Tqr,可燃混合物的温度分布（不含化学反应）,可燃混合物实际的温度分布（含化学反应）,化学反应放热,21,3.如Tw进一步升高，边界层内混合气化学反应加速，产热增多，边界层内温度快速上升，高温的边界层将向混合气导热，一层层的混合气化学反应加速，高温区扩大，最终整个主流的可燃气着火。

T,x,T0,Tqr,可燃混合物的温度分布（不含化学反应）,可燃混合物实际的温度分布（含化学反应）,化学反应放热,22,强燃的临界条件应为：

Tw=Tqr,此时的壁面温度称为强燃温度,T,x,T0,Tqr,可燃混合物的温度分布（不含化学反应）,可燃混合物实际的温度分布（含化学反应）,化学反应放热,23,平壁强燃温度的求解：

设一表面温度为Tqr的炽热平板置于静止或低速的可燃混合气中，如下图所示，分析边界层内一微元体Sdx的能量守恒：

24,反应产热,导入热量,导出热量,平衡时应有：

q1+q3=q2,25,平衡时：

q1+q3=q2,对上式乘以dT进行积分,引入另一假设：

设C在边界层中均匀分布，边界层内化学反应分布取决于，如下图所示，认为边界层内的化学反应只集中于壁面附近Tqr至这一薄层内，即0123内，这一层内的化学反应速度都等于T=Tqr时的数值。

26,T,Tqr,x,RTqr2/E,dx,T0,借用自燃中的概念,相当于把蓝色的指数分布曲线转化为红色的折线来分析，蓝色线和红色线包围的面积相等。

这个转化，相当于把整个x轴上进行的不均匀的化学反应的热量产出，视作只在RTqr2/E的热边界层内均匀化学反应的热量产出。

27,分析：

级数展开：

28,因此如时，阿累尼乌斯因子下降倍，时下降倍，一般认为，温度下降后，阿因子已大大减小可忽略其后影响。

故可认为化学反应在0123区域，即之内。

以上讨论是在说明指数曲线转化成折线的合理性,29,在内积分,定积分取0123面积,30,此外对于w点以外可燃气无化学反应，该点边界条件应为,由该式可求得Tqr,31,由可分析：

L，TqrNu（气流速度上升，散热增大），TqrP（C）,Tqr、E，TqrQ,Tqr强燃温度明显高于自燃温度，通常要达到1000以上。

32,自燃与强燃的对比：

33,T0,Tzh,Q1,Q2,Tqr,34,几种点燃方式L：

热球点火电火花点火热金属块点火辐射能点火电热丝点火热气流点火,35,5.2火焰传播,在可燃混合物中借助于外加能源使其局部着火，而后着火部分向未着火部分输送热量及活性粒子，使之相继着火燃烧，此即火焰传播问题。

火焰传播原理：

火焰前锋内剧烈的燃烧化学反应使其在边界上产生了很大的温度和浓度梯度，从而导致了强烈的热质交换。

热质交换又引起了邻近的混合气的化学反应，由此形成了化学反应区在空间的移动，故火焰传播是一个复杂的物理化学过程。

36,火焰传播的形式,缓燃（正常传播）：

火焰锋面以导热和对流的方式下传热给可燃混合物引起的火焰传播，也可能有辐射（煤粉）。

传播速度较低（13m/s），传播过程稳定。

爆燃：

绝热压缩引起的火焰传播，是依靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度升高而引起化学反应，从而使燃烧波不断向未燃气推进，传播速度大于1000m/s。

37,按气流的流动状况也可分为层流火焰传播和湍流火焰传播,层流火焰定义：

火焰锋面在其法线方向相对于新鲜混合气的传播速度。

静止气：

（火焰峰面固定在某一位置不动）,5.2.1层流火焰传播速度uce（正常传播速度）,38,平面火焰锋面在可燃混合物中的uce设：

锋面与气流速度垂直。

w0=uce。

W0,锋面,uce,39,认为在To至范围内wm=0，而在B点至Tlr内反应速度均为一样的，,C：

理论燃烧温度时的可燃份浓度,能量方程：

40,控制火焰传播的方程,物理意义：

热量在传导过程中的源项（或者说增加项）是化学反应的放热。

求解的困难：

难于积分。

另一个问题：

怎么和火焰传播速度关联？

41,解决求解的困难：

难于积分。

在右图中，用红色的范围代替蓝色的范围。

用一个线性的函数，代替指数函数。

红色区域中的物质近似遵守绝热自燃的规律。

42,解决另一个问题：

怎么和火焰传播速度关联？

所有流向锋面的气体在B点之前被加热到温度，所需热量为而这部分热量就等于锋面向新鲜燃料的导热量,43,从B点至Tlr积分,对Tlr点,：

气体自T0升温至所需热量等于在B点导热量,44,燃尽时间：

火焰锋面厚度及可燃混合物升温预热区厚度S,S定义为在点做的切线，切线与T=Tlr与T=T0交点间距离,通常S，一般,45,影响因素：

1、燃料特性：

Quce,46,2.过量空气系数：

理论燃烧温度：

在=1时最高空气多燃料多,，,实验证明且小于1时，,47,48,3.可燃气初温,4.锋面形状，凹，凸，散热多,uce决定于燃料的空气混合物的成分和物理化学性质。

49,淬熄距离：

距壁面数mm之内地方，壁面温度低，散热强烈，造成火焰无法传播的临界边界厚度的称为淬熄距离。

50,5.2.3湍流火焰传播,火焰传播速度的数值与变化规律都与层流状态不一样，（但两者基本原理是一致的，都是靠未燃气体和已燃气体之间的热质交换所形成的化学反应区在空间的移动，不过此时湍流运动作用对燃烧过程影响很大）。

51,湍流中火焰传播速度要较层流时大得多，很大程度上取决于气流的湍动程度（层流火焰传播速度取决于燃料混合物的物理化学性质）。

湍流火焰传播速度ut,管内出口射流,52,湍流与层流火焰外观很不相同层流时有一层很薄光滑整齐的外形清晰的火焰锋面湍流火焰锋面不断抖动，且火焰锋面较厚，轮廊模糊，锋面曲折，闪动。

ut,uce,53,一、湍流传播的理论,表面燃烧理论（舍谢尔金）火焰面是层流型的，湍流脉动在一定空间内使燃烧面弯曲、皱折，乃至破裂，成“小岛”状的封闭小块，这样增大了燃烧面积，从而增大了燃烧速度。

容积燃烧理论湍流燃烧速度的增加是因为在湍流中热量和活化中心湍流转移速度都大大高于层流中同类型的分子迁移速率，因而加速了火焰中化学反应，从而提高了实际的法向燃烧速度。

54,湍流根据其尺度大小可分为：

大尺度湍流运动小尺度湍流运动,2.小尺度湍流,当湍流标尺（混合长度：

一个湍流旋涡其消失之前运动所经过的距离。

混合长度和旋涡本身的尺度是同一数量级的）小于层流火焰锋面厚度时称为小尺度湍动。

L,55,2300Re6000，,At：

湍动输运所引起的折算热扩散率,当时，有（一般情况下）,若流体为管内流动，一般认为,56,3.大尺度湍流,湍流标尺L层流火焰锋面厚度，其中大标尺湍动又按湍流脉动速度大小W分为湍流大尺度强湍动（）、大尺度弱湍动（）。

57,大尺度弱湍动（L，）,此时，湍流迁移脉动速度较小，尚不能冲破（）火焰锋面，但火焰锋面已受到扭曲（比小尺度扭曲大），火焰仍保持一个连续的但已能扭曲、皱折的锋面，向前及向后的脉动使锋面凹凸不平，但在凹凸不平的整个火焰锋面上，各处火焰都以uce沿该点火焰锋面法线方向未燃一侧推进。

每单位时间烧掉的可燃混合物量可由整个火焰锋面平均位置向前推进计算：

Ut*S0,另一方面单位时间烧掉的可燃混合物量是Uce与S之积。

58,只要计算出凹凸不平的火焰锋面的曲面面积S与平均火焰位置的平面面积S0之比，就能求出ut/uce,59,展开：

因此湍动很弱时，,则由上可得：

60,有研究对修正，提出,61,影响湍流传播速度的是uce（可燃混合物物理化学性质，参数）以及湍流的状态L，W，Wuce，大尺度强，火焰锋面被撕破。

62,5.3扩散火焰和预混火焰,3.3.1火焰形式扩散火焰：

燃料和氧化剂边混合边燃烧，这时由于扩散作用对燃烧起控制作用，又称扩散燃烧。

预混火焰：

燃料和氧化剂预先混合好，这时化学动力学因素对燃烧起控制作用，亦称动力燃烧。

63,举例,本生灯：

燃料气流进入本生灯后由一喷口流出，引射部分空气（一级空气）预先混合。

*如1级空气阀门关死，点燃,2k,1k,燃料,64,*逐渐增加（煤气+1K）流动火焰锋面即形成燃烧一级空气氧烧完，再靠二级空气来燃烧，此时有两个火焰锋面，内（1空气）外（二级空气）预混火焰,65,如，一级空气氧已足够此时也只有一个内火焰锋面，此时为全预混火焰。

66,67,5.3.2火焰稳定问题,当或当煤气与一级空气预混物流量太大，流速很高时，火焰将被吹离，后面随之而来的煤气空气混合物根本不能着火，该现象称为脱火（吹熄）。

当而煤气与1级空气预混物流量很小，流速很低时，火焰很可能逆流而传播进本生灯，一直烧到本生灯里面的煤气小喷口处，该现象为回火。

68,Wn为在法向分量：

脱火、回火的本质在于火焰传播速度与气流速度大小的问题。

回火,脱火,回火,脱火,wm,wn,uce,w,69,本生灯的火焰稳定机理：

本生灯出口Re较小一般属层流，火焰锋面以传播，可燃混合气以W速度前进，合成速度的结果就是形成了的圆锥面。

这也称为余弦定律。

w越大，越大，就越小，火焰瘦长,70,的存在使得火焰锋面上质点沿a-b方向移动，为使火焰稳定，当质点由a移至b时，必须有另一质点补充上来。

因此在接近火炬根部的焰锋表面上，必须存在一固定的点火源（不断点燃火焰根部附近的可燃气体以补充被气流带走的质点）。

此即圆锥面火焰锋面的策源，底部四周一圈环形火焰锋面点火环。

点火环的存在是由于燃料混合物喷出本生灯后在边缘上速度很低，有一些地方射流速度正好等于Uce，即形成了点火环。

b,a,71,脱火：

各处均为,回火：

w很小，火焰逆流传播，而成回火,火焰稳定,72,的大小对于火焰稳定与否有很大影响,在略小于1时最大，但1时火焰稳定区不宽，尤其当1时更窄。

73,1k,w,0.4,1.0,1.4,黄色火焰区,稳定区,脱火区,回火区,当1K=0，纯扩散火焰，不可能回火，因为管道中没有氧气，火焰传播速度为0。

也不易脱火，因为，随着燃料在环境中的扩散，与氧气混合，火焰传播速度上升，而流速却在扩散过程中不断下降，很容易出现火焰稳定点。

火焰极为稳定，但化学不完全燃烧损失大。

74,1k,w,0.4,1.0,1.4,黄色火焰区,稳定区,脱火区,回火区,1K=0.40.7，稳定区域很大，运行较为可靠。

混合物中火焰传播速度很低，不容易回火。

与纯扩散火焰类似，随着燃料在环境中的扩散，与氧气混合，火焰传播速度上升，而流速却在扩散过程中不断下降，很容易出现火焰稳定点。

1K太小时，气体中烃缺氧，发生高温裂解，产生炭黑，火焰呈明亮黄色，发光火焰，黑度大，有利于炉内传热。

75,1k,w,0.4,1.0,1.4,黄色火焰区,稳定区,脱火区,回火区,1K1时，既容易回火，也容易脱火，火焰很不稳定。

火焰传播速度很快，管道内供氧充分，很容易回火。

混合气流离开喷嘴以后，火焰传播速度不断下降，虽然流速也不断下降，但是，火焰传播速度的下降更快，很容易脱火。

76,小结,77,典型的火焰形状5mm喷嘴H2:

CO:

NG=1:

1:

3,=0=0.5=0.6=0.7=0.8=0.9=1.0=1.1,78,液体燃料的火焰（例如酒精灯）,灯芯,酒精受热蒸发,酒精蒸汽卷吸空气，形成部分预混火焰,内焰,外焰,焰心,79,乙醇燃料的消耗有分解和脱氢两种途径；可以将燃烧产物CO明显产生的时刻做为判断乙醇燃烧着火的始点。

所以，乙醇的燃烧随氧量的不同，可能有几个锋面出现。

80,液体燃料的火焰（例如酒精灯）,正常使用的酒精灯火焰应分为焰心、内焰和外焰三部分。

近年来的研究表明：

酒精灯火焰温度的高低顺序为：

内焰外焰焰心。

一般认为酒精灯的外焰温度最高，其原因是酒精蒸汽在外焰燃烧最充分；同时由于外焰与外界大气充分接触，燃烧时与环境的能量交换最容易，热量散失最多，致使外焰温度低于内焰。

实际上，和供氧的状况以及整体的热平衡有很大的关系。

81,5.4气体燃料燃烧时的火焰稳定措施,防止回火防止脱火,稳定火焰,根本条件是保证：

82,一、防止回火,采用喉口设计：

加装收缩段；直径变小使用冷却装置：

降低混合物温度，从而降低火焰传播速度，甚至直接淬熄火焰。

防止回火,w,83,二、防止脱火,防止加稳焰器使用钝体或者旋流，形成中心回流区，起到稳定点火源的作用,稳焰方法：

利用钝体，旋转射流稳焰，利用逆向喷流稳焰，等等。

84,钝体稳焰的第一个原理:

绕流钝体时会出现有回流区，回流区由于吸入大量高温烟气，使燃烧反应物温度升高，在区内某处实现了着火条件，产生了稳定的着火。

二、采用钝体后回流区稳焰,85,钝体稳焰的第二个原理：

钝体后方，燃料与空气混合物射流的主流区域中，存在从高速到负流速的分布区域，很容易形成的条件,86,三、其它稳焰方法,小型点火焰,在流速较高的预混可燃主气流附近放置一个流速较低的稳定的小型点火焰（值班火焰）,反吹射流稳定火焰,反吹射流引起中心回流区，流场减速，且具有高温（下游烟气，未燃尽可燃物，反吹空气等组成回流区）,87,旋转射流稳焰,利用强烈的旋转气流产生强大的高温回流区，强化燃料着火，加速燃料空气混合,稳焰环,88,齿形环的工作机理,89,小结,稳焰方法防止回火喉口，冷却防止脱火控制，钝体，旋流，稳焰环其它稳焰方法小型点火焰反向射流稳定火焰旋转射流稳焰燃烧室壁凹槽稳定火焰流线型物体稳焰,90,5.5气体燃料火焰长度,预混火焰的长度：

主要决定于火焰锋面在湍流气流中的传播速度。

lhy湍预还与w、混合长度等有关,91,一、湍流扩散火焰长度,R0：

射流喷口半径a：

湍流结构系数n：

煤气和空气化学计量比,二、层流,92,影响火焰长度因素：

气流流速w喷口直径d扩散系数D（湍流的过量空气系数影响,=1.01.5，越大，火焰长度相对短一些,93,甲烷燃烧,层流扩散火焰湍流扩散火焰湍流预混火焰,94,本章总结,理解燃烧分析的最基本两大要素：

燃烧产热与系统热平衡热自燃的基本原理：

化学反应放热大于系统散热，从而使系统积累热量，自发升温。

强迫点燃：

外热源供热+系统产热=对流散热也必须能使得系统能自发升温。

归纳起来，凡是利于外热源供热的因素（加长L），反应放热增加的因素（E，Q，T0等），系统散热减弱的因素（Nu）都能使得Tqr,95,本章总结,火焰传播：

本质上是火焰前锋对新鲜燃料的强迫点燃过程。

影响火焰传播速度的因素，归纳为：

传热因素（a，uce），放热因素（wm或Quce）。

一般在略小于1时，uce最大。

湍流火焰传播：

可以转化为层流火焰传播来分析。

扩散与预混火焰：

主要的指标是。

96,本章总结,必须理解层流火焰传播速度的测量原理！

脱火与回火问题：

本质上是气流速度w与火焰传播速度uce的大小关系问题。

防止回火：

喉口（提高流速），冷却。

防止脱火：

控制，钝体，旋流，稳焰环火焰长度问题：

火焰锋面在湍流气流中的传播速度问题。