气体燃料燃烧常识.docx

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气体燃料燃烧常识

气体燃料燃烧知识

（有焰燃烧）

1、什么是燃料？

燃料分哪几类？

……………………………………3

2、气体燃料的种类和组成………………………………………………3

3、天然气的特性……………………………………………………………4

4、气体燃料燃烧过程分哪三个阶段？

………………………………4

5、着火浓度极限在实践中的应用………………………………………5

6、什么是空气消耗系数……………………………………………………6

7、空气消耗系数的大小对燃烧过程有何影响？

…………………7

8、气体燃料的燃烧方法……………………………………………………8

9、燃气燃烧的火焰传播……………………………………………………9

10、影响实际燃烧温度的因素有哪些？

……………………………10

气体燃料燃烧知识

1、什么是燃料？

燃料分哪几类？

燃料：

凡是在燃烧时，能够放出大量的热，并且此热量能够经济的被利用在工业和其它方面的物质统称为燃料。

通常所说的燃料是指那些能在空气中进行燃烧，以碳为主要成分的物质，一般称之为“碳质燃料”。

如煤、重油和燃气。

按其来源和物态，燃料一般可分为：

固态燃料、液态燃料和气态燃料三类。

表1燃料的分类

燃料物态

来源

天然燃料

人造燃料

固体

木柴、煤、硫化矿、页岩等

木炭、焦炭、粉煤、块煤、硫化矿精矿等

液体

石油

汽油、煤油、重油、酒精等

气体

天然气

高炉煤气、发生炉煤气、沼气、石油裂化汽等

2、气体燃料的种类和组成

我国气体燃料通常按其成因分类：

分为天然气、人工燃气、液化石油气和沼气共四类。

（1）天然气：

主要指气田气、油田伴生气、凝析气田气、煤层气和矿井气。

其主要组成是甲烷，含量90%左右，还含有乙烷、丙烷、丁烷等烷烃。

（2）人工燃气：

主要指干馏煤气、气化煤气和油制燃气等。

现代煤化工具有装置规模大、技术集成度高、资源利用优于传统煤化工等特点，利用褐煤制天然气。

A.大唐国际内蒙古克旗年产40亿立方米煤（褐煤）制天然气项目，拟于2012年6月建成向北京供气；B.大唐辽宁阜新年产40亿立方米煤（褐煤）制天然气于2010年动工等数个煤制天然气项目已在建设中。

（3）液化石油气：

以凝析气田气和石油伴生气或炼厂气为原料气，经加工而制得的可燃气称为液化石油气。

（4）沼气：

各种有机物质在隔绝空气条件下发酵，并在微生物作用下，经生化作用，产生的可燃气体称为沼气。

主要组分是甲烷，体积分数为60%左右。

3、天然气的特性

企业使用的天然气，通常是净化处理过的天然气，主要成分是甲烷，现将气体燃料的特性列于下表，以作比较：

表2气体燃料的特性

燃料名称

着火温度℃

着火浓度极限%

发热量KJ/m3

燃烧温度℃

天然气

低750、高850

5.1～13.9

33440～38456

1900～1986

甲烷（纯）

低800、高850

4.9～15.4

乙炔

低335、高500

2.5～80.0

发生炉煤气

低700、高800

20.7～77.4

4138～6479

1600

4、气体燃料燃烧过程分哪三个阶段？

天然气燃烧过程，可以看作三个阶段，即天然气和空气的混合，混合后的可燃气体的加热和着火、完成燃烧化学反应而进行正常燃烧等三个阶段。

第一阶段：

天然气和空气的混合

我们使用的燃烧方式之混合过程属于紊流扩散和机械掺混过程【紊：

即杂乱】。

其影响因素有：

（1）天然气和空气的流动方式。

当天然气和空气平行流动时，混合速度最慢，或叫混合不良，形成的火焰最长；当天然气和空气的流动方向之间有一定夹角，特别是呈旋转运动时，能够加快混合速度，燃烧较好，火焰较短。

（2）气流速度。

在紊流情况下，气流速度越大，紊流作用就越强，混合也就越快，越有利用燃烧作用。

并且，天然气和空气之气流速度差越大，混合就越快，越有利于燃烧。

（3）气流直径越大，完成混合所需的时间越长。

采用多喷口、细流股的喷咀，将气流分成许多细小流股，可以增加天然气和空气之接触面，从而加速其混合，提高燃烧强度。

（4）适当增大空气消耗系数，可以使混合加快，火焰缩短，反之，则混合变慢、火焰拉长。

第二阶段：

天然气和空气混合物的加热和着火

要了解天然气和空气混合物的加热和着火，必先了解天然气的着火温度和着火浓度极限（请参考表2的数据）。

什么叫着火温度？

着火温度是指天然气和空气的混合物能开始燃烧的最低温度。

我们使用的工业炉，一般都是先用一小的热源（电火花灼热的小物体、小火焰）将可燃混合物某一局部先加热到着火温度，然后引起其它部分着火，这样的着火过程称为强迫着火或点火。

天然气的最低着火温度为750℃。

什么叫着火浓度极限？

为了使点火以后的燃烧反应连续稳定地进行下去，必须要求燃气点火燃烧之后所放出的热量足以能够使邻近的未燃气体加热到着火温度。

而燃烧过程稳定与否和天然气与空气的混合比例有直接关系。

也就是说：

只有当天然气和空气的比例处于一定范围之内时，才能使燃气保持连续稳定的燃烧，这一浓度范围叫作着火浓度极限。

天然气的着火浓度极限为5.1%～13.9%。

浓度低于5.1%，高于13.9%，就不能着火连续燃烧。

综上所述，给燃气加热使之达到着火温度，要连续燃烧就必须使燃气浓度保持在着火浓度极限范围之内。

第三个阶段：

完成燃烧化学反应

当天然气和空气混合物加热到着火温度后，就立即开始剧烈地氧化燃烧反应，并放出大量光和热，进入燃气的燃烧反应阶段。

天然气燃烧化学反应式如下：

CH4＋2O2＝CO2＋2H2O＋Q

要研究和认识燃气燃烧过程时，可将其分解为混合、着火和燃烧三个阶段。

在实际的冶金炉内，三个阶段几乎是同时存在，相互制约，连续进行的。

在高温的冶金炉内，天然气和空气的比例以及混合的好坏，是影响燃烧质量和炉温的关键。

5、“着火浓度极限”在实践中的应用

（1）天然气的“着火浓度极限”为5.1%～13.9%，这就是天然气有效燃烧的浓度范围。

（2）当天然气的浓度小于着火浓度的下限时，即＜5.1%时，也就是燃气混合物空气过多，这种燃气混合物就不会着火，因为它发出的热量，不足以把邻近的气体加热到着火温度。

（3）当天然气的浓度大于着火浓度极限的上限，即＞13.9%，也就是说燃气混合物空气太少，呈缺氧状态，这种燃气混合物也不会着火，也不能保持稳定的燃烧。

这就警示我们：

不是说送天然气的量越多越好！

（4）天然气的着火浓度极限是5.1%～13.9%，爆炸浓度极限是5.0%～15.1%，两个浓度范围基本是一致的。

说明一个道理：

只有着火，才能引起爆炸。

不能着火，就不会爆炸。

工业炉内燃烧时为什么是安全的呢？

一是空气和天然气分别进入炉内，再混合能防止回火事故。

二是混合后的燃气立即燃烧不集存，同时产生的膨胀热气立即由烟道抽走，炉内压力基本保持恒定。

形成连续送燃气、连续燃烧、连续抽风，燃烧是稳定的没有危险的。

爆炸事故是怎样形成的呢？

在密闭（或相对密闭）的空间（如燃烧室、炉腔等）内，存有天然气和空气的混合气体，其浓度达到爆炸极限（5.0%～15.1%），遇到明火，即着火燃烧，而且是连续燃烧，叫做链锁反应，产生大量的热，气体剧烈膨胀，发生爆炸！

为了安全，在点火前，用空气把管道、燃烧室、炉腔吹扫干净，以防其内存有燃气。

第一次点火失败后，一定待60秒以上，吹扫后，再启动点火，以防爆燃或爆炸。

6、什么是空气消耗系数？

气体燃料燃烧需要的空气量分为：

通过计算的理论空气需要量和保证完全燃烧的实际空气需要量。

空气消耗系数：

是指实际空气需要量L实与理论空气需要量L理的比值，叫做空气消耗系数。

表示式为：

n＝

。

（1）理论空气需要量是通过化学反应式来计量的：

CH4＋2O2＝CO2＋2H2O

1m32m31m32m3

从式中可以看出1m3天然气完全燃烧需要2m3的氧气。

氧气在空气中的比例是21%，所以可知1m3天然气完全燃烧需要的空气量为：

L理＝2÷21%＝

＝9.5m3

（2）空气消耗系数n值的确定

空气消耗系数是一个经验值，燃料的种类、燃烧方法、燃烧设备的构造等都会影响n值。

在选取n值时一定要从实际出发，全面考虑问题。

下表为各种燃料在不同情况下，所采用的空气消耗系数n值，供参考：

表3空气消耗系数n

燃料种类

燃烧方法

n

固体燃料

人工加煤

1.2～1.5

机械加煤

1.2～1.3

粉煤燃烧

1.15～1.25

液体燃料

低压喷咀

1.10～1.15

高压喷咀

1.20～1.25

气体燃料

有焰燃烧

1.05～1.20

无焰燃烧

1.03～1.05

（3）实际空气需要量L实＝n×L理

当L理＝9.5m3，n＝1.05时，则L实＝1.05×9.5＝9.98m3

这时天然气在混合气体中的浓度＝

＝9.1%

当n＝1.20时，则L实＝1.20×9.5＝11.40m3

这时天然气在混合气体中的浓度＝

＝8.1%

8.1%和9.1%都在天然气燃烧浓度极限范围（5.1%～13.9%）之内，哪种情况燃烧更好，应在实践中观察。

7、空气消耗系数的大小对燃烧过程有何影响？

空气消耗系数n值的大小对燃烧过程有以下影响：

（1）当空气消耗系数n值增大时，实际空气消耗量随之成比例的增加。

一是从设计的角度说，需要增加供风和排烟系统的能力，从而增加投资费用和动力消耗；二是在现实生产中，往往由于n值的增大，使整个系统阻力增加，而引起烟囱抽力不足，影响环境且造成浪费。

（2）当n值增大，炉内过剩气体体积增大，同时循环气体量增大，导致单位体积燃烧产物热含量降低（即燃烧热没变，气体体积增大了，气体含的热量平均值就降低了，从而使炉温降低了）。

在燃烧产物离开炉膛时，带走的热损失总量也增大了，总结果使炉温降低。

（3）当n值增大时，虽可保证最大程度的完全燃烧，但此时燃烧产物中N2、O2绝对数量增加，而使燃烧产物中CO2、H2O（汽）的含量相对减少，削弱了烟气在高温炉膛中的辐射能力。

以上说明，当n＞1时，随着n值的增加，不仅燃烧温度降低和燃烧产物的辐射能力减弱，而且随产物带走的热损失也增加。

（4）当n＜1时，n值越小，不完全燃烧热损失越大。

显然，n值过大或过小，都会使燃料利用程度降低。

总之，一般原理是：

在保证最大程度完全燃烧的前提下，n值越小越好。

8、气体燃料的燃烧方法

根据天然气与空气在燃烧前的混合方式不同，将气体燃料的燃烧方法分为两类：

即有焰燃烧和无焰燃烧。

（1）有焰燃烧

所谓有焰燃烧是指天然气与空气在烧咀中不予混合，而是在离开烧咀进入炉内（或燃烧室内）边混合边燃烧，形成一个火焰。

这时，燃烧速度受到混合速度的限制，火焰较长，并有明显的轮廓，所以，称这种燃烧为有焰燃烧。

有焰燃烧，因为天然气与空气不在喷咀中混合，所以一般不会发生回火现象。

同时，气体预热温度不受着火温度的限制，比较安全。

（2）无焰燃烧

所谓无焰燃烧是指天然气和空气进入炉膛（或燃烧室）前预先进行了充分混合，燃烧时速度很快，整个燃烧过程在烧咀砖（或叫烧咀坑道）内就可以结束。

火焰很短或看不到火焰，故此称为无焰燃烧。

9、燃气燃烧的火焰传播

燃气在点火后，通过燃烧反应所放出的热量把邻近的未燃气体加热，使其达到着火温度，而燃烧起来。

这种通过热能的传递，而使燃烧反应区逐渐向前推移的现象叫做“火焰的传播”。

图1为燃气燃烧的火焰传播实验示意图，通过实验建立火焰传播的基本概念。

在一个水平放置的玻璃管中通入混合均匀的可燃气体，管子A端装有点火器，并与大气相通，使管内保持恒压。

点火后，在点火源附近的一层气体达到着火温度时，便开始激烈地燃烧化学反应。

点火源附近着火后，形成一层平面火焰，称为火焰前沿（或燃烧前沿）。

火焰前沿的温度很高，它将热量传给相邻的一层可燃混合物，使其温度达到着火温度，并着火燃烧。

原来的火焰前沿的位置上已是燃烧完了的燃烧产物，新着火的一层可燃混合物又变成了新的火焰前沿，它又将热量向前传递。

这样，一层一层地被加热，着火燃烧。

可以看到火焰前沿连续地向前（向B端）移动。

这种由于热量传递而使火焰前沿持续移动的燃烧过程叫做火焰正常传播或正常燃烧。

火焰前沿向前移动的速度，称为火焰传播速度（V火）。

火焰传播速度大，可燃混合物燃烧较快；火焰传播速度小，可燃混合物燃烧较慢。

氢气H2燃烧时，火焰传播速度最快，一氧化碳CO次之。

烷烃CmHn最慢（天然气主要成分是甲烷CH4，属于烷烃）。

假若上述实验管内的可燃混合物不是静止的，是连续供气、是流动的，流动速度为V燃，其流动方向与火焰传播速度V火的方向相反，这时，则可能有三种情况：

（1）当V燃＝V火时，即两者速度相等，这时火焰前沿的位置将是稳定不动的，也就是燃烧稳定。

（2）当V燃＜V火时，火焰前沿就会向管内移动，在烧咀中发生这种现象便称为“回火”。

无焰燃烧发生回火是很危险的。

有焰燃烧一般不会发生回火，但可能出现息火，燃烧不正常。

（3））当V燃＞V火时，火焰前沿就会向管口移动，而最终脱离管口，这种现象便称为“脱火”现象。

在熔炼炉里可能造成燃气过多，形成烟道着火，炉温不均匀，造成浪费。

在实际生产中，应避免“回火”、“脱火”现象的发生。

也就是说，供气速度不可过小，也不可过大。

为了保证燃烧过程和火焰的稳定，必须使可燃混合气体的喷出速度与该条件下火焰传播速度相适应，即保持二者动态平衡。

10、影响实际燃烧温度的因素有哪些？

影响实际燃烧温度的因素有：

（1）燃料的发热量

A.燃料的发热量越高，其理论燃烧温度越高。

所以对要求高温的炉子，就选择发热量高的优质燃料。

B.对于气体燃料，当发热量在3400～8400KJ/m3范围内时，其燃烧温度随发热量的增加而增长较快。

当发热量＞8400KJ/m3时，再提高发热量，其燃烧温度增长缓慢，请注意这个规律。

（2）预热空气

随空气的预热，燃烧温度而升高。

预热空气一般利用炉子排出的废气热量来进行（采用热交换器），不仅提高了燃烧温度，而且利用了废热，节省了燃料，贯彻了综合利用的原则。

（3）使燃料完全燃烧

不完全燃烧会造成热损失，使燃烧温度降低。

要实现完全燃烧，须把握两点：

A.控制助燃空气量，使燃烧反应完全；B.采取措施，使天然气和空气混合均匀，促进燃料的充分燃烧。

（4）空气消耗系数

一方面燃烧时必须控制空气消耗系数，不能太大，以免因增大燃烧产物的体积，而导致燃烧温度的降低；另一方面，若空气消耗系数太小（n＜1），则造成不完全燃烧，而导致燃烧温度的降低。

（5）助燃空气的富氧程度

采用空气助燃，因空气含氮量大（78%），所以助燃空气量大，则燃烧产物的体积也大，热损失大，不利于燃烧温度的提高。

采用富氧（往空气中混入氧气，使氮N2含量相对降低）或纯氧气做助燃剂，使燃烧产物体积大大减小（因为助燃气体量减小），燃烧温度显著提高。

在生产实践中得出：

A.富氧程度对发热量较高的燃料影响较大，而对发热量较低的燃料影响较小。

B.当采用富氧来提高燃烧温度时，富氧空气在含氧27%～30%有明显效果，而再提高富氧程度，效果便越来越不明显。

（6）减小燃烧产物，传给周围物体的散热量

燃烧过程中向外界散失的热量，是使实际温度降低的因素之一。

为减少这项损失，应加强燃烧室的保温。

（7）提高燃烧强度

燃烧强度：

是指燃烧室（炉）空间单位容积中在单位时间内所燃完的燃料量（或以放出的热量多少来表示）。

若燃烧技术合理，加快完全燃烧速度，则在单位燃烧空间中单位时间内多燃烧一些天然气，产生较多的热量，从而使实际燃烧温度提高。

这是生产实践中通常采用的方法。

假若炉内燃料量不足，产生的热量就不足，就难以提高实际燃烧温度。

这种现象属于燃烧强度低。

在一定条件下，燃烧强度的提高是有限度的，超过这个限度再增加燃料量（供气过度），将产生不完全燃烧，从而降低燃烧温度。

过量的燃气也会在烟道燃烧，烧坏设备，形成浪费，对生产不利。