燃气燃烧理论基础-燃气燃烧理论基础

燃气燃烧理论基础燃气基础知识第一章燃气燃烧计算基础第二章燃气燃烧反应动力学第三章燃气燃烧的火焰传播第四章燃气燃烧方法第五章大气式燃烧器第六章燃气互换性燃气基础知识一、燃气的主要物理性质1.容积%组成2.燃气的密度（kg/Nm3）与相对密度标准状态：0.1013MPa，0℃相对密度s=ρ/ρa（ρa=1.29kg/Nm3）3.燃气的热值H（kJ/Nm3）低热值Hl和高热值Hh混合燃气的热值:H=ΣHiri=H1r1+H2r2+……+Hnrn4.理想气体状态方程PV=RTP/ρ=RTV—比容（Nm3/kg）ρ—密度R—通用气体常数，8.31J/（Mol﹒K）nnrrr2211二、城市燃气的分类1.燃烧特性参数华白数W：与燃烧热负荷有关的参数（MJ/m3）燃烧势CP：与燃烧火焰传播速度、燃烧稳定性有关的参数2.城市燃气分类标准天然气，液化气，人工燃气sHWh22420054.013.0)(6.0OKsCHCOHCHKCPnm燃气基础知识第一章燃气燃烧计算基础一、燃气的燃烧过程燃气混合燃烧(化学反应）烟气：CO2,H2O,N2,O2,空气点火CO,SO2,NOX二、燃气燃烧的基本反应OHOHCOOCOOHnmCOOnmHCnm222222225.05.02)4(225.02179)4(2179NNnm三、燃烧所需空气量（一）理论空气需要量（m3/Nm3干燃气）（二）实际空气量空气过剩系数αV=V0四、理论烟气量和实际烟气量]5.1)4(5.05.0[2112220OSHHCnmCOHVnm第一章燃气燃烧计算基础第一章燃气燃烧计算基础五、不完全燃烧时α的计算nmHmCCOCOOCOCNNOCO22222)(5.0792121第一章燃气燃烧计算基础六、理论燃烧温度tth的近似计算燃气、空气常温，完全燃烧，忽略热分解（≤1800℃），绝热。燃气低热值=烟气量×比热×燃烧温度Hl=If=VnCftthtth=Hl/VnCf天然气燃烧产物的平均比热表温度℃0-200200-400400-700700-10001000-12001200-1500平均比热kJ/m3·℃1.381.421.471.511.551.59第二章燃气燃烧反应动力学一、化学反应速度（一）化学反应速度单位时间内反应物浓度的变化，即单位时间、单位体积内反应物的消耗量：W=dC/d（kMol/m3·s）CH4+2O2=CO2+2H2OW=－dCCH4/d=－0.5dCO2/d=dCCO2/d化学反应速度：反应级数n反应速度常数k2242214OCHnOnCHCCkCCkW第二章燃气燃烧反应动力学化学反应速度反应级数n反应速度常数k阿伦尼乌斯定律：k=k0exp（–E/RT）k0—频率因子（指前因子）E—活化能R—通用气体常数212121021)/exp(nnnnCCRTEkCCkW第二章燃气燃烧反应动力学（二）影响化学反应速度的因素W=k0exp（–E/RT）Cn1.温度T温度升高，反应速度加快；到一定温度后，增加缓慢2.活化能E反应进行的难易程度；E高，难于反应3.反应物浓度C浓度高，反应速度加快（与反应级数n有关）4.气相反应物分压p分压p大即浓度高，反应速度也加快5.反应级数n由化学反应本身决定二、燃气的着火（一）气体燃料两种着火方式：自燃着火：强制着火：常温可燃混合物中，用一热源局部点火燃烧，向周围传播，最后达到整个可燃混合物燃烧。（二）着火热力理论：以热量平衡为基础。化学反应发出的热量超过散失的热量时，就能着火。着火温度与燃气成分、浓度（压力）、容器壁温（传热）等因素有关，着火温度不是一个物性参数。第二章燃气燃烧反应动力学第三章燃气燃烧的火焰传播一、正常火焰传播正常火焰传播速度即法向火焰传播速度Sn火焰传播速度与气流法线分速度相等时，能稳定燃烧。第三章燃气燃烧的火焰传播火焰传播速度Snλ—可燃混合气导热系数Q—可燃混合气热值—燃烧反应平均速率ρ0—可燃混合气密度Cp—可燃混合气比热Tm—烟气出口温度T0—可燃混合气初始温度w第三章燃气燃烧的火焰传播二、影响层流火焰传播速度Sn的因素（一）可燃混合气比例的影响（二）燃气性质的影响第三章燃气燃烧的火焰传播（三）温度的影响1.初始温度的影响可燃混合物初始温度高，燃烧温度增加，化学反应速率增加，因而Sn增大。第三章燃气燃烧的火焰传播2.火焰温度的影响在高温情况下，随着火焰温度的提高，Sn显著提高；在更高温度下，由于热分解产生的自由基浓度大大增加，促进反应，进一步提高火焰传播速度Sn。第三章燃气燃烧的火焰传播（四）压力的影响Sn∝pkSn﹤5050-100﹥100k﹤0≈0﹥0（五）惰性气体的影响燃气中加入惰性气体N2，热值降低，反应速度减慢，将使火焰传播速度Sn下降。第三章燃气燃烧的火焰传播三、火焰传播浓度极限（爆炸极限，着火浓度极限）在燃气-空气混合气中1.浓度确定时，仅在一定的温度、压力条件下，才能着火；2.在一定的温度（压力）条件下，燃气与空气的比例在一定的范围内火焰才能传播；3.能使火焰持续不断传播所必须的最低（高）燃气浓度，称为火焰传播浓度下（上）限。第三章燃气燃烧的火焰传播单一燃气的爆炸极限（常温，20℃)第三章燃气燃烧的火焰传播燃气名称爆炸下限%爆炸上限%氢4.075.9一氧化碳12.574.2甲烷5.015.0乙炔2.580.0乙烯2.734.0乙烷2.913.0丙烯2.011.7丙烷2.19.5丁烯1.610.0正丁烷1.58.5异丁烷1.88.5第四章燃气燃烧方法燃气的燃烧过程（1）燃气与空气的流入、混合（2）混合气的加热与着火（3）完成燃烧化学反应燃烧热加热新鲜混合气，维持不断燃烧。化混第四章燃气燃烧方法一、燃气燃烧方法的分类：按照混合时间与化学反应时间两者比较（一）扩散式燃烧（有焰燃烧）扩散混合控制：燃气、空气分别喷入，混合速度控制燃烧；火焰长，稳定性好；燃烧时间长；煤气与空气可分别预热以提高温度。（二）完全预混式燃烧（无焰燃烧）动力学控制：燃烧速度快，火焰短；空气消耗系数n较小，燃烧温度高，空间热强度较大；但空气与煤气温度不能预热过高。（三）部分预热式燃烧（大气式燃烧器）介乎两者之间，化混混化化混第四章燃气燃烧方法二、扩散式燃烧层流扩散火焰的结构1—外侧混合区（燃烧产物+空气）2—内侧混合区（燃烧产物+燃气）3—α=0处为燃气区α=1处为火焰面第四章燃气燃烧方法三、部分预混式燃烧（大气式燃烧器）（一）部分预混层流火焰燃气预先混入部分空气（0＜α′＜1），燃烧加强，火焰清晰，火焰温度提高。内锥体（兰色锥体），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，内锥之外按扩散方式与空气混合后燃烧。10第四章燃气燃烧方法兰色火焰出现条件：1.燃气-空气混合物浓度在爆炸上限与爆炸下限之间。2.气流的切向分速使下面质点对上面质点点火。3.火焰根部存在点火源：火焰传播速度Sn=气流速度V1点：Sn＜V2点：Sn＞V3点：Sn=V火焰面稳定点火环（二）部分预混层流火焰的稳定（比较气流速度和火焰传播速度）离焰：气流速度快，点火环变窄而消失，火焰脱离燃烧器出口脱火：气流速度进一步加大，大于火焰传播速度，火焰被吹熄回火：气流速度减到小于火焰传播速度，火焰缩进燃烧器燃气的火焰传播速度Sn越大，脱火曲线和回火曲线位置高，不易脱火而易回火，如人工气。天然气则相反，Sn小，易脱火不易回火。2—脱火曲线(气流速度上限)4—回火曲线(气流速度下限)1—光焰曲线，α过小时,由于碳氢化合物热分解，形成碳粒和煤烟，燃烧不完全第四章燃气燃烧方法第四章燃气燃烧方法影响脱火和回火曲线，即燃烧稳定性的因素1.燃气混合物组成：（Sn不同）人工煤气易回火，天然气易脱火，LPG易黄焰；2.一次空气系数：α′增大，Sn减小，使脱火曲线下降；容易脱火，3.燃烧器出口直径小散热大，火焰温度下降，Sn变小易脱火，不易回火；4.周围空气的含氧量低时，火焰传播速度Sn减慢，易脱火。第四章燃气燃烧方法四、全预混式燃烧（无焰燃烧）特点1.燃烧速度快，火焰很短甚至看不出2.容积热强度高100-200×106kJ/m3·h（3-6×104kW/m3）2.空气过剩系数小（α=1.05-1.10），燃烧温度高3.燃气与空气全预混，火焰传播能力强，但由于温度高，容易回火4.热效率高，40%的燃烧热以辐射传热第五章大气式燃烧器一、大气式燃烧器的构造及特点低压引射大气式燃烧器：引射器和头部组成。工作原理：喷嘴喷射燃气----引射空气----吸气收缩管----混合管----扩压管----头部火孔流出燃烧燃气灶：收缩管混合管扩压管α′=0.45-0.75α=1.3-1.8（1）风门（2）一次空气口（3）引射器喉部（4）喷嘴（5）火孔第五章大气式燃烧器（一）引射器引射器的作用（1）以高能量的燃气引射空气，并使均匀混合；（2）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；（3）输送一定的燃气量，达到热负荷要求。吸气收缩管的进口截面积比喉管面积大4-6倍。第五章大气式燃烧器1.喷嘴以一定速度喷出，输送一定的燃气量管内层流流动时有压力降，压力降与燃气性质、燃气速度（流量）、管道直径、管道材质等有关。H—燃气压力(Pa)喷嘴流量：μ—流量系数d—喷嘴直径(mm)如有n个喷嘴s—相对密度热负荷：Q=nLgHl/3600（kW）Hl—燃气低热值kJ/m3n—喷嘴数量喷嘴直径：)/(0035.032hmsHdLg)(1003.146mmHsHnQdl第五章大气式燃烧器喷嘴出口截面至喉部的距离对一次空气系数的影响第五章大气式燃烧器2.混合管使得燃气与空气充分混合，速度场、温度场、浓度场均匀分布。渐缩管有利于速度场均匀分布，不利于温度场、浓度场均匀分布；渐扩管反之。混合管取圆柱形，长度=（1-3）dt3.扩压管截面扩大，混合气速度降低，使气体的部分动压变为静压，提高压力，混合均匀。扩压管张角6～8°。（二）燃烧器头部1.多火孔头部燃气-空气混合物均匀分布到各火孔，头部各点气流压力相等，二次空气能均匀达到各个火孔。头部过大时灭火噪声大。第五章大气式燃烧器各种形状的火孔圆火孔：加工简单，但与空气接触面较小；方火孔：与二次空气接触面较大，但加工工艺要求高。第五章大气式燃烧器条形火孔同样面积布置下热负荷较高，要考虑二次空气补足充分。口琴式燃烧器平板式多孔红外燃烧器二、大气式燃烧器的特点和应用范围优点：1.火焰短，火力强，燃烧温度高；2.可用于不同燃气，燃烧较安全、环保，热效率高，CO含量低；3.可用低压燃气，空气靠燃气引射，具有自调性，煤气空气按比例调节；4.适用性强，可满足各种工艺需要。缺点：1.由于部分预混空气，火孔热强度、燃烧温度受限制；2.热负荷较大时，结构较笨重；3.引射空气自适应调节，负荷调节比较小。适用范围：多火孔大气式燃烧器广泛用于家庭和公用事业的各种灶具、热水器、沸水器，单火孔的多用于中小锅炉和工业炉。第五章大气式燃烧器三、大气式燃烧器的设计计算（请看参考书）第五章大气式燃烧器第六章燃气互换性一、燃气互换性和燃具的适应性燃气的成分可能改变：生产过程少许变化，不同的气源。对于燃具：当气源成分变化时，燃具的热负荷、α′、燃烧稳定性、火焰结构、烟气中CO含量等也会变化。要求燃具不用调整仍能正常使用，即燃气上述性能改变不超过一定极限。1.燃气互换性。某燃具以基准气a进行设计调整，现改用置换气s。如果燃具不加调整仍能正常工作，则s燃气对a燃气具有“互换性”。2.燃具适应性当燃气性质有少许变化时，燃具不加调整仍能正常使用。“互换性”要求气源变化不能超过一定范围；“燃具适应性”要求燃具制造厂生产适应性强的优质燃具。这是一个事物的两个方面。第六章燃气互换性二、互换性的判定热负荷Q