燃气燃烧第二章

第二章燃气燃烧反应动力学·影响燃烧反应速度的因素·燃气燃烧的支链反应·燃气的着火·燃气的点火·燃气燃烧极限的定义和计算第一节燃烧化学反应速度·浓度对燃烧反应速度的影响·压力对燃烧对反应速度的影响·温度对燃烧对反应速度的影响浓度对燃烧反应速度的影响aA+bB→gG+hH反应速度方程为：W=kCAaCBbk---反应速度常数；CA、CB---反应物的摩尔浓度；a,b---A,B的反应级数。反应速度随浓度的增大而增大。•压力对燃烧反应速度的影响••反应速度W与压力P的n次方成正比。（n为反应的总级数）•温度对燃烧反应速度的影响实际的化学反应速度应为:W=W0e-Ea/RT式（2-5）式中W0——假定所有分子的碰撞均有效，反应所具有的速度。化学反应速度随温度的升高而猛烈增加，二者成指数倍增加。第二节链反应••可燃气体的燃烧反应都是链反应。•在氢和氧的混合气体中，存在一些不稳定的分子，变成化学上很活跃的质点：H、O、OH基。这些自由原子和游离基称为活化中心。•碳氢化合物的燃烧是一种退化的支链反应，新的链环要依靠中间生成物分子的分解才能发生。•在较高温度下，反应的首先是甲烷分子的高温分解，反应（1）进行得很快。反应（2）、（3）、（4）表示甲烷受到后面几个反应产生的H基、OH基和O基等的作用，经（5）、（6）化合而生成甲醛。甲酰和甲醛的分解按（7）、（8）进行。•高温（2000K）甲烷的反应历程：第三节燃气的着火·稳定的氧化反应过程·不稳定的氧化反应过程·着火的定义·支链着火·热力着火•稳定的氧化反应过程•可燃气体在一定条件与氧发生氧化反应过程产生的热量等于散失的热量，或活化中心浓度增加的数量正好补偿其销毁的数量，就称为稳定的氧化反应过程。•不稳定的氧化反应过程若氧化反应过程生成的热量大于散失的热量，或活化中心浓度增加的数量大于补偿其销毁的数量，这个过程称为不稳定的氧化反应过程。着火的定义由稳定的氧化反应转变为不稳定的氧化反应而引起燃烧的一瞬间，称为着火。•在一定条件下，由于活化中心浓度迅速增加而引起反应加速从而使反应由稳定的氧化反应转变为不稳定的氧化反应的过程，称为支链着火。支链着火在一定条件下，由于活化中心浓度迅速增加而引起反应加速从而使反应由稳定的氧化反应转变为不稳定的氧化反应的过程，称为支链着火。链反应速度可由下式表示：式中f---由支链反应而使活化中心增加的速度系数；g---活化中心销毁的速度系数；φ=f-g---实际的活化中心增加的速度系数。φ0反应速度与时间的关系接近指数曲线，反应自动加速，变为不稳定状态，引起支链着火；φ=0反应速度随时间逐步增加，反应处在由稳定状态变化为不稳定状态的极限;φ0反应速度趋向于一个极限值,反应属于稳定状态,不会引起着火。热力着火由于系统中热量的积聚，使温度急剧上升而引起反应由稳定的氧化反应转变为不稳定的氧化反应的过程，称为热力着火。单位时间内由于化学反应产生的热量与温度的关系为：在图2-7中，为一指数曲线L。单位时间内散热量与温度的关系为：Q2=B(T-T0)在图2-7中，为一根直线M。发热曲线L与散热曲线M的切点i，称为着火点，相应于该点的温度Ti称为着火温度或自燃温度。着火点是一个极限状态，超过这个状态便有热量积聚，使稳定的氧化反应转为不稳定的氧化反应。•可燃混合物的着火条件为：••R---通用气体常数•E---活化能•可燃混合物只需从T0加热，温度上升ΔT就能着火。第四节燃气的点火·点火的定义·热球或热棒点火·小火焰点火·电火花点火点火的定义当一微小热源放入可燃混合物中时，贴近热源周围的一层混合物被迅速加热，并开始燃烧产生火焰，然后向系统其余冷的部分传播，使可燃混合物逐步着火燃烧。这种现象称为点火。点火热源可以是：灼热固体颗粒、电热线圈、电火花、小火焰等。•原理•介质的热流也较小。当颗粒温度升高到临界值Tis时，表面传向介质的热流等于零。临界温度值Tis就是强制点火的点火温度。•点火成功时，在灼热颗粒表面形成一火焰层，厚度为δf。•δf2=λ（Tf-T0）/（H·W）式(2-14)式中δf——火焰层厚度；λ——导热系数；Tf——火焰温度；T0——混合物起始温度：H——混合物的燃烧热；W——火焰层中燃烧反应速度。•热球或热棒点火•将石英或铂球放入可燃混合物中，当球体的温度Tw大于临界值Tis时，即发生点燃现象。球体临界温度与下列变量有关：球体尺寸、球体催化特性、与介质的相对速度、可燃混合物的热力和化学动力特性等。•点燃判别式：Tis-T0=4r2H*Wi/（Nu2*λ）式（2-17）式中Wi----Tis时的燃烧反应速度。由上式可看出：热球（或热棒）直径越小或相对气流速度越高时，临界点火温度也越高。•小火焰点火•小火焰引发点火的可能性取决于以下特性参数：可燃混合物组成、点火火焰与混合物之间的接触时间、火焰的尺寸和温度，以及混合强烈程度。•设有一无限长的扁平点火火焰，放入充满可燃混合物的容器中，一种情况，扁平火焰的厚度小于临界尺寸，温度场不断衰减，使点火火焰熄灭；第二种情况，火焰厚度大于临界尺寸，混合物的放热反应能够扭转温度场衰减的趋势，使火焰传播。临界火焰厚度公式为：rc≈[λ(Tf-T0)/(H*W)]1/2式（2-19）要点燃导热率高的可燃混合物，必须用厚度大的点火火焰，同时火焰温度也要高。••电火花点火•把两个电极放在可燃混合物中，通高压电打出火花释放出一定能量，使可燃混合物点着，称为电火花点火。•用电火花点火时，先由电火花加热可燃混合物而使局部着火，形成初始的火焰中心，随后初始火焰中心向未着火的混合物传播，使其燃烧。如初始火焰中心形成，并出现稳定的火焰传播，则点火成功。最小点火能当电极间隙内的可燃混合物的浓度、温度和压力一定时，若要形成初始火焰中心，放电能量必须有一最小极限值，就是最小点火能Emin。熄火距离点燃可燃混合物所需的能量与电极间距有关，当d小到无论多大的火花能量都不能使可燃混合物点燃时，这个最小距离为熄火距离dq。•图2-16表示出了点火能与电极间距之间的关系。最小点火能Emin及熄火距离dq的最小值一般在化学计量比附近，同时Emin及dq随混合物中燃气含量的变化曲线均呈U形，如图2-17，2-18所示。•由图2-17可看出，天然气所需点火能高，而且点火范围也窄，因此较难点着；而含氢量较高的城市燃气则易于点火。•燃烧极限理论与计算•1．燃烧(爆炸)浓度极限•燃烧浓度极限也叫爆炸极限。可燃气体和空气构成的混合物，只有在一定的浓度范围内才能发生燃烧爆炸。在可燃混合气体中，当浓度低于某一最低浓度或高于某一最高浓度，火焰便不能蔓延，燃烧也就不能进行。2.•在火源作用下，可燃气体在空气中，恰足以使火焰蔓延的最低浓度称为该气体与空气混合物的爆炸下限，也称燃烧下限。在火源作用下，可燃气体在空气中，恰足以使火焰蔓延的最高浓度称为该气体与空气混合物的爆炸上限，也称燃烧上限。上下限统称为爆炸极限或燃烧极限，上限和下限之间的浓度范围称为爆炸范围。可燃气体与空气的混合物浓度在爆炸范围以外，可燃物不着火，更不会爆炸。•可燃气体和氧气的混合物也存在着爆炸范围，它的范围比可燃气体和空气混合物的爆炸范围宽，所以在使用氧气的场所、设备和管道中需要特别注意。•2.燃烧(爆炸)极限的计算•a．根据化学计量浓度近似计算•气体完全燃烧时的化学计量浓度可以用来确定链烷烃的爆炸下限，计算公式为•L下＝0．55C0•式中C0为爆炸性气体完全燃烧时的化学计量浓度；0．55为常数。•b.混合气体燃烧(爆炸)极限单一组分可燃气体的爆炸极限通常可以从各种手册中查到，多组分可燃气体的爆炸极限用计算方法获得。混合气体中含有两种以上成分的可燃气体，爆炸极限用计算公式如下：0022221100mabcabcLnnnLLL0011111100mabcabcLnnnLLL•式中L1m-----混合气体的爆炸下限；•L2m-----混合气体的爆炸上限；na、nb、nc-----可燃混合气中a、b、c各组分的百分比含量；L1a、L1b、L1c-----混合气中各可燃组分的爆炸下限；L2a、L2b、L2c-----混合气中各可燃组分的爆炸上限。例1某天然气含甲烷82%，乙烷14%，丙烷3%，丁烷1%。求天然气的爆炸极限。假设：a、b、c、d分别代表甲烷、乙烷、丙烷、丁烷。•已知：L1a=5.3%,L2a=14.0%,;L1b=3.0%,L2b=12.5%;L1c=2.2%,L2c=9.5%;L1d=1.9%,L2d=8.5%00111111100mabcdabcdLnnnnLLLL0011008214315.33.02.21.9=4.54%0022221100mabcabcLnnnLLL0011008214311412.59.58.5=13.49%•C.可燃气体与惰性气体混合物的爆炸极限•对于有惰性气体混入的多组元可燃气体混合物的爆炸极限式中Lm为含惰性气体混合物的爆炸极限，％；Lf为混合物中可燃部分的爆炸极限，％；•B为惰性气体含量，％。•重点：燃气燃烧极限的定义和计算，燃气的着火，点火的定义•难点：最小点火能和熄火距离•作业：•1.简述着火和点火这两种现象。•2．已知天然气的摩尔组分如下：CH492.47%，C2H63.50%，C3H80.98%，nC4H100.22%，iC4H100.34%，C5H120.06%，N21.75%，CO20.68%。计算天然气的爆炸极限。