燃氣供應(yīng)工程 第9章 燃氣燃燒基本理論

1、9-2 9-2 燃氣燃燒過程燃氣燃燒過程9-3 9-3 燃氣燃燒方法燃氣燃燒方法9-49-4 燃氣互換性燃氣互換性9-1 9-1 燃氣的燃燒計算燃氣的燃燒計算9-1 燃氣的燃燒計算燃氣的燃燒計算1、燃燒：氣體中的可燃成分在一定條件下與氧氣發(fā)生激烈的氧化作用，并產(chǎn)生大量的熱和光的物理化學反應(yīng)過程。一、燃燒及燃燒計量方程式一、燃燒及燃燒計量方程式2、燃燒必備的條件：燃氣中的可燃成分和(空氣中的)氧氣需按一定比例呈分子狀態(tài)混合；參與反應(yīng)的分子在碰撞時必須具有破壞舊分子和生成新分子所需的能量；具有完成反應(yīng)所必需的時間。3、燃燒反應(yīng)計量方程式： 是進行燃燒計算的依據(jù)。它可以表示出燃燒前后，燃氣中的各可燃

2、物質(zhì)與其燃燒產(chǎn)物間的量值比例關(guān)系。如：HOHCOOCH222422HOHnmCOOnmHCnm2222)4(任何一種形式的碳氫化合物 的燃燒反應(yīng)方程式都可用以下通式表示：nmHC1、定義：1 燃氣完全燃燒后所放出的全部熱量。二、燃氣熱值的確定：二、燃氣熱值的確定：2、燃氣熱值的計算： 直接用實驗方法測定； 用各單一氣體的熱值根據(jù)混合法則計算。3mnnyHyHyHH2211（一）理論空氣需要量： 按燃燒反應(yīng)計量方程式，1 （或1kg）燃氣完全燃燒所需的空氣量，是實現(xiàn)燃氣完全燃燒所需要的最小空氣量。單位為：三、燃燒所需空氣量：三、燃燒所需空氣量：干空氣中 與 的容積比為：3m76. 321:79:

3、22ONyykgm /3或干燃氣33/mm2N2O燃氣燃燒所需的理論空氣量為：22205 . 1)4(5 . 05 . 021. 01OSHHCnmCOHVnm 一般情況下，燃氣的熱值越高，燃燒所需的理論空氣量越多，還可用以下近似公式進行估算：對于天然氣和LPG：對于人工燃氣：1000268. 00lHV 1000209. 0,/1050003llHVmkJH時25. 0100026. 0,/1050003llHVmkJH時（二）實際空氣需要量：1、過剩空氣系數(shù)：實際供給的空氣量V與理論空氣需要量V0之比，即：0VV2、在燃燒過程中，正確選擇和控制 值的大小十分重要，過大和過小都會導致不良后果

4、： 過?。簩е虏煌耆紵?，造成能源的浪費和對環(huán)境的污染； 過大：使煙氣體積增大，爐膛溫度與煙氣溫度降低，導致?lián)Q熱設(shè)備換熱效率的降低與排煙熱損失的增大，同樣造成能源的浪費。3、在實際中，的值決定于所采用的燃燒方法及燃燒設(shè)備的運行狀況。 在工業(yè)設(shè)備中，一般控制在1.051.20； 在民用燃具中一般控制在1.31.8。 根據(jù)燃燒反應(yīng)方程式，可以計算出燃氣中各可燃組分單獨燃燒后產(chǎn)生的理論煙氣量，求和即可得該燃氣的理論煙氣量。（一）理論煙氣量（=1）：四、燃燒產(chǎn)物的計算：四、燃燒產(chǎn)物的計算：1、三原子氣體體積：SHHmCCOCOVVVnmSOCORO222222、水蒸氣體積：)(20. 1202202a

5、gnmOHdVdHCnSHHV3、氮氣體積：20079. 02NVVN4、理論煙氣量總體積：000222NOHROfVVVV（二）理論煙氣量（1）： 如果忽略過?？諝鈳氲?，則實際煙氣量即理論煙氣量與過剩空氣量之和。00) 1(VVVff（三）按熱值計算的理論煙氣量（近似）： 1、天然氣、石油伴生氣、LPG：2、焦爐煤氣：aHVlf1000239. 00天然氣：a=2；石油伴生氣：a=2.2；LPG：a=4.5；25. 01000272. 00lfHV3、熱值小于12600 的人工煤氣：0 . 11000173. 00lfHV3/mkJ（四）煙氣的密度： faggfVdVdV)(293. 10

6、00（一）燃氣燃燒溫度：五、燃氣燃燒溫度及焓溫圖：五、燃氣燃燒溫度及焓溫圖： 燃氣燃燒時所放出的熱量加熱煙氣,使之能達到的溫度。由燃燒過程的熱量平衡來確定。帶入熱量：由燃氣和空氣帶入的物理熱（燃氣和空氣的熱焓Ig和Ia）；燃氣的化學熱（熱值Hl）。支出項：煙氣帶走的物理熱（煙氣的熱焓If）；向周圍介質(zhì)散失的熱量Q2；由于不完全燃燒所損失的熱量Q3；煙氣中的CO2和H2O在高溫下分解所消耗的熱量Q4。燃燒過程的熱平衡方程為：432QQQIIIHfagl其中：ggOHggtdccI)20. 1(2aaOHaatdccVI)20. 1(20fOONNOHOHROROftcVcVcVcVI)(2222

7、222222222222224320)2 . 1()2 . 1(OONNOHOHROROaaOHaggOHglfcVcVcVcVQQQtdccVtdccHt 即為煙氣的實際燃燒溫度 。其影響因素很多，很難精確計算。ftactt1、熱量計溫度tc： 假設(shè)燃燒過程在絕熱條件下（Q2=0）進行，且完全燃燒（Q3=0），忽略煙氣成分的高溫分解（Q4=0），由燃氣和空氣帶入的全部熱量完全用于加熱煙氣本身。2222222222)2 . 1()2 . 1(0OONNOHOHROROaaOHaggOHglccVcVcVcVtdccVtdccHt2、燃燒熱量溫度tther： Q2=0，Q3=0，Q4=0；不計由

8、燃氣和空氣帶入的物理熱（Ig=Ia=0）；且假設(shè)=1。22222200NNcROROlthercVVcVHtOHOHtther 只與燃氣組成有關(guān)，即只取決于燃氣性質(zhì)，是燃氣的熱工特性之一，是從燃燒溫度的角度評價燃氣性質(zhì)的一個指標。3、理論燃燒溫度tth： 在絕熱完全燃燒（Q2=0，Q3=0）條件下所得到的煙氣溫度。tth 是燃氣燃燒過程控制的一個重要指標，它表明某種燃氣在一定條件下燃燒，其煙氣所能達到的最高溫度。222222222240)2 . 1()2 . 1(OONNOHOHROROaaOHaggOHglthcVcVcVcVQtdccVtdccHt4、實際燃燒溫度tact： 實際燃燒溫度與

9、理論燃燒溫度的差值隨工藝過程和爐窯結(jié)構(gòu)的不同而不同，很難精確計算出來。經(jīng)驗公式為：高溫系數(shù)。對一般工業(yè)爐窯可取0.650.85，無焰燃燒器的火道可取0.9。thacttt（二）煙氣的焓溫圖： 在進行工業(yè)爐和鍋爐熱力計算時，需要知道煙氣在不同溫度下的焓。1 燃氣燃燒后所生成的煙氣在不同溫度下的焓等于理論煙氣的焓與過?？諝獾撵手?，即：00) 1(affIIIfNfOHOHROROftcVcVcVI)(2222200aaOHaatdccVI)20. 1(2003m 由于燃燒設(shè)備中各部分的過?？諝庀禂?shù)不完全一樣（越接近排煙口，值越大），煙氣的焓也需要分別計算。利用煙氣的焓溫圖，可以方便地查得在不同時

10、，不同溫度下煙氣的焓If；反之，在一定溫度下，若已知煙氣的焓，也可確定此時的值。9-2 燃氣的燃燒過程燃氣的燃燒過程（一）化學反應(yīng)一、燃氣燃燒反應(yīng)機理一、燃氣燃燒反應(yīng)機理（二）基元反應(yīng)速率理論（三）化學反應(yīng)速率（四）鏈反應(yīng)（一）著火：由于能量（或活化中心）的積聚，預(yù)混的可燃氣體自發(fā)發(fā)生燃燒反應(yīng)的起始瞬間，又稱自燃。二、著火（點火）二、著火（點火）1、熱力著火： 燃燒反應(yīng)的最初啟動必須具備一定的能量條件，即必須有一個能量積聚的吸熱準備過程。燃燒反應(yīng)釋放的能量除了會有一部分加熱未燃的反應(yīng)物，還必然存在著向周圍環(huán)境的散熱。2、支鏈著火： 鏈反應(yīng)理論認為，化學反應(yīng)的自動加速并不一定只是依靠系統(tǒng)內(nèi)熱量的

11、積聚，溫度的升高或活化分子數(shù)量的增加來實現(xiàn)；通過鏈反應(yīng)積累活化中心也能使化學反應(yīng)自動加速，直到發(fā)生著火甚至爆炸。（二）點火： 除了在一定條件下會自發(fā)進行的自燃著火外，在實際工程中更廣泛采用的是用強制點火的方式引燃可燃氣體混合物。常見的點火源有：電火花、小火焰及電熱線圈。最小點火能Emin：形成初始火焰中心所需的最小放電 能量。熄火距離dq：當電極間距小到無論多大的火花能量都不能使可燃氣體點燃時，這個最小距離就稱為熄火距離。（一）火焰的傳播方式：三、燃氣燃燒的火焰?zhèn)鞑ト?、燃氣燃燒的火焰?zhèn)鞑?燃氣在工業(yè)與民用燃燒設(shè)備中的燃燒過程都屬于正常的火焰?zhèn)鞑ミ^程,在工業(yè)中常見的是紊流狀態(tài)下的火焰?zhèn)鞑?。正常?/p>

12、火焰?zhèn)鞑ケū迹ǘ┗鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣萐n： 當管徑大到一定程度時，管壁散熱對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懴?，這時火焰?zhèn)鞑ニ俣茸呓谝蛔畲笾担撟畲笾捣Q為法向火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n。物理意義：單位時間內(nèi)在單位火焰面積上所燃燒的可燃混合物體積，有時也稱燃燒速度。影響火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n的因素： 可燃混合物的性質(zhì)（包括可燃混合物的導熱系數(shù)及分子結(jié)構(gòu)等）； 燃氣濃度 可燃混合物初始溫度 可燃混合物的壓力 添加劑（三）火焰?zhèn)鞑舛葮O限： 在燃氣-空氣混合物中，只有當燃氣與空氣的比例在一定極限范圍內(nèi)時，火焰才有可能傳播。 又稱為著火濃度極限或爆炸極限。 燃氣在純氧中著火燃燒時，火焰?zhèn)鞑舛葮O限范圍擴大； 提高燃氣-空氣混合物

13、溫度，火焰?zhèn)鞑舛葮O限范圍擴大； 提高燃氣-空氣混合物壓力，火焰?zhèn)鞑舛葮O限范圍擴大； 燃氣中加入惰性氣體時，火焰?zhèn)鞑舛葮O限范圍縮??； 含塵量、含水蒸氣量以及容器形狀和壁面材料等因素，有時也會影響火焰?zhèn)鞑舛葮O限。影響火焰?zhèn)鞑舛葮O限的因素：（一）預(yù)熱燃氣和空氣：四、燃燒過程的強化四、燃燒過程的強化 可以提高火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n，從而提高燃燒溫度，增大燃燒強度。 實際工程中常利用煙氣預(yù)熱空氣或?qū)⑷紵a(chǎn)生的部分高溫煙氣重新引回燃氣-空氣入口處以提高反應(yīng)區(qū)溫度。（二）加強氣流紊動： 采用旋轉(zhuǎn)氣流來提高氣流混合強度。常見的主要方法有：使氣流切向進入主通道和在軸向管道中設(shè)置導流葉片使氣流旋轉(zhuǎn)。9-3 燃

14、氣燃燒方法燃氣燃燒方法擴散式燃燒燃氣燃燒基本方式：燃氣燃燒基本方式：部分預(yù)混式燃燒完全預(yù)混式燃燒一次空氣：燃燒前燃氣中摻混的空氣。一次空氣系數(shù) ：一次空氣占燃燒所需理論空氣量的比例。二次空氣：燃氣燃燒過程中依靠擴散作用從周圍獲得的空氣。二次空氣系數(shù) ：二次空氣占燃燒所需理論空氣量的比例。 一、擴散式燃燒一、擴散式燃燒 在點燃前燃氣與空氣不相接觸（=0），而燃燒所需的氧氣完全依靠擴散作用從周圍大氣中獲得，燃氣與空氣在接觸面處邊混合邊燃燒。（一）層流擴散火焰結(jié)構(gòu)：（二）層流擴散火焰向紊流擴散火焰的過渡：二、部分預(yù)混式燃燒（二、部分預(yù)混式燃燒（01） 在燃燒前預(yù)先混入部分空氣，一部分預(yù)先混合好的燃氣-空氣混合物流出火孔就可燃燒，而其余的燃氣則通過與周圍空氣的擴散混合燃燒掉。 擴散式燃燒容易產(chǎn)生煤煙，燃燒溫度也相當?shù)?。但當預(yù)先混入一部分燃燒所需的空氣后，火焰就變得清潔，燃燒得以強化，火焰溫度也提高了。 部分預(yù)混層流火焰結(jié)構(gòu)由內(nèi)焰和外焰構(gòu)成。首先一次空氣中的氧與燃氣在內(nèi)焰進行反應(yīng)，形成不發(fā)光的淡藍色錐形火焰。剩余的燃氣在內(nèi)焰面外部，按擴散方式與空氣混合而燃燒。一次空氣越少，外錐就越大。（一）部分預(yù)混層流火焰： 部分預(yù)混紊流火焰的結(jié)構(gòu)與層流火焰相比，其長度明顯地縮減，而且頂部較圓；焰面由光滑變?yōu)榘櫱?，火焰厚度增加，火焰總表面積也增加，燃燒得到強化。（二）部分預(yù)混紊