燃燒學討論課-富氧燃燒

燃燒學燃燒效率計算思考題湖南大學機械與運載工程學院吳振闊個人信息吳振闊辦公室：219電話mail：wzhk504281826@163.com教學網(wǎng)址：湖南大學課程中心-燃燒學燃燒效率計算第三次討論課燃燒效率及不完全燃燒損失一、燃燒效率ηc＝100－q3－q4q3為可燃氣體不完全燃燒熱損失；%q4為固體燃料不完全燃燒熱損失；%二、可燃氣體不完全燃燒熱損失q3的計算

可燃氣體不完全燃燒熱損失是指鍋爐等熱工設備的排煙中殘留的可燃氣體CO、H2

、CH4、CnHm等未燃燒放熱而造成的熱損失，

其數(shù)值等于煙氣中各種可燃氣體的容積與其容積熱值的乘積。（1）q3的計算

Vgy為干煙氣量；CO、H2、CH4、CnHm為容積分數(shù)。各成分熱值三、固體燃料不完全燃燒熱損失q4的計算（1）q4的計算為了確定afh等，需要進行灰平衡計算。

灰平衡指進入爐內燃料的總灰分應等于排煙中飛灰、爐渣灰和沉降灰的灰量之和：例題：某汽油機在一工況下穩(wěn)定運行，燃油質量流量為3kg/h,其中燃燒排放物CO、未燃HC、H2、NOx質量流量分別為0.05、0.04、0.01、0.02kg/h，其該工況下發(fā)動機的燃燒效率？燃油的低熱值43.2MJ/kgCO的低熱值10.1MJ/kg

H2的低熱值120MJ/kg答案：可燃氣體不完全燃燒熱損失：輸入燃料總熱量：燃燒效率：思考題討論第三次討論課1、自然界有哪些形式的能量？機械能（動能、位（勢）能），化學能、電能、風能、水能、核能、光（太陽）能、聲能、生物質能2、簡述燃燒的定義、基本特征和要素？燃燒是一種同時伴有放熱和發(fā)光效應的激烈的化學反應；放熱、發(fā)光、生成新物質是燃燒現(xiàn)象的三個基本特征；燃燒的三要素：可燃物、氧化劑和溫度。3、什么是燃料的高位發(fā)熱量和低位發(fā)熱量？為什么在工程和設計計算中使用低位發(fā)熱量？燃料高位發(fā)熱量是指單位質量或單位體積的燃料完全燃燒后，其燃燒煙氣的溫度降低至室溫所放出的全部熱量；燃料的低位發(fā)熱量是指單位質量或單位體積的燃料完全燃燒后，所放出全部熱量扣除水蒸汽潛熱的燃料發(fā)熱量；因為工程熱力設備的所產生的煙氣中的水蒸氣尚未冷凝而直接排出，燃料燃燒后煙氣中的水蒸汽潛熱未被利用。4、什么是標準煤？能源的種類很多，所含的熱量也各不相同，為了便于相互對比和在總量上進行研究，我國規(guī)定應用基低位發(fā)熱量Qnet,ar=29271kJ/kg(即7000kcal/kg)的燃料為標準煤，也稱煤當量。5、煤的分析方法有哪些？工業(yè)分析組成(工分)：灰分（A)、水分(M)、揮發(fā)份(V)、固定碳(FC)；元素分析組成(元分)：碳、氫、氧、氮、硫、水分、揮發(fā)份。6、簡述煤的化學組成、揮發(fā)份及灰分、水分、碳分等對煤特性的影響？煤的化學組成主要由碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)等元素組成：碳是煤中主要的可燃元素，在燃燒過程中放出大量的熱；煤的炭化程度越高，含碳量就越大；含碳量高的煤難以著火與燃燼，但是發(fā)熱量很高。氫也是煤中主要的可燃元素，有效氫的發(fā)熱量很高，是碳發(fā)熱量的3～4倍，煤中氫含量先隨著炭化程度的增加而增加，當煤中含碳量為85%時達到最大值，然后隨著炭化程度的增加而下降。氧是煤中有害的不可燃元素，煤中含氧量隨著炭化程度的增加而下降，煤中氧含量的存在會使煤發(fā)熱量降低。氮是煤中的有害不可燃元素，其存在不但降低煤的發(fā)熱量，而且會生成NOx等污染物；硫是煤中的有害元素，在煤燃燒過程中會生成SOx等有害污染物。6、簡述煤的化學組成、揮發(fā)份及灰分、水分、碳分等對煤特性的影響？揮發(fā)分是煤在隔絕空氣條件下加熱到850℃時析出的氣體。揮發(fā)分含量多的煤，著火容易，著火溫度低，燃燼容易；揮發(fā)分含量少的煤，著火溫度高，著火困難，燃燼非常困難。灰分是指煤中所含的礦物質在燃燒過程中經(jīng)過高溫分解和氧化作用后生成的一些固體殘留物。灰分含量高的煤不僅使煤的發(fā)熱量減小，而且影響煤的著火與燃燒。由于燃燒煙氣中飛灰濃度大，使受熱面易受污染影響傳熱、降低效率，并使受熱面易磨損而減少壽命。同時，對排煙中的含塵量必須采用高效除塵措施，使排煙中含塵降低到合格的排放指標。在煤的使用過程中，一定要重視煤的灰熔點，否則容易造成結渣，不利于燃燒過程中空氣的流通和氣流均勻分布，破壞燃燒過程的穩(wěn)定運行。水分是煤中的不可燃成分，其存在不僅降低了燃料的可燃質含量，含水量大的燃料發(fā)熱量低，不易著火、燃燒，而且在燃燒時還要消耗熱量使其蒸發(fā)和將蒸發(fā)的水蒸氣加熱，降低燃燒室溫度，使鍋爐效率降低，并使排煙損失加大，還易在低溫處腐蝕設備。含水量大的煤使得制粉設備制粉困難，需要高溫空氣或煙氣干燥。同時，水分大的煤也不利于運輸，并使成本增加。但是，在高溫火焰中水蒸氣對燃燒具有催化、媒介作用，可以加速煤粉焦碳的燃燒，可以提高火焰黑度，增加火焰及煙氣的輻射放熱強度，加強燃燒室爐壁的輻射換熱。另外，水蒸氣分解時產生的氫分子和氫氧根可以提高火焰的熱傳導率。這樣，水分使飛灰中碳粒減少，從而使機械不完全損失減少，TSP減少，同時水分的蒸發(fā)有利于疏松煤層，增加孔隙率，改善燃燒。因此綜合考慮，應以合適水分為好。煤中碳分包括固定碳和游離碳。固定碳是指在隔絕空氣的情況下煤中揮發(fā)分析出后剩下的固體物質中的含碳量；游離碳是指揮發(fā)分中的含碳量。一般來說，煤的煤化程度越高，揮發(fā)分含量越少，固定碳含量越高。煤中固定碳含量高，不利于煤的著火和燃燒，煤難以燃燼。7、油的閃點和燃點及著火點？閃點：當燃料油加熱至一定溫度時，其中分子量較小，沸點低的成分將先由油的表面氣化逸出，形成油蒸氣。油溫升高，油蒸氣越多，油表面附近的油蒸汽濃度越大。此時，有外來火源的情況下，在油面上會出現(xiàn)閃火現(xiàn)象(時間不超過5s)，但是未構成持續(xù)燃燒；燃點：當燃料油加熱至一定溫度時，其中分子量較小，沸點低的成分將先由油的表面氣化逸出，形成油蒸氣。油溫升高，油蒸氣越多，油表面附近的油蒸汽濃度越大。當油的蒸發(fā)速度很快時，在有外來火源情況下，在油面上閃火后持續(xù)燃燒(>5s)；著火點：當燃料油加熱至一定溫度時，其中分子量較小，沸點低的成分將先由油的表面氣化逸出，形成油蒸氣。油溫升高，油蒸氣越多，油表面附近的油蒸汽濃度越大。在無外來火源的情況下，在油面上形成的持續(xù)燃燒。8、何謂理論空氣量？單位質量或單位體積的燃料完全燃燒(無剩余可燃組分和CO)時所需要的最小空氣量(燃燒產物中氧氣為零)，即從燃燒化學反應式出發(fā)計算出的1kg(或1m3)燃料所含可燃元素完全燃燒所需的空氣量稱為理論空氣量。一般來說，燃料的理論空氣量與其發(fā)熱量大致成正比關系。1000kcal熱量的燃料燃燒時約需1Nm3空氣量。9、何謂理論煙氣量？何謂實際煙氣量？其煙氣成分中有何差別？為什么？理論煙氣量：1kg或1m3燃料在a=1的情況下完全燃燒，所生成的煙氣量為理論煙氣量。實際煙氣量：1kg或1m3燃料在a不為1的情況下燃燒，所生成的煙氣量為實際煙氣量。當a＞1，完全燃燒時，與理論煙氣量相比，實際煙氣組分上多了一項O2和相應的多余空氣中的N2，及帶入的水蒸氣，當不完全燃燒時，實際煙氣組分上多了不完全燃燒產物CO10、何謂過量空氣系數(shù)？過量空氣系數(shù)的大小對燃燒及設備效率有何影響？過量空氣系數(shù)a為實際空氣量Vk與理論空氣量V0之比，其大小直接影響燃燒效率和設備效率。實際煤正常的燃燒過程中空氣消耗系數(shù)通常大于1，而實際煤氣化過程中空氣消耗系數(shù)通常小于1。在燃燒設備中，燃燒過程一般在爐膛出口處結束，因此對燃燒有重大影響的是爐膛出口處的過量空氣系數(shù)a''。a''太大會造成過大的排煙熱損失，使得設備效率降低，并使爐溫偏低，不利于爐內燃燒；a''太小會造成固體及氣體燃料不完全燃燒損失過大，使得燃燒效率降低，污染物排放濃度高；對于不同燃料和不同的燃燒方式，a''大不相同，存在一個最佳值，應在設計和運行中接近此值。教材81教材8011、不同的過量空氣系數(shù)情況下的燃燒產物有何區(qū)別？a≥1：完全燃燒時，燃燒產物中除了CO2、H2O、SO2、NOx之外，還有剩余的氧；不完全燃燒時，燃燒產物中除了CO2、H2O、SO2、Nox、O2之外，還有不完全燃燒產物CO和H2以及CH4等。此時，不完全燃燒程度越嚴重，燃燒產物體積增加的也就越多。a<1：燃料與空氣混合均勻，燃燒產物中可能有CO、H2、CH4，但是沒有O2；燃料與空氣混合不充分，燃燒產物中有CO、H2、CH4，但是有O2；此時，將會使燃燒產物生成量有所減少。12、什么是當量比？當量比與過量空氣系數(shù)的關系？當量比為實際燃空比與理論燃空比的比值，與過量空氣系數(shù)成反比。13、燃料的理論燃燒溫度和理論發(fā)熱溫度有何區(qū)別（計算公式）？各有什么意義？理論燃燒溫度：14、理論燃燒溫度與哪些因素有關？提高理論燃燒溫度的措施？理論燃燒溫度是燃料燃燒的一個重要指標，為某種燃料在某一燃燒條件下所能達到的最高溫度，其對于爐內過程分析和熱工計算都是一個極其重要的依據(jù)，對于燃料與燃燒條件的選擇，溫度水平的估計和爐內換熱計算，都有實際意義。其影響因素如下：燃料的種類和發(fā)熱量，理論燃燒溫度的增加與燃料低熱值；空氣消耗系數(shù)；空氣或燃料的預熱溫度；空氣的富氧程度，氧氣濃度在30%以下增加氧氣濃度效果明顯；燃燒速度及減少散熱。提高理論燃燒溫度的措施：提高空氣和燃料的預熱溫度；選擇合適的空氣消耗系數(shù)，在較小的煙氣排放量下保證燃料的快速燃燒與燃盡；提高氧氣濃度等。理論發(fā)熱溫度：過量空氣系數(shù)為1教材85頁15、阿累尼烏斯定律？何為活化能E？活化能與何因素有關？阿累尼烏斯定律：Arrhenius在一系列等溫條件下實驗測定了反應物濃度隨時間變化關系，發(fā)現(xiàn)（比）反應速度常數(shù)kn與溫度的關系，建立了阿累尼烏斯定律活化能(E)：根據(jù)活化分子碰撞理論，活化分子所具有的平均能量(Ee)與反應物分子的平均能量(Em)之差稱為活化能(ActivationEnergy,用Ea表示)，表明反應物分子由普通分子轉化為活化分子所需要吸收的平均能量，單位kJ?mol-1。在一定溫度下，某一燃料的活化能越小，其反應能力越強，反應速度受溫度的影響也就越小，在較低的溫度下也容易著火與燃盡；活化能越大的燃料，其反應能力越差，反應速度受溫度的影響越大，不但著火困難，而且需要在較高的溫度下經(jīng)過長時間才能燃盡。活化能的水平是決定燃燒反應速度的內因條件?；罨艿挠绊懸蛩兀号c反應物性質有關，與濃度、溫度無關。16、何謂鏈鎖反應？由幾個步驟組成？鏈鎖反應是由若干個相繼發(fā)生或相繼又平行發(fā)生的基元反應所組成，整個反應過程是由那些基元反應相繼不斷地反復進行來完成的，如同鏈環(huán)一樣，稱為鏈鎖反應。鏈的激發(fā)過程、鏈的傳遞過程、鏈的終止過程。17、什么是均相燃燒、異相燃燒？舉例。均相燃燒：燃料和氧化劑的物態(tài)相同，如氣體燃料在空氣中的燃燒，燃料和氧化劑都是氣體，屬于同相燃燒。異相燃燒：燃料和氧化的物態(tài)不同，如固體燃料在空氣中的燃燒屬于異相燃燒。18、什么是動力燃燒、擴散燃燒？舉例。動力燃燒：燃料與氧化劑混合時間遠小于燃料與氧化劑的混合物為達到開始燃燒反應的溫度時所需的加熱時間和完成化學反應所需時間之和，擴散性能遠遠超過化學反應性能，燃燒速度取決于化學反應性能，而與擴散性能無關。此時，擴散性能很強，燃料表面有足夠的氧氣，阻礙燃燒的是不能迅速進行化學反應。如預先混合好的可燃氣體與空氣混合物的燃燒過程、層燃爐尾部燃燼區(qū)的燃燒過程、細小顆粒煤粉的燃燒過程和煤粉爐尾部的燃燒等，即動力燃燒不只在氣體燃料燃燒時才存在。其主要影響因素是可燃物與氧的化學反應速度，化學反應速度與反應空間的壓力、溫度、反應物質濃度有關。對于鍋爐的實際燃燒，影響化學反應速度的主要因素是爐內溫度，爐溫高，化學反應速度快。擴散燃燒：燃料與氧化劑混合時間遠大于燃料與氧化劑的混合物為達到開始燃燒反應的溫度時所需的加熱時間和完成化學反應所需時間之和，化學反應性能遠遠超過擴散性能時，燃燒速度取決于擴散性能，而與化學反應能力無關，化學反應能力很強，只要氧氣擴散到燃料表面，就能立即燃燒掉，阻礙燃燒的是氧氣供給不足。如氣體燃料與空氣分別由兩個噴口進入燃燒室的燃燒過程和大顆粒煤的燃燒過程。對于擴散燃燒，對其燃燒進行強化的主要方法是加強燃料與空氣的混合，其次是提高二者的溫度等。19、解釋熱自燃、鏈鎖自燃、點燃的概念。點燃和自燃的區(qū)別？熱自燃理論主要研究系統(tǒng)內因化學反應放熱而使系統(tǒng)溫度自行升高，從而促進了化學反應放熱速度的急劇增大而導致著火的過程鏈鎖自燃理論認為，使反應加速并不一定要靠熱量積累，也可以通過鏈鎖分支反應而迅速增值活化中心，來促使反應不斷加速直至爆燃著火。自燃和點燃的相同之處在于燃燒反應都有低速度突然加速為極高速度的過程；不同之處：a.點燃促使混合氣體局部(點火源附近)化學反應加速，而自燃則在整個預混可燃氣體內進行；b.點燃溫度一般高于自燃溫度；c.預混可燃氣體能否點燃不僅取決于點火源附近局部預混氣體能否著火，而且取決于火焰能否在混合氣中順利傳播。20、著火溫度和著火濃度界限的影響因素？影響著火溫度和著火濃度界限的因素有：可燃混合物的壓力、成分、濃度、溫度、惰性氣體含量、流速、可燃預混混合物的初始溫度等。。21、何謂火焰?zhèn)鞑ニ俣?？火焰?zhèn)鞑サ奶卣魇鞘裁?？按照氣體的流動狀況，預混可燃氣體中的火焰?zhèn)鞑タ煞譃槟膸追N？火焰?zhèn)鞑ニ俣龋寒斠粋€熾熱物體或電火花將可燃混合氣的某一局部點燃著火時，將形成一個薄層火焰面?；鹧婷鎸⑽慈細怏w與已燃的煙氣分隔開來，燃燒反應只在火焰面內進行。火焰面產生的熱量將加熱臨近層的未燃混合氣，使其溫度升高直至著火燃燒。這樣一層層地著火燃燒，把燃燒逐漸擴展到整個混合氣，這種現(xiàn)象稱為火焰?zhèn)鞑??；鹧媲把孛嬖谄浔砻娴姆ň€方向上相對于新鮮混合氣的移動速度稱為火焰?zhèn)鞑ニ俣??；鹧鎮(zhèn)鞑サ奶卣鳎喝紵磻皇窃谡麄€混合氣體內同時發(fā)生，而是集中在火焰面內進行并逐層傳播、逐層進行，傳播速度的大小取決于預混氣體的物理化學性質與氣體的流動狀況。按照流動狀況，預混可燃氣體中的火焰?zhèn)鞑タ煞譃閷恿骰鹧鎮(zhèn)鞑?層流燃燒)和湍流火焰?zhèn)鞑?湍流燃燒)。其中層流氣流的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁穷A混可燃氣體的物性參數(shù)，即其大小取決于預混氣體的物理化學性質。22、提高可燃預混氣體燃燒速度的措施是什么？使用火焰?zhèn)鞑ニ俣却蟮目扇碱A混氣體；提高湍流強度；提高混合氣體的壓力與溫度。23、火焰穩(wěn)定性的概念？何謂回火？何謂脫火？工程上如何防止回火和脫火？火焰穩(wěn)定性：火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c新鮮可燃混合氣的流動速度兩者大小相等，方向相反。回火：預混可燃氣體的火焰?zhèn)鞑ニ俣萓L大于新鮮可燃混合氣的流動速率W，火焰前沿位置將向新鮮可燃物的上游方向移動，則火焰向預混氣體內部燒去稱為回火?；鼗鸩粌H僅發(fā)生于預混可燃氣體的燃燒過程中，在固體燃料如煤粉燃燒過程中，也會發(fā)生回火。在工程上采用小孔或縮口等方法減小噴口直徑、均勻噴口流速及冷卻噴口等措施防止回火。具體措施如下：可燃混合氣體從燒嘴流出的速度必須大于某一臨界速度，后者與煤氣成分、預熱溫度、燒嘴口徑及氣流性質等有關；當空氣或煤氣預熱時，其出口速度還應該提高；注意保證出口斷面上速度的均勻分布，避免使氣流受到外界的擾動；對于燃燒能力大的燒嘴，需用氣冷或水冷將燒嘴頭進行冷卻。脫火：預混可燃氣體的火焰?zhèn)鞑ニ俣萓L遠小于新鮮可燃混合氣的流動速率W，火焰前沿位置將向燃燒產物的下游方向移動，則火焰被吹息或吹脫稱為脫火。工程上采用各種形式的氣流穩(wěn)焰器或組織大小適中的高溫回流區(qū)、合理控制預混氣體流速W、各種形式的鈍體等綜合措施來防止脫火。具體措施如下：使氣體的噴出速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣认?/p>