燃气燃烧与应用修改版2.docx

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燃气燃烧与应用修改版2

第一章燃气的燃烧计算

燃烧：

气体燃料中的可燃成分（H2、CmHn、CO、H2S等）在一定条件下与氧发生激烈的氧化作用，并产生大量的热和光的物理化学反应过程称为燃烧。

燃烧必须具备的条件：

比例混合、具备一定的能量、具备反应时间

热值:

1Nm3燃气完全燃烧所放出的热量称为该燃气的热值，单位是kJ/Nm3。

对于液化石油气也可用kJ/kg。

高热值是指1m3燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量。

低热值是指1m3燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸汽状态时所放出的热量。

一般焦炉煤气的低热值大约为16000—17000KJ/m3

天然气的低热值是36000—46000KJ/m3

液化石油气的低热值是88000—120000KJ/m3

按1KCAL=4.1868KJ计算：

焦炉煤气的低热值约为3800—4060KCal/m3

天然气的低热值是8600—11000KCal/m3

液化石油气的低热值是21000—286000KCal/m3

热值的计算

热值可以直接用热量计测定，也可以由各单一气体的热值根据混合法则按下式进行计算：

理论空气需要量

每立方米（或公斤）燃气按燃烧反应计量方程式完全燃烧所需的空气量，单位为m3/m3或m3/kg。

它是燃气完全燃烧所需的最小空气量。

过剩空气系数:

实际供给的空气量v与理论空气需要量v0之比称为过剩空气系数。

α值的确定

α值的大小取决于燃气燃烧方法及燃烧设备的运行工况。

工业设备α——1.05-1.20

民用燃具α——1.30-1.80

α值对热效率的影响

α过大，炉膛温度降低，排烟热损失增加，

热效率降低；

α过小，燃料的化学热不能够充分发挥，

热效率降低。

应该保证完全燃烧的条件下α接近于1.

烟气量含有1m3干燃气的湿燃气完全燃烧后的产物

运行时过剩空气系数的确定

计算目的：

在控制燃烧过程中，需要检测燃烧过程中的过剩空气系数，防止过剩空气变化而引起的燃烧效率与热效率的降低。

在检测燃气燃烧设备的烟气中的有害物质时，需要根据烟气样中氧含量或二氧化碳含量确定过剩空气系数，从而折算成过剩空气系数为1的有害物含量。

根据烟气中O2含量计算过剩空气系数

O2′---烟气样中的氧的容积成分

（2）根据烟气中CO2含量计算过剩空气系数

CO2m——当＝1时，干燃烧产物中CO2含量，%；

CO2′——实际干燃烧产物中CO2含量，%。

1.4个燃烧温度定义及计算公式

热量计温度：

一定比例的燃气和空气进入炉内燃烧，它们带入的热量包括两部分：

其一是由燃气、空气带入的物理热量（燃气和空气的热焓）；其二是燃气的化学热量（热值）。

如果燃烧过程在绝热条件下进行，这两部分热量全部用于加热烟气本身，则烟气所能达到的温度称为热量计温度。

燃烧热量温度：

如果不计参加燃烧反应的燃气和空气的物理热，即ta＝tg＝o，并假设a＝1．则所得的烟气温度称为燃烧热量温度。

理论燃烧温度：

将由CO2HO2在高温下分解的热损失和发生不完全燃烧损失的热量考虑在内，则所求得的烟气温度称为理论燃烧温度tth

实际燃烧温度：

2.影响燃烧温度的因素

热值：

一般说来，理论燃烧温度随燃气低热值Hl的增大而增大.

过剩空气系数：

燃烧区的过剩空气系数太小时，由于燃烧不完全，不完全燃烧热损失增大，使理论燃

烧温度降低。

若过剩空气系数太大，则增加了燃烧产物的数量，使燃烧温度也降低

燃气和空气的初始温度：

预热空气或燃气可加大空气和燃气的焓值，从而使理论燃烧温度提高。

3.烟气的焓与空气的焓

烟气的焓：

每标准立方米干燃气燃烧所生成的烟气在等压下从0℃加热到t℃所需的热量，单位为千焦每标准立方米。

空气的焓：

每标准立方米干燃气燃烧所需的理论空气在等压下从0℃加热到t（℃）所需的热量，单位为千焦每标准立方米。

第二章燃气燃烧反应动力学

链反应：

不是由反应物一步就获得生成物，而是通过一系列的基元反应来进行的，直到反应物消耗殆尽或有外力使其终止。

链反应的分类：

（a）直链反应（b）支链反应

可燃气体的燃烧都属于支链反应

稳定的氧化反应过程；任何可燃气体在一定条件下与氧接触，都要发生氧化反应。

如果氧化反应过程发生的热量等于散失的热量，或者活化中心浓度增加的数量正好补偿其销毁的数量，这个过程就称为稳定的氧化反应过程。

不稳定的氧化反应：

如果氧化反应过程生成的热量大于散失的热量，或者活化中心浓度增加的数量大干其销毁的数量，这个过程就称为不稳定的氧化反应过程。

着火：

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。

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

热力着火：

一般工程上遇到的着火是由于系统小热量的积聚，使温度急剧上升而引起的、这种着火称为热力着火。

燃料开始燃烧的最低温度叫着火温度。

即燃料在充足空气供给下加热到某一温度，达到此温度后不再加热，燃料依靠自身的燃烧热继续燃烧（持续5min以上），此温度即称为着火温度或着火点。

燃料的着火温度随燃料的种类、燃料的形态、燃烧时周围的环境而变，不是一个常数。

热力着火的条件之三：

降低散热系数

在常压（大气压）下

液化石油气的着火温度为365—460℃

天然气的着火温度为270—540℃

人工燃气着火温度为270—605℃

可燃混合物热力着火的影响因素

环境温度

压力

可燃物与环境的传热系数

成分（物性）

1、点火：

当微小热源放入可燃混合物小时，则贴近热源周围的一居混合物被迅速加热、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、这种现象称为强制点火，简称点火。

点火的两个重要因素：

着火火焰传播

2.点火源：

灼热固体颗粒、电热线圈、电火花、小火焰等。

4.电火花点火：

把两个电极放在可燃混合物中，通过高压电打出火花释放出一定的能量，使可燃混合物点着，称为电火花点火。

电火花点火的两个阶段：

初始火焰中心的形成火焰的传播

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．苦耍形成初始的火焰中心，放电能量必须有一最小极值，能量低于此极值时不能形成初始火焰中心，这个必要的最小放电能员就是最小点火能量Enin。

熄火距离：

当两个电极之间的距离小到无论多大的电火花能量都不能使可燃混什物点燃时，这个最小距离就叫熄火距离

第三章燃气燃烧的气流混合过程

自由射流：

当气流由管嘴或孔口喷射到充满静止介质的无限大空间时，形成的气流。

等温自由射流：

周围介质的温度和密度与喷出气流相同。

4.层流射流的等浓度面

边界1是射流边界

边界2是射流核心区边界

界面3：

Cg=Ch；

界面4：

Cg=Cst；

界面5：

Cg=Cl；

A：

纯燃气

B：

处于着火浓度上限以外的燃气和空气混合物

C：

处于着火浓度范围以内的燃气和空气混合物，含有过剩燃气；

D：

处于着火浓度下限以外的燃气和空气混合物，含有过剩空气

E：

处于着火浓度下限以外的燃气和空气混合物

5.层流扩散火焰长度

当燃气成分一定时，层流扩散火焰的长度上主要取决于燃气的体积流量。

流量增大火焰长度增大

出口速度一定时，喷嘴直径越大，火焰长度也越大

喷嘴直径越大，火焰长度也越大。

流量一定时，则火焰长度与直径无关。

平行气流中的自由射流

射流速度与外围平行气流速度的速度梯度

射流的扩张角

轴心速度的衰减

射流核心区的长度

2.平行气流中射流轴心速度的衰减

绝对穿透深度h：

在相交气流中，当射流轴线变得与主气流方向一致时，喷嘴出口平面到射流轴线之间的法向距离h定义为绝对穿透深度。

相对穿透深度：

绝对穿透深度h与喷嘴直径之比，定义为相对穿透深度，即h/d。

射程：

在射流轴线上定出一点，使该点的轴速度在x方向上的分速度Vx为出口速度V2的5%，以喷嘴平面至该点的相对法向距离X1/d，定义为射程。

多股射流与受限气流相交时的流动规律

影响因素

（1）主气流流动通道的相对半宽度B/2d；

（2）射流喷嘴相对中心距s/d。

旋转射流：

射流在从喷嘴中流出时，气流本身一面旋转，一面又向静止介质中扩散前，这就是旋转射流，简称旋流。

2.旋转射流的特点：

旋转紊流运动、自由射流、和绕流

3.产生方法

（1）使全部气流或一部分气流切向进入

（2）设置导流叶片

（3）采用旋转的机械装置

4.旋转射流的基本特性

1）.增加切向分速度，径向分速度较直流射流时大；

2）.径向和轴向上都建立了压力梯度。

强旋转射流内部形成回流区；

3）.内外回流区的存在对着火稳定性有影响；

4）.旋转射流的扩展角大；

5）.射程小

旋转射流的无因次特性——旋流数：

旋流数s不仅反映了射流的旋转强弱，射流动力相似的相似准则。

第四章燃气燃烧的火焰传播

火焰面：

未燃气体和已燃气体的分界面即为火焰锋面，亦称火焰前沿（前锋）。

常压条件下火焰前锋的厚度：

10-2~10-1mm

火焰传播速度：

火焰前锋沿其法线方向朝新鲜混气传播的速度。

用Sn表示。

测定Sn的实验方法的概述两种主要方法

静力法：

静力法是让火焰焰面在静止的可燃混合物中运动。

动力法：

动力法则是让火焰焰面处于静止状态，而可燃混合物气流则以层流状态作相反方内运动。

管子法、本生火焰法

影响火焰传播速度的因素

1.混气成分的影响

2.混气性质的影响

3.温度的影响

4.压力的影响

5.湿度和惰性气体的影响

添加气有两面性

（1）改变混合气的物理性质，如导热系数

催化作用

火焰传播浓度极限及其测定

定义：

能使火焰继续不断传播所必需的最低燃气浓度，称为火焰传播浓度下限（或低限）；能使火焰继续不断传播所必需的最高燃气浓度，称为火焰传播浓度上限（或高限）。

上限和下限之间就是火焰传播浓度极限范围，火焰传播浓度极限又称着火浓度极限、爆炸极限。

影响火馅传播浓度极限的因素

1．燃气在纯氧中着火燃烧时，火焰传播浓度极限范围将扩大。

2．提高燃气—空气混合物温度，会使反应速度加快，火焰温度上升，从而使火焰传播浓度极限范围扩大。

3．提高燃气—空气混合物的压力，其分子间距缩小，火焰传播浓度极限范围将扩大，其上限变化更为显著。

4．可燃气体中加入惰性气体时，火焰传播浓度极限范围将缩小（图4—25）。

5．含尘量、含水蒸气量以及容器形状和壁面材料等因素，有时也影响火焰传播浓度极

限。

各种燃气的爆炸极限如下

燃气类别

爆炸下限（%）

爆炸上限（%）

天然气

5

15

人工煤气

5—20.7

31—73

液化石油气

1.5

9.5

第五章燃气燃烧方法

一次空气：

在燃烧前预先与燃气混合的那部分空气。

一次空气系数：

一次空气与燃烧所需要的理论空气量之比。

燃气燃烧方法

扩散式燃烧：

燃气和空气不预混，一次空气系数a′＝0

大气式燃烧：

燃气和一部分空气预先混合a′＝0.2－0.8

完全预混式燃烧：

燃气和空气完全预混a′≥1

本生灯火焰根部有一环形平面火焰，起着固定点火源的作用，称之为点火环；

点火环形成的原因及作用分析：

点火环形成的原因是由于靠近射流壁面附近气流速度及火焰传播速度分布不均匀的缘故。

部分预混层流火焰的稳定

稳定：

混气流速恰当时火焰挂在管口上。

离焰、脱火：

增加混气流速，火焰锥变长。

火焰在一定距离以外燃烧；流速进一步加大时，火焰锥会被吹灭即脱火。

回火：

混气流速减小时，火焰锥变短。

当流速减小时，则会发生回火。

黄焰：

燃烧不完全有黑烟产生。

脱火极限：

对于某一定组成的燃气—空气混合物，在燃烧时必定存在一个火焰稳定的上限，气流速度达到此上限值便产生脱火现象，该上限称为脱火极限。

回火极限：

燃气—空气混合物还存在一个火焰稳定的下限，气流速度低于下限值便产生回火现象，该下限称为回火极限。

部分预混层流火焰的稳定的影响因素

（1）一次空气系数的影响

a′↑,v脱火↓a′↑,v回火先↑后↓

（2）燃烧器直径的影响

d↑,v脱火↑，v回火↑

（3）燃气性质的影响

燃气的火焰传播速度大，易回火，速度慢易脱火。

（4）周围空气质量与流动状况的影响。

完全预混式燃烧燃烧特点：

（1）容积热强度大；

（2）火焰清洁

（3）火焰短

（4）氮氧化物少

缺点：

发生回火熄火：

热负荷小于1/3额定热负荷

燃烧过程强化的途径

（1）预热燃气和空气

（2）加强紊动

（3）烟气再循环

（4）应用旋转射流

减少氮氧化物的主要途径：

降低火焰温度、减少过剩空气系数

强化方法

（1）分段燃烧：

空气分燃烧器、燃烧室上方两部分送入

（2）烟气再循环：

低温烟气与燃烧用空气在燃烧器前混合

（3）设计新型燃烧器

（4）采用催化燃烧

第六章扩散式燃烧器

燃烧器的分类

（一）按一次空气系数分类　　

　　1．扩散式燃烧器：

燃气和空气不预混，一次空气系数a‘=0。

　　2．大气式燃烧器：

燃气和一部分空气预先混合，a‘=0．2～0．8。

　　3．完全预混式燃烧器：

燃气和空气完全预混，a’≥1。

（二）按空气的供给方法分类

1．引射式燃烧器：

空气被燃气射流吸人或者燃气被空气射流吸人。

2．鼓风式燃烧器：

用鼓风设备将空气送入燃烧系统。

3．自然引风式燃烧器：

靠炉膛中的负压将空气吸人燃烧系统。

（三）按燃气压力分类

1．低压燃烧器：

燃气压力在5000Pa以下。

2．高（中）压燃烧器：

燃气压力在5000Pa至3x105Pa之间。

第七章大气式燃烧器

大气式燃烧器的构造及工作原理

燃烧器由两大部分组成：

引射器和头部

工作原理：

燃气引射一次空气

引射器的作用有以下三方面：

第一、以高能量的气体引射低能量的气体，并使两者混合均匀。

第二、在引射器末端形成所需的剩余压力。

第三、输送一定的燃气量，以保证燃烧器所需的热负荷。

引射器一般由四部分组成:

燃料喷嘴、吸气收缩管、混合管和扩压管。

（1）喷嘴的流量计算

大气式燃烧器的头部设计原则

1.稳定燃烧：

不离焰、不回火、不出现黄焰

2.满足加热工艺的需要

火孔燃烧能力：

火孔能稳定和完全燃烧的燃气量。

通常用火孔热强度和气流速度表示。

燃烧器头部的静压力：

混合气体在头部必须有一定的静压力，该静压力由引射器提供，是燃烧器的重要设计参数。

静压力消耗于三个方面：

克服流动阻力、克服热阻、获得所要求的流出速度

质量引射系数的计算

引射器的特性方程式

最佳无因次面积：

最大无因次压力：

大气式燃烧器的自动调节特性

燃烧器的引射能力只与燃烧器的结构有关，与燃烧工况无关。

燃气引射空气量随工作状况不同而自动调节。

燃烧器常数

燃气流量、密度、压力变化对燃烧器工作参数一次空气系数、质量引射系数、气流速度的影响。

第十章燃气互换性

燃气的互换性：

设某一燃具以a燃气为基准进行设计和调整，由于某种原因要以s燃气置换a燃气，如果燃烧器此时不加任何调整而能保证燃具正常工作，则表示s燃气可以置换a燃气，或称s燃气对a燃气而言具有“互换性”。

a燃气称为“基准气”，s燃气称为“置换气”反之如果燃具不能正常工作，则称‘s燃气“对a燃气而言没有互换性。

燃具适应性：

指燃具对燃气性质变化的适应能力。

如果燃具在燃气性质变化较大的范围情况下仍能正常工作，就称为适应性大，反之称为适应能力小。

互换性主要考虑燃气在民用燃具上能够互换。

燃气在互换时的两个评价指标：

热负荷（华白数）、燃烧稳定（燃烧势）

华白数

华白数是代表燃气特性的一个参数，华白数又称热负荷指数。

华白数相同的燃气在同一压力、同一燃具上燃烧热负荷相同。

结论：

1.燃具的热负荷与华白数成正比

2.燃具的一次空气系数与华白数成反比。

3.燃气互换时华白数W的变化范围不大于±5%-10%。

燃烧势

对于互换性研究来说，最主要的因素是燃气性质和一次空气系数，这两者在很大程度上决定了燃烧速度。

内焰高度是一个表示燃烧工况的重要参数它与火焰稳定性和燃烧完全度有密切关系

离焰、回火和CO三条极限取决于与内焰高度有关的因素。

燃气按其燃烧特性可以分为三族。

第一族为传统的人工煤气类型。

第二族为天然气类型。

第三族为液化石油气类型。

不同族的燃气是不能完全互换的。

同一族的两种燃气则有可能完全互换。

在qp-a′图判定燃气互换性

燃气性质变化引起工作点飘移

W增大，qp增大,a’减小，工作点向左上方飘移

W减小，qp减小，a’增大，工作点向右下方飘移

燃气性质变化后，工作点与极限曲线都变化，变动后的工作点处在新的安全工作域范围内，才能互换。

德尔布互换图

不同种燃气在典型燃具上作试验得到互换域，任何一种燃气只要其工作点在安全工作域范围内就可以与其他燃气互换。

燃烧器的调整

维持稳定的热负荷

2.维持稳定燃烧

适当调整火孔形式和火孔尺寸，火孔热强度以保证正常燃烧。

3、调整一次空气系数

4.引射器尺寸

一般民用燃具的引射器都有一定的通用性，置换时，不需更换，公福燃具通用性差需要更换。

5.保证二次空气的引入量保证二次空气吸入面积与排烟口的通畅。

6.调整点火位置与点火距离

不同燃气的最小点火能不同。

不同燃气的最小熄火距离不同。

第十三章燃气工业炉余热利用

利用工业炉余热的主要方法：

预热燃烧用的空气或燃气

生产蒸汽或热水

预热物料

预热燃烧用的空气或燃气的技术经济意义

节约燃料

提高理论燃烧温度

提高燃气燃烧速度，改善燃气的燃烧过程

利用工业炉排出的烟气预热空气或燃气所采用的热工设备有换热器和蓄热室。

根据制作材料不同，换热器分为金属换热器和陶瓷换热器。

第十六章燃气燃烧的自动与安全控制

电火花点火

单脉冲电火花点火装置：

指每操作一次燃具点火开关，点火装置只产生一个电脉冲火花。

连续电脉冲点火装置：

指当按下燃具点火开关时，点火装置可以连续不断的放出电脉冲火花。

自动控制装置有：

燃气压力控制器

燃气流量控制器

燃气-空气比例控制器

安全装置有：

预防燃气不足的安全装置

预防空气不足的安全装置

水封、止回阀及安全切断阀

水-气联锁安全装置

过热保护安全装置

熄火保护装置