燃气供应工程第9章燃气燃烧基本理论课件

第九章燃气燃烧基本理论 9-2 9-2 燃气燃烧过程燃气燃烧过程9-3 9-3 燃气燃烧方法燃气燃烧方法9-49-4 燃气互换性燃气互换性9-1 9-1 燃气的燃烧计算燃气的燃烧计算9-1 燃气的燃烧计算燃气的燃烧计算1、燃烧：气体中的可燃成分在一定条件下与氧气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。一、燃烧及燃烧计量方程式一、燃烧及燃烧计量方程式2、燃烧必备的条件：燃气中的可燃成分和(空气中的)氧气需按一定比例呈分子状态混合；参与反应的分子在碰撞时必须具有破坏旧分子和生成新分子所需的能量；具有完成反应所必需的时间。3、燃烧反应计量方程式：是进行燃烧计算的依据。它可以表示出燃烧前后，燃气中的各可燃物质与其燃烧产物间的量值比例关系。如：任何一种形式的碳氢化合物 的燃烧反应方程式都可用以下通式表示：1、定义：1 燃气完全燃烧后所放出的全部热量。二、燃气热值的确定：二、燃气热值的确定：2、燃气热值的计算：直接用实验方法测定；用各单一气体的热值根据混合法则计算。（一）理论空气需要量：按燃烧反应计量方程式，1 （或1kg）燃气完全燃烧所需的空气量，是实现燃气完全燃烧所需要的最小空气量。单位为：三、燃烧所需空气量：三、燃烧所需空气量：干空气中 与 的容积比为：燃气燃烧所需的理论空气量为：一般情况下，燃气的热值越高，燃烧所需的理论空气量越多，还可用以下近似公式进行估算：对于天然气和LPG：对于人工燃气：（二）实际空气需要量：1、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，即：2、在燃烧过程中，正确选择和控制 值的大小十分重要，过大和过小都会导致不良后果：过小：导致不完全燃烧，造成能源的浪费和对环境的污染；过大：使烟气体积增大，炉膛温度与烟气温度降低，导致换热设备换热效率的降低与排烟热损失的增大，同样造成能源的浪费。3、在实际中，的值决定于所采用的燃烧方法及燃烧设备的运行状况。在工业设备中，一般控制在1.051.20；在民用燃具中一般控制在1.31.8。根据燃烧反应方程式，可以计算出燃气中各可燃组分单独燃烧后产生的理论烟气量，求和即可得该燃气的理论烟气量。（一）理论烟气量（=1）：四、燃烧产物的计算：四、燃烧产物的计算：1、三原子气体体积：2、水蒸气体积：3、氮气体积：4、理论烟气量总体积：（二）理论烟气量（1）：如果忽略过剩空气带入的，则实际烟气量即理论烟气量与过剩空气量之和。（三）按热值计算的理论烟气量（近似）：1、天然气、石油伴生气、LPG：2、焦炉煤气：天然气：a=2；石油伴生气：a=2.2；LPG：a=4.5；3、热值小于12600 的人工煤气：（四）烟气的密度：（一）燃气燃烧温度：五、燃气燃烧温度及焓温图：五、燃气燃烧温度及焓温图：燃气燃烧时所放出的热量加热烟气,使之能达到的温度。由燃烧过程的热量平衡来确定。带入热量：由燃气和空气带入的物理热（燃气和空气的热焓Ig和Ia）；燃气的化学热（热值Hl）。支出项：烟气带走的物理热（烟气的热焓If）；向周围介质散失的热量Q2；由于不完全燃烧所损失的热量Q3；烟气中的CO2和H2O在高温下分解所消耗的热量Q4。燃烧过程的热平衡方程为：其中：即为烟气的实际燃烧温度 。其影响因素很多，很难精确计算。1、热量计温度tc：假设燃烧过程在绝热条件下（Q2=0）进行，且完全燃烧（Q3=0），忽略烟气成分的高温分解（Q4=0），由燃气和空气带入的全部热量完全用于加热烟气本身。2、燃烧热量温度tther：Q2=0，Q3=0，Q4=0；不计由燃气和空气带入的物理热（Ig=Ia=0）；且假设=1。tther 只与燃气组成有关，即只取决于燃气性质，是燃气的热工特性之一，是从燃烧温度的角度评价燃气性质的一个指标。3、理论燃烧温度tth：在绝热完全燃烧（Q2=0，Q3=0）条件下所得到的烟气温度。tth 是燃气燃烧过程控制的一个重要指标，它表明某种燃气在一定条件下燃烧，其烟气所能达到的最高温度。4、实际燃烧温度tact：实际燃烧温度与理论燃烧温度的差值随工艺过程和炉窑结构的不同而不同，很难精确计算出来。经验公式为：高温系数。对一般工业炉窑可取0.650.85，无焰燃烧器的火道可取0.9。（二）烟气的焓温图：在进行工业炉和锅炉热力计算时，需要知道烟气在不同温度下的焓。1 燃气燃烧后所生成的烟气在不同温度下的焓等于理论烟气的焓与过剩空气的焓之和，即：由于燃烧设备中各部分的过剩空气系数不完全一样（越接近排烟口，值越大），烟气的焓也需要分别计算。利用烟气的焓温图，可以方便地查得在不同时，不同温度下烟气的焓If；反之，在一定温度下，若已知烟气的焓，也可确定此时的值。9-2 燃气的燃烧过程燃气的燃烧过程（一）化学反应一、燃气燃烧反应机理一、燃气燃烧反应机理（二）基元反应速率理论（三）化学反应速率（四）链反应（一）着火：由于能量（或活化中心）的积聚，预混的可燃气体自发发生燃烧反应的起始瞬间，又称自燃。二、着火（点火）二、着火（点火）1、热力着火：燃烧反应的最初启动必须具备一定的能量条件，即必须有一个能量积聚的吸热准备过程。燃烧反应释放的能量除了会有一部分加热未燃的反应物，还必然存在着向周围环境的散热。2、支链着火：链反应理论认为，化学反应的自动加速并不一定只是依靠系统内热量的积聚，温度的升高或活化分子数量的增加来实现；通过链反应积累活化中心也能使化学反应自动加速，直到发生着火甚至爆炸。（二）点火：除了在一定条件下会自发进行的自燃着火外，在实际工程中更广泛采用的是用强制点火的方式引燃可燃气体混合物。常见的点火源有：电火花、小火焰及电热线圈。最小点火能Emin：形成初始火焰中心所需的最小放电 能量。熄火距离dq：当电极间距小到无论多大的火花能量都不能使可燃气体点燃时，这个最小距离就称为熄火距离。（一）火焰的传播方式：三、燃气燃烧的火焰传播三、燃气燃烧的火焰传播 燃气在工业与民用燃烧设备中的燃烧过程都属于正常的火焰传播过程,在工业中常见的是紊流状态下的火焰传播。正常的火焰传播爆炸爆燃（二）火焰传播速度Sn：当管径大到一定程度时，管壁散热对火焰传播速度的影响消失，这时火焰传播速度走近于一最大值，该最大值称为法向火焰传播速度Sn。物理意义：单位时间内在单位火焰面积上所燃烧的可燃混合物体积，有时也称燃烧速度。影响火焰传播速度Sn的因素：可燃混合物的性质（包括可燃混合物的导热系数及分子结构等）；燃气浓度可燃混合物初始温度可燃混合物的压力添加剂（三）火焰传播浓度极限：在燃气-空气混合物中，只有当燃气与空气的比例在一定极限范围内时，火焰才有可能传播。又称为着火浓度极限或爆炸极限。燃气在纯氧中着火燃烧时，火焰传播浓度极限范围扩大；提高燃气-空气混合物温度，火焰传播浓度极限范围扩大；提高燃气-空气混合物压力，火焰传播浓度极限范围扩大；燃气中加入惰性气体时，火焰传播浓度极限范围缩小；含尘量、含水蒸气量以及容器形状和壁面材料等因素，有时也会影响火焰传播浓度极限。影响火焰传播浓度极限的因素：（一）预热燃气和空气：四、燃烧过程的强化四、燃烧过程的强化 可以提高火焰传播速度Sn，从而提高燃烧温度，增大燃烧强度。实际工程中常利用烟气预热空气或将燃烧产生的部分高温烟气重新引回燃气-空气入口处以提高反应区温度。（二）加强气流紊动：采用旋转气流来提高气流混合强度。常见的主要方法有：使气流切向进入主通道和在轴向管道中设置导流叶片使气流旋转。9-3 燃气燃烧方法燃气燃烧方法扩散式燃烧燃气燃烧基本方式：燃气燃烧基本方式：部分预混式燃烧完全预混式燃烧一次空气：燃烧前燃气中掺混的空气。一次空气系数 ：一次空气占燃烧所需理论空气量的比例。二次空气：燃气燃烧过程中依靠扩散作用从周围获得的空气。二次空气系数 ：二次空气占燃烧所需理论空气量的比例。一、扩散式燃烧一、扩散式燃烧 在点燃前燃气与空气不相接触（=0），而燃烧所需的氧气完全依靠扩散作用从周围大气中获得，燃气与空气在接触面处边混合边燃烧。（一）层流扩散火焰结构：（二）层流扩散火焰向紊流扩散火焰的过渡：二、部分预混式燃烧（二、部分预混式燃烧（01）在燃烧前预先混入部分空气，一部分预先混合好的燃气-空气混合物流出火孔就可燃烧，而其余的燃气则通过与周围空气的扩散混合燃烧掉。扩散式燃烧容易产生煤烟，燃烧温度也相当低。但当预先混入一部分燃烧所需的空气后，火焰就变得清洁，燃烧得以强化，火焰温度也提高了。部分预混层流火焰结构由内焰和外焰构成。首先一次空气中的氧与燃气在内焰进行反应，形成不发光的淡蓝色锥形火焰。剩余的燃气在内焰面外部，按扩散方式与空气混合而燃烧。一次空气越少，外锥就越大。（一）部分预混层流火焰：部分预混紊流火焰的结构与层流火焰相比，其长度明显地缩减，而且顶部较圆；焰面由光滑变为皱曲，火焰厚度增加，火焰总表面积也增加，燃烧得到强化。（二）部分预混紊流火焰：三、完全预混式燃烧（三、完全预混式燃烧（01）按一定比例先将燃气和空气均匀混合，再经燃烧器火孔喷出进行燃烧。由于预先混合均匀，可燃混合气一到达燃烧区就能在瞬间燃烧完毕，燃烧火焰极短且不发光，常常看不到，故也称无焰燃烧。完全预混火焰的传播速度很快，火焰稳定性较差，很容易发生回火。为了防止回火，必须尽可能使气流的速度场均匀，以保证在最低负荷下各点的气流速度都大于火焰传播速度。采用小火孔，增大火孔壁对火焰的散热，从而降低火焰传播速度，是防止发生回火的有效措施。