欢迎大家来到《工程燃烧学 Ⅰ》课堂！

欢迎大家来到《工程燃烧学Ⅰ》

课堂！课程名称：工程燃烧学Ⅰ课号： 0183100310-1课程属性：热能与动力工程学科专业基础课程必修课程教材：工程燃烧学，汪军、马其良、张振东，中国电力出版社， 2008.7参考教材：燃烧学，严传俊、范玮，西北工业大学出版社， 2008.7 燃烧学，徐通模，机械工业出版社， 2011.1 燃烧学导论， Stephen R Turns （著），姚强，李水清，王宇（译），清华大学出版社， 2009.4任课教师：牛胜利（ email ： [email protected]；电话： 92414 ；手机：13853147906 ）韩奎华办公地点：山东大学千佛山校区热力楼 308 室

School of Energy and Power Engineering

气体燃料燃烧原理及特点



均相燃烧（同相燃烧）：工程燃烧中，燃料燃气与空气或氧气氧化剂同为气相。气体燃料燃烧的基本阶段：燃气与空气的混合阶段；混合后可燃气体混合物的加热与着火阶段；完成燃烧化学反应阶段。工程燃烧条件中，可燃气体混合物点火后的加热靠其本身燃烧产生的热量实现。燃气燃烧主要影响因素：燃气与空气间的混合速度，而非燃烧反应速度。燃气燃烧类型：预混气体燃烧及半预混燃烧气体扩散燃烧。


预混气体燃烧及半预混燃烧燃气与空气预先混合后，再送入燃烧室燃烧。一次空气系数， α1：在燃烧前已与燃气混合空气量与该燃气燃烧理论空气量之比，反映预混气体混合状况。无焰燃烧：燃气与空气预先混合均匀，燃烧速度取决于着火和燃烧反应速度，火焰没有明显轮廓。半无焰燃烧：半预混燃烧前只有部分空气与燃气混合。气体扩散燃烧燃气与氧化剂各自通过单独管道进入燃烧室，两者边混合边燃烧，速度受气体扩散混合速度的限制，火焰亮度大，有明显轮廓，又称有焰燃烧。



预混可燃气体的着火

着火：燃烧的准备阶段。可燃气体与氧化剂在缓慢氧化的基础上，不断积累热量和活化分子，至化学反应自行加速开始燃烧。着火方法：自燃：预混可燃气体由于自身的温度升高而导致化学反应速度自行加速所引起的着火，为自发行为；点燃：由于外界能量的加入，使预混可燃气体的化学反应速度急剧加快所引起的着火，为强制行为。自然和点燃都是化学反应由低速度突然加速为极高速度的过程，在燃烧学上称为爆炸或爆炸反应。根据化学反应机理，引起爆炸式化学反应的两种途径：热爆燃：系统内热量积聚使温度升高，引起化学反应速度按阿累尼乌斯指数规律迅速增加，高温下着火的主要因素；链锁爆燃：由于链锁反应的分枝使活化中心迅速增加，导致化学反应速度急剧增大，低温下着火的主导因素。


着火分类热着火：可燃混合物由于本身氧化反应放热大于散热，或由于外部热源加热，温度不断升高导致化学反应不断自动加速，积累更多热量最终导致着火的现象称为热着火；大多数燃料着火特性符合热着火的特征；热自燃的着火热量完全来自于系统自身的热量积累；强迫点燃的热量来自于系统之外供给的热量。链式着火：由于某种原因，可燃混合物中存在活化中心，活化中心产生速率大于销毁速率时，在分支链式反应作用下，导致化学反应不断加速，最终实现着火的现象称为链式着火；金属钠的着火、 H2+O2 ， CO+O2 的低压着火以及冷焰现象。


着火的方式与机理



热着火和链式着火的区别热着火和链式着火的微观机理不同热着火过程中，传递能量（也就是微观动能）并使得化学反应继续进行的载体是系统中所有的反应物分子，而链式着火有效的反应能量只在活化中心之间传递。热着火通常比链式着火过程强烈得多热着火过程中系统温度整体上升，所有分子的平均动能整体同步提高，超过活化能的活化分子数按指数规律增加，导致整个系统的化学反应速率急剧上升；链式着火只是系统中的活化中心局部增加并加速繁殖引起，并不是所有分子的动能整体提高，局限在活化中心的繁殖速率大于销毁速率的区域，而不引起整个系统的温度大幅度升高，形成“冷焰”。

烃类化合物的燃烧反应爆炸极限特性





热着火和链式着火的外部条件不同热着火通常需要良好的保温条件，使得系统中化学反应产生的热量能够逐渐积累，最终引起整个系统温度升高，从而反过来使得化学反应加速；链式着火一般不需要严格的保温条件，在常温下就能进行，主要依靠合适的活化中心产生的条件，使得活化中心的生成速率高于销毁率，维持自身的链式反应不断进行，使化学反应自动的加速而着火。热着火和链式着火的共同点都是在初始的较低的化学反应速率下，利用某种方式（保温或保持活化中心生成的条件），积聚某种可以使得化学反应加速的因素（系统的温度或者系统中总的活性分子数目），从而使得化学反应速率实现自动加速，最终形成火焰。

热自燃理论

预混可燃气体在绝热条件下的热自燃绝热反应中燃气浓度与温度的变化关系

绝热燃烧温度， Tmax：当燃气完全燃烧时，燃气的温度达到其最高值，亦称理论燃烧温度。

0 0( ) ( )A A VQ C C c T T

0 max 0

max

0 max 0

( )A V

A

A

QC c T T

T TC

C T T

在绝热条件下，燃气浓度变化与温度呈线性关系max

0max 0

A A

T TC C

T T


( )net r k ljad

y y

Q h h Qt

c V

热自燃理论

热反应中的反应速度与时间的变化关系绝热容器中双分子燃烧反应的反应速度为：

记氧化剂与燃料的摩尔浓度比为 α

EA RT

A B

dCw k Te C C

dt

/B AC C

2 2max0

max 0

( )E

A RTA

T TdCw k Te C

dt T T

0

max 0

2max( )

AA

E

RT

CdC dT

dt T T dt

dTTe T T

dt


0

max 0

ACk

T T

热自燃理论

对于性质和浓度一定的气体，在给定初始温度下

温度 T 及化学反应速度 w 与时间的关系为：

( )

( )

T f t

w g t


热自燃理论

绝热反应的着火条件化学反应速度是反应物浓度和温度的函数

( , )

( ) ( )

[ ( ) ( ) ]

( ) ( )

T C

V

T CV

C TV

w f C T

dw w dC w dT

dt C dt T dtdC

wdt

dT Q dC

dt c dt

dw w Q wV

dt C c T

Q w w

c T C

只有当温度升高而使反应速度的增加速率超过因燃料消耗而引起反应速度的下降速率时，预混可燃气体在绝热条件下才会发生热自燃。发生热自燃时的温度称为热自燃温度或着火温度。

因为

根据绝热反应能量方程

热自燃必要条件


热自燃理论

预混可燃气体在散热条件下的热自燃热自燃温度（着火温度）单位容积内反应的发热量（反应的发热速度）为

1 0 exp( ) exp( )nA

E EQ qwV qVk C A

RT RT

单位容积内可燃气体混合物向外散热量（散热速度）为

2 0( )A

Q T TV


热自燃理论

着火温度表示预混可燃气体及其所处系统内化学反应可以自动加速而达到自然着火的最低温度。着火温度非物性参数，而与具体的热力条件有关。着火温度的数学表示方法：

1 21 2

0 2

20

220 0

02

( ) ( ) ( ) ( )

( )

/

2 4

B B B B

B B

T T T T T T T T

E E

RT RTB

B

B B

B B

Q QQ Q

T T

EAe B T T A e B

RT

T T RT E

T E RTE ET T T

R R R E

切点 3处的着火温度为 TB


热自燃理论


热自燃理论

热自燃的感应期预混可燃气体从初始温度加热到着火温度 TB 所需的时间。

0 0

0 0

0

0 0 0 0

A AB A ABE E

RT RTR nA A

C C C C RT

wk C e Ek C e

提高预混可燃气体的温度和压力，或者燃气浓度时，感应期可缩短。

0

20

EnRT

n

Tk e

p

根据 CA0 与 p/T0 成正比，将常数 k简化后可得


链锁自燃理论

链锁自燃问题的提出许多现象和实验结果无法用热自燃理论解释。若链锁反应的中间反应是由简单分子的碰撞引起，则热自燃理论可以解释实际燃烧现象。使反应加速不一定要靠热量积累，可以通过链锁分枝反应而迅速增值活化中心，来促使反应不断加速直至爆燃着火。


链锁自燃理论

链锁分枝反应及其发展条件广义的自动催化反应：反应速度随着生成物浓度的增加（即反应物浓度降低）而自行加速，为链锁反应，速度受到某些中间不稳定产物浓度的影响。以氢和氧的分枝链锁反应为例。

4

2 2

2

2

2 2

2

2 2 2

11 0.5 7.54 10 /

2

75.36 /

2 2 2 2 41.9 /

25.1 /

3 2 3

10 RTH O H O

H M H M

H O OH O E kJ mol

OH H H O H E kJ mol

O H OH H E kJ mol

H H O H O H

w kC C T e C C

生成氢原子（活化中心）的碰撞反应

支链反应

总反应反应速度


氢原子断链反应式（器壁断裂和空间断裂）：

2 2 2

2 2 2 3

2 2 2

0.5

0.5( )

0.5

H H H O M HO M

OH H O O O M O M

O O O H M H O M

器壁器壁

器壁

活化中心瞬时浓度变化率：

1 2 3 1 1

1

12 3

( 1)

( 1)

t

t

dnw w w w fn gn w n

dtw

n e

afww w w e

链锁自燃理论

求解可得

整个分枝链锁反应的速度


链锁自燃理论

冷焰现象：在低压、低温时，氢和氧气可以无需反应放热而由链锁分枝反应的自动加速产生自燃的现象。温度对链锁分枝反应的影响。f=g为从稳态向自行加速的非稳态过度的临界条件，称为链锁着火条件，此条件下预混可燃气体的温度称链锁自燃温度，非混合气的物性参数。


着火半岛现象

链锁自燃理论13.11.1


点燃理论

与自燃区别点燃促使化学反应加速在混合气的局部（火源附近）进行，自燃则在整个预混可燃气体内进行；点燃温度一般高于自燃温度；预混可燃气体能否点燃不仅取决于炽热气体附面层内局部预混气体能否着火，而且取决于火焰能否在混合气中传播。点燃方法炽热物体点燃、电火花或电弧点燃、小火焰点燃、压缩点燃、高温气体点燃。


点燃理论基础T2 为点火源表面温度的临界状态，称为点火温度或着火温度。点火极限状况：附面层内炽热物体表面温度达到点火温度临界值。点火温度不仅与可燃混合物的性质（热值、热导率、活化能、化学反应常数、浓度、流速和温度等）有关，而且与点火热源的性质（形状大小与催化性能等）有关。

( ) 0w

dT

dn

( ) 0w

dT

dn


点燃理论

着火浓度界限

与压力及浓度间关系

温度及流速的影响

着火浓度界限


着火浓度界限

掺杂物的影响不可燃气体的掺入将影响放热速度和火焰传播速度，使着火范围变窄。不同不可燃气体掺入比例相同时，对点燃浓度界限的影响也不一样。多组分可燃混合物的点火浓度界限

100

i

i i

xV

x


预混可燃气体的燃烧

火焰传播：当一个炽热物体或电火花将可燃混合气的某一局部点燃着火时，将形成一个薄层火焰面，其产生的热量将加热邻近层的混合气，使其温度升高至着火燃烧，然后一层一层地着火燃烧，把燃烧逐渐扩展到整个混合气。燃烧化学反应集中在火焰面内逐层进行，而非在整个混合气内同时进行。预混可燃气体的燃烧就是火焰的传播过程，火焰在气流中一定的速度向前传播，传播速度的大小取决于预混气体的物理化学性质与气体的流动状况。


火焰：一个以亚音速、自维持传播的局部燃烧区域。局部的：火焰在任何时候都只占可燃混合物的很小部分；亚音速：以音速传播的不连续的燃烧称为缓燃波，以超音速传播的燃烧波称为爆震波。

层流预混火焰


层流预混火焰传播火焰面前面为未燃的预混可燃混合物，后面是温度很高的已燃烟气；分界面是一层薄薄的火焰面，进行着强烈的燃烧化学反应，发出光和热；与临近层之间存在很大的温度梯度和浓度梯度。称为火焰前锋（前沿）或火焰波；厚度通常在 1mm以下；火焰的传播就是火焰前锋面在预混可燃气体中的推进运动。



层流火焰的焰锋结构



层流火焰的火焰传播速度本生灯法测定。当预混可燃气体的性质、组成以及温度和压力一定时，层流火焰传播速度为定值，与气体流动参数无关。



层流火焰传播理论扩散理论：火焰中的化学反应主要由活化中心（如 H 、 OH等）向新鲜预混可燃气体扩散，促使其链锁反应发展所致。热力理论：火焰中化学反应主要是由于热量的导入使分子热活化而引起的，火焰前沿的反应区在空间中的移动决定于从反应区向新鲜预混可燃气体传热的传导率。并不否认火焰中心有活化中心存在和扩散。理论假设：•火焰中化学反应是分子热活化的结果；•燃烧化学反应是简单的反应，而非链锁反应，在接近燃烧温度下进行；•反应物和燃烧产物均为理想气体，温度场和浓度场相似；•反应在等压和绝热下进行，不考虑热扩散和损失；


2

2

0

0 0

( , ) 0

0

p f

L

f

T Twc C T

x xw S m

x T T C C

x T T C

常数

时，

时，



气流为一维层流流动，且忽略动能变化；火焰前沿为一个静止平面体。具有化学反应的、一维定常层流火焰前沿的能量方程、连续性方程和边界条件：

00

0 0

0 0 0

0

2 2 2

fT fpj mT

pj

pj pjL

f p f m

L

CwdTw

T T w

w a w aS

C c C

a

S



利用近似方法，可分别求得火焰内化学反应的平均速度 wpj 、火焰中平均反应时间 τm 、层流火焰传播速度 SL 和火焰前沿面厚度 δ

火焰传播速度只取决于预混可燃气体的物理化学性质，是一个物性参数。火焰传播速度越大，火焰前沿厚度越小。增压燃烧中，火焰前沿厚度会更小， SL会更大，燃烧更猛烈。


火焰传播速度的测定稳定状态下，单位时间内从灯口流出的全部可燃混合气量应与整个内锥面上被烧掉的可燃混合气量相等。

0 0

2 2sin

2

L

L

wf S F

Sf r

F wh r

设管内可燃混合气的流量为 qv

2 2

vL

qS

r h r



层流火焰传播速度的主要影响因素可燃气体混合物的性质；燃料的分子结构；混合气的过量空气系数；可燃混合气的压力；可燃混合气的初始温度；可燃混合气中的惰性气体；多组分燃气混合物火焰传播速度的计算。

热扩散系数、燃烧温度和化学反应速度的增大，均会使火焰传播速度 SL值增大。饱和烃的火焰传播速度 SL几乎与分子中碳原子数

NC无关，不饱和烃的 SL随分子中碳原子数 NC增多而减小，并且 SL 炔 >SL 烯 >SL 烷。


一般碳氢化合物燃料的最大火焰传播速度 SLmax在 α=0.96处，且不随压力和温度变化。m

LS p

0n

LS T

当不可燃气体掺入可燃气体时，将使 SL减小，可燃界限缩小，并使 SLmax向燃料浓度较小的方向转移。

31 21 2 3

1 2 3

31 2

1 2 3

iL L L Li

i iL

i

i i

x xx xS S S S

l l l lS

x xx x

l l l l


湍流预混火焰传播湍流预混火焰传播速度比层流预混火焰大许多倍；湍流火焰发光区较厚，火焰轮廓模糊，火焰面有抖动，火焰长度显著缩短；火焰面结构弯曲皱折，伴有噪声；火焰传播速度 ST 不仅取决于可燃混合气的性质和组成，而且受强烈的气流湍动的影响。当湍流流度加大或脉动速度加大，即雷诺数增大时，湍流火焰传播速度增大；当燃烧管径增大时，湍流火焰速度也增大。



皱折表面燃烧理论湍流的脉动作用使火焰前沿面发生弯曲和皱折，显著增大已燃气体与未燃气体相接触的焰锋表面积，使化学反应速度加快；由于湍流作用使得热传导速度及活性物质扩散速度加快；湍流的脉动使燃烧产物快速混合，使火焰本质成为均匀可燃混合物。

小尺度湍流火焰：连续不规则气体微团的平均尺寸 LT< 可燃混合气的层流燃烧前沿厚度 δL ；大尺度湍流火焰： LT>δL;

大尺度弱湍流：气体微团脉动速度 w’<层流火焰传播速度 SL ；大尺度强湍流： w’>SL 。



1）小尺度湍流火焰传播速度的增大，主要是由于湍流脉动使火焰中热传导和扩散过程变得比在层流时因分子迁移所引起的热传导和扩散过程更为剧烈。

1 TT L

aS S

a

2）大尺度弱湍流火焰传播速度的增大与表面积的增大成正比。

2 22

2

2

1 ( )

' / 2 '

/ 2

2 '1 ( )

T

L

L

L

TT L L

L L

A r r h h

A r r

w l Sh w

r l S

A wS S S

A S



3）大尺度强湍流燃烧区不再是一薄层火焰，而是相当宽区域的火焰。火焰传播速度 ST 为湍流气团的扩散速度SD 和层流火焰传播速度 SL 之和

2

0

2 ' 2 '

'ln(1 )

'

2 ' 2 '

' 'ln(1 ) ln(1 )

T D L

i la b laD

b b b

bL

T L

L L

S S S

x w l w lS

l w

w S

Aw wS S A

w wS S



容积燃烧理论湍流对燃烧的影响以微扩散为主；层流火焰结构不能维持，不存在火焰面；每个湍动的气团内，温度和浓度均匀；不同气团的温度和浓度不同；整个微团内存在快慢不同的反应；火焰不是连续的薄层；气团间互相渗透混合。火焰传播速度： 10

T T L L

T M

T LT M

p p

S S

D

Dc c



均相预混气体火焰的稳定火焰稳定的基本条件

cosLS w

在火焰根部必须有一个具备足够能量的固定点火源。



本生灯火焰的稳定回火和脱火的临界条件与管口边缘区域中的边界层内速度梯度相联系。要使火焰稳定，气流速度和燃烧速度在该点处的梯度必须相等。

0

0 0

0 0

2

0 20

20 00

30

(1 )

22

( ) ( )

4( ) ( )

r

v

Lr r r r

vLr r r r

rw w

r

q wrdr w r

dS dw

dr drqdS dw

dr dr r



高速气流中火焰的稳定工业燃烧设备中，气流速度很高，边界层厚度与其淬熄距离相比要小得多，不可能自行形成着火环，只能用自偿性点火源解决，通常采用钝体或稳焰旋流器建立回流区。


气体燃料的扩散燃烧

气体燃料燃烧过程所需时间

11 1

mix ch

mix

M T

动力燃烧：混合扩散时间与氧化反应时间相比非常小，可以忽略，燃烧过程强烈受到化学反应动力学因素的限制，如预混可燃气体的燃烧；扩散燃烧：燃烧过程的扩散混合时间大大超过化学反应所需时间，燃料和空气分别从火焰的两侧扩散到交界面，而燃烧产物则向火焰两侧扩散开去，不存在火焰传播。




层流扩散燃烧燃气和氧化剂的流动处于层流状态，混合依靠分子的扩散作用，燃烧速度取决于气体的扩散速度。层流扩散火焰分区：中心纯燃料区；外围的纯空气区；火焰面外侧的燃烧产物和空气混合区；火焰面内侧的燃烧产物和燃料的混合区。层流火焰面的外形大体上呈圆锥形。火焰长度：从喷口到锥尖的距离。火焰外侧为只有氧气和燃烧产物而没有可燃气的氧化区；火焰内侧为只有可燃气和燃烧产物而没有氧气的还原区。理想层流扩散火焰表面厚度为零，该表面上可燃气体向外的扩散速度与氧气向内的扩散速度之比等于完全燃烧时的化学当量比。预热区具有较陡的温度梯度，燃料热解析出碳黑粒子以及碳氢化合物。扩散燃烧的显著特点：产生不完全燃烧损失。


层流扩散火焰长度与燃料流量成正比，与扩散系数成反比：2

4c

wdL

D


动力燃烧向扩散燃烧的转变


湍流扩散燃烧从层流扩散火焰向湍流扩散火焰过渡的临界雷诺数 Rec约为 2000-

10000。与气体黏度和温度有关；绝热温度温度相对较高的火焰转变为湍流的雷诺数也较高。工程中湍流火焰长度的估算：

[0.7( 1) 0.29]t

rL n

a


混合条件越好，火焰越短，燃烧效率越高。


扩散燃烧火焰的稳定方法：采用钝体或旋流式稳燃器等在喷口附近建立高温烟气环流区或回流区实施火焰的稳定。在给定的混合气流速 w 、温度 T 和压力 p 下，要在稳燃器下游维持火焰稳定，混合气组成必须处于一定范围。吹熄速度， wB ：引起火焰熄灭的气流速度。


火焰稳定器的稳定性指标：较高的吹熄速度和在较宽的混合气浓度范围内可实现稳定燃烧。影响扩散火焰稳定的因素。



火焰稳定性准则：

0.95 0.85( ) Bw

Z fp D

带温度修正的火焰稳定准则：

1.500.95 0.85

( ) B TwZ

p D T

旋转气流：形成强大的回流区，强化燃料的着火和燃烧，加速燃料和空气的混合。可调叶轮式旋流器：根据实际需要调整气流旋转强度，适合燃烧及稳焰的要求。

欢迎大家来到 《 工程燃烧学 Ⅰ》 课堂！

Documents

欢迎大家来到《工程燃烧学 Ⅰ》课堂！