4.4燃烧过程基本理论

dT T Tc dT T Tc
Q
Q2 Q1Q2’Q2’’ Q2’’’• 初始温度为T0'3 时，
• Q1＞Q2
• 这种工况下，尽管可
以发生自燃着火，但
C
所对应初始条件却并
非自然着火的临界条
T01T02 T03TC T03’ T
件。
初始温度的增加有利于自燃着火的发生
• 加强系统的散热，即
Q
Q1 Q2 Q2’ Q2’’ 增大 K' ，将使原有自
Q散
K
exp
E RT
Q放 K 'T T0
Q
Q放 Q散
T01T1
T
• 点1之前，Q1＞Q2 ，系统被 加热，温度逐渐升高；
Q
Q2
Q1
• 点1处Q1=Q2，过程稳定下来； • 点1后， Q2＞Q1 ，系统受
到冷却重新回到1点
1
低温稳定点
• 点1处温度不高，不能自动 加速到自然着火。例：处于 储存期的燃料。
直线与曲线有一个交点和两个交点均不能发生自燃
Q
Q2 Q1 Q2’Q2’’
2
C
T01T02 T03 TC
T
• C点处Q1=Q2; • C点左边， Q1＞Q2 ; • C点右边， Q1＞Q2 ; • C点为热自然着火发生
的临界点，称为着火 点，TC称为着火温度。
着火临界条件： Q1=Q2；
dQ1
dQ2
T01T1 T1’
T
反应放热量与系统散热量之间发生平衡 不是 热自 燃着火的充分条件
Q
Q2 Q1 Q2’ • 1-2之间Q2＞Q1，1点过
2
高温不稳定点
渡到2点必须有外界热量 加入
1 1
T01T02
T2’’ T2T2’ T
• 2点，Q1=Q2， • 当过程稍向左，系统被
冷却到1点
• 稍向右百度文库系统能着火
内，才能着火燃烧，这一范围称为着火浓度范围或着火极限 (爆炸极限)。
影响因素：
混合物温度↑，着火浓度范围↑ 气体燃料组成：着火浓度范围随燃料组成
变化而变化
4.4.3 固态炭的燃烧 4.4.3.1 固态碳的燃烧机理
反应机理一 C + O2 = CO2 （一次反应） CO2 + C = 2CO （二次反应）
低温时，化学反应速度系数小，
Vc
m
CO2' 1 1
k d
Vc
mk
C' O2
此时燃烧速度决定于化学反应速度系数k，燃烧 速度随温度升高而急剧增加，与气流速度无关：动 力燃烧区
温度较高时，化学反应速度系数>>扩散速度系数，
Vc
m
d
C' O2
此时燃烧速度决定于扩散能力，燃烧速度与气
流速度有关：扩散燃烧区
4.4 燃烧过程的基本理论
概念
燃烧:燃料中的可燃物与空气产生剧烈的氧化反应，产生 大量的热量并伴随有强烈的发光现象。
可燃物质组成：可燃气体、固定碳 燃烧条件：燃料、空气、着火温度
4.4.1 着火温度
燃烧过程两个阶段：“着火”及“燃烧” 着火温度 着火、燃烧过程： 热源——燃料局部被加热、引燃——传热给周围的燃 料——温度升高到着火温度——周围燃料持续燃烧 影响着火温度的因素：燃料性质、散热条件
• E、回火与脱火
几种可燃气体组成的可燃气体，其最大法向火焰传播速度
wn, f
Xi Ci
wi
Xi
Ci
例
发生炉煤气的温度为50℃，其体积百分组成（%）为：
CO
H2 CH4 CO2
N2 O2
30.6 13.2 4.0 3.4
48.6 0.2
求管径为50mm时该煤气燃烧时的最大法向火焰传播
速度
解:
1 1
k d
C' O2
1
K
总的燃烧速度 系数
燃烧速度常用单位时间内单位表面积燃烧的炭 量表示（Vc）,而炭的消耗量与氧的消耗量之比决定 于燃烧产物中CO及CO2的数量。
Vc m V
Vc
m
CO2' 1 1
k d
m取值在0.375~0.75内变化
当燃烧产物中只有CO时，m=0.75 当燃烧产物中只有CO2时，m=0.375
wi
Xi
64 1.25 27.6 4.83 8.4 0.67
45
38.5
9.8
64 27.6 8.4
1.94m / s
Ci
45 38.5 9.8
考虑惰性气体
w'n, f wn, f 1 0.01N2 0.012CO2
0.92m / s
煤气温度为50℃时的传播速度：
wt n, f
4.4.4.1 氢的燃烧
链锁反应过程 （产生三个刺激物H原子） H
O+H2
H2O
H +O2
OH+H2
H2
OH+H2
H2O H
H
H
总反应 H+3H2+O2→2H2O+3H
4.4.4.2 一氧化碳的燃烧
H和OH为链锁刺激物
连锁反应过程
H + O2
O + CO OH +CO
CO2
CO2 H
总反应 2CO+O2 +H→2C2O+H
氢气和水气所产生的刺激物H、OH可加速一 氧化碳的燃烧
3.3.4.3 气态烃的燃烧
CH4的连锁反应过程
O
CH4 + O
CH4O + O2
CH4O2
H2O HCHO + O2
HCOOH O
总反应：O活性原子为链锁反应的刺激物
H2O CO + O CO2
O+ CH4+2O2 →2 H2O +CO2+O 气体燃烧特点：
w'n, f
273
t
2
273
1.29m / s
管径为50mm时火焰传播速度：
wd n, f mw'n, f 查图4 - 7，得m 1.3，则 wd n, f 1.31.29 1.68m / s
• 可燃气体的含量与火焰传播速度之间的关系
• A、H2的火焰传播速度比甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）大的很多， 因H2的导温系数远大于后者；
• B、存在着火焰传播的极限值； • C、空气过剩系数α接近于1而略小于1时，速度最大； • D、提高气体混合物的温度、增加燃烧管的尺寸、减少燃烧的热
损失，均能使邻近的可燃气体较快地达到着火温度而燃烧，从而 提高火焰传播的速度。
然着火条件被破坏。
• 例如：易燃、易爆物 品仓库加强通风
K'
T01
T
改变散热条件
Q
Q1’ Q1’Q1
• 提高系统的压力，或
Q2 者浓度，将有利于发
生自然着火；
P
• 例如：柴油机气缸内
预混可燃气高压下自
然着火。
T
影响临界着火条件因素
化学动力学因素：燃料性质、混气成分、环境温度 流体力学因素：气流速度、燃烧室结构尺寸
按连锁反应进行——混合并加热到着火温度之后，要经过
—— 一定的感应期，才能迅速燃烧
延迟着火现象
3.3.5 火焰传播速度
概念 火焰传播——燃烧焰面不断向未燃气体移动的现象称为
火焰的传播（扩散）现象 火焰传播速度 ——燃烧焰面向未燃气体移动的速度ωf或：
单位时间内，在火焰单位面积上所烧掉的气体体积。 获得稳定火焰的条件：流速与火焰传播速度大小相 等、方向相反 影响火焰传播速度的因素：混合物的组成、温度、压力、 水分及燃烧管道的尺寸等
C的燃烧过程：
氧向碳表 面扩散
——
碳与氧反 应的化学
——
反应产物 向外扩散
4.4.3.2 固态碳的燃烧速度
炭的燃烧时氧化过程与扩散过程的结合，其燃 烧速度与化学反应速度和扩散速度有关。
化学反应速度
Vg k CO2
扩散速度
Vd d (CO' 2 CO2 )
平衡时
Vg Vd V
V
C' O2
反应机理二 2C + O2 = 2CO （一次反应） 2CO + O2 = 2CO2 （二次反应）
反应机理三：
xC +(1/2)yO2 = CxOy
CxOy CxOy + O2
= mCO + nCO2
m、n与温度有关
900~1200℃： 4C +3O2 = 2CO + 2CO2
1450℃以上： 3C +2O2 =2CO + CO2
发生炉煤气的可燃物含量为： 30.6+13.2+4.0=47.8%
可燃物的体积百分含量为：
CO：30.6÷47.8=64% H2 : 13.2÷47.8=27.6% CH4：4÷47.8=8.4% 不考虑惰性气体，煤气温度在0℃时，在25.4mm管中 的最大法向火焰传播速度ωn,f
wn, f
Xi Ci
各种燃料的着火过程有所不同
液体燃料： 加热时，由闪点燃点着火点 要想稳定燃烧，t ＞着火点
固体燃料：受热后，先析出挥发分，然后在 一定温度下挥发分先燃着，固定碳（即焦炭） 后燃着。Vdaf着火点
气体燃料：着火温度取决于燃料的组成、触 媒、加热条件等。
4.4.2 着火浓度范围 概念：气体燃料与空气混合后，体积比必须在一定的范围
燃烧速度的影响因素
碳的氧化 反应速度
空气燃烧产 物扩散速度
碳粒的 形状
燃料与空气 的混合程度
表面温度<800℃， 为动力燃烧
表面温度>1000℃时， 为扩散燃烧
4.4.4 可燃气体的燃烧
可燃气体的燃烧按链锁反应的方式进行的。 H、O、OH等为连锁反应刺激物，是反应进行
的必要条件 生成连锁刺激物的反应如下： • H2→2H • O2→2O • H+O2→OH+O • O+H2→OH+H