燃气应用

熄火距离 当其他条件给定时，点燃可燃混合物所
需的能量与电极间距d有关。当d小到无论多大的
火花能量都不能使可燃混合物点燃时，这个最小
距离就叫熄火距离dq。
图2-13 点火能与电极间 距的关系曲线
(a)Emin与dq；(b)法兰直径的影响
图2-14 最小点火能与天然气 及城市燃气的关系
第三节
火焰传播
火温度。
图2-7 灼热颗粒附近温度分布
a—在非可燃介质中 b—在可燃介质中
燃气的点火
点火成功时，在灼热颗粒表面形成一
火焰层，其厚度为δf。可由该火焰
层的热平衡求得。
火焰层单位时间内的传导热量Q1 层内的化学反应放热量Q2 按热量平衡，Q1=Q2
式中 δf——火焰层厚度； A——火焰层面积；
很难察觉出来。经过感应期之后，反应速度达到可测速度Wi
接着反应速度就迅速增加，在瞬时达到极大值而完成反应。
二、热力着火
一般工程上遇到的着火是由于系统中热量的积聚，氧化反 应过程生成的热量大于散失的热量，使温度急剧上升而引 起的。这种着火称为热力着火。
分析燃气与空气发生化学反应时的热平衡现象，可以了解
用电火花进行点火时，先是由电火花加热可燃混合物而使 之局部着火，形成初始的火焰中心，随后初始火焰中心向 未着火的混合物传播，使其燃烧。初始火焰中心能否形成， 将取决于电极间隙内的混合物中燃气的浓度、压力、初始 温度、流动状态、混合物的性质以及电火花提供的能量等。
产生火花的方法通常有电容放电和感应放电两种。电容放 电时，释放能量可由下式表示
失的热量为：
式中 α——由混合物向内壁
Q2 F T -T0
的散热系数；
F——容器的表面积： T——混合物的温度；
T0——容器内壁温度。
Q2 B T T0
由于容器中温度变化不大，
可以近似地认为α是常数
图2-4 可燃混合物的热力着火过程
图2-5 两种平衡状态的分析
二、热力着火
当温度T0较低时，散热线M和发热曲线L有两个交点：l和2。
E 1 CU 2 2
式中 C——电容器的Biblioteka Baidu容； U——产生火花前施加于电容器的电压。
三、电火花点火
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，若要形成初始火焰中心。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量
就是最小点火能Emin。
当可燃混合物的发热曲线L不变时，如果散热加强，直线 M斜率将增大，着火点温度将升高。
图2-6 压力升高时可燃混合物的 热力着火过程
图2-7 着火点与散热条件的关系
二、热力着火
着火点是发热曲线与散 热曲线的相切点，符合 以下关系：
将发热和散热方程代入 以上联立方程式，合并 以上两式解二次方程就 可得到相当于切点i的着 火温度：
强制点火要求点火源处的火焰能够传至整个容积，因此着 火的条件不仅与点火源的性质有关，而且还与火焰的传播 条件有关。
现从热力角度分析局部点火过程。有一热金属颗粒放入可 燃混合物中，其附近的温度分布示于图2-7，当发生放热 反应时，温度梯度较小，因而从表面传向介质的热流也较
小。当颗粒温度升高到某一临界值Tis时，表面传向介质的 热流等于零。如果颗粒表面温度稍高于Tis则反应加快，而 大部分则流向周围介质。温度临界值Tis就是强制点火的点
x ,T
T0 ; y
y0
;
dT dx
热力着火的条件。单位时间内容器中由于化学反应产生的
热量为
式中 W——化学反应速度；
Q1
WHV
k0e
E RT
CAa CBb
HV
H——燃气的热值； k0——常数； V——容器的体积。
E
Q1 Ae RT
在着火以前，由于温度T不
高，反应速度很小，可以认 为反应物浓度没有变化。
二、热力着火
单位时间内燃气与空气的混合物通过容器向外散
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 浓度增加的数量大于其销毁的数量，这个过程就称为不稳定的 氧化反应过程。
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，称为着火。
一、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。
如果管子相当长，那么火焰锋面在移动了大约5～10倍管 径的距离之后，便明显开始加速，最后形成速度很高的 (达每秒几千米)高速波，这就是爆振波。正常燃烧属于稳 定态燃烧，可视为等压过程；而爆振属不稳定态燃烧，是 靠气体的膨胀来局部压缩未燃气体而形成的冲击波。在民 用燃具和燃气工业炉中，燃气的燃烧均属于正常燃烧。
只有当压力处于下限和上限之间时，支链反应的 活化中心的增加速度才会超过其销毁速度，反应 才会自动加速，引起燃烧和爆炸。
氢氧混合物存在一个着火半岛
图2-2 着火的压力极限
图2-3 氢氧混合物的“着火半岛”
对于支链反应，在着火前存在着一个感应期，在此期间系统
中的能量主要用于活化中心的积聚，反应的速度极小，甚至
首先分析交点2的情况。假设由于偶然的原因使温度下降 一些，则由化学反应发生的热量就小于散失的热最，温度 将不断下降。假设温度偶尔升高，则发热量大于散热量， 温度将不断升高。可见任何温度的微小波动都会使反应离 开平衡状态，因而交点2实际上是不稳定的平衡状态。
交点1的情况则不同。假设温度偶然降低，则由化学反应 发生的热量将大于散失的热量，温度将回升到原处。假设 温度偶尔升高，则散热量将大于发热量，使温度又降回到 原处。因此交点1是稳定的平衡点。在该点混合物的温度 很低，化学反应速度也很慢，是缓慢的氧化状态。
为简化分析，设有一无限长的扁平点火火焰，当作一维火 焰进行分析。将扁平火焰放入无限大的充满可燃混合物的 容器中。
存在两种情况。第一种情况是，当扁平火焰的厚度小于某
一临界尺寸时，温度场不断衰减，最终使点火火焰熄灭。
第二种情况是，火焰厚度大于临界尺寸，混合物的放热反
应能够扭转温度场衰减的趋向，并能使火焰传播。实验表
若可燃混合气在一管内流动，其速度是均匀分布的，形
成一平整的火焰锋面。如Sn=u，则气流速度与火焰传播
速度相平衡，火焰面便驻定不动。这是流动可燃混合气 稳定燃烧的必要条件。
一、层流火焰传播机理
层流火焰传播理论 第一是热 理论，它认为控制火焰传播的 主要是从反应区向未燃气体的 热传导。第二是扩散理论，认 为来自反应区的链载体的逆向 扩散是控制层流火焰传播的主 要因素。第三是综合理论，即 认为热传导和活性中心的扩散 对火焰的传播可能同等重要。 大多数火焰中，由于存在温度 梯度和浓度梯度，因此传热和 传质现象交错地存在着，很难 分清主次。下面介绍由泽尔多 维奇等人提出的热理论。
度Sn(或称层流火焰传播速度Sl，或正常火焰传播速度)，简
称火焰传播速度。未燃气体与已燃气体之间的分界面即为 火焰锋面，或称火焰面。
图2-17 静止均匀混合气体 中的火焰传播
图2-18 流管中的火焰锋面
一、层流火焰传播机理
取一根水平管子，一端封住，另一端敞开，管内充满可燃 混合气。点火后，火焰面以一定的速度向未燃方面移动， 由于管壁的摩擦和向外的热量损失、气体的粘性、热气体 产生的浮力，使其成为倾斜的弯曲焰面。
i点是稳定状态的极限位置，若容器内壁温度再升高，则发
热量总是大于散热量，化学反应就从稳定的、缓慢的氧化
反应转变成为不稳定、激烈的燃烧。i点称为着火点，相应 于该点的温度Ti称为着火温度或自燃温度。
二、热力着火
用升高压力的办法也能达到着火的目的。如果散热条件不 变，升高压力将使反应物浓度增加，因而使化学反应速度
一、层流火焰传播机理
在工程应用中，可燃混合物着火的方法是先引入外部热源， 使局部先行着火，然后点燃部分向未燃部分输送热量及生 成活性中心，使其相继着火燃烧。
在可燃混合物中放入点火源点火时，产生局部燃烧反应而 形成点源火焰。由于反应释放的热量和生成的自由基等活 性中心向四周扩散传输，使紧挨着的一层未燃气体着火、 燃烧，形成一层新的火焰。反应依次往外扩张，形成瞬时 的球形火焰面。此火焰面的移动速度称为法向火焰传播速
明，扁平点火火焰的临界厚度是火焰稳定传播时焰面厚度
的两倍。
1
2 y 2rc 2f ,rc f
rc
Tf T0
H W
2
三、电火花点火
把两个电极放在可燃混合物中，通高压电打出火花释放出 一定能量，使可燃混合物点着，称为电火花点火。由于产 生火花时局部的气体分子被强烈激励，并发生离子化，所 以点火过程的机理十分复杂。
λ——导热系数；
Tf——火焰温度； T0——混合物起始温度； H——混合物的燃烧热；
Q1
Tf
f
T0
A
Q2 f H W A
2 f
Tf
H
T0 W
W——火焰层中燃烧反应速度。
一、热球或热捧点火
将临层量石界中主英值，要T或温靠is时铂度热，球由传即T投导w发射散直生入失线点可，下燃燃则降现混点至象合燃外。物的部在中条气球，件体体当是介周球质围体温厚的度度温T0为度。δT假w的设大薄热于
在火焰锋面上取一单位微元， 对于一维带化学反应的稳定层 流流动，其基本方程为：
图2-19 火焰层结构及温度、 浓度分布
一、层流火焰传播机理
连续方程 动量方程 能量方程
u 0u0 0Sn m pup p≈常数
0u0Cp
dT dx
d dx
dT dx
Q
对于绝热条件， 火焰的边界条件为
在链反应中，如果每一链环中 有两个或更多个活化中心可以 引出新链环的反应，这种链反 应称为支链反应，如果每一链 环只产生一个新的活化中心， 那么这种链反应称为直链反应。 燃烧反应都是支链反应。
图2-1 链反应图式
(a)直链反应；(b)支链反应
一、支链着火
以氢、氧混合物的反应为例，它有两个压力极 限—下限和上限。在压力下限以左的低压范围内
第二章
燃气燃烧的基本原理
第一节
燃气的着火
燃气的着火
燃气的燃烧是一种化学反应。在分子互相碰撞时，只有活化分 子才能破坏原来分子的结构，建立新的分子。这种超过分子平 均能量可使分子活化而发生反应的能量称为活化能。
有些化学反应的机理十分复杂，它们往往是通过链反应方式来 进行的。可燃气体的燃烧反应都是链反应。
加快。在图2-6中发热曲线L将向左上方移动。到L'位置时， 出现一个切点，就是着火点i。当压力继续升高时，产热就 永远大于散热(见L″)。
着火点是一个极限状态，超过这个状态便有热量积聚，使 稳定的氧化反应转为不稳定的氧化反应。着火点与系统所 处的热力状况有关，即使同一种燃气，着火温度也不是一 个物理常数。
在氢和氧的混合气体中，存在一些不稳定的分子，在碰撞过程 中不断变成化学上很活跃的质点：H、O和OH基。这些自由原 子和游离基称为活化中心。
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，这个氧化反应过程就会 很缓慢，我们把这个过程称为稳定的氧化反应过程。
(AB段)反应是缓慢而稳定的。因为压力很低，反
应物浓度很小，为数不多的活化中心很容易撞在
容器壁上而销毁。当压力较高而且超过上限(C点)
时，由于压力高而反应物浓度增大，活化中心与 其它分子碰撞而销毁的机会增多，所以反应又突 然变得缓慢。在没有达到热力着火之前，反应速
度随压力的增加而缓慢地增加(CD段)。
展开成级数，将其大于 二次方的各项略去(误差 不超过l／100)可得可燃 混合物着火的条件
Q1 Q2
dQ1 dT
dQ2 dT
1 1 4RT0
T Ti
E 2R
E
Ti
T0
R E
T02
第二节
燃气的点火
燃气的点火
当一微小热源放入可燃混合物中时，则贴近热源周围的一 层混合物被迅速加热，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。点火热源可以是：灼热固 体颗粒、电热线圈、电火花、小火焰等。
4r2 HW 4r2 TW T0
当度T是w支=T配is时点，燃上可式能为性等的号一。个此重式要表因明素，。反应层中的温度梯
Tis
T0
4r 2 H Nu 2
Wi
二、小火焰点火
点燃可燃混合物所需的能量可由点火火焰供给。这时，引 发点火的可能性取决于以下特性参数：可燃混合物组成、 点火火焰与混合物之间的接触时间、火焰的尺寸和温度， 以及混合强烈程度等。