燃烧学讲义气体燃料燃烧

T0Ⅱ＝
RT0Ⅱ2 E
39.5℃
Q1
Q2Ⅰ
C
Q2Ⅱ
Q2Ⅲ
Tlj Tzh T0Ⅱ Tzh 区别不大
A
B
影响因素：
➢ η↓有利着火
T0Ⅰ
定义一：T0II
T0Ⅱ
Tlj T0Ⅲ
T
定义二：Tlj
➢ 燃料活性强（E小或k0大）易着火
➢ T0↑ 容易着火
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二、自燃过程温度变化
T
Ⅴ
Ⅳ
Tlj
Tyu
Ⅰ、Ⅱ不至于着火情况
3
5.1 着火基本原理
热着火过程与链式着火过程区别——热着火通常比链式着火 过程强烈得多。 热着火过程：温度升高引发的，将使得系统中整体的分子动 能增加，超过活化能的活化分子数按指数规律增加。导致 燃 烧反应自动加速。 链式着火过程：主要是活化中心局部增加并加速繁殖引起的， 由于活化中心会被销毁，所以链式着火通常局限在活化中心 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 大幅度增加，形成“冷焰”。但是，如果活化中心能够在整 个系统内加速繁殖并引起系统能量的整体增加，就形成爆炸。
第五章 气体燃料燃烧
5.1 着火基本原理 5.2 火焰传播 5.3 扩散火焰和预混火焰 5.4 气体燃料燃烧时的火焰稳定措施 5.5 气体燃料火焰长度
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燃烧过程是包括发光放热的化学反应， 故存在两个最基本的阶段：着火阶段、 着火后燃烧阶段。
着火定义：燃料和氧化剂混合后，由无化学反 应（从缓慢的氧化反应）向稳定的强烈放热状 态的过渡过程。
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5.1.2 强迫点燃
强迫点燃：用炽热物体使可燃混合物着火
常用方法：炽热固壁点燃、电火花或电弧点燃 （汽油发动机）、火焰点燃、自燃方法点燃（柴 油机中的压缩的点燃）。
炽热物体向周围可燃混合气散热，在边界层中可燃混合 物由于温度升高而进行化学反应，反应产热使气体温度 不断升高而着火。
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强迫点燃的热过程
Ⅲ
Ⅲ着火，在Tlj时，温度
拐点，孕育时间Tyu
Ⅱ 如果系统初温升高是有
Ⅰ
利于着火，孕育时间缩
短 （ V 线 ） 。 （ 为 Tyu↓, 可以提高初温）
τ
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一些燃料空气混合物大气压下着火温度(α≈1)
名称 氢 一氧化碳 甲烷 乙烷 乙烯 乙炔 苯 航空汽油 原油 重油 煤油 木柴 烟煤 无烟煤 焦炭
分、温度与压力是均匀的，也称强 烈掺混模型。
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热平衡
产热（单位时间）：
Q1
k0
exp(
E RT
)
C
n
V
Q
C——可燃混合物中反应物浓度 n——反应级数 V——容器体积 Q——可燃混合物的燃烧热 T——温度
散热： Q2 S (T T0 )
η——散热系数
S——容器壁散热面积
T0——容器壁温度
T——容器内可燃混合物温度
高温火源
向可燃混合物加热 在高物物体边界层中着火
整个可燃混和物点着
再加热 反应热量
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强迫点燃的临界条件：
着火温度与燃料空气混合物的浓度有关；通 常用过量空气系数α来表示
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T 自燃温度Tzr
散热增大
如果温度T和燃 料浓度（过量空 气系数α）配合 的点在U形曲线 以上的区域，则 会发生自燃甚至 爆炸，称为爆炸 区。
自燃范围
α
着火温度与燃料空气混合物的浓度（过量空气系数α）的关系
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特别强调，无论定义Tlj或T0为着火温度Tzh， 这个Tzh不是一个物理常数，它是随着着火条 件变化而变化的，散热条件增强，则着火温 度上升。
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Q
Q1
Q2Ⅰ
产热：Q1
k0
exp(
E RT
)
Cn
V
Q
C
Q2Ⅱ
Q2Ⅲ
A T0Ⅰ
B
T0Ⅱ
Tlj T0Ⅲ
散热：
Q2 S (T T0 )
T
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① 两个交点：A点，稳定，但其温度绝对值太低，熄 灭状态; C点，不稳定，脉动→燃烧 or 熄灭
② 线Ⅲ：Q1＞Q2，没交点，着火 ③ 线Ⅱ：Q1≥Q2，一个切点
一个完善的燃烧过程应是：及时着火，稳定燃 烧，充分燃尽
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热着火过程分两类
自燃：自发的着火，依靠系统自身化学反 应的放热来维持系统的升温。
强燃：强迫着火，借助外部能量（固壁、 火花塞），使其局部着火，然后火焰传播 到整个可燃混合物中。
5
5.1.1 自燃
一、由热平衡的角度分析 零元系统：容器内可燃气体混合物的成
T0Ⅱ E
（另一根舍去）
T0Ⅱ 500 1000K E 80 400kJ / mol R 8.314J / mol
所以：将
1
4
R
T0Ⅱ E
展开，忽略高次项，
1
4R
T0Ⅱ E
1－2
RT0Ⅱ E
2
R
T2 Ⅱ2 0
E2
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两种着火温度的定义
T0Ⅱ 1000K E 210kJ / mol Q
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Tlj
切点B不稳定，有波动→要么回到B点，要么着火 B：着火临界点
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由切点的数学条件得着火临界条件 Q2 Q1
dQ1 dT
dQ2 dT
k0C n
exp(
E RT
) V
Q
A exp(
E RTlj
)
S
(Tlj
T0Ⅱ）
A
E RTlj 2
exp(
E RTlj
)
S
解方程得：Tlj
E 2R
E 2R
1
4R
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烷、烯、炔的着火温度是烷烃最高（为饱和 烃，所以活性低）炔烃最低（三价键不饱和 烃，活性最强）
液体燃料着火温度一般小于气体燃料着火温 度。——注意，这里说的着火温度是自燃的 着火温度
固体燃料中挥发分高的着火温度低，无烟煤、 焦炭挥发分很少，所以温度最高。褐煤煤场、 油炉空气预热器上积的油、制粉系统的积粉 等当等长，时在间通孕风育不，良可（燃散物热浓Q度2达很到小着时火）限，时经相， 在低于室温的情况下，也会自燃着火。
分子式 H2 CO CH4 C2H6 C2H4 C2H2 C6H6 — — — — — — — —
着火温度
530~590
644~658
658~750
520~630
542~547
406~480
580~740
390~685
360~367
336
250~609
250~350
200~500
600~700
700
热着火
链式着火
2
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，积累更多能量最终导致着火。——大多数气 体燃料着火特性符合热着火的特征。
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，导致化学反应速度 不断加速，最终导致着火。 ——某些低压下着火实验 （如 H2+O2，CO+O2的着火）和低温下的“冷焰”现象符 合链式着火的特征。