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1、第五部分预混可燃气的着火2022/9/19河北工业大学能源与环境学院1本讲稿第一页，共三十八页基本概念n自燃自燃：使可燃混合物在整个空间内同时达到某一温度，超过该温度，混合物便自动地、不再需要外界作用而达到燃烧状态。俗称自燃着火、着火。n点燃点燃：依靠外界能量（电火花、电弧、炽热物体等）强制性滴在可燃混物某点点火，引起局部燃烧，并自动地向其它地方传播，最终使整个混合物燃烧起来。实际燃烧装置点采用点燃的方式。热自燃：混合物本身化学反应放热量大于系统散热量时将造成热量的积累，使温度不断升高、反应速度增大，最终达到很高的反应速度热爆炸。链锁自燃：由于分枝链锁反应造成活性中心迅速繁殖，不需要高温条件，
2、就可以达到很高的反应速度链锁爆炸实际自燃过程中，二者兼有，一般低温下链锁自燃主导，高温下热自燃主导。实际自燃过程中，二者兼有，一般低温下链锁自燃主导，高温下热自燃主导。本讲稿第二页，共三十八页第一节闭口系统热自燃理论第一节闭口系统热自燃理论热自燃现象相当复杂，为了揭示本质，一般采用“闭口系统”来分析，并作以下假设：1 1、反应在体积为、反应在体积为V V表面积为表面积为S S的密闭容器内进行；的密闭容器内进行；2 2、容器壁温始终保持、容器壁温始终保持T T0 0；3 3、容器内可燃物具有相同的温度、浓度、以及化学反应速度；容器内可燃物具有相同的温度、浓度、以及化学反应速度；4 4、容器内反应
3、初、容器内反应初 始温度为始温度为T T0 0;5 5、容器内气体与壁面的换热系数不随温度压力的变化而变化；容器内气体与壁面的换热系数不随温度压力的变化而变化；6 6、在可燃物着火之前，由于化学反应速度很低，故不计浓度变化、在可燃物着火之前，由于化学反应速度很低，故不计浓度变化本讲稿第三页，共三十八页 热自燃着火理论认为，可燃预混物的着火是反应放热因素与系统散热因素之间相互作用的结果，如果某一系统中反应的放热量大于系统的散热量，那么，热量将会在系统内积累并引起系统温度的升高和化学反应速率的增大，并最终导致可燃预混物的着火；反之，则不能发生着火。本讲稿第四页，共三十八页闭口系统自燃条件分析假设反
4、应热为q，则单位时间单位体积化学反应放出的热量为：折算到单位时间单位体积上系统的散热量为：一组超越函数一组线性函数我们可以通过作图方法分析两组曲线之间的关系本讲稿第五页，共三十八页低温稳定点当放热曲线与散热曲线在低温区仅有一个交点的时候，如图所示1点，Qf=Qs。在1点之前，放热量大于散热量，于是系统温度逐渐升高。到达1点的时候，放热量等于散热量，达到平衡。1点之后，即使存在某种外部因素促使系统温度上升，但是由于系统散热量大于反应放热量，系统仍将被冷却回到1点。1 1点被称为点被称为低温稳定点低温稳定点。混合物只能处于缓慢氧化状态。燃。混合物只能处于缓慢氧化状态。燃料处于储存期且有空气进入就类
5、似这种情况。料处于储存期且有空气进入就类似这种情况。本讲稿第六页，共三十八页不同壁温情况下Q-T曲线低温稳定点A又称下稳定点T=T01，两个交点A、B。在B，只要温度略高于T，系统温度将不断升高，达到爆炸。但是从A过渡到B很困难。B不属于自燃范畴。T=T02，两条曲线恰好相切C点。当TQs,系统将自动升温到C点。但是C点不是稳定点，一旦温度略有提高，放应放热继续超过系统散热而达到自燃着火。因此相切是自燃着火的临界条件。TC称为着火温度。T=T03，任何时候放热都大于散热，热量不断积累，肯定能够自燃着火本讲稿第七页，共三十八页散热条件对于自燃着火的影响不同散热条件下可以得到一组不同斜率的Qs曲线
6、。散热加强导致自燃着火条件被破坏，不再能够发生自燃散热增强的方向。提高放热系数或者增加系统表面积等等存放易燃物品的仓库要加强通风存放易燃物品的仓库要加强通风本讲稿第八页，共三十八页仓库与通风设备轴流风机小型仓库本讲稿第九页，共三十八页可燃物浓度、压力对于自燃着火的影响压力、浓度增加的方向改变可燃物的浓度或者压力将破坏原有的自燃着火条件。压力提高、浓度提高将有利于自燃着火。改变压力与浓度将得到一组反应放热曲线内燃机气缸本讲稿第十页，共三十八页自燃着火温度的计算右上两式相除化为：根据自然着火临界条件解二次方程，对应上稳定点B，略去。幂级数展开后，略去高次项，可以得到着火温度取取T T0 0=100
7、0K,E=167kJ/mol,=1000K,E=167kJ/mol,可以计算得到可以计算得到T TC C-T-T0 0=50K=50K。T TC C难以实验测量，因此常用难以实验测量，因此常用T T0 0表示着火温度（前提是必须满足临界条件）表示着火温度（前提是必须满足临界条件）。记为T0C本讲稿第十一页，共三十八页一些可燃物的着火温度本讲稿第十二页，共三十八页第二节热自燃着火界限如果改变燃料种类，燃料的性质也会改变，那么有可能油时满足自燃着火条件，有时候则不满足。因此肯定存在一个着火的界限，在该界限内可以发生自燃着火，界限之外则不能。根据临界条件可以得到：满足自燃条件时，P=PC，T0=T0
8、C，xf、xa分别为燃料与空气的摩尔成分，xf=1-xa则：因此可以写出临界着火条件时各参数之间的关系：对于特定可燃物，剔除常量与相关量，得到右面函数关系：本讲稿第十三页，共三十八页保持xf为常数自燃界限曲线PCTC以aS/V为参变数作出PCT0C的关系曲线2、在一定PC下，随着散热条件的提高，只能在更高的温度下才有可能发生自燃着火。1、对应于某个压力PC与散热条件，则对应着一定的温度TC，当T0f；出现低界限提高压力，活性中心浓度增加，相互碰撞的可能性增大，故gf；出现高界限第三界限是由于热量积累造成的，热自燃理论本讲稿第二十页，共三十八页第四节开口系统（燃烧室）热自燃理论柴油机燃烧室苏30
9、尾喷焚烧炉多数燃烧装置都是源源不断送入可燃物与氧化剂，燃烧产物连续排出；因此燃料在燃烧室内的逗留时间使有限的，而着火、燃烧过程需要一定时间，因此需要引出开口系统来讨论自然着火理论。本讲稿第二十一页，共三十八页开口系统零维模型与基本假设1、设系统是一两端开口体极为V的圆柱形容器，流入可燃混合物具有均匀的初始温度T0和初始浓度C0；2、可燃混合物进入系统后迅速反应，使其温度升高为T、浓度降低为C；且T、C处处相等。故称零维模型。3、容器是绝热的，对外无散热。4、所进行的反应是一级反应。能量平衡：反应物放热全部被生成物带走质量平衡：反应物消耗等于生成物增加本讲稿第二十二页，共三十八页无量纲数的引入1
10、、无量纲放热率：1m3可燃物中已经转变为热量的部分占混合物所有能量的比例2、无量纲吸热率：1m3可燃物中用于加热生成物并使之升温的热量占混合物所有能量的比例3、无量纲逗留时间：逗留时间与化学反应时间的比值4、无量纲温度5、无量纲发热量那么能量平衡方程可以写为：质量平衡方程可以写为：表征反应放热量表征温升所需要热量本讲稿第二十三页，共三十八页无量纲初始温度0对着火、熄火的影响在无量纲逗留时间一定时作1曲线；在无量纲发热量一定时作不同初始温度下的2曲线。1、当001时，三个交点。A是下稳定点，缓慢氧化状态。B不稳定点，只要温度稍有降低，则趋于A，稍有升高则趋向C。C点上稳定点，激烈燃烧状态，但如果
11、没有外界热量，不可能达到C点。此初温时不能着火。2、提高0，当002时，两曲线相切于D点，是着火的临界状态，只要温度稍有提高，系统将趋向于上稳定点E达到燃烧状态。实际设备通过预热燃料与空气，或者烟气回流达到促进燃烧的目的3、当系统处于燃烧状态时，如果降低T0促使0降低到01时，也不会熄火。只有当003时，相切于F点，温度略有下降将趋向G点，燃烧过程终止。熄火比着火条件更为不利本讲稿第二十四页，共三十八页着火与熄火的临界条件综上所述，当发生由低、低的不稳定工况趋向高、高的稳定工况时，将产生着火。反之，当发生由高、高的工况趋向低、低的缓慢氧化工况时，将产生熄火。着火与熄火的临界条件为：注意：尽管着
12、火与熄火的注意：尽管着火与熄火的临界条件表达式相同，但临界条件表达式相同，但是产生的条件却不同。熄是产生的条件却不同。熄火条件更为不利火条件更为不利本讲稿第二十五页，共三十八页无量纲逗留时间对着火、熄火的影响在无量纲发热量和无量纲初始温度0不变时，在不同无量纲逗留时间下，作1曲线、2曲线。1、增加无量纲逗留时间有利于自燃着火。相当于增加了燃烧室长度、降低了可燃物流速、提高了化学反应速度。2、对应于着火所需要的无量纲逗留时间要高于熄火时的无量纲逗留时间，因此熄火要在更加不利的条件下发生。本讲稿第二十六页，共三十八页无量纲发热量对着火、熄火的影响在无量纲逗留时间和无量纲初始温度0不变时，在不同无量
13、纲发热量下，作1曲线、2曲线。1、增加无量纲发热量有利于自燃着火。这是因为无量纲发热量越高，则达到相同反应率时温升越高，对着火有利。2、对应于着火所要求的无量纲发热量要高于熄火时的无量纲发热量，再次说明：熄火要在更加不利的条件下发生。所以：对应着火的空气系数浓限与稀限之间的范围要窄于熄火时候的浓稀限范围。也就是说，熄火时，燃料要么很过剩，要么很少。本讲稿第二十七页，共三十八页散热对着火、熄火的影响在以上的讨论中系统都是绝热的，但是实际的燃烧系统很难保证绝热，如果考虑火焰辐射等散热，那么散热曲线2将不再是直线。辐射换热系数对2的影响如图，可见辐射换热系数越大，着火越困难；并且上稳定点的放热率和温
14、度水平都较绝热时降低。因此冷却冷却较强、散热较强的燃烧装置不容较强、散热较强的燃烧装置不容易着火，而且易于熄火。易着火，而且易于熄火。绝热上稳定点位置本讲稿第二十八页，共三十八页第五节点燃理论实际燃烧装置通常不具备自燃着火的条件，必须依靠外加能量使可燃物着火，即点燃（点火）。过程如下：外界能量在局部点燃混合物，形成局部火焰，然后火焰加热引燃相临的可燃物，依次使其余部分燃烧。火箭火炬煤粉火焰本讲稿第二十九页，共三十八页电火花点火利用高压、高频等在点火电极之间产生高能电火花，点燃可燃混合物。一般分高压电火花点火、高频高压电火花点火、高能电火花点火等。1、高压点火：能量较低、电极间易积炭，可靠性差。
15、3、高能电火花点火：在电极之间充填半导体材料，释放能量较大，在积炭情况仍然可以正常工作，可以直接点燃气体燃料与轻质燃油。2、高压高频点火：利用高压高频振荡器产生100Hz、1520KV高压电在电极之间产生电火花；击穿能力强、点燃可靠本讲稿第三十页，共三十八页等离子体点火 等离子点火就是利用直流电将以压缩空气为介质的气体电离后产生功率稳定、定向流动的等离子弧，在燃烧室内产生温度达30004000K的局部火核，当可燃物与等离子流接触时，瞬间发生热化学反应，实现点火燃烧的目的。可以直接点燃重油、煤粉。高温等离子流煤粉火焰本讲稿第三十一页，共三十八页电弧点火电弧利用大电流在两极之间产生电弧，依靠电弧的
16、热量来点燃可燃物。产生电弧的设备体积庞大、电源系统复杂且电极容易烧蚀，现在较少应用。电弧点火电源本讲稿第三十二页，共三十八页炽热物体点火利用电流流过电阻丝、棒等产生的热量来点燃可燃物，这种点火方式设备结构简单紧凑，但是由于电阻丝容易氧化烧蚀，热损比较严重。本讲稿第三十三页，共三十八页火焰点火很多燃烧装置因为燃料着火困难，多采用多级点火方式，由电火花点燃易燃燃料，形成点火能量较大的引燃火焰，然后再点燃重油、煤粉等。点火可靠，多用于点燃条件较差的燃汽轮机燃烧装置、煤粉炉等。本讲稿第三十四页，共三十八页炽热物体点火的“零值边界梯度”模型纵轴表示炽热物体表面，X方向表示可燃气体边界层。实线是导热造成的
17、温度分布曲线当T1TC时，导热促使可燃物温度提高略高于T0，化学反应速度略有提高，释放出少量热量，从而使温度分布变成虚线所示。阴影部分代表温升。当T1TC时，化学反应速度增大，释放热量增加，从而使壁面温度等与边界层温度、热流为零。此时dT/dx=0，是炽热物体点火的临界条件。TC临界温度着火当T1大于TC时，化学反应速度更高，释放热量更多，从而使边界层温度高于壁面温度，此时dT/dx大于0，热量将传递给周围可燃物，于是，发生着火。本讲稿第三十五页，共三十八页电火花点燃理论点火过程：电火花先使局部可燃物着火，形成初始火焰；然后是初始火焰向新鲜可燃物的传播。因此能否点燃的关键取决于放电能量与初始火
18、焰是否能够传播。1、电极距离一定，可燃物成分一定，只有当放电能量高于某一最小能量Emin才能够使火焰传播。2、猝熄距离：Emin与电极距离d有关,当d过小到dq时初始火焰向电极散热过甚，无论加多少能量都无法点燃，称dq为猝熄距离。3、Emin、dq取决于空燃比、压力、温度、电极形状等。当量比时Emin最低；过贫、过富都不能点燃，因为Emin趋向无穷大。本讲稿第三十六页，共三十八页火焰点燃理论1、在02内边界上，温度很高，但是可燃物浓度为零；在01边界，浓度高、温度低，反应速度也很低。因此化学反应仅能在0102之间的边界层内进行。将模型简化为热射流点燃。高温燃烧产物以如图参数喷入可燃物中，01边界外是可燃物。2、边界层内化学反应放热促使温度分布变成虚线。当Tf足够高时，x=xi处出现温度阶跃，局部着火。在x=xb处导致火焰穿过边界层，导致可燃物着火。通常称x为猝熄距离，为x=xb点火临界条件。温度分布实线纯导热造成本讲稿第三十七页，共三十八页参考文献n燃料与燃烧，常宏哲，上海交通大学出版社，1993n火焰学，A.G盖顿英，1994n燃烧学，徐晋源，西安交大出版社，1990本讲稿第三十八页，共三十八页