燃气燃烧理论基础.pptx

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1、二、城市燃气的分类1.燃烧特性参数 华白数W：与燃烧热负荷有关的参数 （MJ/m3）燃烧势CP：与燃烧火焰传播速度、燃烧稳定性有关的参数2.城市燃气分类标准 天然气，液化气，人工燃气燃气基础知识燃气基础知识第1页/共44页第2页/共44页第一章第一章 燃气燃烧计算基础燃气燃烧计算基础 一、燃气的燃烧过程 燃气 混合 燃烧(化学反应）烟气：CO2,H2O,N2,O2,空气 点火 CO,SO2,NOX 二、燃气燃烧的基本反应 第3页/共44页三、燃烧所需空气量 （一）理论空气需要量 （m3/Nm3干燃气）（二）实际空气量 空气过剩系数 V =V0四、理论烟气量和实际烟气量第一章第一章 燃气燃烧计算

2、基础燃气燃烧计算基础第4页/共44页第一章第一章 燃气燃烧计算基础燃气燃烧计算基础五、不完全燃烧时的计算 第5页/共44页第一章第一章 燃气燃烧计算基础燃气燃烧计算基础六、理论燃烧温度tth 的近似计算 燃气、空气常温，完全燃烧，忽略热分解（1800），绝热。燃气低热值=烟气量比热燃烧温度 Hl =If =Vn Cf tth tth=Hl/VnCf 天然气燃烧产物的平均比热表温温 度度0-200200-400400-700700-10001000-12001200-1500平均比热平均比热kJ/m31.381.421.471.511.551.59第6页/共44页第二章第二章 燃气燃烧反应动力学

3、燃气燃烧反应动力学一、化学反应速度（一）化学反应速度 单位时间内反应物浓度的变化，即单位时间、单位体积内反应物的消耗量：W=dC/d （kMol/m3 s）CH4+2O2=CO2+2H2O W=dCCH4/d =0.5dCO2/d =dCCO2/d 化学反应速度：反应级数 n 反应速度常数 k 第7页/共44页第二章第二章 燃气燃烧反应动力学燃气燃烧反应动力学 化学反应速度 反应级数 n 反应速度常数 k 阿伦尼乌斯定律：k=k0 exp（E/RT）k0 频率因子（指前因子）E 活化能 R 通用气体常数第8页/共44页第二章第二章 燃气燃烧反应动力学燃气燃烧反应动力学（二）影响化学反应速度的因

4、素 W=k0 exp（E/RT）Cn 1.温度 T 温度升高，反应速度加快；到一 定温度后，增加缓慢 2.活化能 E 反应进行的难易程度；E 高，难于反应 3.反应物浓度 C 浓度高，反应速度加快（与反应级数 n 有关）4.气相反应物分压 p 分压p大即浓度高，反应速度也加快 5.反应级数 n 由化学反应本身决定 第9页/共44页 二、燃气的着火（一）气体燃料两种着火方式：自燃着火：强制着火：常温可燃混合物中，用一热源局部点火燃烧，向周围传播，最后达到整个可燃混合物燃烧。（二）着火热力理论：以热量平衡为基础。化学反应发出的热量超过散失的热量 时，就能着火。着火温度与燃气成分、浓度（压力）、容器

5、壁温（传热）等因素有关，着火温度不是一个物性参数。第二章第二章 燃气燃烧反应动力学燃气燃烧反应动力学第10页/共44页第三章第三章 燃气燃烧的火焰传播燃气燃烧的火焰传播一、正常火焰传播正常火焰传播速度 即法向火焰传播速度 Sn 火焰传播速度 与气流法线分速度相等时，能稳定燃烧。第11页/共44页第三章第三章 燃气燃烧的火焰传播燃气燃烧的火焰传播火焰传播速度Sn 可燃混合气导热系数 Q 可燃混合气热值 燃烧反应平均速率 0 可燃混合气密度 C p 可燃混合气比热 Tm 烟气出口温度 T0 可燃混合气初始温度第12页/共44页第三章第三章 燃气燃烧的火焰传播燃气燃烧的火焰传播二、影响层流火焰传播速

6、度Sn的因素 （一）可燃混合气比例的影响 （二）燃气性质的影响 第13页/共44页第三章第三章 燃气燃烧的火焰传播燃气燃烧的火焰传播（三）温度的影响 1.初始温度的影响可燃混合物初始温度高，燃烧温度增加，化学反应速率增加，因而Sn增大。第14页/共44页第三章第三章 燃气燃烧的火焰传播燃气燃烧的火焰传播2.火焰温度的影响在高温情况下，随着火焰温度的提高，Sn显著提高；在更高温度下，由于热分解产生的自由基浓度大大增加，促进反应，进一步提高火焰传播速度Sn。第15页/共44页第三章第三章 燃气燃烧的火焰传播燃气燃烧的火焰传播（四）压力的影响 Sn pk Sn 50 50-100 100 k 0 0

7、 0第16页/共44页（五）惰性气体的影响 燃气中加入惰性气体N2，热值降低，反应速度减慢，将使火焰传播速度Sn下降。第三章第三章 燃气燃烧的火焰传播燃气燃烧的火焰传播第17页/共44页三、火焰传播浓度极限（爆炸极限，着火浓度极限）在燃气-空气混合气中 1.浓度确定时，仅在一定的温度、压力条件下，才能着火；2.在一定的温度（压力）条件下，燃气与空气的比例在一定 的范围内火焰才能传播；3.能使火焰持续不断传播所必须的最低（高）燃气浓度，称 为火焰传播浓度下（上）限。第三章第三章 燃气燃烧的火焰传播燃气燃烧的火焰传播第18页/共44页 单一燃气的爆炸极限 （常温，20)第三章第三章 燃气燃烧的火焰

8、传播燃气燃烧的火焰传播燃气名称燃气名称爆炸下限爆炸下限%爆炸上限爆炸上限%氢氢4.075.9一氧化碳一氧化碳12.574.2甲烷甲烷5.015.0乙炔乙炔2.580.0乙烯乙烯2.734.0乙烷乙烷2.913.0丙烯丙烯2.011.7丙烷丙烷2.19.5丁烯丁烯1.610.0正丁烷正丁烷1.58.5异丁烷异丁烷1.88.5第19页/共44页第四章第四章 燃气燃烧方法燃气燃烧方法 燃气的燃烧过程 （1）燃气与空气的流入、混合 （2）混合气的加热与着火 （3）完成燃烧化学反应 燃烧热加热新鲜混合气，维持不断燃烧。第20页/共44页第四章第四章 燃气燃烧方法燃气燃烧方法一、燃气燃烧方法的分类：按照混

9、合时间与化学反应时间两者比较 （一）扩散式燃烧（有焰燃烧）扩散混合控制：燃气、空气分别喷入，混合速度控制燃烧；火焰长，稳定性好；燃烧时间长；煤气与空气可分别预热以提高温度。（二）完全预混式燃烧（无焰燃烧）动力学控制：燃烧速度快，火焰短；空气消耗系数 n 较小，燃烧温度高，空间热强度较大；但空气与煤气温度不能预热过高。（三）部分预热式燃烧（大气式燃烧器）介乎两者之间，第21页/共44页第四章第四章 燃气燃烧方法燃气燃烧方法二、扩散式燃烧 层流扩散火焰的结构 1 1 外侧混合区（燃烧产物外侧混合区（燃烧产物+空气）空气）2 2 内侧混合区（燃烧产物内侧混合区（燃烧产物+燃气）燃气）3 3 =0=0

10、 处为燃处为燃气区气区 =1=1 处为火焰面处为火焰面 第22页/共44页第四章第四章 燃气燃烧方法燃气燃烧方法三、部分预混式燃烧（大气式燃烧器）（一）部分预混层流火焰 燃气预先混入部分空气（01），燃烧加强，火焰清晰，火焰温度提高。内锥体（兰色锥体），气流的法向速度与法向火焰传播速度相等，形 成稳定火焰面。外锥体，内锥之外按扩散方式与空气混合后燃烧。第23页/共44页第四章第四章 燃气燃烧方法燃气燃烧方法兰色火焰出现条件：1.燃气-空气混合物浓度在爆炸上限与爆炸下限之间。2.气流的切向分速使下面质点对上面质点点火。3.火焰根部存在点火源：火焰传播速度 Sn=气流速度 V 1点：SnV 2点：

11、SnV 3点：Sn=V 火焰面稳定 点火环第24页/共44页（二）部分预混层流火焰的稳定 （比较气流速度和火焰传播速度）离焰：气流速度快，点火环变窄而消失，火焰脱离燃烧器出口 脱火：气流速度进一步加大，大于火焰传播速度，火焰被吹熄 回火：气流速度减到小于火焰传播速度，火焰缩进燃烧器 燃气的火焰传播速度Sn越大，脱火曲线和回火曲线位置高，不易脱火而易回火，如人工气。天然气则相反，Sn 小，易脱火不易回火。2 脱火曲线脱火曲线(气流速度上限)4 回火曲线回火曲线(气流速度下限)1 光焰曲线光焰曲线，过小时,由于 碳氢化合物热分解，形成 碳粒和煤烟，燃烧不完全第四章第四章 燃气燃烧方法燃气燃烧方法第

12、25页/共44页第四章第四章 燃气燃烧方法燃气燃烧方法影响脱火和回火曲线，即燃烧稳定性的因素 1.燃气混合物组成：（Sn不同）人工煤气易回火，天然气易脱 火，LPG易黄焰；2.一次空气系数：增大，Sn减小，使脱火曲线下降；容易脱火，3.燃烧器出口直径小散热大，火 焰温度下降，Sn 变小易脱火，不易回火；4.周围空气的含氧量低时，火焰 传播速度Sn减慢，易脱火。第26页/共44页第四章第四章 燃气燃烧方法燃气燃烧方法四、全预混式燃烧（无焰燃烧）特点1.燃烧速度快，火焰很短甚至看不出2.容积热强度高 100-200106kJ/m3h （3-6104kW/m3）2.空气过剩系数小（=1.05-1.1

13、0），燃烧温度高3.燃气与空气全预混，火焰传播能力强，但由于温度高，容易回火4.热效率高，40%的燃烧热以辐射传热第27页/共44页第五章第五章 大气式燃烧器大气式燃烧器 一、大气式燃烧器的构造及特点 低压引射大气式燃烧器：引射器和头部组成。工作原理：喷嘴喷射燃气-引射空气-吸气收缩管-混合管 -扩压管-头部火孔流出燃烧 燃气灶：收缩管收缩管 混合管混合管 扩压管扩压管 =0.45-0.75 =1.3-1.8 （1 1）风门）风门 （2 2）一次空气口）一次空气口 （3 3）引射器喉部引射器喉部 （4 4）喷嘴）喷嘴 （5 5）火孔）火孔 第28页/共44页第五章第五章 大气式燃烧器大气式燃烧

14、器（一）引射器 引射器的作用 （1）以高能量的燃气引射空气，并使均匀混合；（2）引射器末端形成剩余压力，以克服气流在头部的阻力损失，使燃 气-空气混合物在火孔出口具有一定速度；（3）输送一定的燃气量，达到热负荷要求。吸气收缩管的进口截面积比喉管面积大 4-6倍。第29页/共44页第五章第五章 大气式燃烧器大气式燃烧器1.喷嘴 以一定速度喷出，输送一定的燃气量 管内层流流动时有压力降，压力降与燃气性质、燃气速度（流量）、管道直径、管道材质等有关。H 燃燃气压力气压力(Pa)喷嘴流量：流量流量系数系数 d 喷喷嘴直径嘴直径(mm)如有 n个喷嘴 s 相对密度相对密度 热负荷：Q=nLg Hl/36

15、00 （kW）Hl 燃气低燃气低热值热值kJ/m3 n喷喷嘴数量嘴数量 喷嘴直径：第30页/共44页第五章第五章 大气式燃烧器大气式燃烧器 喷嘴出口截面至喉部的距离对一次空气系数的影响第31页/共44页第五章第五章 大气式燃烧器大气式燃烧器2.混合管 使得燃气与空气充分混合，速度场、温度场、浓度场均匀分布。渐缩管有利于速度场均匀分布，不利于温度场、浓度场均匀分布；渐扩管反之。混合管取圆柱形，长度=（1-3）dt3.扩压管 截面扩大，混合气速度降低，使气体的部分动压变为静压，提高压力，混合均匀。扩压管张角6 8。第32页/共44页（二）燃烧器头部1.多火孔头部 燃气-空气混合物均匀分布到各火孔，

16、头部各点气流压力相等，二次空气能均匀达到各个火孔。头部过大时灭火噪声大。第33页/共44页第五章第五章 大气式燃烧器大气式燃烧器 各种形状的火孔 圆火孔：加工简单，但与空气接触面较小；方火孔：与二次空气接触面 较大，但加工工艺要求高。第34页/共44页第五章第五章 大气式燃烧器大气式燃烧器条形火孔 同样面积布置下热负荷较高，要考 虑二次空气补足充分。口琴式燃烧器平板式多孔红外燃烧器 第35页/共44页二、大气式燃烧器的特点和应用范围优点：1.火焰短，火力强，燃烧温度高；2.可用于不同燃气，燃烧较安全、环保，热效率高，CO含量低；3.可用低压燃气，空气靠燃气引射，具有自调性，煤气空气按比例 调节

17、；4.适用性强，可满足各种工艺需要。缺点：1.由于部分预混空气，火孔热强度、燃烧温度受限制；2.热负荷较大时，结构较笨重；3.引射空气自适应调节，负荷调节比较小。适用范围：多火孔大气式燃烧器广泛用于家庭和公用事业的各种灶具、热水 器、沸水器，单火孔的多用于中小锅炉和工业炉。第五章第五章 大气式燃烧器大气式燃烧器第36页/共44页三、大气式燃烧器的设计计算 （请看参考书）第五章第五章 大气式燃烧器大气式燃烧器第37页/共44页第六章第六章 燃气互换性燃气互换性一、一、燃气互换性和燃具的适应性 燃气的成分可能改变：生产过程少许变化，不同的气源。对于燃具：当气源成分变化时，燃具的热负荷、燃烧稳定性、

18、火焰结构、烟气中CO含量等也会变化。要求燃具不用调整仍能正常使用，即燃气上述性能改变不超过一定极限。1.燃气互换性。某燃具以基准气 a 进行设计调整，现改用置换气 s。如果燃具不加调整仍能正常工作，则 s 燃气对 a 燃气具有“互换性”。2.燃具适应性 当燃气性质有少许变化时，燃具不加调整仍能正常使用。“互换性”要求气源变化不能超过一定范围；“燃具适应性”要求燃具制造厂生产适应性强的优质燃具。这是一个事物的两个方面。第38页/共44页第六章第六章 燃气互换性燃气互换性二、互换性的判定 热负荷 Q=HhV 流量 （一）华白数 1.华白数：热负荷与W成正比：Q=K W (压力不变时)与 W成反比。

19、W不变时，同样压力下热负荷、也不变。2.广义华白数 如果压力变化，喷嘴前压力 p（Pa）广义华白数：热负荷：Q=K1 W1 第39页/共44页第六章第六章 燃气互换性燃气互换性（二）燃烧势CP 燃烧势是与火焰传播速度、燃烧稳定性有关的参数。实验证明，内焰高度 h与离焰、回火、不完全燃烧工况有关；内焰高度又与相对密度S和燃烧速度Sn有关，则与燃气成分有关。所以燃烧速度与燃气成分的函数第40页/共44页第六章第六章 燃气互换性燃气互换性三、火焰特性对燃气互换性的影响 燃气性质除了华白数，还要考虑火焰特性，即产生离焰、回火、黄焰和 不完全燃烧的倾向性。典型燃具用一种燃气作燃烧特性曲线，以 燃具的运行

20、工况 qp 和作坐标点，如 在燃烧特性曲线范围内可以正常燃烧。当燃气改变时，燃烧特性曲线和运行点都 发生改变；只有当工作点在新的燃烧特性 曲线范围内，燃具保持稳定燃烧，才具有 互换性。qp 火孔热强度(W/mm2)一次空气系数第41页/共44页第六章第六章 燃气互换性燃气互换性基准气 a，离焰极限曲线La，黄焰极限曲线Ya，Wa=51.0置换气 s，离焰极限曲线Ls，黄焰极限曲线Ys，Ws=42.5 互换时燃具热负荷变化：一次空气系数变化：运行点 1：a1:qp=14 W/mm,=0.30 s1:qp=11.7W/mm,=0.36 运行点2:（适应性好）a2:qp=14 W/mm,=0.35 s2:qp=11.7W/mm,=0.42第42页/共44页 参考资料1.同济大学等编.燃气燃烧与应用（第四版）.北京：建筑工业出版社，20112.项友谦等编著.天然气燃烧过程与应用手册.北京：建筑工业出版社，20083.花景新.燃气应用技术.北京：化学工业出版社，20094.韩昭沧.燃料及燃烧（第二版）.北京：冶金工业出版社，19945.姜正侯主编.燃气工程技术手册.上海：同济大学出版社，19936.童正明等编著.工程燃烧学.北京：中国计量出版社，2008 第43页/共44页感谢您的观看！第44页/共44页