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燃烧基本原理

t=t混+t热+t化
动力燃烧:t混《t热+t化,燃烧速度主要受可燃混合物加热和化学反应速度的限制
扩散燃烧:t混》t热+t化,燃烧过程主要受混合速度想限制
中间燃烧:介于上2者之间
层流燃烧:燃烧室中煤气空气火焰都是层流
紊流燃烧:火焰气体为紊流
介于2者间为过渡性质的燃烧
同相燃烧:燃料和氧化剂物态相同
异象燃烧:燃料和氧化剂物态不同
按固体床层:层状燃烧(固定床) 沸腾床燃烧(流化床)粉煤燃烧(气流床)
燃烧是复杂的物理化学过程——三传一反:动量传递(流动)质量传递(扩散)热量传递 化学反应
化学反应速度: W = KCn
阿伦尼乌斯定律:K= K0 exp(– E / RT)
影响化学反应速度的因素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(10000 K)后,增加缓慢
2. 活化能 E反应本身固有性质;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. 反应物分压分压大即 p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
链锁反应机理H2 + O2 = H2O 氢燃烧反应
反应过程中有中间活性产物(活化中心),是自由态原子或基团。活化中心能与反应物继续反应,生成产物的同时又产生新的活化中心。活化中心具有高能量,反应时所需的活化能要低得多,使得反应加快。严重时,甚至会发生爆炸。——链锁反应
连锁反应: 直链反应(不分支):链锁反应完成后,活化中心数不增加
支链反应(分支):链锁反应完成后,活化中心数增加。支链反应的反应速率大大加快。
感应期 :ti—开始阶段,得到的能量用以产生活化中心,并不提高反应速度。
碳的燃烧反应机理
碳粒燃烧过程:扩散、吸附、反应、内扩散、气相反应、脱附
一次反应:C的氧化反应
C+O2=CO2 + 409 kJ/Mol
C+0.5O2=CO+ 123 kJ/Mol
二次反应:
CO2还原反应C+CO2=2CO–162 kJ/Mol
CO氧化反应 CO+0.5O2 = CO2+286 kJ/Mol
碳燃烧反应的三种观点: 1. 初次生成CO2 ,再还原成CO
2. 初次生成CO , 再氧化成CO2
3. 初次同时生成CO2 、CO
实验研究结果,多数认同第三种观点,即同时生成CO2 和CO
(1)1200-1300 oC
O2在石墨晶格内溶解:4C+2O2= 4C·2(O2)溶 固熔络合物
缓慢分解: 4C · 2(O2)溶+O2= 2CO2 + 2CO (控制反应)
总反应:4C+3O2 = 2CO2 + 2CO (1:1 )
对于O2是一级反应:W1 = K1·pO2·exp(–E1/RT)
(2)1600 oC以上 O2在石墨晶格上

吸附:3C+2O2=3C·2(O2)吸
分解反应:3C·2(O2)吸 = CO2 + 2CO
总反应:3C + 2O2 = CO2 + 2CO(1:2 )
对于O2是 0 级反应:W2 = K2·exp(–E2/RT)
(3) 1300-1600 oC (实际情况)
兼有上述两种机理, O2在石墨晶格内溶解生成固熔络合物的同时,在晶格介面上被吸附。 CO2 :CO 的比例介乎1:1 到1:2 之间。
NOX 的生成机理
烟气中NOX来源于空气以及燃料中N,在高温下生成,造成污染。
NOX — NO、 NO2 、NO3 、N2O 、N2O3 、N2O4 、N2O5
NOX 生成的影响因素
(1)火焰中及最高温度区(燃烧带或之后)生成
(2)烟气在燃烧室停留时间
(3)火焰中N2 、 O2 的浓度,(控制 n)
(4)燃料中N
降低烟气中NOX的方法
(1)降低燃烧燃烧温度水平,防止局部高温
(2)控制空气消耗系数 n
(3)缩短烟气在高温区停留时间
(4)采用低 N 燃料
(5)低NOX燃烧方法:二段燃烧法、烟气循环法、沸腾燃烧法
气体燃料两种着火方式:
自燃着火:可燃混合物在整个容器内达到某个温度后,会自动着火达到燃烧状态。
强制着火:常温下可燃混合物中,用一点热源使之局部点火燃烧,并向周围传播,最后整个可燃混合物达到着火燃烧。
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。
着火温度与燃料成分、浓度(压力)、容器壁温等因素有关,着火温度不是一个物性参数。
强制点火热源:小火焰、高温气体、灼热物体、电火花
着火及稳定的影响因数
(1)日0=RT0/E,提高日0,即提高预热温度,有利于着火及稳定;
(2)A=CP·E/(C0qR),降低A,即提高反应热或初始浓度,或降低活化能,有利于着火及稳定; (3)t12=t1/t2 ,提高t12 即增加停留时间或加快反 应速度,有利于着火及稳定;
(4)烟气循环加大,使T0 (日0 )增加,同时q下降,有利于着火及稳定;
(5)考虑火焰辐射传热,辐射传热系数6越小,越有利于着火及稳定。
扩散燃烧时,燃烧速度仅取决于扩散过程。化学反应速度很快,燃烧反应的发热曲线与温度无关:即中1 /日= 0。
层流火焰法线传播速度 uL (正常传播速度 ),与气流法线分速度 w 相等时,能稳定燃烧。
四、层流火焰传播速度的影响因素
1. 可燃气体组分
2. 可燃气体浓度(空气消耗系数 n )
3. 氧化剂中O2含量
4. 预热温度
5. 非绝热体系(有热损失)
紊流流动燃烧时,流体内传热、传质、化学反应都大大加强。火焰面紊乱且较厚,有脉动和噪声。紊流燃烧传播速度 uT >> uL 。紊流燃烧传播速度 uT 与混合气体的流动和物性有关。
uT >> uL的原因:
1. 火焰前沿

发生变形、皱折,反应表面显著增加;
2. 传热、传质显然加剧;
3. 紊流使得烟气与可燃气快速混合,而且提高温度。
提高预混气燃烧速度,改善燃烧性能
1. 用uL大的预混可燃气
2. 提高紊流强度(Re)
3. 提高混合气的温度和压力
异像燃烧阶段
1、气象反应介质向反应表面的传播
2、气体被反应面吸附
3、表面化学反应
4、反应物脱落
5、起先反应产物排离
总速度取决于最慢阶段速度
提高方法:提高气象介质初始浓度;提高气流速度;减小碳粒直径
油粒燃烧:蒸发、热解和裂化、着火燃烧
两个互相依存过程:油蒸发提供反应物。反应提供能量让油蒸发
火焰分类:
煤气火焰、油雾火焰、粉煤火焰
预混燃烧火焰、扩散燃烧火焰、中间燃烧火焰
层流火焰、紊流火焰
均相火焰、非均相火焰
层流火焰:将可燃物通过一个普通管口流入自由空间,形成一个射流在射流中心线上流速最大点火后形成锥形火焰;煤气空气均以层流通入燃烧室得到层流扩散火焰,加大流速变为紊流火焰
紊流火焰:可燃混合物以紊流喷出点火后轮廓不像层流分明,但也是一个近似锥形火焰

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