燃气燃烧理论基础考试要点 

燃烧理论复习

一、复习提纲

燃气的高低热值

1 m3燃气完全燃烧后，其烟气被冷却至初始温度所放出的热量称为该燃气的热值，单位为kJ/m3。当燃烧烟气中H2O以气体状态排出时，燃烧所放出的热量称之为低热值；当H2O以凝结水状态排出时，蒸汽中所含的潜热得以释放，此种状态下所放出的热量称之为高热值。显然，燃气的高热值大于低热值，差值为水蒸气的气化潜热。

如何得到混合气体的热值

混合气体的热值可以由各单一气体的热值根据混合法则进行计算

H?H1r1?H2r2????Hnrn

理论空气需要量

理论空气需要量：指按燃烧反应计量方程式，1m3（或kg）燃气完全燃烧所需的空气量，是燃气完全燃烧所需的最小空气量，单位为m3/m3或m3/kg。

过剩空气系数

实际供给的空气量与理论空气需要量之比称为过剩空气系数

??VV0

热量计温度

热量计温度。假设燃烧过程在绝热条件下（Q2=0）,且完全燃烧（ Q3=0 ）,忽略烟气成分的高温分解（ Q4=0 ）,由燃气和空气带入的全部热量完全用于加热烟气本身，这时烟气所能达到的温度称为热量计温度

燃烧热量温度

燃烧热量温度。在上述（1）的假设条件下，若不计燃气和空气带入的物理热（Ig=Ia=0），并且假设α=1，得到的烟气温度称为燃烧热量温度

理论燃烧温度 理论燃烧温度。在绝热且完全燃烧的条件下，所得到的烟气温度称为理论燃烧温度,它表明某种燃气在一定条件下燃烧，其烟气所能达到的最高温度。

实际燃烧温度 实际燃烧温度。实际燃烧温度与理论燃烧温度的差值随工艺过程和炉窑结构的不同而不同，很难精确地计算出来。实际工作中采用经验公式

tact??tth

式中 μ—高温系数。对于一般燃气工业炉窑可取μ=0.65~0.85；无焰燃烧器的火道可取μ=0.9。

影响燃烧温度的因素

1.热值的影响 一般来说，燃烧温度随燃气低热值的增大而增大。但有时热值低的燃气的燃烧温度可能高于热值高的燃气的燃烧温度，这主要是由于燃烧产物的数量和比热等因素起了主要作用。比如CH4的热值虽高于H2，但其燃烧温度却低于H2。

2.过剩空气系数的影响 燃烧区的过剩空气系数太小时，会导致燃烧不完全；若过剩空气系数太大，则增加了燃烧产物的数量。

3.空气和燃气温度的影响 预热空气或燃气可加大空气和燃气的焓值，从而提高燃烧温度。由于燃烧时空气量比燃气量大得多，因此预热空气对提高燃烧温度的影响比较明显。

4.设备散热的影响 由于被加热物体的吸热和设备向四周的散热，实际燃烧温度比理论燃烧温度低。设备结构越合理，保温越好，实际燃烧温度也就越接近理论燃烧温度。

5.燃烧的化学热损失 燃烧的化学热损失越多，提供给烟气的热量就越少，燃烧温度也越低。在提供了足够空气的情况下，使燃气与空气充分混合是减少化学热损失的有效方法。

理论烟气量

当只供给理论空气量时，燃气完全燃烧后产生的烟气量称为理论烟气量。当有过剩空气时，称为实际烟气量。

烟气中各种成分的函数关系

烟气的焓

烟气的焓，是指1m3干燃气燃烧所生成的烟气在等压条件下从0℃加热到烟气温度℃时所需要的热量，单位为kJ/m3干燃气。

If?If?(??1)Ia

化学反应速率

在化学反应中，单位时间内反应物质（或燃烧产物）的浓度改变率。

质量作用定律 当温度不变时，某化学反应的反应速率是与该瞬间各反应物浓度的乘积成正比的。该定律说明了化学反应速率在一定温度下与反应物浓度的关系

一级反应

如果实验测得的反应速率只与反应物浓度一次方成正比，这个反应称为一级反应。

dcw???kc

d?

二级反应

00dcA1?kcA1cA2如果实验测得的反应速率w??d?或当cA12?cA2时w?kcA1

则这种反应为二级反应，依此类推。

半衰期

反应物浓度降为初始浓度一半所需的时间τ

对行反应

1/2称为半衰期

??B???A 对行反应：A?假如正逆反应每消耗一个单位浓度，都形成一个单位浓度的产物，则经过τ时间

后，消耗了cx浓度的A，形成了cx浓度的B。

在对行反应中，经过无限长时间后反应物浓度等于其平衡浓度

平行反应 平行反应：

k1A???Bk2kk?A???C

假设两个平行反应都是一级反应，经过τ时间后，反应物消耗了cx，形成的产物

分别为cx1，cx2，则cx= cx1 + cx2

连续反应

k1k2A???B???C 连续反应：

假设都是一级反应，经过τ时间后，反应物A消耗了cx，形成的产物C为cy，

则产物B的浓度为cx – cy

活化能

在一定温度下，只有具有一定能量足以克服势能使其能量从Ea达到Eb能量水平的活化分子才能发生化学反应，两者能量之差即为活化能： Ea=Ea –Eb

发生化学反应后到达终点c，这之间所释放出的能量为Eb –Ec ，而气体真正放热为Q=Ea–Ec ，称为反应的热效应。如果Q为正值则此反应为放热反应，如果为负值则为吸热反应。

活化中心

在许多实验中，在反应区有大量自由原子和游离基，这些自由原子和游离基具有高度的化学活泼性，这使得反应变得更容易，我们把这些自由原子和游离基称为活化中心（或物质链），链的传递过程就是活化中心再生的过程。

支链反应

当一个活化中心引发一个单元反应后，会生成多个活化中心时，称为支链反应

支链反应历程

链的激发过程：氢原子由于热力活化或其他激发作用形成最初的活化中心。 H2→2H 链的传递过程：

H+O2→OH+O-71.2kJ/mol 所需活化能75.4kJ/mol O+H2→OH+H+2.1kJ/mol 所需活化能25.1kJ/mol OH+H2→H2O+H+50.2kJ/mol 所需活化能42kJ/mol 加在一起为总的连传递过程：H+3H2+O2 →3H+2H2O 可见氢与氧的燃烧反应过程中，链传递的每一个循环都会使一个活化中心变成三个。

链的断裂过程：

与容器壁或惰性分子碰撞H+OH →H2O H+H →H2 O+O →O2

自然着火

着火可能是由于氧化反应逐渐积累热能，或活化中心浓度不断积累，从而自行加速反应，最后导致燃烧。这种着火称为自燃着火。

强制着火、点火

着火也可能通过外加热源，使得局部地区的可燃混合物完成着火，然后以一定速度向其他地区扩展导致全部可燃混合物燃烧，这种着火方式称为强迫着火或点火。

灼热固体颗粒点燃可燃混合物的临界条件

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中，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就是强制点火的点火温度。

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。

热力着火的渠道

支链着火

在支链反应中，当活化中心增加的数量不仅能抵偿链的断裂同时又能抵偿反应物浓度减少时，活化中心数量将不断增加，引起反应自动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。

支链着火的压力下限和上限

支链着火有两个压力极限。在一定温度条件下，当压力低于某一个极限值时，分子运动的自由行程较长，活化中心扩散到壁面的速度大，增加了其销毁的可能性，

会失去支链着火的能力，该压力极限值称为支链着火的压力下限；当压力超过某一极限值时，增加了活化中心与其他惰性气体分子碰撞的机会，而大量在气相中销毁，失去支链着火的能力，该压力极限值称为支链着火的压力上限。

着火半岛

爆炸下限与温度关系不大。爆炸上限随着温度的升高而升高，这是因为活化中心的形成速率随温度的升高而增加，而其销毁的速率与温度无关，所以爆炸区域随温度升高而增大，形成一个类似半岛的形状，称之为着火半岛。

着火感应期

可燃混合物从开始到温度达到着火点所经历的时间τi，称为热力着火感应期。在此期间系统主要进行热量的积聚，化学反应所占比重很小。

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。火花产生后便形成一高温可燃混合气的小球，如果火焰球过小，则温度梯度过陡，内核的反应析热率不足以抵偿预热外层未燃气体的热损失率。这时，热损失量不断超过反应热量，造成整个反应空间温度下降，反应逐渐中断，火焰波只是在点火时点燃一小部分气体后就熄灭了。所以，最小点火能就是为建立临界最小尺寸的火焰所需的能量。

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。因为当电极间隙过小时，初始火焰中心对电极的散热过大，以致火焰不能向周围混合物传播。

层流（湍流）火焰传播速度

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层流火焰传播速度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。

在湍流流动时，火焰面变得混乱和曲折，形成火焰的湍流传播。在研究湍流火焰传播时，把焰面视为一束燃气与已燃气之间的宏观整体分界面，也称为火焰锋面。湍流火焰传播速度也是对这个几何面来定义的，用St表示。

影响火焰传播速度的因素

1. 层流火焰传播速度与平均热导率的平方根成正比，与热容的平方根成反比，因此层流火焰传播速度与气体混合物的物理常数有关。

2. 层流火焰传播速度随着差值（Ti-T0）的减小而增加，若将气体预热到Ti，则层流火焰传播速度就会趋向于无穷大。

3. 可燃混合物的热效应及化学反应速率显著地影响着层流火焰传播速度。