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 m 3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/m 3。当燃烧烟气中H 2O 以气体状态排出时，燃烧所放出的热量称之为低热值；当H 2O 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

n n r H r H r H H +++= 2211

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，1m 3（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m 3/m 3或m 3/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

0V V

=α

热量计温度

热量计温度。假设燃烧过程在绝热条件下（Q 2=0）,且完全燃烧（ Q 3=0 ）,忽略烟气成分的高温分解（ Q 4=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（I g =I a =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 th act t t μ= 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CH 4的热值虽高于H 2，但其燃烧温度却低于H 2。

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1m 3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/m 3干燃气。

a 0f f )1(I I I -+=α

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。

kc d dc w =-=τ

二级反应

如果实验测得的反应速率211A A A c kc d dc w =-=τ

或当21A A c c =时21A kc w = 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

1/2称为半衰期

对行反应 对行反应：A B A k k ?→??→?

' 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c x 浓度的A ，形成了c x 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：C A B

A k k ?→??→?21

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c x ，形成的产物分别为c x1，c x2，则c x = c x1 + c x2

连续反应

连续反应：

C B A k k ?→??→?21 假设都是一级反应，经过τ时间后，反应物A 消耗了c x ，形成的产物C 为c y ，则产物B 的浓度为c x – c y

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E a 达到E b 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： E a =E a –E b 发生化学反应后到达终点c ，这之间所释放出的能量为E b –E c ，而气体真正放热为Q =E a –E c ，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T i s时，表面传向介质的热流等于零。如果颗粒表面温度稍高于T i s则反应加快，而大部分则流向周围介质。温度临界值T i s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E min。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d q。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S n(或称层流火焰传播速度S l，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S t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（T i-T0）的减小而增加，若将气体预热到T i，

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。

4.可燃混合物的过剩空气系数亦将影响其层流火焰传播速度，当α>1或α

<1时都会降低层流火焰传播速度。

层流火焰传播速度测定方法

一般可归纳为静力法和动力法两类。

静力法有管子法和皂泡法，动力法有本生火焰法和平面火焰法

火焰传播浓度上限和下限

能使火焰继续不断传播所必需的最低燃气浓度，称为火焰传播浓度下限(或低限)；能使火焰继续不断传播所必需的最高燃气浓度，称为火焰传播浓度上限(或高限)。

自由射流

当气流由管嘴或孔口喷射到充满静止介质的无限空间时，形成的气流称为自由射流。自由射流的实质是喷出气体与周围介质进行动量和质量交换的过程，即喷出气体与周围介质的混合过程。

层流自由射流结构

射流的外部边界为直线OB、OC，交点O为射流的极点。在射流边界上，前进运动速度为零。射流向外部介质进行分子扩散的边界AD、ED也是直线。在ADE 区域内，气体速度等于喷嘴出口的起始速度，称为射流核心区。

射流外部边界的夹角α1称为射流张角。射流核心区边界的夹角为射流核心收缩角α2。

通常周围介质的温度和密度与喷出气流不同，这时称为非等温射流。

湍流自由射流规律

一般喷嘴喷出速度都很大，在喷嘴出口处即形成湍流射流。

湍流射流内部有许多分子微团的横向脉动，引起射流与周围介质之间的质量和动量交换，使周围介质被卷吸。这就是湍流扩散过程。

射流的卷吸作用是由于内摩擦产生的，内摩擦力的大小决定于扩散系数和速度梯度。湍流扩散系数比分子扩散系数大得多。

绝对（相对）穿透深度

当射流轴线变得与主气流方向一致时，喷嘴出口平面到射流轴线之间的法向距离h定义为绝对穿透深度。绝对穿透深度h与喷嘴直径d之比，定义为相对穿透深度。

射程

在射流轴线上定出一点，使该点的轴速度在x方向上的分速度υx为出口速度υ2的5%，以喷嘴平面至该点的相对法向距离，定义为射程。

旋转射流规律

1.在旋转射流中除了具有直流射流中存在的轴向分速和径向分速外，还有一个

切向分速，而且其径向分速在喷嘴出口附近比直流射流的径向分速大得多。

2.由于旋转的原因，使得在轴向和径向上都建立了压力梯度，这两个压力梯度

反过来又影响流场。在强旋转下，旋转射流的内部建立了一个回流区。

3.在强旋转下，旋转射流不但从射流外侧卷吸周围介质，而且还从内回流区中

卷吸介质。在燃烧过程中，从内、外回流区卷吸的烟气对着火的稳定性起着十分重要的作用。

4.旋转射流的扩展角一般比直流射流的大，而且它随旋转的强弱而变化。

5. 旋转射流的射程较小。

旋流数

旋转射流的无因次特性

扩散式燃烧

燃气中不含氧化剂(即α′=0)，则燃烧所需的氧气将依靠扩散作用从周围大气获得。这种燃烧方式称为扩散式燃烧。

扩散火焰高度

层流扩散火焰的长度与气流速度成正比，而在湍流区火焰长度与气流速度无关。

碳氢化合物扩散燃烧时的多相过程

碳氢化合物进行扩散燃烧时，可能出现两个不同的区域：一个是真正的扩散火焰，它是一个很薄的反应层；另一个是光焰区，其中有固体碳粒燃烧。

大气式燃烧

1855年本生创造出一种燃烧器，燃烧前预先混入一部分燃烧所需空气，火焰变得清洁，燃烧得以强化。习惯上又称大气式燃烧。

部分预混燃烧中影响火焰稳定的因素

层流：气流速度大于燃烧速度，火焰底部被推离，火孔壁面对火焰底部的冷却作用减弱，燃烧速度增大，焰面底部能够重新稳定。

湍流：气流速度，火焰传播速度

周边速度梯度理论

在燃烧器出口的周边处，火焰传播速度和气流速度都是在变化的。气流速度梯度1、2 、3分别为产生回火；产生回火的极限位置；火焰稳定三种情况。

当周边速度梯度再继续增大，使火焰进一步被推离火孔。这时由于可燃混合物物与空气的相互扩散过强，使得气流边界层附近的可燃混合物被空气过分稀释，导

致该处的燃烧速度下降。这时在火焰底部任何一点上的气流速度都大于燃烧速度，于是火焰就被无限制推离火孔,产生脱火。

火焰拉伸理论

当未燃气体具有速度梯度时，则从某单位面积焰面传给未燃气体的热量并不全部返回到该单位面积焰面，而是有一部分热量从低流速区向高流速区转移。这样，低流速区的火焰温度就降低，该区的燃烧速度也相应降低。而且，某一段火焰的气流速度梯度越大，这一段火焰低流速区的火焰温度也降得越多，熄火作用也越厉害。这显然是一种可能导致脱火的机理。

周边速度梯度的增加既引起火焰拉伸，又引起周围空气对可燃混合物的稀释。火焰拉伸脱火理论强调了前者，而周边速度梯度理论则强调了后者。

完全预混燃烧

燃气-空气混合物到达燃烧区后能在瞬时间燃烧完毕。火焰很短甚至看不见，所以又称无焰燃烧

完全预混燃烧的条件

进行完全预混式燃烧的条件是：

第一、燃气和空气在着火前预先按化学当量比混合均匀；

第二、设置专门的火道(或燃烧室)，使燃烧区内保持稳定的高温。

面积热强度

面积热强度是指燃烧室(或火道)单位面积上在单位时间内所产生的热量。

f Q

q

F

=

容积热强度

容积热强度是指燃烧室(或火道)单位容积内单位时间所产生的热量。

v Q

q

V

=

热力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx

一般把NO x的生成分成热力NO x(T-NO x)、快速NO x(P-NO x)和燃料NO x(F-NO x)。热力NO x是指燃烧用空气中的N2在高温下氧化而生成的氮氧化物。快速型NO x 的生成机理是指碳氢系燃料在过剩空气系数小于1的情况下，在火焰面内急剧生成大量的NO x。燃料NO x的生成取决于燃料中的含氮化合物，城市燃气中一般不含燃料氮，所以不必考虑燃料NO x。

NOx生成的影响因素

温度的影响、过剩空气系数的影响、停留时间的影响、燃料种类的影响（燃料种类对热力NO x影响很小）、压力的影响、湍流脉动的影响

降低NOx的排放措施

实际措施有分段燃烧（包括空气分级和燃料分级）、浓淡燃烧、催化燃烧、低氧燃烧、烟气再循环、添加剂等。

烟气脱硝方法

烟气脱硝技术是最直接的手段，可以更彻底地消除NO x，同时不会对燃烧方式产生制约。该技术是利用NO具有氧化、还原和吸附的特征采取的措施，有氧化法（也称湿法）和还原法（也称干法）。

氨选择性催化还原法、选择性非催化还原法；臭氧氧化法、ClO2气相氧化吸收还原法、高锰酸钾液相氧化吸收法

二、叙述题

质量作用定律是化学反应的基本定律，但为何大多燃烧反应不能直接使用质量作用定律。

燃烧多为复杂反应，化学反应方程式并非整个化学反应的真正过程，所以无法直接使用质量作用定律

可燃混合物燃烧前是否有氧化反应？如何才能着火燃烧？

燃气的燃烧可分为两个阶段，第一阶段为着火阶段，燃气和氧化剂进行着缓慢的氧化反应。

氧化反应过程生成的热量大于散失的热量，或者活化中心增加的数量大于其销毁的数量，这个过程就称为不稳定的氧化反应过程。由稳定的氧化反应转变为不稳定的氧化反应而引起燃烧的一瞬间，称为着火。

在强制点火中，灼热固体颗粒将周围可燃混合物点燃的临界条件是什么。

颗粒表面温度稍高于临界值Tis 也就是强制点火的点火温度。

熄火距离概念还有哪些应用价值？

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。

为何层流火焰传播速度不能用精确的理论公式来计算。

尚缺少完全符合Sn 定义的测定方法。精确测量Sn 的困难在于几乎不可能得到严格的平面状火焰面。

用周边速度梯度理论解释部分预混火焰的脱火现象时，哪种解释与实际不

符？

有时气流速度增加到出现脱火，d 并无显著增加，有时气流速度并未增加，d 却有所增加。

为何在完全预混燃烧中要设置火道，部分预混燃烧可否在火道内进行？

设置专门的火道(或燃烧室)，使燃烧区内保持稳定的高温。

预混湍流火焰工作的稳定区可能全部消失，或者变得很窄，要使燃烧器正常工作只有采用人工的稳焰方法。

为何在扩散火焰的焰面上过剩空气系数正好等于1，而不是大于或小于1？

在焰面上α正好等于1，而不可能大于或小于1。内侧为燃气和燃烧产物相互扩散的区域，外侧为空气和燃烧产物相互扩散的区域。

那种气流形式有利于燃气和空气的混合，那种气流形式不利于燃气和空气的混合？

按照热力NOx 生成的机理，NO 不会在火焰面上生成，而是在火焰的下游区域生成，为什么。

生成NO 的活化能很大，而氧原子与可燃成分之间的反应活化能较小，反应很快。这说明NO 不会在火焰面上生成，而是在火焰的下游区域生成。

快速NOx 生成的前提条件是什么？哪三个因素对快速NOx 影响最大？

α＜1；燃料种类，过剩空气系数，温度

用于计算湍流火焰传播速度的焰面是如何确定的。

卡尔洛维茨(Karlovitz)采用的方法较为科学，把火焰发光最强的表面定义为决定湍流火焰传播速度的锥面。同时，肖尔(Shore)发现，发光最强的表面相应于氧浓度梯度变化最大的表面，表明在此表面内燃烧最强烈。