燃气燃烧与应用

燃气专业基础与实务——燃气燃烧与应用北京市中级职称专业考试燃气燃烧基本理论1.燃烧计算2.燃气燃烧过程3.燃气燃烧方法4.燃气燃烧污染的控制5.燃气互换性燃气燃烧应用装置1.扩散式燃烧器2.大气式燃烧器3.全预混燃烧器4.燃气燃烧装置的自动控制1.燃气燃烧计算燃烧计算是燃气燃烧应用的基础。它为工业及民用燃烧设备的设计提供可靠的依据。燃气燃烧计算包括三方面内容：(1)确定燃气的热值；(2)计算燃烧所需的空气量及产生的烟气量；(3)确定燃烧温度和绘制焓温图。1.1燃烧及燃烧反应计量方程式对于气体燃料来说，燃烧是指气体中的可燃成分（CmHn、H2、CO等）在一定条件下与氧发生激烈的氧化作用，并产生大量的热和光的物理化学反应过程。燃烧反应计量方程式是进行燃气燃烧计算的依据。它可以表示出燃烧反应前后，燃气中的各可燃物质与其燃烧产物之间的量值比例关系。任何一种形式的碳氢化合物CmHn的燃烧反应方程式都可以用以下通式表示：HOHnmCOOnmHCnm2222)4(式中H—1molCmHn完全燃烧后所放出的热量。1.2燃气热值的确定热值——1m3燃气完全燃烧所放出的热量称为该燃气的热值，单位为kJ/m3或kJ/kg。高热值——1m3燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量。低热值——1m3燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，其中的水蒸气以蒸汽状态排出时所放出的热量。燃气的高热值在数值上大于其低热值，差值为水蒸气的气化潜热（随温度升高而降低）。在工业与民用燃气应用设备中，烟气中的水蒸气通常是以气体状态排出的，因此实际工程中经常用到的是燃气的低热值。有时为了进一步利用烟气中的热量，把烟气冷却至其露点温度以下使水蒸气冷凝液化，只有这时才用到燃气的高热值。实际使用的燃气是含有多种组分的混合气体。混合气体的热值一般根据混合法则由各单一气体的热值计算得出nnrHrHrHH22111.3燃烧所需空气量燃烧所需的氧一般是从空气中直接获得的。若不考虑空气中含有的少量的二氧化碳和其它稀有气体，干空气的容积成分可按含氧气21％、含氮气79％计算。在燃气的燃烧过程中要供给适量的空气，过多或过少都会对燃烧产生不利影响。1.3.1理论空气需要量理论空气需要量是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。当燃气组分已知时，根据各组分的反应方程式，可计算燃气燃烧所需的理论空气量。1.3.2实际空气需要量理论空气需要量是燃气完全燃烧所需的最小空气量。由于燃气与空气的混合很难达到完全均匀，如果在实际燃烧装置中只供给理论空气量，则很难保证燃气与空气的充分混合、接触，因而不能完全燃烧。因此实际供给的空气量应大于理论空气需要量，即要供应一部分过剩空气。过剩空气的存在增加了燃气分子与空气分子接触的机会，也增加了其相互作用的机会，从而促使其燃烧完全。实际供给的空气量V与理论空气需要量0V之比称为过剩空气系数，即0VV通常1。实际中，的取值决定于所采用的燃烧方法及燃烧设备的运行状况。在工业设备中，一般控制在1.05～1.20；在民用燃具中一般控制在1.3～1.8。在燃烧过程中，正确选择和控制值的大小是十分重要的，过小或过大都会导致不良后果。过小会导致不完全燃烧，造成能源的浪费和对环境的污染；过大则使烟气体积增大，炉膛温度与烟气温度降低，导致换热设备换热效率的降低与排烟热损失的增大，同样造成能源的浪费。因此，先进的燃烧设备应在保证完全燃烧的前提下，尽量使值趋近于1。1.4完全燃烧产物的计算燃气燃烧后的产物就是烟气。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。理论烟气的组分有CO2、H2O和N2。一些燃料中含有一定的硫分，则在它们的燃烧产物中还含有SO2。由于在作气体分析时，CO2和SO2的含量经常合在一起，而产生CO2和SO2的化学反应式也有许多相似之处，因此通常将CO2和SO2合称为三原子气体，用符号RO2表示。当有过剩空气时，烟气中除上述组分外还含有过剩空气，这时的烟气量称为实际烟气量。如果燃烧不完全，则除上述组分外，烟气中还将出现CO、CH4、H2等可燃组分。根据燃烧反应方程式可以计算出燃气中各可燃组分单独燃烧后产生的理论烟气量。1.5燃气燃烧温度及焓温图1.5.1燃气燃烧温度燃气燃烧时所放出的热量加热燃烧产物（烟气），使之能达到的温度称为燃气的燃烧温度。燃烧温度由燃烧过程的热量平衡来确定。一定比例的燃气和空气进入炉内燃烧，它们带入的热量包括两部分：①由燃气和空气带入的物理热（燃气和空气的热焓Ig和Ia）；②燃气的化学热（热值Hl）。热平衡的支出项包括：①烟气带走的物理热（烟气的焓If）；②向周围介质散失的热量Q2；③由于不完全燃烧而损失的热量Q3；④烟气中的CO2和H2O在高温下分解所消耗的热量Q4。由此可列出燃烧过程的热平衡方程：432QQQIIIHfagl（1-13）式中lH—燃气的低热值（kJ/m3干燃气）；gI—燃气的物理热（kJ/m3干燃气）；aI—1m3干燃气完全燃烧时由空气带入的物理热（kJ/m3干燃气）；fI—1m3干燃气完全燃烧后所产生的烟气的焓（kJ/m3干燃气）。其中：ggOHggtdccI)20.1(2（1-14）aaOHaatdccVI)20.1(20（1-15）fOONNOHOHROROftcVcVcVcVI)(22222222（1-16）由此可以得到烟气温度：22222212224320)20.1()20.1(OONNOHOHROROaaOHaggOHglfcVcVcVcVQQQtdccVtdccHt（1-17）以上ft即为燃气的实际燃烧温度actt。可见其影响因素很多，很难精确地计算。为了比较燃气在不同条件下的热力特性，假设出多种简化了的热平衡条件，从而得到了不同定义的燃烧温度：（1）热量计温度ct。假设燃烧过程在绝热条件下（02Q）进行,且完全燃烧（03Q）,忽略烟气成分的高温分解（04Q）,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ct，即：2222221222)20.1()20.1(0OONNOHOHROROaaOHaggOHglccVcVcVcVtdccVtdccHt（1-18）（2）燃烧热量温度thert。在上述（1）的假设条件下，若不计燃气和空气带入的物理热（0agII），并且假设1，得到的烟气温度称为燃烧热量温度thert，即：22222212OONNOHOHROROlthercVcVcVcVHt（1-19）可见，thert只与燃气组成有关，即只取决于燃气性质，所以它是燃气的热工特性之一，是从燃烧温度的角度评价燃气性质的一个指标。（3）理论燃烧温度tht。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tht，即：222222122240)20.1()20.1(OONNOHOHROROaaOHaggOHglthcVcVcVcVQtdccVtdccHt（1-20）tht是燃气燃烧过程控制的一个重要指标。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。（4）实际燃烧温度actt。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。人们根据长期的实践经验，得出了实际燃烧温度的经验公式：thacttt（1-21）式中—高温系数。对于一般燃气工业炉窑可取85.0~65.0；无焰燃烧器的火道可取9.0。燃气燃烧基本理论2.燃气燃烧过程2.1燃气燃烧反应机理古典化学动力学是从分子的观点出发，用化学反应方程式来研究化学反应的。但实验表明，绝大多数化学反应的机理都是十分复杂的，它们并不是按照反应方程式由反应物一步就获得生成物的，而是要经过复杂的中间过程，产生各种中间活性产物（或称活化中心），一步步完成的。物质能量在分子间的分布总是不均匀的，总存在一些不稳定的分子。参与反应的物质中的这些不稳定分子在碰撞过程中就不断率先变成了化学上很活跃的质点—活化中心。这些活化中心大多是不稳定的自由原子和游离基。活化中心与稳定分子相互作用的活化能是不大的，从而使化学反应避开了高能的障碍。因此通过活化中心来进行反应，比原来的反应物直接反应容易得多。通过活化中心与稳定分子的反应，又会不断形成新的中间活性产物，就象链锁一样，一环扣一环地相继发展，使反应一直继续下去，直到反应物消耗殆尽或通过外加因素使链环中断。燃烧反应过程中，每一链环都有两个或更多个活化中心可以引出新链环，链形分枝，使反应速度急剧增长，这种链反应称为支链反应。一旦着火，燃烧反应即具有不断分枝、自动加速的特性。燃烧反应的过程都很复杂，人们只对最简单的氢和氧的反应机理较为清楚。OHOH22222按照分子热活化理论，要使三个稳定的分子同时碰撞并发生反应的可能性是很小的。实验表明，在氢和氧的混合气体中，存在一些不稳定的分子，它们在碰撞过程中不断变成化学上很活跃的自由原子和游离基—活化中心（H、O、OH基）。通过活化中心进行反应，比原来的反应物直接反应容易很多。最初的活化中心可能是按下列方式得到的：OHOH222(1-25)MHHMH2(1-26)OOOO322(1-27)式中M—与不稳定分子碰撞的任一稳定分子。活化中心与稳定分子相互作用的活化能是不大的，故在系统中可发生以下反应：OHOOH2(1-28)OHHHO2(1-29)OHHHOH22(1-30)在上面三个基元反应中，(1-28)式的反应较(1-29)、(1-30)慢些，因此它的反应速度是决定性的。氢和氧的链锁反应可以用如下的枝状图来表示：从一个氢原子和一个氧分子开始，最后生成两个水分子和三个新的氢原子。新的氢原子可以成为另一个链环的起点，使链反应继续下去；也可能在气相中或在容器壁上销毁。销毁的方式可以是：MHMH22(1-31)MOHMOHH2(1-32)如果上述链环中形成的三个活化中心都销毁了，链反应就在这个环上中断。2.2燃气的着火与点火燃烧反应能够进行必须具备一定的能量条件，即必须有一个能量积聚的吸热准备过程。当氧化反应放热大于吸热的时候，才能称之为燃烧。除了在一定条件下会自发进行的自燃着火外，在实际工程中更广泛采用的是用强制点火的方法引燃可燃气体混合物。常见的点火源有电火花、小火焰及电热线圈等。若要点火能够成功，首先应使局部的可燃气体着火燃烧，形成初始的火焰中心，然后还要保证初始火焰中心能向其它未燃区传播开去。下面以电火花点火为例说明点火成功所必需的条件。把两个电极放在可燃混合物中，通电打出火花释放出一定能量，使可燃混合物点着，称为电火花点火。电火花可以使局部气体温度急剧上升，因此火花区可当作灼热气态物体，成为点火热源。当放电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，放电能量必须达到一最小值。这个必要的最小放电能量称为最小点火能Emin。初始火焰中心形成以后，火焰就要向四周传播。若电极间的距离过小，则会增大初始火焰中心对电极的散热，以至于火焰不能向周围混合物传播。因此，电极间的距离不宜过小。当电极间距小到无论多大的火花能量都不能使可燃混合物点燃时，这个最小距离就称之为熄火距离dq。图2-2点火能与电极间距的关系曲线图2-3人工燃气与天然气最小点火能的比较2.3燃气燃烧的火焰传播2.3.1火焰的传播方式火焰的传播有三种形式：正常的火焰传播、爆炸和爆燃。燃气在工业与民用燃烧设备中的燃烧过程都属于正常火焰传播过程，在工程中常见的是紊流状态下的火焰传播。当某一局部可燃混合物被点燃后，在着火处就形成一层极薄的燃烧焰面。这层焰面燃烧放出大量热