1、2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,1,第四章預混可燃氣的著火理論,在燃燒裝置中，著火是有條件的；另外，有些時候我們要防止發(fā)生著火，或者在燃燒后要求盡快熄滅，比如消防。因此我們要了解著火的理論。,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,2,基本概念,自燃：使可燃混合物在整個空間內(nèi)同時達到某一溫度，超過該溫度，混合物便自動地、不再需要外界作用而達到燃燒狀態(tài)。俗稱自燃著火、著火。 點燃：依靠外界能量（電火花、電弧、熾熱物體等）強制性滴在可燃混物某點點火，引起局部燃燒，并自動地向其它地方傳播，最終使整個混合物燃燒起來。實際燃燒裝置點采用點燃的方式。,熱自燃：混合物本身化學反應放熱

2、量大于系統(tǒng)散熱量時將造成熱量的積累，使溫度不斷升高、反應速度增大，最終達到很高的反應速度熱爆炸。,鏈鎖自燃：由于分枝鏈鎖反應造成活性中心迅速繁殖，不需要高溫條件，就可以達到很高的反應速度鏈鎖爆炸,實際自燃過程中，二者兼有，一般低溫下鏈鎖自燃主導，高溫下熱自燃主導。,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,3,第一節(jié)閉口系統(tǒng)熱自燃理論,熱自燃現(xiàn)象相當復雜，為了揭示本質，一般采用“閉口系統(tǒng)”來分析，并作以下假設：,1、反應在體積為V表面積為S的密閉容器內(nèi)進行；,2、容器壁溫始終保持T0； 3、容器內(nèi)可燃物具有相同的溫度、濃度、以及化學反應速度； 4、容器內(nèi)反應初 始溫度為T0; 5、容器內(nèi)

3、氣體與壁面的換熱系數(shù)不隨溫度壓力的變化而變化； 6、在可燃物著火之前，由于化學反應速度很低，故不計濃度變化,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,4,熱自燃著火理論認為，可燃預混物的著火是反應放熱因素與系統(tǒng)散熱因素之間相互作用的結果，如果某一系統(tǒng)中反應的放熱量大于系統(tǒng)的散熱量，那么，熱量將會在系統(tǒng)內(nèi)積累并引起系統(tǒng)溫度的升高和化學反應速率的增大，并最終導致可燃預混物的著火；反之，則不能發(fā)生著火。,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,5,閉口系統(tǒng)自燃條件分析,假設反應熱為q，則單位時間單位體積化學反應放出的熱量為：,折算到單位時間單位體積上系統(tǒng)的散熱量為：,一組超越函數(shù),一組

4、線性函數(shù),我們可以通過作圖方法分析兩組曲線之間的關系,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,6,低溫穩(wěn)定點,當放熱曲線與散熱曲線在低溫區(qū)僅有一個交點的時候，如圖所示1點，Q f= Q s。 在1點之前，放熱量大于散熱量，于是系統(tǒng)溫度逐漸升高。到達1點的時候，放熱量等于散熱量，達到平衡。,1點之后，即使存在某種外部因素促使系統(tǒng)溫度上升，但是由于系統(tǒng)散熱量大于反應放熱量，系統(tǒng)仍將被冷卻回到1點。,1點被稱為低溫穩(wěn)定點。混合物只能處于緩慢氧化狀態(tài)。燃料處于儲存期且有空氣進入就類似這種情況。,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,7,不同壁溫情況下Q-T曲線,低溫穩(wěn)定點A 又稱下穩(wěn)

5、定點,T=T01，兩個交點A、B。在B，只要溫度略高于T，系統(tǒng)溫度將不斷升高，達到爆炸。但是從A過渡到B很困難。B不屬于自燃范疇。,T=T02，兩條曲線恰好相切C點。當TQs,系統(tǒng)將自動升溫到C點。但是C點不是穩(wěn)定點，一旦溫度略有提高，放應放熱繼續(xù)超過系統(tǒng)散熱而達到自燃著火。因此相切是自燃著火的臨界條件。TC稱為著火溫度。,T=T03，任何時候放熱都大于散熱，熱量不斷積累，肯定能夠自燃著火,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,8,散熱條件對于自燃著火的影響,不同散熱條件下可以得到一組不同斜率的Qs曲線。散熱加強導致自燃著火條件被破壞，不再能夠發(fā)生自燃,散熱增強的方向。提高放熱系數(shù)或

6、者增加系統(tǒng)表面積等等,存放易燃物品的倉庫要加強通風,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,9,倉庫與通風設備,軸流風機,小型倉庫,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,10,可燃物濃度、壓力對于自燃著火的影響,壓力、濃度增加的方向,改變可燃物的濃度或者壓力將破壞原有的自燃著火條件。壓力提高、濃度提高將有利于自燃著火。,改變壓力與濃度將得到一組反應放熱曲線,內(nèi)燃機氣缸,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,11,自燃著火溫度的計算,右上兩式相除化為：,根據(jù)自然著火臨界條件,解二次方程，對應上穩(wěn)定點B，略去。,冪級數(shù)展開后，略去高次項，可以得到著火溫度,取T0=100

7、0K,E=167kJ/mol,可以計算得到TC-T0=50K。TC難以實驗測量，因此常用T0表示著火溫度（前提是必須滿足臨界條件）。記為T0C,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,12,一些可燃物的著火溫度,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,13,第二節(jié)熱自燃著火界限,如果改變?nèi)剂戏N類，燃料的性質也會改變，那么有可能油時滿足自燃著火條件，有時候則不滿足。因此肯定存在一個著火的界限，在該界限內(nèi)可以發(fā)生自燃著火，界限之外則不能。,根據(jù)臨界條件,可以得到：,滿足自燃條件時，P=PC ，T0=T0C，xf、xa分別為燃料與空氣的摩爾成分，xf=1-xa則：,因此可以寫出臨界著

8、火條件時各參數(shù)之間的關系：,對于特定可燃物，剔除常量與相關量，得到右面函數(shù)關系：,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,14,保持xf為常數(shù)自燃界限曲線,PC,TC,以aS/V為參變數(shù)作出PCT0C的關系曲線,2、在一定PC下，隨著散熱條件的提高，只能在更高的溫度下才有可能發(fā)生自燃著火。,1、對應于某個壓力PC與散熱條件，則對應著一定的溫度TC，當T0TC時,系統(tǒng)不能發(fā)生自燃著火。,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,15,保持T0C為常數(shù)自燃界限曲線,以aS/V為參變數(shù)作出PCxf的關系曲線,1、對應于某個壓力PC，自燃著火僅能夠在一定的xf范圍內(nèi)發(fā)生；并且壓力越高著火

9、范圍越寬。,2、一定的壓力PC下，散熱條件加強，自燃著火的范圍將變窄。,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,16,保持PC為常數(shù)自燃界限曲線,以aS/V為參變數(shù)作出TCxf的關系曲線,1、對應于某個溫度TC，自燃著火僅能夠在一定的xf范圍內(nèi)發(fā)生；并且溫度越高著火范圍越寬。,2、一定的溫度TC下，散熱條件加強，自燃著火的范圍將變窄。,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,17,保持PC為常數(shù)自燃界限曲線,以aS/V為參變數(shù)作出TC過量空氣系數(shù)a的關系曲線,1、對應于某個溫度TC，自燃著火僅能夠在一定的a范圍內(nèi)發(fā)生；并且溫度越高著火范圍越寬。,2、一定的溫度TC下，散熱條件加

10、強，自燃著火的范圍將變窄。,煤粉制備過程中煤粉與空氣的混合物容易自燃著火，采用措施：保證煤粉溫度低于臨界著火溫度；在煤粉干燥過程中使用熱煙氣以降低氧氣含量；避免煤粉沉積，使之在小于孕育時間的情況下離開煤倉。,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,18,孕育時間感應期,感應期：滿足臨界著火條件下，可燃混合物從開始反應到出現(xiàn)火焰所需要的時間，其物理意義為從環(huán)境溫度T0升高到著火溫度TC所需要的時間。,系統(tǒng)的溫度變化與反應放熱與系統(tǒng)散熱的差值有關,1、對于I、II而言，熱量之差越來越接近于零，系統(tǒng)溫度逼近漸近線TC,2、對于III，系統(tǒng)溫度不斷提高，在T時溫度時間曲線出現(xiàn)拐點；拐點之前，曲

11、線下凹，溫度減速上升；拐點之后，上凹，溫度加速導致自燃著火。拐點之前的那段時間就是感應期。,3、提高初溫相當于縮短感應期；當初溫高于臨界溫度時依然存在，此圖無法示出。,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,19,第三節(jié)鏈鎖自燃理論,很多燃燒反應都屬于鏈鎖反應，因此有必要探討鏈鎖自燃的理論。為了便于闡明分枝鏈鎖自然理論，一般是假定反應在等溫條件下進行。 由于分枝反應中同時存在活性中心的繁殖與鏈的銷毀，因此反應速度有可能存在以下三種情況：,鏈分枝速度高于銷毀速度，反應將加速到自燃著火。,鏈分枝速度等于銷毀速度，反應處于臨界狀態(tài)，著火臨界條件。,鏈分枝速度低于銷毀速度，反應將不能達到自燃著

12、火。,如果活性中心由于鏈分枝增長的速度W1=fC；銷毀速度W2=gC；g、f分別為使活性中心銷毀、增加的速度常數(shù)。f=g就是自燃著火臨界條件,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,20,氫氧混合物自然著火界限著火半島,氫氧自燃著火界限PCTC曲線倒S形,1、低溫時無論壓力多高都不能自燃,2、中溫時只能在壓力PaPb之間可以自燃,形成著火半島,3、存在三個自燃著火界限,實驗證明：鏈銷毀速度常數(shù)g與壓力有關； 而鏈分枝速度常數(shù)與壓力無關。,壓力越低，活性中心擴散速度越高，碰壁的可能性越大，故gf；出現(xiàn)低界限,提高壓力，活性中心濃度增加，相互碰撞的可能性增大，故gf；出現(xiàn)高界限,第三界限是

13、由于熱量積累造成的，熱自燃理論,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,21,第四節(jié)開口系統(tǒng)（燃燒室）熱自燃理論,柴油機燃燒室,蘇30尾噴,焚燒爐,多數(shù)燃燒裝置都是源源不斷送入可燃物與氧化劑，燃燒產(chǎn)物連續(xù)排出；因此燃料在燃燒室內(nèi)的逗留時間使有限的，而著火、燃燒過程需要一定時間，因此需要引出開口系統(tǒng)來討論自然著火理論。,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,22,開口系統(tǒng)零維模型與基本假設,1、設系統(tǒng)是一兩端開口體極為V的圓柱形容器，流入可燃混合物具有均勻的初始溫度T0和初始濃度C0；,2、可燃混合物進入系統(tǒng)后迅速反應，使其溫度升高為T、濃度降低為C；且T、C處處相等。故稱零維

14、模型。,3、容器是絕熱的，對外無散熱。,4、所進行的反應是一級反應。,能量平衡：反應物放熱全部被生成物帶走,質量平衡：反應物消耗等于生成物增加,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,23,無量綱數(shù)的引入,1、無量綱放熱率：1m3可燃物中已經(jīng)轉變?yōu)闊崃康牟糠终蓟旌衔锼心芰康谋壤?2、無量綱吸熱率：1m3可燃物中用于加熱生成物并使之升溫的熱量占混合物所有能量的比例,3、無量綱逗留時間：逗留時間與化學反應時間的比值,4、無量綱溫度,5、無量綱發(fā)熱量,那么能量平衡方程可以寫為：,質量平衡方程可以寫為：,表征反應放熱量,表征溫升所需要熱量,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,24

15、,無量綱初始溫度0對著火、熄火的影響,在無量綱逗留時間 一定時作1曲線；在無量綱發(fā)熱量一定時作不同初始溫度下的2曲線。,1、當0 01時，三個交點。A是下穩(wěn)定點，緩慢氧化狀態(tài)。B不穩(wěn)定點，只要溫度稍有降低，則趨于A，稍有升高則趨向C。C點上穩(wěn)定點，激烈燃燒狀態(tài)，但如果沒有外界熱量，不可能達到C點。此初溫時不能著火。,2、提高0，當0 02時，兩曲線相切于D點，是著火的臨界狀態(tài)，只要溫度稍有提高，系統(tǒng)將趨向于上穩(wěn)定點E達到燃燒狀態(tài)。,實際設備通過預熱燃料與空氣，或者煙氣回流達到促進燃燒的目的,3、當系統(tǒng)處于燃燒狀態(tài)時，如果降低T0促使0降低到01時，也不會熄火。只有當0 03時，相切于F點，溫度

16、略有下降將趨向G點，燃燒過程終止。,熄火比著火條件更為不利,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,25,著火與熄火的臨界條件,綜上所述，當發(fā)生由低 、低的不穩(wěn)定工況趨向高 、高的穩(wěn)定工況時，將產(chǎn)生著火。反之，當發(fā)生由高 、高的工況趨向低 、低的緩慢氧化工況時，將產(chǎn)生熄火。著火與熄火的臨界條件為：,注意：盡管著火與熄火的臨界條件表達式相同，但是產(chǎn)生的條件卻不同。熄火條件更為不利,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,26,無量綱逗留時間對著火、熄火的影響,在無量綱發(fā)熱量和無量綱初始溫度0不變時，在不同無量綱逗留時間 下，作1曲線、2曲線。,1、增加無量綱逗留時間有利于自燃著火

17、。相當于增加了燃燒室長度、降低了可燃物流速、提高了化學反應速度。,2、對應于著火所需要的無量綱逗留時間要高于熄火時的無量綱逗留時間，因此熄火要在更加不利的條件下發(fā)生。,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,27,無量綱發(fā)熱量對著火、熄火的影響,在無量綱逗留時間 和無量綱初始溫度0不變時，在不同無量綱發(fā)熱量 下，作1曲線、2曲線。,1、增加無量綱發(fā)熱量有利于自燃著火。這是因為無量綱發(fā)熱量越高，則達到相同反應率時溫升越高，對著火有利。,2、對應于著火所要求的無量綱發(fā)熱量要高于熄火時的無量綱發(fā)熱量，再次說明：熄火要在更加不利的條件下發(fā)生。,所以：對應著火的空氣系數(shù)濃限與稀限之間的范圍要窄于

18、熄火時候的濃稀限范圍。也就是說，熄火時，燃料要么很過剩，要么很少。,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,28,散熱對著火、熄火的影響,在以上的討論中系統(tǒng)都是絕熱的，但是實際的燃燒系統(tǒng)很難保證絕熱，如果考慮火焰輻射等散熱，那么散熱曲線2將不再是直線。,輻射換熱系數(shù)對2的影響如圖，可見輻射換熱系數(shù)越大，著火越困難；并且上穩(wěn)定點的放熱率和溫度水平都較絕熱時降低。因此冷卻較強、散熱較強的燃燒裝置不容易著火，而且易于熄火。,絕熱上穩(wěn)定點位置,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,29,第五節(jié)點燃理論,實際燃燒裝置通常不具備自燃著火的條件，必須依靠外加能量使可燃物著火，即點燃（點火）

19、。過程如下：外界能量在局部點燃混合物，形成局部火焰，然后火焰加熱引燃相臨的可燃物，依次使其余部分燃燒。,火箭,火炬,煤粉火焰,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,30,電火花點火,利用高壓、高頻等在點火電極之間產(chǎn)生高能電火花，點燃可燃混合物。一般分高壓電火花點火、高頻高壓電火花點火、高能電火花點火等。,1、高壓點火：能量較低、電極間易積炭，可靠性差。,3、高能電火花點火：在電極之間充填半導體材料，釋放能量較大，在積炭情況仍然可以正常工作，可以直接點燃氣體燃料與輕質燃油。,2、高壓高頻點火：利用高壓高頻振蕩器產(chǎn)生100Hz、1520KV高壓電在電極之間產(chǎn)生電火花；擊穿能力強、點燃可靠

20、,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,31,等離子體點火,等離子點火就是利用直流電將以壓縮空氣為介質的氣體電離后產(chǎn)生功率穩(wěn)定、定向流動的等離子弧，在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生溫度達30004000K的局部火核，當可燃物與等離子流接觸時，瞬間發(fā)生熱化學反應，實現(xiàn)點火燃燒的目的?？梢灾苯狱c燃重油、煤粉。,高溫等離子流,煤粉火焰,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,32,電弧點火,電弧,利用大電流在兩極之間產(chǎn)生電弧，依靠電弧的熱量來點燃可燃物。產(chǎn)生電弧的設備體積龐大、電源系統(tǒng)復雜且電極容易燒蝕，現(xiàn)在較少應用。,電弧點火電源,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,33,熾熱物體點火

21、,利用電流流過電阻絲、棒等產(chǎn)生的熱量來點燃可燃物，這種點火方式設備結構簡單緊湊，但是由于電阻絲容易氧化燒蝕，熱損比較嚴重。,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,34,火焰點火,很多燃燒裝置因為燃料著火困難，多采用多級點火方式，由電火花點燃易燃燃料，形成點火能量較大的引燃火焰，然后再點燃重油、煤粉等。點火可靠，多用于點燃條件較差的燃汽輪機燃燒裝置、煤粉爐等。,2020/7/13,河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院,35,熾熱物體點火的“零值邊界梯度”模型,縱軸表示熾熱物體表面，X方向表示可燃氣體邊界層。實線是導熱造成的溫度分布曲線,當T1TC時，導熱促使可燃物溫度提高略高于T0，化學反應速度略有提高，釋放出少量熱量，從而使溫度分布變成虛線所示。陰影部分代表溫升。,當T1TC時，化學反應速度增大，釋放熱量增加，從而使壁面溫度等與邊界層溫度、熱流為零。此時dT/dx=0，是熾熱物體點火的臨界條件。