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1、第章可燃气体燃烧,2,可燃气体燃烧的形式 扩散燃烧 预混燃烧,燃气+空(氧)气,3,4.1 预混气中火焰的传播理论,预混气中火焰的传播分为两种形式缓燃（正常火焰传播）爆震（爆轰）缓燃（正常火焰传播）火焰传播机理：依靠导热和分子扩散使未燃混合气温度升高，并进入反应区而引起化学反应，导致火焰传播传播速度一般不大于13m/s爆震（爆轰）火焰传播机理：传播不是通过传热、传质发生的，它是依靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度不断升高而引起化学反应的，从而使燃烧波不断向未燃混合气中推进。传播速度很高，常大于1000m/s，超音速,4,假定 混合气的流动（或燃烧波的传播速度）是一维的稳定流动 忽略粘性力；其燃
2、烧前后的定压比热容CP为常数；与管壁无摩擦、无热交换 燃烧波的传播速度=流速u,图4-1 燃烧过程示意图-火焰驻定,一维定常流动的平面波-火焰驻定,5,连续方程：（质量平衡）,动量方程：,常数,能量方程：,常数,状态方程：,或,常数,6,热量（焓）方程：,代入能量方程可得：,7,连续方程：（质量平衡）,动量方程：,8,瑞利（Rayleigh）直线 横坐标：1/P 纵坐标：pP 斜率：-m2,瑞利（Rayleigh）方程,瑞利方程反应了在给定的初态（p，）条件下，终态（pp，p）应满足的关系。,9,能量方程：,10,前式结论代入可得：,整理可得：,11,休贡纽（Hugoniot）方程（雨果尼特）
3、,休贡纽方程曲线 横坐标：1/P 纵坐标：pP,p,1/,休贡纽（Hugoniot）方程（雨果尼特）,休贡纽方程反应了在给定初态 p、及反应热Q的条件下，终态pp、p的关系。,12,其中 M 为马赫数。,此外，由瑞利方程,还可得：,结合声速公式：,13,(p,1/),图4-2 燃烧的状态图,p,A,休贡纽曲线,瑞利曲线,（）,Q1,Q2,Q2 Q1,B,D,E,C,F,上C-J点,下C-J点,（）,（）,G,H,（）,1/,A,14,讨论：（p，1/）是初态通过（p，1/）点，将平面分成四个区域。过程的终态只能发生在、区，不可能发生在、区交点A、B、C、D、E、F、G、H等是可能的终态。区域（
4、）是爆震区，而区域（）是缓燃区。区域（），1/P p，即经过燃烧后气体压力增加、燃烧后气体密度增加、燃烧以超音速传播（M1）。区域（），1/P1/，pP p，即经过燃烧后气体压力减小或接近不变、气体密度减小、燃烧以亚音速进行（M1）。,15,0.060.25,1.42.6,P/,416,821,TP/T,0.980.976,1355,PP/P,46,0.40.7,uP/u,0.00010.03,510,u/a,正常火焰传播,爆轰,常见的比值大小,比值,气体中爆轰和正常火焰传播间定性差别,16,瑞利与休贡纽曲线分别相切于B、G两点。B点称为上恰普曼-乔给特（Chapman-Jouguet）点，简
5、称C-J点，具有终点B的波称为C-J爆震波。AB段称为强爆震，BD段称为弱爆震。EG段为弱缓燃波，GH段称为强缓燃波。大多数的燃烧过程是接近于等压过程的，因此强缓燃波不能发生，有实际意义的将是EG段的弱缓燃波，而且是M0当Q0时，则休贡纽曲线通过初态（p，1/）点，这就是普通的气体力学 激波。,17,4.2 层流火焰传播速度及其传播机理,火焰传播速度的定义火焰前沿（前锋、波前）一层一层的混合气依次着火，薄薄的化学反应区开始由点燃的地方向未燃混合气传播，它使已燃区与未燃区之间形成了明显的分界线，称这层薄薄的化学反应发光区为火焰前沿（锋面）实验证明，火焰前沿的厚度是很薄的，只有十分之几毫米甚至百分
6、之几毫米，分析问题中可将其看作一“几何面”（锋面）,18,火焰锋面的特点火焰前沿可分为两部分：预热区 和 化学反应区火焰前沿存在强烈的 导热 和 物质扩散,19,图4-3 稳定的平面火焰锋面结构,（火焰焰锋宽度）,P,C,SL,T C,CC0,TT0,o,o,a,a,T=f1（x）,C=f2（x）,W=f3（x）,活化中心,W,新鲜混合气,已燃气体,x,火焰前锋的宽度极小，但出现极大的温度梯度dT/dx和浓度梯度dC/dx，因而火焰中有强烈的热流和扩散流 热流的方向从高温火焰向低温新鲜混合气，而扩散流的方向则从高浓度向低浓度，新鲜混合气的分子、燃烧产物分子、游离基均扩散,反应区,预热区,20,
7、火焰位移速度 及 火焰法向传播速度火焰位移速度 是火焰前沿在未燃混合气中相对于静止坐标系的前进速度，其前沿的法向指向未燃气体。位移速度为：火焰法向传播速度 是指火焰相对于无穷远处的未燃混合气在其法线方向上的速度。火焰法向传播速度 S1 为 当气流速度 wn0 时，S1u，这时所观察到的火焰移动的速度就是火焰传播速度 wn 为 气流速度 w 在火焰锋面法向上的分量,21,火焰传播机理火焰传播的热理论：火焰能在混合气体中传播是由于火焰中化学放出的热量传播到新鲜冷混合气体，使得混合气体温度升高，化学反应加速的结果。火焰传播的扩散理论 扩散理论认为，凡是燃烧都是链式反应，火焰能在新鲜混合气体中传播是由
8、于火焰中的自由基向新鲜冷混合气体中扩散，使得新鲜冷混合气体发生链式反应的结果。（本节主要讨论火焰传播的热理论）,22,层流火焰传播速度马兰特简化分析,物理模型,马兰特简化分析的基本思想：若由区导出之热量能使未燃混合气之温度上升至着火温度Ti，则火焰就能保持温度的传播,C,Tm,Ti,T,x,图4-4 火焰前沿中的温度分布,（）预热区,（）反应区,23,设反应区II中温度分布为线性分布：,热平衡方程式为：,因为：,或者：,式中：,所以：,（导温系数）,24,该式表明：层流火焰传播速度 Sl 与导温系数 a 及化学反应速度 Ws 的平方根成正比,则：,代入上式可得：,又：,所以：,设：为化学反应时
9、间，为初始质量浓度，为初始相对浓度 为反应速率,25,对于二级反应，火焰传播速度 Sl 将与压力无关。大多数碳氢化合物与氧的反应，其反应级数接近 2，因此火焰传播速度 Sl 与压力关系不大，实验也证明了这个结论。应该指出：该理论尚不完善，例如未燃混合气体的初始温度 T 就等于着火温度 Ti 的话，则火焰传播速度为无穷大，这显然是错误的。,根据 关系可得：,26,影响燃烧速度的因素,燃料/氧化剂比值的影响 燃料结构的影响 压力的影响 混合物初始温度的影响 火焰温度的影响 惰性添加剂的影响 活性添加剂的影响,27,图4-5混合物成分对燃烧速度的影响,图4-6燃料百分数对燃烧速度的影响,（1）燃料/
10、氧化剂比值的影响,28,实验研究发现：可燃气与空气的存在一个最佳的比值，在此最佳比值的条件下，火焰传播速度最快，否则会下降。理论上这个比值为“化学当量比”，即空气过量系数=1 但实际情况时并非等于 1，而是有所差别。火焰传播速度存在一个浓度极限的问题，混合气体中如果可燃气体太少或太多，火焰均不能燃烧，可燃气体只有在一定浓度范围内才能传播。,29,（2）燃料结构的影响,图4-7饱和碳氢化合物及非饱和碳氢化合物,图4-8 压力对燃烧速度的影响,（3）压力的影响,30,（4）混合物初始温度的影响,31,（5）火焰温度的影响,32,（6）惰性添加剂的影响,33,（7）活性添加剂的影响,在CO/air火
11、焰中增加少量的H2后由于链反应效应可使燃烧速度大为增加。,图4-14 H2CO混合剂在空气中燃烧的速度,34,4.3 可燃气体爆炸,预混气爆炸的温度计算以乙醚为例说明预混气爆炸时的温度计算密闭容器中乙醚和空气的预混气的燃烧，由于燃烧速度快，热量来不及散发，可近似看作绝热等容燃烧，燃烧产生的热量全部用来加热燃烧产物。如果乙醚与空气的比值为化学当量比，并已知燃烧热、燃烧产物量及热容，就可以计算出乙醚爆炸时的最高温度。理论燃烧温度的计算爆炸温度的计算,35,可燃混气爆炸压力的计算爆炸前：n1、T1、P1、V1，爆炸后：n2、T2、P2、V2（V1）则有：P1V1n1RT1，P2V1n2RT2两式相除
12、得：以乙醚为例：C4H10O+6(O2+3.76N2)=4CO2+5H2O+63.76N2 n1=29.6 n2=31.6,36,某些物质的最大爆炸压力,8.7,正戊烷,9.0,苯,8.6,丙烷,9.9,环氧乙烷,7.4,氢,8.9,乙烯,6.8,氯乙烯,7.5,乙醇,5.0,硫化氢,9.2,乙醚,7.8,二硫化碳,10.3,乙炔,8.6,丙稀,8.9,丙酮,8.6,环乙烷,7.3,乙醛,爆炸压力（105Pa）,物质,爆炸压力（105Pa）,物质,37,爆炸时的升压速度,38,某些可燃气和蒸气的最大爆炸压力和升压速度,118,500,8.6,1,4,苯,119,405,8.5,1,6,丙酮,1
13、21,452,8.6,1,3,环己烷,117,456,8.7,1,3,己烷,128,464,7.9,1,7,乙烷,92,334,7.35,1,10,甲烷,730,2703,7.3,1,35,氢,平均压力上升速度（105Pa/s）,最大压力上升速度（105Pa/s）,最大爆炸压力（105Pa）,初压（105）Pa,浓度（体积）,名称,39,爆炸威力指数,爆炸威力指数最大爆炸压力平均升压速度,几种可燃气的爆炸威力指数（1010Pa2/s）,爆炸总能量,爆炸总能量可用下式计算：,40,爆炸参数测定,（一）实验设备,图4-17 可燃气体爆炸测定仪1.爆炸室；2.容器；3.半圆形喷管；4.点火源；5.压
14、力传感器；6.可燃气/空气入口；7.吹洗空气；8.排气管,41,（1）爆炸压力：Pm（2）爆炸最大压力：Pmax（3）升压速度：（4）最大升压速度：（5）爆炸指数Km：（6）最大爆炸指数Kmax：（7）扰动指数tv（点燃延迟时间）：tv（8）扰动指数Tu:,（二）测试参数,42,（1）静态可燃气爆炸试验在爆炸室中预制一定浓度的可燃气与空气混合物，压力为大气压，确保气体混合均匀且处于静态，打开压力记录仪，启动点火源，测得 Pm 和 在一个大的气体浓度范围内重复试验，可测出Pmax和（2）动态可燃爆炸试验在爆炸室中预制一定浓度的可燃气与空气混合物，用空气加压5升容器至2MPa，开启容器阀门，打开压
15、力记录仪，在某一点燃延迟条件下，点燃扰动的可燃气与空气混合物（延迟时间越长，混合物扰动程度越低）。,（三）实验方法,43,4.4 爆炸极限理论及计算,爆炸极限理论 爆炸下限爆炸上限混合爆炸物浓度在爆炸下限以下时含有过量空气，由于空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延，此时，活化中心的销毁数大于产生数。同样，浓度在爆炸上限以上，含有过量的可燃性物质，空气非常不足（主要是氧不足），火焰也不能蔓延。但此时若补充空气同样有火灾爆炸的危险,当混合气燃烧时，其波面上的反应如下式：,ABCDQ,反应热：Q=W-E,44,设燃烧波内反应物浓度为n 则单位体积放出能量为nw。燃烧波向前传递，使前方分子活化，活化概率为
16、（1）则活化分子的浓度为nW/E。第二批活化分子反应后再放出能量为nW2/E。,前后两批分子反应时放出的能量比为,当1时，表示放热量越来越大，反应分子越来越多，形成爆炸,45,在爆炸极限时，1,设爆炸下限为L下（体积百分比）与反应概率成正比，即：,当Q与E相比较大时，上式可近似写做：,各可燃气体的活化能变化不大，可大体上得出：,爆炸下限L下与可燃性气体的燃烧热Q近于成反比，可燃性气体燃烧热越大，爆炸下限就越低。,46,（1）初始温度爆炸性混合物的初始温度越高，则爆炸极限范围越大，即爆炸下限降低而爆炸上限增高,图4-19 温度对甲烷爆炸极限的影响,图4-20 温度对氢气爆炸极限的影响,爆炸极限的
17、影响因素,47,（2）初始压力 一般压力增大，爆炸极限扩大 压力降低，则爆炸极限范围缩小 待压力降至某值时，其下限与上限重合，将此时的最低压力称为爆炸的临界压力。若压力降至临界压力以下，系统便成为不爆炸,温度对丙酮爆炸极限的影响,48,49,（3）惰性介质即杂质若混合物中含惰性气体的百分数增加，爆炸极限的范围缩小，惰性气体的浓度提高到某一数值，可使混合物不爆炸,图4-23 各种惰性气体对甲烷爆炸极限的影响,加入惰性气体，爆炸上限显著下降爆炸下限略有上升最终合为一点 爆炸临界点惰化能力：CCl4 CO2 H2O N2 He Ar,50,（4）容器 容器管子直径越小、爆炸极限范围越小。同一可燃物质
18、，管径越小，其火焰蔓延速度亦越小。当管径（或火焰通道）小到一定程度时，火焰即不能通过。这一间距称最大灭火间距，亦称临界直径(消焰径）。当管径小于最大灭火间距，火焰因不能通过而被熄灭。（5）点火能源 火花的能量、热表面的面积、火源与混合物的接触时间等，对爆炸极限均有影响,图4-24 火源能量对甲烷爆炸极限的影响（常压，26）,51,爆炸极限的测定爆炸极限的测定一般采用传播法测试原理：首先将爆炸管内抽成真空，然后充以一定浓度的可燃气与空气的混合气体，用循环泵使可燃气混合均匀，再用电极点火，观察火焰传播情况。火焰传播的最低浓度或最高浓度（可燃气的体积百分含量），即为该可燃气的爆炸下限或爆炸上限。,爆
19、炸极限的经验公式,1）通过1摩尔可燃气在燃烧反应中所需氧原子的摩尔数（N）计算有机可燃气爆炸极限（体积百分数）,如：甲烷：N=4 x下=6.5%，x上=17.3%，,52,（2）利用可燃气体在空气中完全燃烧时的化学计量浓度x0计算有机物爆炸极限,AnO23.76nN2生成物,有机可燃气A在空气中的化学计量浓度为,如：甲烷：n=2 x0%=9.5%，x下=5.2%，x上=14.7%,53,（3）通过燃烧热计算有机可燃气的爆炸下限,（4）多种可燃气体组成的混合物爆炸极限的计算,莱夏特尔公式,莱夏特尔公式的证明如下：证明时的指导思想：将可燃混合气体中的各种可燃气与空气组成一组，其组成符合爆炸下限时的
20、比例，可燃混气与空气组成的总的混合气体为各组之和。,54,1）设各种可燃气体积为：V1，V2，V3，Vi。则总的可燃气体积为,VV1+V2+V3+Vi,2）设各组可燃气空气在爆炸下限时的体积为：V1，V2，V3，VI。则总的可燃混气空气体积为,V V1+V2+V3，VI,3）设各种可燃气爆炸下限为：x1下，x2下，x3下，xi下。则,55,4）设总的可燃混气的爆炸下限为x下。则有,（5）设,56,例题,有燃气体含C2H6 40%，C4H10 60%，取1m3该燃气与19m3空气混合。该混合气体遇明火是否有爆炸危险？（C2H6和C4H10在空气中的爆炸上限分别为12.5%、8.5%，下限为3.0
21、%、1.6%）解：乙烷：P1=40%丁烷：P2=60%,混合气中可燃气浓度：1/（1+19）=5%2.0%5%9.7%故，该混合气体遇火爆炸。,57,例题,有混合气体含C2H6 1%，C4H10 1.5%，其余为空气。该混合气体遇明火是否有爆炸危险？（C2H6和C4H10在空气中的爆炸上限分别为12.5%、8.5%，下限为3.0%、1.6%）解：可燃气体总浓度1%1.5%2.5%乙烷：P11/2.5=40%丁烷：P2=1.5/2.5=60%2.0%2.5%9.7%故，该混合气体遇火爆炸。,58,（5）含有惰性气体的可燃混气爆炸极限的计算方法,如果可燃混气中含有惰性气体，如N2、CO2等，计算其
22、爆炸极限时，仍然利用莱夏特尔公式但需将每种惰性气体与一种可燃气编为一组，将该组气体看成一种可燃气体成分。比如：H2+N2,CO+CO2,CH4该组在混合气体中的体积百分含量为该组中惰性气体和可燃气体体积百分含量之和。而该组气体的爆炸极限可先列出该组惰性气体与可燃气的组合比值，再从图中查出该组气体的爆炸极限，然后代入莱夏特尔公式进行计算。,59,60,图4-26 乙烷、丙烷、丁烷和氮、二氧化碳混合物气体在空气中的爆炸极限,61,例41 求煤气的爆炸极限。煤气组成为：H2一12.4；CO一27.3；CO2一6.2；O2一0；CH4一0.7；N2一53.4。,解 分组：CO2+H2；N2+CO；CH
23、4 CO2+H2：6.2+12.418.6；N2+CO：27.3+53.480.7；CH4：0.77。,从图425查得：H2CO2组的爆炸极限为：6.070；CON2组的爆炸极限为：4073。CH4的爆炸极限为：515,问题：1m3该煤气和19m3空气混合，遇明火是否爆炸？,与管壁无摩擦、无热交换（1）燃料/氧化剂比值的影响条件下，终态当管径（或火焰通道）小到一定程度时，火焰即不能通过。火焰传播的最低浓度或最高浓度（可燃气的体积百分含量），即为该可燃气的爆炸下限或爆炸上限。（4）多种可燃气体组成的混合物爆炸极限的计算2.图4-16 甲烷爆炸时升压速度该混合气体遇明火是否有爆炸危险？（C2H6和
24、C4H10在空气中的爆炸上限分别为12.设反应区II中温度分布为线性分布：（p，1/）是初态火焰传播速度存在一个浓度极限的问题，混合气体中如果可燃气体太少或太多，火焰均不能燃烧，可燃气体只有在一定浓度范围内才能传播。与管壁无摩擦、无热交换代入能量方程可得：（7）扰动指数tv（点燃延迟时间）：tv爆炸下限L下与可燃性气体的燃烧热Q近于成反比，可燃性气体燃烧热越大，爆炸下限就越低。,62,表4-7 某些气体混合物的爆炸浓度极限,63,（六）、爆炸浓度极限图可燃气体助燃气体惰性气体（F-S-I）可燃气体1可燃气体2助燃气体（F1-F2-S）,64,（一）三角坐标表示方法,A,C%,B%,B,A%,C
25、,65,C,（二）三角坐标的性质,A,B,M,N,性质1,直线MN上的任一点所表示的混合物中的A组分含量相同。,P,性质2,直线AP上的任一点所表示的混合物中B、C组分的比值（B%/C%）相同。,Q,推论,在Q点所表示的混合物中加入A组分，则 Q 点沿PA直线向A点移动。,66,（三）F-S-I 体系爆炸浓度极限图（以可燃气氧气氮气体系为例）,F,S,I,U,L,C,L,U-可燃气在氧气中的爆 炸浓度极限,C-爆炸临界点,（氧）,（氮）,LUC-爆炸三角形,20.9,U,L,L,U-可燃气在空气中的爆炸浓度极限,P,Q,Q-失爆氧浓度,PCQI-绝对安全区,LUC-爆炸三角形,UFPC-潜在危
26、险区,SLCQ-相对安全区,67,68,69,例题,已知乙烯在氧气中的爆炸浓度极限为380%，氮气惰化时的爆炸临界点为（氧气10%，氮气87%，乙烯3）。(1)请绘出乙烯氧气氮气体系的爆炸浓度极限图。(2)用图解法计算乙烯在空气中的爆炸浓度极限。(3)在1m3的混合气（乙烯20%，其余为空气）中，至少掺入多少m3的氮气后遇明火不会爆炸。,70,例题解答：,乙烯,氧,氮,80%,3%,C,20.9%,35%,2）乙烯在空气中的L=3%U=35%,20%,75%,3）若要遇明火不爆炸则氮气浓度大于75%设加入氮气 x m3，有：,解之，得x0.472m3,71,（三）F1-F2-S 体系爆炸浓度极限图（以乙烷乙烯空气体系为例）,乙烷,乙烯,空气,12.5%,3.0%,2.7%,36%,例：用图解法计算 25%乙烯,75%乙烷混合气体在空气中的爆炸浓度极限。,
