氣體燃料燃燒常識(shí)

1、氣體燃料燃燒知識(shí)（有焰燃燒）目錄1323344455667788991010氣體燃料燃燒知識(shí)1、什么是燃料？燃料分哪幾類？燃料：凡是在燃燒時(shí)，能夠放出大量的熱，并且此熱量能夠經(jīng)濟(jì)的被利用在工業(yè)和其它方面的物質(zhì)統(tǒng)稱為燃料。通常所說(shuō)的燃料是指那些能在空氣中進(jìn)行燃燒，以碳為主要成分的物質(zhì)，一般稱之為“碳質(zhì)燃料” 。如煤、重油和燃?xì)狻０雌鋪?lái)源和物態(tài)，燃料一般可分為：固態(tài)燃料、液態(tài)燃料和氣態(tài)燃料三類。表 1燃料的分類燃料物態(tài)來(lái) 源天然燃料人造燃料固體木柴、煤、硫化礦、頁(yè)巖等木炭、焦炭、粉煤、塊煤、硫化礦精礦等液體石油汽油、煤油、重油、酒精等氣體天然氣高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣、沼氣、石油裂化汽等2、氣體燃料的

2、種類和組成我國(guó)氣體燃料通常按其成因分類：分為天然氣、人工燃?xì)狻⒁夯蜌夂驼託夤菜念悺＃?1）天然氣：主要指氣田氣、油田伴生氣、凝析氣田氣、煤層氣和礦井氣。其主要組成是甲烷，含量 90%左右，還含有乙烷、丙烷、丁烷等烷烴。（ 2）人工燃?xì)猓褐饕父绅s煤氣、氣化煤氣和油制燃?xì)獾取，F(xiàn)代煤化工具有裝置規(guī)模大、技術(shù)集成度高、資源利用優(yōu)于傳統(tǒng)煤化工等特點(diǎn)，利用褐煤制天然氣。 A. 大唐國(guó)際內(nèi)蒙古克旗年產(chǎn) 40 億立方米煤（褐煤）制天然氣項(xiàng)目，擬于 2012 年 6 月建成向北京供氣； B. 大唐遼寧阜新年產(chǎn) 40 億立方米煤（褐煤）制天然氣于2010 年動(dòng)工等數(shù)個(gè)煤制天然氣項(xiàng)目已在建設(shè)中。（ 3）液化石

3、油氣：以凝析氣田氣和石油伴生氣或煉廠氣為原料氣，經(jīng)加工而制得的可燃?xì)夥Q為液化石油氣。（ 4）沼氣：各種有機(jī)物質(zhì)在隔絕空氣條件下發(fā)酵，并在微生物作用下，經(jīng)生化作用，產(chǎn)生的可燃?xì)怏w稱為沼氣。主要組分是甲烷，體積分?jǐn)?shù)為60%左右。3、天然氣的特性企業(yè)使用的天然氣，通常是凈化處理過(guò)的天然氣，主要成分是甲烷，現(xiàn)將氣體燃料的特性列于下表，以作比較：表 2氣體燃料的特性燃料名稱著火溫度著火濃度極限 %發(fā)熱量 KJ/m3燃燒溫度天然氣低 750、高 850334403845619001986甲烷（純）低 800、高 850乙炔低 335、高 500發(fā)生爐煤氣低 700、高 8004138647916004、氣

4、體燃料燃燒過(guò)程分哪三個(gè)階段？天然氣燃燒過(guò)程，可以看作三個(gè)階段，即天然氣和空氣的混合，混合后的可燃?xì)怏w的加熱和著火、完成燃燒化學(xué)反應(yīng)而進(jìn)行正常燃燒等三個(gè)階段。第一階段：天然氣和空氣的混合我們使用的燃燒方式之混合過(guò)程屬于紊流擴(kuò)散和機(jī)械摻混過(guò)程【紊：即雜亂】。其影響因素有：（ 1）天然氣和空氣的流動(dòng)方式。當(dāng)天然氣和空氣平行流動(dòng)時(shí)，混合速度最慢，或叫混合不良，形成的火焰最長(zhǎng)；當(dāng)天然氣和空氣的流動(dòng)方向之間有一定夾角，特別是呈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠加快混合速度，燃燒較好，火焰較短。（ 2）氣流速度。在紊流情況下，氣流速度越大，紊流作用就越強(qiáng)，混合也就越快，越有利用燃燒作用。并且，天然氣和空氣之氣流速度差越大，混

5、合就越快，越有利于燃燒。（ 3）氣流直徑越大，完成混合所需的時(shí)間越長(zhǎng)。采用多噴口、細(xì)流股的噴咀，將氣流分成許多細(xì)小流股，可以增加天然氣和空氣之接觸面，從而加速其混合，提高燃燒強(qiáng)度。（ 4）適當(dāng)增大空氣消耗系數(shù)，可以使混合加快，火焰縮短，反之，則混合變慢、火焰拉長(zhǎng)。第二階段：天然氣和空氣混合物的加熱和著火要了解天然氣和空氣混合物的加熱和著火，必先了解天然氣的著火溫度和著火濃度極限（請(qǐng)參考表 2 的數(shù)據(jù)）。什么叫著火溫度？著火溫度是指天然氣和空氣的混合物能開(kāi)始燃燒的最低溫度。我們使用的工業(yè)爐，一般都是先用一小的熱源（電火花灼熱的小物體、小火焰）將可燃混合物某一局部先加熱到著火溫度，然后引起其它部分

6、著火，這樣的著火過(guò)程稱為強(qiáng)迫著火或點(diǎn)火。天然氣的最低著火溫度為 750。什么叫著火濃度極限？為了使點(diǎn)火以后的燃燒反應(yīng)連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行下去，必須要求燃?xì)恻c(diǎn)火燃燒之后所放出的熱量足以能夠使鄰近的未燃?xì)怏w加熱到著火溫度。而燃燒過(guò)程穩(wěn)定與否和天然氣與空氣的混合比例有直接關(guān)系。也就是說(shuō)：只有當(dāng)天然氣和空氣的比例處于一定范圍之內(nèi)時(shí)，才能使燃?xì)獗３诌B續(xù)穩(wěn)定的燃燒，這一濃度范圍叫作著火濃度極限。天然氣的著火濃度極限為 %。濃度低于 %，高于 %，就不能著火連續(xù)燃燒。綜上所述，給燃?xì)饧訜崾怪_(dá)到著火溫度，要連續(xù)燃燒就必須使燃?xì)鉂舛缺３衷谥饾舛葮O限范圍之內(nèi)。第三個(gè)階段：完成燃燒化學(xué)反應(yīng)當(dāng)天然氣和空氣混合物加熱到著

7、火溫度后，就立即開(kāi)始劇烈地氧化燃燒反應(yīng)，并放出大量光和熱，進(jìn)入燃?xì)獾娜紵磻?yīng)階段。天然氣燃燒化學(xué)反應(yīng)式如下：CH42OCO22HO Q要研究和認(rèn)識(shí)燃?xì)馊紵^(guò)程時(shí)，可將其分解為混合、著火和燃燒三個(gè)階段。在實(shí)際的冶金爐內(nèi)，三個(gè)階段幾乎是同時(shí)存在，相互制約，連續(xù)進(jìn)行的。在高溫的冶金爐內(nèi)，天然氣和空氣的比例以及混合的好壞，是影響燃燒質(zhì)量和爐溫的關(guān)鍵。5、“著火濃度極限”在實(shí)踐中的應(yīng)用（ 1）天然氣的“著火濃度極限”為 %，這就是天然氣有效燃燒的濃度范圍。（ 2）當(dāng)天然氣的濃度小于著火濃度的下限時(shí)，即 %時(shí)，也就是燃?xì)饣旌衔锟諝膺^(guò)多，這種燃?xì)饣旌衔锞筒粫?huì)著火，因?yàn)樗l(fā)出的熱量，不足以把鄰近的氣體加熱到著

8、火溫度。（ 3）當(dāng)天然氣的濃度大于著火濃度極限的上限，即 %，也就是說(shuō)燃?xì)饣旌衔锟諝馓?，呈缺氧狀態(tài)，這種燃?xì)饣旌衔镆膊粫?huì)著火，也不能保持穩(wěn)定的燃燒。這就警示我們：不是說(shuō)送天然氣的量越多越好?。?4）天然氣的著火濃度極限是 %，爆炸濃度極限是 %，兩個(gè)濃度范圍基本是一致的。說(shuō)明一個(gè)道理：只有著火，才能引起爆炸。不能著火，就不會(huì)爆炸。工業(yè)爐內(nèi)燃燒時(shí)為什么是安全的呢？一是空氣和天然氣分別進(jìn)入爐內(nèi)，再混合能防止回火事故。二是混合后的燃?xì)饬⒓慈紵患?，同時(shí)產(chǎn)生的膨脹熱氣立即由煙道抽走，爐內(nèi)壓力基本保持恒定。形成連續(xù)送燃?xì)狻⑦B續(xù)燃燒、連續(xù)抽風(fēng)，燃燒是穩(wěn)定的沒(méi)有危險(xiǎn)的。爆炸事故是怎樣形成的呢？在密閉（或

9、相對(duì)密閉）的空間（如燃燒室、爐腔等）內(nèi)，存有天然氣和空氣的混合氣體，其濃度達(dá)到爆炸極限（ %），遇到明火，即著火燃燒，而且是連續(xù)燃燒，叫做鏈鎖反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱，氣體劇烈膨脹，發(fā)生爆炸！為了安全，在點(diǎn)火前，用空氣把管道、燃燒室、爐腔吹掃干凈，以防其內(nèi)存有燃?xì)?。第一次點(diǎn)火失敗后，一定待60 秒以上，吹掃后，再啟動(dòng)點(diǎn)火，以防爆燃或爆炸。6、什么是空氣消耗系數(shù)？氣體燃料燃燒需要的空氣量分為：通過(guò)計(jì)算的理論空氣需要量和保證完全燃燒的實(shí)際空氣需要量?？諝庀南禂?shù)：是指實(shí)際空氣需要量L 實(shí)與理論空氣需要量L 理的比值，叫做空氣消耗系數(shù)。表示式為：n L 實(shí) 。L 理（1）理論空氣需要量是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)式來(lái)計(jì)

10、量的：CH4 2O2 CO2 2H2O33331m2m1m2m從式中可以看出331m天然氣完全燃燒需要2m的氧氣。氧氣在空氣中的比3例是 21%，所以可知 1m天然氣完全燃燒需要的空氣量為：L 理2÷21% 2 100 9.5m321（ 2）空氣消耗系數(shù) n 值的確定空氣消耗系數(shù)是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，燃料的種類、燃燒方法、燃燒設(shè)備的構(gòu)造等都會(huì)影響 n 值。在選取n 值時(shí)一定要從實(shí)際出發(fā)，全面考慮問(wèn)題。下表為各種燃料在不同情況下，所采用的空氣消耗系數(shù)n 值，供參考：表 3空氣消耗系數(shù) n燃料種類燃燒方法n人工加煤固體燃料機(jī)械加煤粉煤燃燒液體燃料低壓噴咀高壓噴咀氣體燃料有焰燃燒無(wú)焰燃燒（ 3）實(shí)

11、際空氣需要量 L 實(shí)n×L 理當(dāng) L 理， n時(shí)，則 L 實(shí)×這時(shí)天然氣在混合氣體中的濃度1%9.981當(dāng) n時(shí)，則 L 實(shí) ×這時(shí)天然氣在混合氣體中的濃度1%11.401%和%都在天然氣燃燒濃度極限范圍（%）之內(nèi)，哪種情況燃燒更好，應(yīng)在實(shí)踐中觀察。7、空氣消耗系數(shù)的大小對(duì)燃燒過(guò)程有何影響？空氣消耗系數(shù) n 值的大小對(duì)燃燒過(guò)程有以下影響：（1）當(dāng)空氣消耗系數(shù)n 值增大時(shí)，實(shí)際空氣消耗量隨之成比例的增加。一是從設(shè)計(jì)的角度說(shuō)，需要增加供風(fēng)和排煙系統(tǒng)的能力，從而增加投資費(fèi)用和動(dòng)力消耗；二是在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，往往由于n 值的增大，使整個(gè)系統(tǒng)阻力增加，而引起煙囪抽力不足，影響環(huán)

12、境且造成浪費(fèi)。（ 2）當(dāng) n 值增大，爐內(nèi)過(guò)剩氣體體積增大，同時(shí)循環(huán)氣體量增大，導(dǎo)致單位體積燃燒產(chǎn)物熱含量降低（即燃燒熱沒(méi)變，氣體體積增大了，氣體含的熱量平均值就降低了，從而使?fàn)t溫降低了） 。在燃燒產(chǎn)物離開(kāi)爐膛時(shí)，帶走的熱損失總量也增大了，總結(jié)果使?fàn)t溫降低。（ 3）當(dāng) n 值增大時(shí)，雖可保證最大程度的完全燃燒，但此時(shí)燃燒產(chǎn)物中N2、O2 絕對(duì)數(shù)量增加，而使燃燒產(chǎn)物中CO2、H2O（汽）的含量相對(duì)減少，削弱了煙氣在高溫爐膛中的輻射能力。以上說(shuō)明，當(dāng) n1 時(shí)，隨著 n 值的增加，不僅燃燒溫度降低和燃燒產(chǎn)物的輻射能力減弱，而且隨產(chǎn)物帶走的熱損失也增加。（4）當(dāng) n1 時(shí)， n 值越小，不完全燃燒熱

13、損失越大。顯然，n 值過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)使燃料利用程度降低。總之，一般原理是：在保證最大程度完全燃燒的前提下，n 值越小越好。8、氣體燃料的燃燒方法根據(jù)天然氣與空氣在燃燒前的混合方式不同，將氣體燃料的燃燒方法分為兩類：即有焰燃燒和無(wú)焰燃燒。（ 1）有焰燃燒所謂有焰燃燒是指天然氣與空氣在燒咀中不予混合，而是在離開(kāi)燒咀進(jìn)入爐內(nèi)（或燃燒室內(nèi)）邊混合邊燃燒，形成一個(gè)火焰。這時(shí)，燃燒速度受到混合速度的限制，火焰較長(zhǎng)，并有明顯的輪廓，所以，稱這種燃燒為有焰燃燒。有焰燃燒，因?yàn)樘烊粴馀c空氣不在噴咀中混合，所以一般不會(huì)發(fā)生回火現(xiàn)象。同時(shí)，氣體預(yù)熱溫度不受著火溫度的限制，比較安全。（2）無(wú)焰燃燒所謂無(wú)焰燃燒是指天

14、然氣和空氣進(jìn)入爐膛（或燃燒室）前預(yù)先進(jìn)行了充分混合，燃燒時(shí)速度很快，整個(gè)燃燒過(guò)程在燒咀磚（或叫燒咀坑道）內(nèi)就可以結(jié)束?；鹧婧芏袒蚩床坏交鹧妫蚀朔Q為無(wú)焰燃燒。9、燃?xì)馊紵幕鹧鎮(zhèn)鞑ト細(xì)庠邳c(diǎn)火后，通過(guò)燃燒反應(yīng)所放出的熱量把鄰近的未燃?xì)怏w加熱，使其達(dá)到著火溫度，而燃燒起來(lái)。這種通過(guò)熱能的傳遞，而使燃燒反應(yīng)區(qū)逐漸向前推移的現(xiàn)象叫做“火焰的傳播” 。圖 1 為燃?xì)馊紵幕鹧鎮(zhèn)鞑?shí)驗(yàn)示意圖，通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立火焰?zhèn)鞑サ幕靖拍睢Ｔ谝粋€(gè)水平放置的玻璃管中通入混合均勻的可燃?xì)怏w，管子A 端裝有點(diǎn)火器，并與大氣相通，使管內(nèi)保持恒壓。點(diǎn)火后，在點(diǎn)火源附近的一層氣體達(dá)到著火溫度時(shí)，便開(kāi)始激烈地燃燒化學(xué)反應(yīng)。點(diǎn)火源附近著

15、火后，形成一層平面火焰，稱為火焰前沿（或燃燒前沿）?；鹧媲把氐臏囟群芨撸鼘崃總鹘o相鄰的一層可燃混合物，使其溫度達(dá)到著火溫度，并著火燃燒。原來(lái)的火焰前沿的位置上已是燃燒完了的燃燒產(chǎn)物，新著火的一層可燃混合物又變成了新的火焰前沿，它又將熱量向前傳遞。這樣，一層一層地被加熱，著火燃燒。可以看到火焰前沿連續(xù)地向前（向B端）移動(dòng)。這種由于熱量傳遞而使火焰前沿持續(xù)移動(dòng)的燃燒過(guò)程叫做火焰正常傳播或正常燃燒。火焰前沿向前移動(dòng)的速度，稱為火焰?zhèn)鞑ニ俣龋╒ 火）?；鹧?zhèn)鞑ニ俣却螅扇蓟旌衔锶紵^快；火焰?zhèn)鞑ニ俣刃。扇蓟旌衔锶紵^慢。氫氣H2 燃燒時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?，一氧化碳CO次之。烷烴 CmHn最慢（天

16、然氣主要成分是甲烷 CH4，屬于烷烴）。假若上述實(shí)驗(yàn)管內(nèi)的可燃混合物不是靜止的，是連續(xù)供氣、是流動(dòng)的，流動(dòng)速度為 V 燃，其流動(dòng)方向與火焰?zhèn)鞑ニ俣?V 火的方向相反，這時(shí)，則可能有三種情況：（ 1）當(dāng) V 燃V 火時(shí)，即兩者速度相等，這時(shí)火焰前沿的位置將是穩(wěn)定不動(dòng)的，也就是燃燒穩(wěn)定。（ 2）當(dāng) V 燃V 火時(shí)，火焰前沿就會(huì)向管內(nèi)移動(dòng)，在燒咀中發(fā)生這種現(xiàn)象便稱為“回火”。無(wú)焰燃燒發(fā)生回火是很危險(xiǎn)的。 有焰燃燒一般不會(huì)發(fā)生回火，但可能出現(xiàn)息火，燃燒不正常。（ 3）當(dāng) V燃 V 火時(shí)，火焰前沿就會(huì)向管口移動(dòng)，而最終脫離管口，這種現(xiàn)象便稱為“脫火”現(xiàn)象。在熔煉爐里可能造成燃?xì)膺^(guò)多，形成煙道著火，爐溫不

17、均勻，造成浪費(fèi)。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)避免“回火” 、“脫火”現(xiàn)象的發(fā)生。也就是說(shuō)，供氣速度不可過(guò)小，也不可過(guò)大。為了保證燃燒過(guò)程和火焰的穩(wěn)定，必須使可燃混合氣體的噴出速度與該條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣认噙m應(yīng)，即保持二者動(dòng)態(tài)平衡。10、影響實(shí)際燃燒溫度的因素有哪些？影響實(shí)際燃燒溫度的因素有：（1）燃料的發(fā)熱量A. 燃料的發(fā)熱量越高，其理論燃燒溫度越高。所以對(duì)要求高溫的爐子，就選擇發(fā)熱量高的優(yōu)質(zhì)燃料。B. 對(duì)于氣體燃料， 當(dāng)發(fā)熱量在 34008400KJ/m3 范圍內(nèi)時(shí)，其燃燒溫度隨發(fā)熱量的增加而增長(zhǎng)較快。當(dāng)發(fā)熱量 8400 KJ/m3 時(shí)，再提高發(fā)熱量，其燃燒溫度增長(zhǎng)緩慢，請(qǐng)注意這個(gè)規(guī)律。（ 2）預(yù)熱空氣隨

18、空氣的預(yù)熱，燃燒溫度而升高。預(yù)熱空氣一般利用爐子排出的廢氣熱量來(lái)進(jìn)行（采用熱交換器） ，不僅提高了燃燒溫度，而且利用了廢熱，節(jié)省了燃料，貫徹了綜合利用的原則。（ 3）使燃料完全燃燒不完全燃燒會(huì)造成熱損失，使燃燒溫度降低。要實(shí)現(xiàn)完全燃燒，須把握兩點(diǎn)： A. 控制助燃空氣量，使燃燒反應(yīng)完全； B. 采取措施，使天然氣和空氣混合均勻，促進(jìn)燃料的充分燃燒。（ 4）空氣消耗系數(shù)一方面燃燒時(shí)必須控制空氣消耗系數(shù)，不能太大，以免因增大燃燒產(chǎn)物的體積，而導(dǎo)致燃燒溫度的降低；另一方面，若空氣消耗系數(shù)太小（ n1），則造成不完全燃燒，而導(dǎo)致燃燒溫度的降低。（5）助燃空氣的富氧程度采用空氣助燃，因空氣含氮量大（78%），所以助燃空氣量大，則燃燒產(chǎn)物的體積也大，熱損失大，不利于燃燒溫度的提高。采用富氧（往空氣中混入氧氣，使氮 N2 含量相對(duì)降低）或純氧氣做助燃劑，使燃燒產(chǎn)物體積大大減小（因?yàn)橹細(xì)怏w量減?。?，燃燒溫度顯著提高。在生產(chǎn)實(shí)踐中得出：A. 富氧程度對(duì)發(fā)熱量較高的燃料影響較大，而對(duì)發(fā)熱量較低的燃料影響較小。 B. 當(dāng)采用富氧來(lái)提高燃燒溫度時(shí)，富氧空氣在含氧 27%30%有明顯效果，而再提高富氧程度，效果便越來(lái)越不明顯。（ 6）減小燃燒產(chǎn)物，傳給周圍物體的散熱量燃燒過(guò)程中向外界散失的熱