着火理论 燃烧过程一般可分为两个阶段

第四章着火理论 燃烧过程一般可分为两个阶段：第一个阶段称为着火阶段，第二个阶段即为着火后的燃尽阶段。在第一阶段中，燃料和氧化剂进行缓慢的氧化作用，氧化反应所释放的热量只是提高可燃混合物的温度和累积活化分产，并没有形成火焰。在第二阶段中，反应速度进行得很快、并发出强烈的光和热，形成火焰。 许多燃烧装置 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 在很苛刻的条件下使燃料着火，例如要求在高速、低温下，使难着火的燃料着火等。但有时却要防止发生着火燃烧，或在发生燃烧后要求尽快熄灭，例如消防灭火就是如此。所以着火理论是燃烧理论的重要组成部分。第一节着火机理和着火方式一、着火机理 根据人们对实际着火过程的研究认为，目前存在的着火机理主要有以下两种。1、热着火机理 热着火是在利用外部能源加热（例如电火花、电阻丝、热的器壁和压缩等）的条件下，使反应混合物（可燃剂及氧化剂）达到一定的温度，在该温度下反应混合物化学反应所放出的热量大于它向环境的散热，从而使反应混合物的温度进一步升高，温度的升高又进一步导致化学反应速率和放热速率的加快，这样无限地循环，最终导致全面的燃烧反应。 对于一个放热反应，如果在严格的绝热条件下，只要反应物的量足够，则它都能发展为着火，也就是所谓的自燃。也就是说只有反应物的消耗殆尽，才能使这种自加热反应不会发展到着火的程度。还有另外一种情况，虽然没有外部的热源，也没有严格的绝热条件，但它符合这样的条件，即在该状态时，由于它自身的热分解（或氧化或混合物的相互反应等）所放出的热量大于该情况下它向外界的散热，此时只要反应物的量足够，也会发展成为着火（或爆炸）。2、链着火机理 如果进行的反应是链式反应，且链式反应中自由基的生成速率大于自由基的消耗速率（即分支链式反应），则其反应速度不断加快，此时反应在定温条件下也会导致着火（或爆炸）。例如H2和O2的化合反应，它满足了分支链式反应的条件，只要反应一旦开始它就会着火，如果满足一定的浓度条件，还会发生爆炸。属于这样类型的反应还有甲烷、乙烯、乙炔等在空气中的氧化反应。二、着火方式 研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，着火方式也有两类：即自燃着火和强迫着火。1、自燃着火（热自燃） 自燃着火是可燃物在不需要施加外界能量的条件下而自动着火的现象。它是由于反应物在非人为状态下自发地进行分解（或氧化等）反应，反应时放出一定的热量，并且反应放热大于散热，造成了热积累，使得反应温度进一步升高。 由化学动力学知识可知，一般反应速度与温度呈指数关系，也即反应时的放热速度也与反应温度呈指数关系，而热损失速度只是温度的简单线性函数。因此对于可燃物的放热化学反应，只要反应热生成速度大于散失速度，则反应的最终结果必然是在整个区域内不需要任何外界能量的条件下着火，这时燃烧反应就自发进行下去。 自然界发生自燃的情况非常多。例如2010年夏天，我国各地温度屡创新高，汽车自燃事故频发。重庆晚报2010年8月1日报道：“由于连晴高温，汽车自燃进入高发期，市消防总队119指挥中心统计，最近3天，我市车辆自燃的火警数量接近20起”。俄罗斯2010年夏季出现罕见高温和干旱天气，首都莫斯科7月29日气温创历史新高，达到39℃。从7月30日起，俄境内森林火灾形势更加严峻，起火点超过7000个，2.1万人参与灭火。根据8月9日的数据，森林大火目前已导致53人死亡，2000余栋房屋被烧毁，3000多人无家可归。有部分森林大火由自燃引起。2、强迫着火（点燃） 强迫着火是可燃混合物从外界获得能量（如电火花、灼热质点、烟火药剂的火焰等）而产生着火的现象，也称为点燃。这时的燃烧是首先由靠近点火源引发并传播到可燃混合物的其他部分。因此可以认为强迫着火是外界能源加热下火焰的局部点燃，然后再进行火焰传播的过程。 强迫着火在工农业生产、交通运输及航天航空技术等领域中的应用也很广泛。例如电站锅炉的点火、航天工业中运载火箭及军事技术中火箭的点火就属于强迫着火；汽油发动机的汽油－空气混合物的电火花点火、日常生活中煤气炉的点火等都属于强迫力着火。 自燃着火与强迫着火从着火方式和着火条件上来讲是不一样的。首先，自燃着火是可燃物在瞬间整体着火，而强迫着火首先是局部点着火，然后再扩散传播成整体着火。另外，自燃着火一般不需要特别施加外界能量，而强迫着火则必须要外界能量的激发才能着火。第二节热自燃理论一、着火条件 所谓着火，可以理解为混合可燃物自动的反应比加速、升温以致引起空间某部或在某时间出现火焰的现象。若给着火条件下一个定义，即为：如果在一定的初始条件（闭口系统）或边界条件（闭口系统）之下，由于化学反应的剧烈加速，使反应系统在某个瞬间或空间的某部分达到高温反应状态（即燃烧状态），那么，实现这个过渡的初始条件或边界条件就称为“着火条件”。着火条件不是一个简单的初温条件，而是化学动力参数和流体力学参数的综合函数。 燃烧反应是放热的氧化反应，反应放热的结果，使可燃混合物的温度升高，而它反过来又促进反应加速，因而化学反应放热的速率及其放热量乃是促进着火的有利因素。但另一方面，存在着阻碍着火的不利因素—散热。经验告诉我们，在寒冷而风大的露天环境中，不易点燃可燃物质，而在风小的地方就容易点燃，这就是两种情况下的散热条件不同的原因。着火、熄火就是反应放热因素和散热因素相互作用的结果。如果在某一系统中反应放热占优势，则着火容易发生（或熄火不易发生）。反之，则着火不易，熄火容易，这就是着火、熄火的本质，也可以称为着火的条件。二、谢苗诺夫热自燃理论 热自燃理论的基本思想是由范特霍夫首先提出的，他认为当反应系统与周围环境的热平衡被破坏时，就会发生着火。莱-查特莱进一步提出，当放热曲线和散热曲线相切时发生着火。最后，完整的热力着火数学描述由谢苗诺夫提出，形成了谢苗诺夫热自燃理论。 要实现稳定的热着火，需要满足两个热力条件：①系统处于热平衡状态，即放热量Q1等于散热量Q2；②放热量随系统温度的变化率大于散热量的变化率，即dQ1/dT≥dQ2/dT，表示放热曲线在散热曲线上方。 着火温度和熄火温度不是物性参数，随热力条件变化而变化。各种实验方法所测得的着火温度值的出入很大，过分强调着火温度意义不大，着火温度只表示了着火的临界条件。如，褐煤堆，如果通风不良，接近于绝热状态，孕育时间长，着火温度可为大气环境温度。当然，着火温度的概念使着火过程的物理模型大大简化，对于燃烧理论研究有重要意义。 2点其实是着火的临界点。在第2点处可写出方程：Q1=Q2dQ1/dT=dQ2/dT三、着火界限 无论是均相气体燃料或固体燃料，当周围介质温度T0达到一定值后，即出现热自燃着火，其临界自燃条件如上所述的第2点临界方程，此时的系统温度即为自燃温度。但试验也表明，在一定的炉内压力p0下，可燃混合物的浓度变化时，其自燃温度也不相同。状态方程该式称为谢苗诺夫方程。 如果谢苗诺夫方程中的α、S、Q、V、xA均已知，则在p0-Tzh平面图上就可做出谢苗诺夫方程的曲线图，如下图所示。曲线把图片分成两个区域：自燃区和非自燃区。对于一定组成的可燃混合气，在一定的压力p1和散热条件αS/V下，当外界温度达到曲线上相应点1时的温度T01值时才能发生自燃，否则不可能自燃而只能长期处于低温氧化状态。同理，对于一定的温度，若其压力未能达到临界值的话，亦不可能发生自燃。所以，对于简单热力反应来说，要在压力很低时达到着火要求，就必须要有很高的温度，反之亦然。这些分析与结论都已为实验结果所证实。 当散热条件变化时，如散热增强，即αS/V增大，则曲线向右上方移动，自燃区域缩小，自燃会不容易发生。 对于谢苗诺夫方程，还可以固定压力p，作T-xA着火浓度界限图，固定温度T作p-xA着火浓度界限图，如下图所示。这些曲线统称为着火浓度界限（或自燃界限和范围）。一般来说，这些图线都呈U型，U型区内为着火区，U型区外为不着火区。 图4-3定压时着火界限图4-4定温时着火界限 从这些图线的分析中可得出一个很有实际意义的结论，即从着火来说，在一定的温度（或压力）下，并非所有混合气体组成都能引起着火，而存在着一个着火浓度界限。着火浓度的上限统指含燃料量较多的混合气组成，即一般统称为富燃料极限；而下限则指含燃料量较少的混合气组成，即所谓贫燃料极限（或富空气限）。凡是可燃混合气中燃料含量高于给定温度（或压力）下的着火浓度上限或低于着火浓度下限的话，都不可能引起自燃，只能处于不同程度的缓慢氧化状态。 随着温度（或压力）的降低，着火浓度的上、下界限逐渐彼此靠近、即着火浓度范围变窄。因此当温度（或压力）降低到某一数值以后，着火浓度界限就会消失，此时，对混合气的任何组成来说都不可能引起着火。所以对于每一种可燃混合气，在给定的散热条件（αS/V）下就存在着这样一个极限的温度（或压力），低于这一极限温度（或压力）的话，混合气的任何组成都无法着火。这一最小的极限着火压力（或温度）对低压燃烧，特别是对喷气发动机的高空燃烧具有特别重要的意义。 从图4-3和图4-4的图线上还可看出一点，即当温度或压力高于某一数值后，着火浓度界限实际上已没有多大的变化，故此时混合气的组成对着火的影响就不大了。 此外，着火浓度界限还随着散热程度（αS/V）的增大而缩小，如图4-3和图4-4中所示。 综上所述，为了使可燃混合物易于迅速着火，不论是提高温度或压力（或两种都提高）都是有效的。第三节强迫着火理论一、强迫着火条件 在燃烧技术中，为了加速和稳定着火，往往由外界对局部的可燃混合物进行加热，并使之着火。之后，火焰便自发传播到整个可燃混合物中，这种使燃料着火的方法称为强迫着火。 通常，实现强迫着火的方法有：组织良好的炉内空气动力结构，使高温烟气向火炬根部回流来加热由喷嘴喷出的燃料；采用炉拱、卫燃带或其他炽热物体，保证炉内有高温水平，向火炬根部辐射热量；采用附加的重油或其他的点火火炬，或应用电火花点火等。 可见，强迫着火和热自燃着火在本质上并没有差别，都是因为热量引起的，只不过热量来源不同，前者要求在可燃物某部分容积中首先进行高速的化学反应，高速化学反应的原因也是由于可燃物被加热至一定温度后，燃料放热量大于其向周围散热量而产生的自动加速效应，其后，由局部着火源的火焰开始向其他可燃物扩散。因此，强迫着火不但与点火源的特性有关，而且与火焰传播的特性有关。图4-5强迫着火过程 在图4-5(a)中，炽热体附近的可燃物受到加热，当炽热物体的温度为Tl时，如果其周围是情性气体，则按照传热规律在气体中温度按曲线1变化。如果在炽热体周围充满了可燃物，那么在曲线1的基础上应加上可燃物化学反应的热效应，使温度提高至曲线2。由曲线2的温度分布可知，越远离炽热物体，温度越低，因此可燃物只能处于低温氧化状态而不能着火。 在图4-5(b)中，当把炽热物体温度提高至T2时，惰性气体的温度分布为曲线1，对于可燃物来说，由于在T2温度下，炽热体附近的可燃物进行较剧烈的化学反应，所放出的热量向周围扩散，使可燃物温度的下降的趋势得以制止，使温度水平提高到和曲线2一样。这时处于着火的临界状态，温度T2一般称为临界点燃温度。 在图4-5(c)中，再稍微提高炽热温度至T3，则炽热物体周围可燃物的放热量大于其散热量，着火过程不可避免地出现，在离开炽热体后，可燃物因着火使温度不断提高，如曲线2所示。 由此可见，要实现强迫着火的临界条件为：在炽热物体附近可燃物的温度梯度等于零，即： 点燃后：＞0 但试验往往发现，临界的点燃温度T2通常比热自燃着火理论所求出的临界着火温度Tzh高几百度，亦即如果把炽热物体温度提高至Tzh，可燃物仍然不能点燃，此时在炽热体附近的可燃物会着火，但这局部火焰不能传播到整个可燃物内。原因如下：（1）没有满足温度梯度条件式，此时虽然T1＞Tzh，但远离炽热体后温度即迅速下降，如图4-5(a)所示；（2）由于化学反应作用，使壁面附近的可燃物浓度降低到很小的数值，以致火焰不能再往外传播。可见要实现强迫着火，其临界点燃温度必需比燃料热自燃着火温度高很多。 点燃温度和热自燃着火温度一样并不是一个物理常数。例如点火源或高温烟气回流量过小，传给可燃物的热量较小，因此要求较高的点燃温度才能着火；反之，如果高温烟气的温度不变，当喷燃器设计不佳，使得烟气回流卷吸量过小时，燃料不可能被点着。 应该指出的是，在可燃混合气体中存在有温度梯度的同时还伴有组分浓度的梯度，在紧靠炽热物体的表面处，反应物浓度最低，而产物的浓度最高，而在远离物体的表面区域，产物浓度为零，反应物的浓度为初始值c0。由于浓度梯度的结果，燃烧产物离开炽热物体表面向外部扩散，而反应物则向炽热物体表面扩散，以新鲜的反应物补充已被消耗的可燃混合气。因此，严格来说，处理强迫着火问题时就要考虑组分扩散的影响。二、强迫着火的热理论 假定用来点火的某一炽热平板物体具有不变的温度Tz，当具有初始温度T0的可燃物流过此炽热体附近时，根据上述强迫点火过程叙述可知，由于传热及化学反应作用，使炽热物体附近的可燃物温度不断上升。 可以设想，如果在炽热体附近某一层厚度为l的可燃物质由于炽热物体的加热作用使得化学反应产生的热量q1大于从该层可燃物往外散失的热量q2，那么在这瞬间以后，该层内可燃物反应的进行将不再与炽热物体的加热有关，即此时尽管把炽热物体撤走，该层内可燃物仍能独立进行高速的化学反应，使火掐扩展到整个可燃物中。 这样，临界的着火条件为：q1=q2q2=α(Tl-T0) 上式是经过一系列近似以后而得到的强迫点燃温度Tz的计算式，由此就可解出强燃温度。一般的强迫点燃温度要比热自燃高出数百度，可达1000℃以上，而一般的可燃混合气体的热自燃温度强燃温度一般在200~600℃之间。 另一方面的重要意义是：给出了平板定性尺寸L与强迫点燃温度Tz的关系，对于其他非平板类炽热物体也可导出类似式的计算式。由式不难看出，当平板尺寸（长度L）减小时，式左端增加，因而解出的强燃温度要高，则强燃过程就困难，反之则相反。如果实际的强燃过程炽热平板很长且其温度又较高，则上式实质是表征着点火距离与炽热平板温度的关系。 当炽热点火过程中的某些参量一定时，如可燃混气成分、压力及气流速度、导热系数一定时，理论和实践都表明，炽热平板的温度与其点火距离成指数关系，即随着着火温度的下降，点火距离呈指数增加。同时我们还可得出这样的结论：即在混合可燃气的成分、压力、平板温度Tz及导热系数λ等一定时，混合气体的着火距离与燃气流速成正比。三、常用点燃方法 在 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 上较为常用的点火方法大致有以下几类：1、炽热物体点火 常用金属板、柱、丝或球等作为电阻，通以电流使其炽热；也有用热辐射加热耐火砖或陶瓷棒等，形成各种炽热物体，在可燃混合物中进行点火。2、电火花或电弧点火 利用两电级空隙间放电产生火花，使这部分混合可燃物温度升高，产生着火。这种方式大都用于流速较低、易燃的混合物中，如一般的汽油发动机。它比较简单易行，但由于能量比较小，故其使用范围有一定限制。对于温度较低、流速（或流量）较大且不易燃的混合可燃物，直接用电火花来点燃是不可靠的，甚至是不可能的，比如电站锅炉的煤粉气流。这时可先利用它点燃一小股易燃气流，如先点燃油气流，然后再借以点燃高速大流量的气流。对于煤质好的情况，也可以使用等离子体点火。 关于电火花点火的机理目前有两种观点：一种是着火的热理论，它是把电火花看作为一外加的高温热源，由于它的存在，使靠近它的局部混合可燃物温度升高（由于导热和对流作用），以至达到着火临界工况而被点燃，然后再借火焰的传播使整个容器内混合可燃物着火燃烧；另一种则是着火的电理论，它认为混合可燃物着火是由于靠近火花部分的气体被电离，形成活化中心，提供了产生链式反应的条件，链式反应的结果，使混合可燃物着火燃烧。实验表明，以上两种机理并不矛盾，是同时存在的。一般来说，在低压力时电离的作用是主要的，但当压力提高后，尤其是高于50~100mmHg后，则主要是热的作用。3、火焰点火 所谓火焰点火就是先用其他方法将燃烧室中易燃的混合可燃物点燃，形成一股稳定的火焰，并以它作为热源去点燃较难着火的混合可燃物（例如温度较低、流速较大的煤粉气流）。在工程燃烧设备中，如锅炉、燃气轮机燃烧室中，这是一种比较常用的点火方法。它的最大优点在于具有较大的点火能量。目前常用的技术是少油点火。 综上所述，不论是采用哪一种点火方法，其基本原理都是使混合可燃物局部受到外来的热作用而使之着火燃烧。第四节煤的着火理论 煤的着火是很复杂的，目前还没有恰当的模型来描述。人们采用各种不同的实验手段，也得到不同的煤着火的判据。有上述的谢苗诺夫判据；范特霍夫绝热判据：dT/dt=0；质量消耗突变判据：燃烧速度突增，燃烧开始；燃料浓度判据：达到可燃物浓度极限；壁面温度超温判据：燃烧强，则放热强；闪光判据：光学检验，出现燃烧；以及其他判据，如爆燃、压力突升等。一、煤的着火模式 对于煤的着火模式，早期认为，煤的着火先在气相发生。煤加热释放的挥发分，先着火，即均相着火，迅速燃尽，然后是碳粒的着火燃烧。后来霍华德的研究表明，均相着火并不全部适用于煤的着火，煤也存在非均相着火。如何着火，取决于颗粒表面加热和挥发分释放速率的相对大小。不同条件下，煤可能出现均相、非均相和联合着火模式。低加热速率下（＜10K/s），小颗粒（＜100μm）以非均相着火方式着火，而大颗粒（＞100μm）则以均相方式着火。随着加热速率的提高，它们均向联合着火模式转变。直到加热速率达到103K/s以上时，联合着火模式成为唯一可能的着火方式。二、动力与扩散燃烧 用谢苗诺夫热着火理论分析煤着火过程，可得到煤燃烧的控制因素。下面以纯碳粒子为例进行讨论。 在一定温度下，氧与碳表面发生化学反应。设反应为一级，不考虑碳内部毛细孔反应，碳表面氧浓度为Cf，环境氧浓度为C0，则燃烧速度w即氧的消耗速度为：由于燃烧的消耗，碳表面氧浓度低于环境氧浓度，导致氧向碳表面扩散，其扩散的速度为g：g=αks（C0-Cf）式中：αks-扩散系数。当燃烧反应稳定时，参数处于平衡状态，扩散到碳表面的氧量等于燃烧消耗掉的氧量，即w=g。这样可得：1、动力燃烧工况（化学动力控制区） 动力燃烧发生在低温区域，如图中的动力区。碳表面化学反应速度远小于氧气向表面的扩散速度，氧气供应充分，足够反应所需。燃烧速度取决于化学反应速度，反应处于动力控制区，氧气多，可忽略扩散系数αks对燃烧速度w的影响。可简化为w=kC0。此时氧的扩散对反应没有影响，提高温度是强化燃烧的有效办法。锅炉的点火启动就是这样的状态，要采用各种手段，提高点火初期的炉膛温度。2、扩散燃烧工况（扩散控制区） 扩散燃烧发生在高温区域，如图中的扩散区。温度增加，k急剧增大，耗氧量急剧增加，消耗掉扩散来的氧气，还处于“待料”状态，燃烧速度取决于扩散，反应处于扩散控制区，可忽略k对燃烧速度w的影响。式可简化为：w=αksC0。此时温度对反应没有影响，提高氧的扩散是强化燃烧的唯一方办法。在燃烧技术中，提高风速、减少碳颗粒尺寸，加强混合，是强化扩散的常用措施。煤燃烧过程中，如果系统温度超过2500℃，则处于扩散控制区。电站锅炉炉内温度达不到这样的温度，所以锅炉中不会出现燃烧速度与温度无关的现象。下图所示为实测无烟煤颗粒燃烧速度，在1600℃时仍处于过渡燃烧工况。 3、过渡燃烧工况 如图中的阴影区域。在过渡燃烧区，温度和扩散都对燃烧速度有影响，k和αks差不多，都不能忽略。此时燃烧受化学反应和扩散阻力的控制。提高温度和强化扩散，都可以提高燃烧速度。锅炉的正常燃烧工况属于过渡燃烧工况，提高炉膛温度和强化煤和空气的混合，都可以强化燃烧。实际工业应用中也是从这个原理出发，开发合适的强化燃烧技术。三、影响煤着火的因素 理论分析表明，影响煤着火的因素主要有：煤种、粒径、气流速度、加热条件、氧浓度、初始温度等。 在煤质特性中，活化能低的煤易着火；着火温度随挥发分增加而降低，易着火；灰分对着火温度没有明显的影响。 煤颗粒存在临界着火直径。在锅炉炉内燃烧过程中，煤粒开始由冷态直接吹入炉膛，高 温烟气对煤粒进行强烈的传热，颗粒越小，越易着火燃烧。但到了燃烧后期，颗粒温度高于烟气温度，如果颗粒过小，则散热加快，氧浓度也低，煤粉颗粒很易熄火，造成燃烧不完全。 煤粉气流有最佳流动速度，使着火最容易。流速过低，烟气的对流传热量少，流速过高，散热加强。烟气温度越高，煤粉着火越容易。对均相着火，着火温度随氧浓度增加而升高，着火变难；对非均相着火，着火温度随氧浓度增加而下降，着火较易。煤粉气流初始温度越高，着火越容易。 对于电站锅炉，锅炉结构和运行参数也影响煤粉着火。如炉膛热负荷高、配风方式合理、燃烧器参数最佳、锅炉负荷高等，都使着火更容易。在实际应用中，应采取合理措施，强化煤粉颗粒的着火，以提高燃烧效率。