工业窑炉烧嘴厂家:详解燃气的点火原理及安全应用

发布时间:2019/11/14 14:53:00

着火指:在整个可燃混合物容积中发生的着火现象。这时,假设可燃混合无中任一点的瞬时温度和浓度均相等,燃烧反应是在整个系统中同时进行的。而当一微小热源放入向系统其余冷的部分传播,使可燃混合物逐步着火燃烧。这种现象成为强制点火,简称点火。点火热源可以是:灼热固体颗粒、电热线圈、电火花、小火焰等。后三种点火方式在工业炉窑工程上应用较为广泛,其中以电极点火用最广。

强制点火要求点火源处的火焰能够传至整个容积,因此着火的条件不仅与点火源的性质有关,而且还与火焰的传播条件有关。

一、 原理概述:

现从热力角度分析局部点火过程。有一热金属颗粒放入可燃混合物中,其附近的温度分布示于图2-12,Tw为颗粒温度,To为混合物温度。由于有温差,颗粒的热量向贴近的混合物传递,热流率与周围介质的热力性质有关。如果Tw一定,则形成一稳定温度场,颗粒周围薄层中温度梯度最大。在可燃介质中,由于反应产生热量,温度线b比在非可然介质中的温度线a高。虚直线表示表面上的温度梯度斜度。由此可见,当发生放热反应时,温度梯度较小,因为从表面传向介质的热流也较小。如果颗粒温度升高,则温度分布曲线的差异更加显著。颗粒温度越高,周围介质层反应产生的热量也越多,则温度梯度越小,表面发出的热流也越小。当颗粒温度升高到某一临界值时,表面传向介质的热流等于领。如果颗粒表面温度稍高与Tis,则反应加快,并在离开表面很小的距离上出现最高温度。一部分热量流向颗粒,而大部分则流向周围介质。这是,由于温度最高点继续离开颗粒表面,不可能形成稳定场。当灼热颗粒表面法线方向温度梯度等于零,火焰层开始向末燃部分传播。温度临界值Tis就是强制点火的点火温度。按其意义与自动着火过程的着火温度相似,但比后者更高。

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必须指出,在反应介质中往往伴随有气体组分的浓度梯度。由于发生化学反应,颗粒表面附近可燃物浓度降低,而反应产物浓度增高。这样,就出现可燃物和反应产物各自的分子扩散。严格来讲,在分析点火问题时必须考虑分子扩散的影响。

点火成功时,在灼热颗粒表面形成一火焰层。若设其最高温度为火焰温度T1,则可由该火焰层的热平衡求得其厚度。

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二、 热热或热棒点火:

将石英或铂球投射入可燃混合物中,当球体的温度Tw大于临界值Tis时,即发生点燃现象。实验证明,球体临界温度与下列变量有关:球体尺寸、球体催化特性、与介质的相对速度、可燃混合物的热力和化学动力特性等。如果紧贴球体表面的一层可然混合物中化学反应产生的热量超过该层的热损失,则点燃的临界判别式可以按下述方法确定。令在球体周围厚度为∂的薄层中,温度由Tw直线下降至外部气体介质温度To。周围气体层的厚度取决于球体速度(相对气流速度)、球体半径r、流体黏度及其热力性质。发生燃烧反应的气体容积近似为4πr2。假设热量主要靠热传导散失,则点燃的条件是(参见图2-13)

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三、 小火焰点火:

点燃可燃混合物所需的能量可由点火火焰供给。这时,引发点火的可能性取决与以下特性参数:可燃混合物组成、点火火焰与混合物之间的接触时间、火焰的尺寸和温度,以及混合强烈程度等。

为简化分析,设有一无限长的扁平点火火焰,其温度为Tw,厚度为2r,如图2-15所示。实际点火火焰的尺寸是有限的,并为三维,选择扁平火焰,一般可当做一维火焰进行分析。随时间的增长,火焰在可燃混合物中的温度场逐渐扩展和衰减(2-15)这些温度分布曲线可以通过解火焰的不稳定导热方程求得,并为正态分布。

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存在两种情况。第一种情况是,当扁平火焰的厚度某一临界尺寸时,温度场不断衰减,最终使点火火焰熄灭、显然,这是因为火焰析热率不高而能量过度散耗的结果。第二种情况是,火焰厚度大于临界尺寸,混合物的放热反应能够扭转温度场衰减的趋向,并能使火焰传播。

烧嘴电火花点火:

把烧嘴两个电极放在可燃混合物(燃气)中,通过烧嘴控制器高压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。由于产生火花时局部的气体分子被强烈激励,并发生离子化,所以点火过程的机理十分复杂。气体的激励和强烈离子化改变了火花区化学反应的进程,相应地也改变了点火的临界条件。无疑,电火花使局部气体温度急剧上升,因此火花区可当做灼热气态物体,成为点火源。

用电火花进行点火时,从燃气的点燃到燃尽大体上可分成两个阶段。先是由电火花加热可燃混合物而使之局部着火,形成初始的火焰中心。随后初始火焰中心向未着火的混合物传播,使其燃烧,如果初始中心形成,并出现稳定的火焰传播。则点火成功。初始火焰中心能否形成,将取决于电极间隙内的混合物中燃气的浓度,压力、初始温度、流动状态、混合物的性质以及电火花提供的能量等。

点火电极可做成各种形式,如平头、圆头或平行板状等。产生火花的方法通常有电容放电和感应放电两种。电容放电是快速释放电容器所贮能量而产生的,感应放电是在断开包括变压器、点火线圈等在内的电路时产生的。

1.最小点火能与熄火距离最小点火能和熄火距离可用来表征各种不同可燃混合物的点燃特性。实验表明,当电极闻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,放电能量必须有一最小极值。能量低于此极值时不能形成初始火焰中心。这个必要的最小放电能量就是最小点火能Enin。

从电火花点火的理论来讲,可以认为火花产生后便形成一高温可燃混合气的小球。由于存在着向未燃气体的热流,使其温度急剧下降,而小球附近的气体层的温度上升,并诱发化学反应,所以形成了壳形焰面并向外传播。为使其继续传播,火焰在当时至少要增大到这种程度:火焰中心的已燃气体与火焰外的未燃气体之间的温度梯度具有与稳定火焰波中的温度梯度 相同的斜率。如果火焰球过小,则温度梯度过陡,内核的反应析热率不足以抵偿预热外层外燃气气体的热损失率。这时,热损失量不断超过反应热量,造成整个反应空间温度下降应逐渐下降,反应逐渐终端,火焰波只是在点火时点燃一小部分气体后就熄灭了。所以最小点火能就是为了建立临界最小尺寸的火焰所需的能量。

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实验还表明,当其他条件给定时,点燃可燃混合物所需的能量与电极间距d有关,所得关系曲线示于图2-16。当d小到无论多大的火花能量都不能使可燃混合物点燃时,空这个最小距离越叫熄火距离。因为当电极间隙过小时,初始火焰中心对电极的散热过大,以致火焰不能向周围混合物传播。所以,电极间的距离不宜过小,在给定条件下有一最佳值。

图2-17示出了最小点火能与天然气及城市燃气在混合物中含量的关系曲线,曲线上方为点火区域。由此可见,天然气所需点火能高。而且点火范用也窄。因此较难点着。而含氢量较高的城市燃气则易于点火。图2-18所示为熄火距离随可燃混合物中天然气含量的变化曲线。最小点火能及熄火距离的最小值一般都在靠近化学计量混合比之处,同时Emin及d随混合物中燃气含量的变化曲线均呈U形。表2-1为各种燃气在空气中点火能与熄火距离的具体数值。

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2.精致混合气中最小点火能 在静止混合气中,电机件的火花使气体加热,假设电火花加热区为球形,其最高温度是混合气的理论燃烧温度,从球心到球壁温度为均匀分布,并认为火花点燃混合气完全是热量的作用,燃烧为二级反应。当点火成功时,在火焰厚度δ内形成温度由To到Tm的稳定分布,如图2-20所示。若电火花加热的球形尺寸较大,它所点燃的混合气较多,化学反应放热也多,而单位体积火球的表面积相对较小,因而容易满足向冷混合气传热的要求,于是火焰向外传播并不断扩大。相反,若火花加热的球形尺寸较小,则因反应放热不易满足向冷混合气传热的要求,于是火焰向外扩展困难。因此为了保证点火成功,

要求有一个最小的火球尺寸,或者是它所对应的火球的最小点火能量。

如果点火成功,便形成稳定的火焰传播。在传播开始瞬间必须满足:化学反应放出的能量等于火球表面导走的能量。

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