气体分离设备商务网行业书库第三节热值与燃烧温度及燃烧速度

第三节热值与燃烧温度及燃烧速度

热值

    我们知道，1摩尔的物质与氧气进行完全燃烧反应时所放出的热量，叫做该物质的燃烧热。例如1mol乙炔完全燃烧时，放出130．6×10⁴ J的热量，这些热量就是乙炔的燃烧热，其反应式为：
C₂H₂+2．5O₂—→2CO₂十H₂O十130．6×10⁴J       不同物质燃烧时放出的热量亦不相同，所谓热值：是指单位质量或单位体积的可燃物质完全燃烧时所发出的热量。可燃性固体和可燃性液体的热值以“J／kg”表示，可燃气体的热值以“J／m³ ”表示。可燃物质燃烧爆炸时所能达到的最高温度、最高压力及爆炸力等与物质的热值有关。物质的燃烧热见表1—2。
                          表1-2物质的燃烧热、热值和燃烧温度

物质的名称	燃烧热J／mol	热值		燃烧温度℃
*	*	J／kg	J／m³	*
碳氢化合物：	*	*	*	*
甲烷	882577	*	39400719	1800
乙烷	1542417	*	69333408	1895
苯	3279939	420500900	*	*
乙炔	1306282	*	58320000	2127
醇类：	*	*	*	*
甲醇	715524	23864760	*	1100
乙醇	1373270	30990694	*	1180
酮、醚类：	*	*	*	*
丙酮	1787764	30915331	*	1000
乙醚	2728538	36873148	*	2861
石油及其产品：	*	*	*	*
原油	43961400	*	*	1100
汽油	46892160	*	*	1200
煤油	41449320～46054800	*	*	700～1030
煤和其它物品：	*	*	*	*
无烟煤	*	31401000	*	2130
氢气	211997	*	10805093	1600
煤气	*	32657040	*	1850
木材	*	7117560～l4653800	*	1000～1177
镁	61435	25120800	*	3000
一氧化碳	285624	*	*	1680
硫	334107	10437692	*	1820
二硫化碳	1032465	14036666	12748806	2195
硫化氢	543028	*	*	2110
液化气	*	*	10467000～113800000	2020
天然气	*	*	35462196～39523392	2120
石油气	*	*	38434824～42161076	*
磷	*	24970075	*	*
棉花	*	17584560	*	*

可燃物质的热值是用量热法测定出来的，或者根据物质的元素组成用经验公式计算。 Q=(1000*Q_燃烧)/22.4 (1—1)

1．可燃物质如果是气态的单质和化合物，其热值可按下式计算，
式中：Q——每1m³可燃气体的热值，J／m³；
Q_燃烧——每摩尔可燃气体的燃烧热，J／mol。
[例1]　试求乙炔的热值。
[解]　从表1—2中查得乙炔的燃烧热为130.6×104J／mol；代入公式(1—1)
答：乙炔的热值为5.83×107J/m³。
2. 可燃物质如果是液态或固态的单质和化合物，其热值可按下式计算：Q=(1000*Q_燃烧)/M    (1—2)
式中：M——可燃液体或固体的摩尔质量。
[例2]试求苯的热值；(苯的摩尔质量为78)
[解〕从表1—2查得苯的燃烧热为328X104J／mol，代入公式(1—2)
答：苯的热值为4．21×107J／kg。
3．对于组成比较复杂的可燃物，如石油、煤炭、木材等，其热值可采用门捷列也夫经验公式计算其高热值和低热值。高热值是指单位质量的燃料完全燃烧，生成的水蒸汽也全部冷凝成水时所放出的热量；低热值是指单位质量的燃料完全燃烧，生成的水蒸汽不冷凝成水时所放出的热量。门捷列也夫经验公式如下：
Q_高 = 81C+300H-26(O-S)                             (1—3)
Q_低 = 81C+300H-26(O-S)-6(9H+w)              (1—4)
式中，Q_高、Q_低——可燃物质的高热值和低热值，kcal／kg；
C——可燃物质中碳的含量，％；
H——可燃物质中氢的含量，％；
O—一可燃物质中氧的含量，％；
S——可燃物质中硫的含量，％；
w—一可燃物质中的水分含量，％，
[例] 试求5kg木材的低热值。木材的成分为：C——43％，H—一7％，O——41％，S——2%，
W——7％
[解]将己知物质的百分组成代入公式(1—4)
Q＝81×43+300×7-26(41-2)一6(9×7+7)=4149(kcal／kg)=1735．9×104(J／kg)
则5kg木材的低热值为：
5×1735．9×104=8679.7×104J
答：5kg木材的低热值为8679．7×104J。
可燃物质的热值见表l－2。

二、燃烧温度

      可燃物质燃烧时所放出的热量，一部分被火焰辐射散失，而大部分则消耗在加热燃烧产物上。由于可燃物质燃烧所产生的热量是在火焰燃烧区域内析出的，因而火焰温度也就是燃烧温度。可燃物质的燃烧温度见表1—2。
     火焰最高温度的计算：
    燃烧过程是典型的非等温反应。在这种情况下，可利用图3－5那样的恒压循环过程作计算。如反应物的温度为T₁，产物温度为T₂，则反应的ΔH为:    ΔH＝ΔH₁＋ΔH⁰₂₉₈＋ΔH₂
      常温下的反应物，进入火焰后立即变为产物。由于过程是瞬间完成的，可以近似地认为反应是在绝热条件下完成的，反应放出的热全部用来加热产物和掺杂在反应物中的惰性气体，使之升高到火焰温度。根据如此假设计算出的是火焰的最高温度T_m。实际上，火焰并不是绝热的化学反应气团，所以温度要低一些。

例3．9 燃烧水泥的转炉是利用煤粉燃烧加热的。假设喷进转炉的煤粉掺有按燃烧反应计量的空气，试问转炉可能达到多高的温度?
解煤粉燃烧过程可以用图3．6那样的恒压循环过程表示。假设反应是在绝热条件下进行的，所以ΔH＝0。因为循环过程，ΔH₁＋ΔH₂－ΔH＝0，所以ΔH₁＝ΔH₂
ΔH₁是煤粉的燃烧热，也就是CO₂的生成热，等于－94.05千卡。1摩尔煤粉燃烧需要1摩尔氧气，生成1摩尔二氧化碳，同时还混有4摩尔的氮气(空气中O₂　：N₂＝1：4)。所以，ΔH₂是l摩尔CO₂和4摩尔氮气从298K升温到Tm所需的热量。查表知它们的热容为
CO₂ Cp＝6.37十10.10×10^-3T－3.41×10^-6T²
N₂ Cp＝6.66十1.02×10^-3T

          ＝33.01Tm＋7.09×10－3Tm²－1.14×10－6Tm³－10434
又因为ΔH₂＝ΔH₁＝94050卡，所以得到关于火焰最高温度的方程为:
     1.14×10－6Tm³－7.09×10－3Tm²－33.01Tm ＋104484＝0
解得 Tm＝2404（K）
  实际上，火焰温度要比Tm低，因为不能达到绝热条件，而且从理论上讲，计算中假设碳和氧完全化合成CO₂，这是近似的，在高温下二氧化碳的离解作用也不应忽视。理论上严格计算火焰温度时，一般要经过多次逼近才行。几种火箭燃料所能达到的理论最高温度如下：

燃料

氧化剂

理论最高温度(℃)

NH₂NH₂

NH₂NH₉

B₂H₆

C₂N₆

O₂

F₂

F₂

O₃

2970

4160

4360

5240

三、燃烧速度

（一）气体燃烧速度
由于气体的燃烧不需要象固体、液体那样经过熔化、蒸发等过程，所以燃烧速度很快。气体的燃烧速度随物质的组成不同而异。简单气体燃烧如氢气只需受热、氧化等过程；而复杂的气体如天然气、乙炔等则要经过受热、分解、氧化过程才能开始燃烧。因此，简单的气体比复杂的气体燃烧速度快。在气体燃烧中，扩散燃烧速度取决于气体扩散速度，而混合燃烧速度则取决于本身的化学反应速度；在通常情况下混合燃烧速度高于扩散燃烧速度。气体的燃烧性能也常见火焰传播速度来衡量，一些气体与空气的混合物在25．4毫米直径的管道中火焰传播速度的试验数据见表。

表4—8 一些可燃气体在直径25.4毫米管道中火焰传播速度，米／秒

气体名称

最大火焰传播速度

可燃气体在空气中的含量，％

气体名称

最大火焰传播速度

可燃气体在空气中的含量，％

氢

一氧化碳

甲烷

乙烷

丙烷

4.83

1.25

0.67

0.85

0.82

38.5

9.8

6.5

4.6

丁烷

乙烯

炼焦煤气

焦炭发生煤气

水煤气

0.82

1.42

1.70

0.73

3.1

3.6

7.1

48.5

火焰传播速度在不同演径的管道中测试时其值不同，一般随着管道直径增加而增加，当达到某个直径时速度就不再增加。同样，随着管道直径的减少而减少，并在达到某种小的直径时火焰在管中就不再传播。表4—9示甲烷和空气混合物在不同管径下的火焰传播速度。

表4—9 甲烷和空气混台物在不同管径时的传播速度，厘米／秒^①

甲烷(％) 管径(厘米)	2.5厘米	10厘米	20厘米	40厘米	60厘米	80厘米
6％	23.5	43.5	63	95	118	137
8％	50	80	100	154	183	203
10％	65	110	136	188	215	236
12％	35	74	80	123	163	185
13％	22	45	62	104	130	138

①本表摘自Π.Γ.ДИMИTOB：“物质燃烧原理”。

     此外在管道中测试火焰传播速度时还与管子材料以及火焰的重力场有关。如10％甲烷与空气混合气，管子平放时，火焰传播速度为65厘米／秒，向上垂直放时为75厘米／秒，而向下垂直放为59．5厘米／秒。
   如果在大管径中燃烧的混合物在小管径中熄灭，这种现象是由于在管子直径减小时增加了热损失所致。按热损失观点来分析，那么加热区域与反应区域的比例是：
式中d——直径；r——半径；h——反应区长度。
    对于直径为10厘米的管子，这个比例等于0．4，而对于直径为2厘米的管子这个比例等于2。由此可见，随着管子直径的减小，热损失就逐步加大，燃烧温度与火焰传播速度就相应降低，度至停止传播。阻火器就是根据这一原理制成的。
   （二）液体燃烧速度
     液体燃烧速度取决于液体的蒸发。其燃烧速度有两种表示方法。一种是以每平方米面积上，l小时烧掉液体的重量表示，叫做液体燃烧的重量速度。一种是以1小时烧掉液体层的高度来表示，叫做液体燃烧的直线速度。易燃液体的燃烧速度与很多因素有关，如液体的初温、贮罐直径、罐内液面的高低，液体中水分含量等。初温越高，燃烧速度越快，贮罐中低液位燃烧比高液位燃烧的速度要快。含水的比不含水的石油产品燃烧速度要慢。
     液体燃烧前须先蒸发而后燃烧。易燃液体在常温下蒸气压就很高，因此有火星、灼热物体等靠近时便能着火，随后，火焰便很快沿液体表面蔓延，其速度可达0．5～2米／秒。另一类液体则必须在火焰或灼热物体长久作用下，使其表面层强烈受热而大量蒸发后才能着火。故在常温下生产，使用这类液体的厂房没有火灾爆炸危险。这类液体着火后只在不大的地段上燃烧，火焰在液体表面上蔓延得很慢。
     为了使液体燃烧继续下去，必须向液体传入大量热，使表层的液体被加热并蒸发。火焰向液体传热的途径是靠辐射。故火焰沿液面蔓延的速度除决定于液体的初温、热容、蒸发潜热外还决定于火焰的辐射能力。如苯在初温为16℃时燃烧速度为165．37公斤／米²·小时；而在40℃时为177．18公斤／米²·小时；60℃时为193．3公斤／米²·小时。此外，风速对火焰蔓延速度也有很大影响。几种易燃液体的燃烧速度见表4—10。

表4—10 几种易然液体的燃烧速度

液体名称

燃烧速度

比重

直线速度(厘米/小时)

重量速度(公斤／米²·小时)

苯

乙醚

甲苯

航空汽油

车用汽油

二硫化碳

丙酮

甲醇

煤油

18.9

17.5

16.08

12.6

10.5

10.47

8.4

7.2

6.6

165.37

125.84

138.29

91.98

80.85

132.97

66.36

57.6

55.11

d₁₆＝0.875

d₁₅＝0.715

d₁₅＝0.86

d₁₀＝0.73

d＝1.27

d₁₈＝O.79

d₁₀＝0.8

d₁₀＝0.835

（三）固体物质的燃烧速度
固体物质的燃烧速度，一般要小于可燃气体和液体。不同的固体物质其燃烧速度有很大差异。如荼及其衍生物，三硫化磷、松香等在常温下是固体，燃烧过程是受热熔化、蒸发、气化、分解氧化；起火燃烧，一般速度较馒。有的如硝基化合物、含硝化纤维素的制品等，本身含有不稳定的基团，燃烧是分解式的，燃烧比较剧烈、速度很快。对于同一种固体可燃物质其燃烧速度还取决于燃烧比表面积。即燃烧的表面积与体积的比例越大，则燃烧速度越大；反之，燃烧速度越小。