CN105868565A - 一种燃料稀燃极限理论计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种燃料稀燃极限理论计算方法，具体包括以下步骤：(a)确定各组分摩尔分数；(b)将各种稀释气体折合为当量氮气N₂摩尔分数；(c)将含燃料混合气近似为由燃料‑氧气‑氮气构成的混合气；(d)将各组分摩尔分数归一化处理；(e)求出氮气N₂与氧气O₂的摩尔分数之比λ；(f)构造燃料、氧气和氮气在富氧条件的非理论比通用反应方程；(g)假设燃料在稀燃极限下的绝热燃烧温度，根据绝热燃烧温度计算公式和非理论比通用反应方程反推燃料的摩尔分数x_f。

Description

一种燃料稀燃极限理论计算方法

技术领域

本发明属于燃料燃烧技术领域，具体涉及一种燃料稀燃极限理论计算方法。

背景技术

燃料的着火极限对工业生产安全、燃料的高效清洁燃烧意义重大。1812年5月25日英国纽卡斯尔附近发生了著名的Felling矿难，导致92人死亡，这次矿难事件的调查发现迈出了人类对燃料着火极限探索的第一步，Davy爵士领导的团队首次提出了着火极限的概念和揭示了燃料着火的原理，作为本次调查的成果之一的Davy安全灯成为了煤矿的必备安全装置。在20世纪上半叶美国矿业局开展了针对燃料着火极限的大规模实验研究，得到了大量燃料包括烃类、醇类、酮类等在常温(25℃)、常压(1atm)下与不同稀释气体构成的混合气着火极限，其实验数据至今仍是科研工作者、工业生产企业研究燃料着火极限极其重要的参考资料。Jones总结了影响着火管测定燃料着火极限的8个因素，包括：火焰传播方向、着火管设计、着火管长度、混合气温度、压力、稀释气体的浓度和点火能量。

除了煤矿企业外，燃料着火极限还受到多个产业关注包括化学及过程工业安全生产、制冷剂工质安全、消防安全和燃烧安全。以制冷剂工质安全为例，20世纪90年代世界各国政府决定逐步淘汰卤代烷制冷剂，而替代工质有相当一部分是可燃的，因此需要考虑到工质一旦泄露所造成的火灾危险性。而且部分工质的着火燃烧过程激烈迅猛甚至是***式，因此更加需要对工质的着火极限作出***的研究。

发明内容

目前燃料着火极限一般在常温、常压下通过定容***或着火管进行实验，实验结果的精确性受实验设备的容积、结构形状、尺寸影响很大，特别可视化定容***和着火管一般不能在高温(＞1200K)、高压(＞20bar)下运行，因此燃料着火极限的实验测定受到很大局限。而且燃料的类别繁多逐一试验燃料在不同温度、压力下的着火极限，工作量巨大而且造成资源浪费，因此有必要提出一种简易、精确性较好的预测燃料着火极限的理论计算方法。

本发明提出一种燃料稀燃极限理论计算方法，其特征在于：用于计算纯质燃料与一种或多种稀释气体构成的含燃料混合气在空气中的稀燃极限；具体包括以下步骤：

a)确定含燃料混合气中各组分摩尔分数，分别是A％Fuel+B1％Inert1+B2％Inert2+…Bj％Inertj+…+Bp％Inertp+C％Air，即包括摩尔分数为A％的燃料Fuel、摩尔分数分别为B1％、B2％…Bj％、…Bp％的p种稀释气体Inert和摩尔分数为C％的空气Air，而且A％+B1％+B2％+…Bj％+…+Bp％+C％＝100％；

b)p种稀释气体根据稀释效果分别将各自的摩尔分数乘以相应的当量系数Kk，折合为当量的氮气N₂摩尔分数D％，即D％＝B1％×Kk1+B2％×Kk2+…Bj％×Kkj+…+Bp％×Kkp；此时含燃料混合气中各组分摩尔分数分别为A％Fuel+D％N₂+C％Air各种常用稀释气体的当量系数Kk如下表所示：

c)将含燃料混合气近似为由燃料-氧气-氮气(Fuel-O₂-N₂)构成的混合气，此时燃料Fuel的摩尔分数为A％，氧气O₂的摩尔分数为E％＝20.95％×C％，氮气N₂的摩尔分数为F％＝D％+79.05％×C％，此时含燃料混合气中各组分摩尔分数分别为A％Fuel+E％O₂+F％N₂；

d)将近似得到的三组分混合气Fuel-O₂-N₂的摩尔分数进行归一化处理，燃料Fuel摩尔分数为G％＝A％/(A％+E％+F％)％，氧气O₂摩尔分数为H％＝E％/(A％+E％+F％)％，氮气N₂的摩尔分数为I％＝F％/(A％+E％+F％)％，此时含燃料混合气中各组分摩尔分数分别为G％Fuel+H％O₂+I％N₂，但此时G％+H％+I％＝100％；

e)求出氮气N₂与氧气O₂的摩尔分数之比λ＝I％/H％；

f)构造单一燃料Fuel、氧气O₂和氮气N₂在富氧条件即当量比的非理论比通用反应方程：

其中：

$v_{\mathrm{air}}=a+\frac{b}{4}-\frac{c}{2}$

${\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{CO}}_2}=a$

${\mathrm{\μ}}_{H_{2}O}=\frac{b}{2}$

${\mathrm{\μ}}_{N_2}=\mathrm{\λ}\×{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{air}}+\frac{d}{2}$

${\mathrm{\μ}}_{o_2}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{air}}-a-\frac{b}{4}+\frac{c}{2}$

g)假设燃料在稀燃极限下的绝热燃烧温度为T_AFT、环境温度为T_o，查找燃料的燃烧焓ΔH_c、所有燃烧产物的定压比热容c_{p ， i}，根据以下绝热燃烧温度计算公式和上述非理论比通用反应方程反推此时燃料的摩尔分数x_f，即得燃料在该混合气下的稀燃极限x_L；

$T_{\mathrm{AFT}}=T_o+\frac{\mathrm{\Δ}{H}_c}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\μ}}_i\×c_{p,i}}$

其中：

T_AFT-绝热燃烧温度，单位K；

T_o-环境温度，单位K；

ΔH_c-燃料的燃烧焓，单位J/mol；

μ_i-非理论比通用反应方程中第i种燃烧产物的系数；

c_{p ， i}-非理论比通用反应方程中第i种燃烧产物的定压比热容，单位J/(mol*K)。

附图说明

图1为本发明的实现流程图。

图2为实验得出的甲烷着火区域图。

图3为利用本发明原理计算得到的甲烷稀燃极限示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细描述本发明的具体实施方式，但本发明不受所述具体实施例所限。下述实施例均按照说明书附图1的实现流程进行计算。

实施例1：现有含燃料混合气9％CH₄+10％CO₂+81％Air在容积为12L定容***内，求在相同稀释条件下(10％CO₂)CH₄的稀燃极限。

解答：

(a)确定含燃料混合气中各组分摩尔分数：该混合气含9％CH₄、10％CO₂和81％Air；

(b)利用稀释气体的N₂当量系数将CO₂根据稀释效果折合为当量的氮气N₂摩尔分数；

由上述表格知CO₂的N₂当量系数Kk＝1.5

CO₂的折合N₂摩尔分数＝10％×1.5＝15％

(c)将含燃料混合气近似为由燃料-氧气-氮气(Fuel-O₂-N₂)构成的混合气；

CH₄的摩尔分数＝9％

O₂的摩尔分数＝81％×20.95％＝16.9695％

N₂的摩尔分数＝15％+81％×79.05％＝79.0305％

CH₄-O₂-N₂构成的混合气中各组分摩尔分数分别为9％Fuel+16.9695％O₂+79.0305％N₂

折算后混合气总摩尔分数＝9％+16.9695％+79.0305％＝105％

(d)将近似得到的三组分混合气Fuel-O₂-N₂的摩尔分数进行归一化处理；

8.5714％+16.1614％+75.2671％＝100％

(e)求出氮气N₂与氧气O₂的摩尔分数之比λ；

$\mathrm{\λ}=\frac{75.2671\%}{16.1614\%}=4.6572$

(f)构造单一燃料Fuel、氧气O₂和氮气N₂在富氧条件即当量比的非理论比通用反应 方程：

其中：

$v_{\mathrm{air}}=1+\frac{4}{4}=2$

${\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{CO}}_2}=1$

${\mathrm{\μ}}_{H_{2}O}=\frac{4}{2}=2$

${\mathrm{\μ}}_{N_2}=\mathrm{\λ}\×{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{air}}=\mathrm{\λ}\×\frac{1-x_f}{4.773x_f}$

${\mathrm{\μ}}_{O_2}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{air}}-a-\frac{b}{4}+\frac{c}{2}=\frac{1-x_f}{4.773x_f}-2$

(g)假设CH₄在稀燃极限下的绝热燃烧温度为T_AFT＝1450K、环境温度为T_o＝298K，查找CH₄的燃烧焓ΔH_c＝802480J/mol，CO₂、H₂O、N₂和O₂的定压比热容和分别为54.3J/(mol*K)、41.2J/(mol*K)、32.7J/(mol*K)和34.9J/(mol*K)。

把上述条件代入绝热燃烧温度计算公式

$T_{\mathrm{AFT}}=T_o+\frac{\mathrm{\Δ}{H}_c}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\μ}}_i\×c_{p,i}}$

即

$1450=298+\frac{802480}{1\×54.3+2\×41.2+34.9\×(\frac{1-x_f}{4.773x_f}-2)+32.7\×\mathrm{\λ}\×\frac{1-x_f}{4.773x_f}}$

解方程得

CH₄的摩尔分数x_f＝5.878％

即CH₄在此稀释条件下(10％CO₂)的稀燃极限x_L＝x_f＝5.878％

对比定容***得到的实验数据，此时CH₄稀燃极限是5.6％与本发明稀燃极限预测值5.878％吻合程度较好。

由此实施例可见本发明取得了基本准确预测燃料稀燃极限的有益效果。

同理，根据本发明的原理可以计算燃料在多组分稀释气体中的稀燃极限，只需把稀释气体中的不同组分折合为相应质量分数的N₂即可。例如在内燃机燃烧过程中常采取废气再循环技术措施降低NO_x，而参与再循环的废气一般是CO₂、H₂O和N₂的混合气，因此预测燃料在多组份稀释气体中的稀燃极限十分必要。下面实施例利用本发明原理计算燃料在多组分稀释气体中的稀燃极限。

实施例2：现有含燃料混合气7％CH₄+20％Inert+73％Air在容积为12L定容***内，其中稀释气体Inert由20％CO₂和80％N₂组成，环境温度和压力分别为25℃、1atm，求在相同稀释条件下(20％Inert)CH₄的稀燃极限。

解答：

(a)确定含燃料混合气中各组分摩尔分数；

稀释气体Inert中CO₂的摩尔分数＝20％×20％＝4％

稀释气体Inert中N₂的摩尔分数＝20％×80％＝16％

因此该混合气含7％CH₄、4％CO₂、16％N₂和73％Air。

(b)利用稀释气体的N₂当量系数分别将稀释气体Inert中的CO₂和N₂根据稀释效果折合为当量的氮气N₂摩尔分数；

由上述表格知CO₂的N₂当量系数Kk＝1.5，N₂的N₂当量系数Kk＝1

CO₂的折合N₂摩尔分数＝4％×1.5＝6％

N₂的折合N₂摩尔分数＝16％×1＝16％

(c)将含燃料混合气近似为由燃料-氧气-氮气(Fuel-O₂-N₂)构成的混合气；

CH₄的摩尔分数＝7％

混合气中O₂的摩尔分数＝73％×20.95％＝16.9695％

混合气中N₂的摩尔分数＝6％+16％+73％×79.05％＝79.7065％

CH₄-O₂-N₂构成的混合气中各组分摩尔分数分别为7％Fuel+16.9695％O₂+79.7065％N₂

折算后混合气总摩尔分数＝7％+16.9695％+79.7065％＝103.676％

(d)将近似得到的三组分混合气Fuel-O₂-N₂的摩尔分数进行归一化处理；

6.7518％+16.3678％+76.8804％＝100％

(e)求出氮气N₂与氧气O₂的摩尔分数之比λ；

$\mathrm{\λ}=\frac{76.8804\%}{16.3678\%}=4.6971$

(f)构造单一燃料Fuel、氧气O₂和氮气N₂在富氧条件即当量比的非理论比通用反应方程：

其中：

$v_{\mathrm{air}}=1+\frac{4}{4}=2$

${\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{CO}}_2}=1$

${\mathrm{\μ}}_{H_{2}O}=\frac{4}{2}=2$

${\mathrm{\μ}}_{N2}=\mathrm{\λ}\×{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{air}}=\mathrm{\λ}\×\frac{1-x_f}{4.773x_f}$

${\mathrm{\μ}}_{O_2}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{air}}-a-\frac{b}{4}+\frac{c}{2}=\frac{1-x_f}{4.773x_f}-2$

(g)假设CH₄在稀燃极限下的绝热燃烧温度为T_AFT＝1400K、环境温度为T_o＝298K，查找CH₄的燃烧焓ΔH_c＝802480J/mol，CO₂、H₂O、N₂和O₂的定压比热容和分别为54.3J/(mol*K)、41.2J/(mol*K)、32.7J/(mol*K)和34.9J/(mol*K)。

把上述条件代入绝热燃烧温度计算公式

$T_{\mathrm{AFT}}=T_o+\frac{\mathrm{\Δ}{H}_c}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\μ}}_i*c_{p,i}}$

即

$1400=298+\frac{802480}{1\×54.3+2\×41.2+34.9\×(\frac{1-x_f}{4.773x_f}-2)+32.7\×\mathrm{\λ}\×\frac{1-x_f}{4.773x_f}}$

解方程得

CH₄的摩尔分数x_f＝5.649％

即CH₄在此稀释条件下的稀燃极限x_L＝x_f＝5.649％

对比定容***得到的实验数据，此时CH₄稀燃极限是5.4％与本发明稀燃极限预测值5.649％吻合程度较好。

由此实施例可见本发明取得了基本准确预测燃料稀燃极限的有益效果。

附图2是着火管实验得到的甲烷-空气-稀释气体在25℃，1atm下着火区域，附图3是采用本发明原理预测的稀燃极限，绝对误差均在6％以内

综合上述，在燃料着火极限问题中，本发明所提出的燃料稀燃极限理论计算方法与实验结果吻合程度较好，取得了基本准确预测燃料稀燃极限的有益效果。

以上所述本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种燃料稀燃极限理论计算方法，其特征在于：用于计算纯质燃料与一种或多种稀释气体构成的含燃料混合气在空气中的稀燃极限；具体包括以下步骤：

a)确定含燃料混合气中各组分摩尔分数，分别是A％Fuel+B1％Inert1+B2％Inert2+…Bj％Inertj+…+Bp％Inertp+C％Air，即包括摩尔分数为A％的燃料Fuel、摩尔分数分别为B1％、B2％…Bj％、…Bp％的p种稀释气体Inert和摩尔分数为C％的空气Air，而且A％+B1％+B2％+…Bj％+…+Bp％+C％＝100％；

b)p种稀释气体根据稀释效果分别将各自的摩尔分数乘以相应的当量系数Kk，折合为当量的氮气N₂摩尔分数D％，即D％＝B1％×Kk1+B2％×Kk2+…Bj％×Kkj+…+Bp％×Kkp；此时含燃料混合气中各组分摩尔分数分别为A％Fuel+D％N₂+C％Air；各种常用稀释气体的当量系数Kk如下表所示：

c)将含燃料混合气近似为由燃料-氧气-氮气(Fuel-O₂-N₂)构成的混合气，此时燃料Fuel的摩尔分数为A％，氧气O₂的摩尔分数为E％＝20.95％×C％，氮气N₂的摩尔分数为F％＝D％+79.05％×C％，此时含燃料混合气中各组分摩尔分数分别为A％Fuel+E％O₂+F％N₂；

d)将近似得到的三组分混合气Fuel-O₂-N₂的摩尔分数进行归一化处理，燃料Fuel摩尔分数为G％＝A％/(A％+E％+F％)％，氧气O₂摩尔分数为H％＝E％/(A％+E％+F％)％，氮气N₂的摩尔分数为I％＝F％/(A％+E％+F％)％，此时含燃料混合气中各组分摩尔分数分别为G％Fuel+H％O₂+I％N₂，但此时G％+H％+I％＝100％；

e)求出氮气N₂与氧气O₂的摩尔分数之比λ＝I％/H％；

f)构造单一燃料Fuel、氧气O₂和氮气N₂在富氧条件即当量比的非理论比通用反应方程：

$C_a{H}_b{O}_c{N}_d+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{air}}(O_2+{\mathrm{\λN}}_2)\→{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{CO}}_2}{\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{\μ}}_{H_{2}O}{H}_{2}O+{\mathrm{\μ}}_{N_2}{N}_2+{\mathrm{\μ}}_{O_2}{O}_2$

其中：

$v_{air}=a+\frac{b}{4}-\frac{c}{2}$

${\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{CO}}_2}=a$

${\mathrm{\μ}}_{H_{2}O}=\frac{b}{2}$

${\mathrm{\μ}}_{N_2}=\mathrm{\λ}\×{\mathrm{\μ}}_{air}+\frac{d}{2}$

${\mathrm{\μ}}_{o_2}={\mathrm{\μ}}_{air}-a-\frac{b}{4}+\frac{c}{2}$

g)假设燃料在稀燃极限下的绝热燃烧温度为T_AFT、环境温度为T_o，查找燃料的燃烧焓ΔH_c、所有燃烧产物的定压比热容C_p,i，根据以下绝热燃烧温度计算公式和上述非理论比通用反应方程反推此时燃料的摩尔分数x_f，即得燃料在该混合气下的稀燃极限x_L；

$T_{AFT}=T_o+\frac{{\mathrm{\ΔH}}_c}{\Σ{\mathrm{\μ}}_i\×c_{p,i}}$

其中：

T_AFT—绝热燃烧温度，单位K；

T_o—环境温度，单位K；

ΔH_c—燃料的燃烧焓，单位J/mol；

μ_i—非理论比通用反应方程中第i种燃烧产物的系数；

c_p,i—非理论比通用反应方程中第i种燃烧产物的定压比热容，单位J/(mol*K)。