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燃烧化学:甲烷与空气的化学反应及燃烧条件

时间:2023-11-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:在将上述热力学原理应用于燃烧分析之前,需要回顾化学反应的一些基础概念。例如,甲烷与空气一起进入反应器,假设O2与CH4的摩尔比为2:1。通过检查当量比,可以看出燃料/空气混合物的燃烧条件:如果φ=1,燃烧是在化学计量条件下反应;如果φ<1,有多余的O2没有完全用于燃烧过程,这种燃烧反应称为贫燃料燃烧;如果,燃料较多,这种燃烧是富燃料燃烧:在富燃料燃烧中,燃烧反应会产生不完全的燃烧产物,如CO和H2等。

燃烧化学:甲烷与空气的化学反应及燃烧条件

在将上述热力学原理应用于燃烧分析之前,需要回顾化学反应的一些基础概念。从反应过程来看,化学反应可以看作进入反应器(初始状态)的反应物向离开反应器(最终状态)产物的转化过程。例如,甲烷(CH4)与空气(21%O2和79%N2)一起进入反应器,假设O2与CH4的摩尔比为2:1。我们可以把燃烧1 mol CH4的过程写为

这里的产物是1 mol CO2,2 mol H2O和(2×79/21)mol N2。当然,我们在写反应方程式时,会省略中间部分而简单写为

上述反应称为完全燃烧反应,燃料中的所有C都被氧化为CO2,所有的H2都被氧化为H2O,这些化合物称为完全燃烧产物。如果没有过量的O2(在氧化过程中消耗了所有的O2),则特征燃料与O2的摩尔比称为化学计量比(CH4为1/2)。通过写出完整的化学计量反应,可以确定任意燃料CmHn的化学计量比为1/(m + n/4):

但是,在实际的燃烧过程中,燃料与O2的摩尔比通常不为化学计量比。例如,汽油发动机在冷启动时燃烧条件通常略高于化学计量比,其原因将在后面讨论。为了描述实际燃烧过程中的燃料氧气比,可以引入当量比,即实际燃烧过程中燃料与O2的摩尔比与化学计量条件下燃烧的摩尔比:(www.xing528.com)

当然,可以用燃料与空气的摩尔比或燃料与O2和燃料与空气的质量比计算当量比。通过检查当量比,可以看出燃料/空气混合物的燃烧条件:如果φ=1,燃烧是在化学计量条件下反应;如果φ<1,有多余的O2没有完全用于燃烧过程,这种燃烧反应称为贫燃料燃烧;如果img,燃料较多,这种燃烧是富燃料燃烧:

在富燃料燃烧中,燃烧反应会产生不完全的燃烧产物,如CO和H2等。

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