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燃气燃烧的基本原理
01
燃气的着火
燃气的燃烧是一种化学反应。在分子互相碰撞时，只有活化分子才能破坏原来分子的结构，建立新的分子。这种超过分子平均能量可使分子活化而发生反应的能量称为活化能。
在氢和氧的混合气体中，存在一些不稳定的分子，在碰撞过程中不断变成化学上很活跃的质点：H、O和OH基。这些自由原子和游离基称为活化中心。
如果氧化反应过程生成的热量大于散失的热量，或者活化中心浓度增加的数量大于其销毁的数量，这个过程就称为不稳定的氧化反应过程。
有些化学反应的机理十分复杂，它们往往是通过链反应方式来进行的。可燃气体的燃烧反应都是链反应。
任何可燃气体在一定条件下与氧接触，都要发生氧化反应。如果氧化反应过程发生的热量等于散失的热量，或者活化中心浓度增加的数量正好补偿其销毁的数量，这个氧化反应过程就会很缓慢，我们把这个过程称为稳定的氧化反应过程。
由稳定的氧化反应转变为不稳定的氧化反应而引起燃烧的一瞬间，称为着火。
燃气的着火
一、支链着火
在一定条件下，由于活化中心浓度迅速增加而引起反应加速从而使反应由稳定的氧化反应转变为不稳定的氧化反应的过程，称为支链着火。
在链反应中，如果每一链环中有两个或更多个活化中心可以引出新链环的反应，这种链反应称为支链反应，如果每一链环只产生一个新的活化中心，那么这种链反应称为直链反应。燃烧反应都是支链反应。
图2-1 链反应图式
(a)直链反应；(b)支链反应
以氢、氧混合物的反应为例，它有两个压力极限—下限和上限。在压力下限以左的低压范围内(AB段)反应是缓慢而稳定的。因为压力很低，反应物浓度很小，为数不多的活化中心很容易撞在容器壁上而销毁。当压力较高而且超过上限(C点)时，由于压力高而反应物浓度增大，活化中心与其它分子碰撞而销毁的机会增多，所以反应又突然变得缓慢。在没有达到热力着火之前，反应速度随压力的增加而缓慢地增加(CD段)。
只有当压力处于下限和上限之间时，支链反应的活化中心的增加速度才会超过其销毁速度，反应才会自动加速，引起燃烧和爆炸。
氢氧混合物存在一个着火半岛
一、支链着火
图2-2 着火的压力极限
图2-3 氢氧混合物的“着火半岛”
对于支链反应，在着火前存在着一个感应期，在此期间系统中的能量主要用于活化中心的积聚，反应的速度极小，甚至很难察觉出来。经过感应期之后，反应速度达到可测速度Wi接着反应速度就迅速增加，在瞬时达到极大值而完成反应。
二、热力着火
一般工程上遇到的着火是由于系统中热量的积聚，氧化反应过程生成的热量大于散失的热量，使温度急剧上升而引起的。这种着火称为热力着火。
分析燃气与空气发生化学反应时的热平衡现象，可以了解热力着火的条件。单位时间内容器中由于化学反应产生的热量为
式中 W——化学反应速度；
H——燃气的热值；
k0——常数；
V——容器的体积。
在着火以前，由于温度T不高，反应速度很小，可以认为反应物浓度没有变化。
二、热力着火
单位时间内燃气与空气的混合物通过容器向外散失的热量为：
式中 α——由混合物向内壁的散热系数；
F——容器的表面积：
T——混合物的温度；
T0——容器内壁温度。
由于容器中温度变化不大，可以近似地认为α是常数
图2-4 可燃混合物的热力着火过程
图2-5 两种平衡状态的分析
二、热力着火
当温度T0较低时，散热线M和发热曲线L有两个交点：l和2。
首先分析交点2的情况。假设由于偶然的原因使温度下降一些，则由化学反应发生的热量就小于散失的热最，温度将不断下降。假设温度偶尔升高，则发热量大于散热量，温度将不断升高。可见任何温度的微小波动都会使反应离开平衡状态，因而交点2实际上是不稳定的平衡状态。
交点1的情况则不同。假设温度偶然降低，则由化学反应发生的热量将大于散失的热量，温度将回升到原处。假设温度偶尔升高，则散热量将大于发热量，使温度又降回到原处。因此交点1是稳定的平衡点。在该点混合物的温度很低，化学反应速度也很慢，是缓慢的氧化状态。
i点是稳定状态的极限位置，若容器内壁温度再升高，则发热量总是大于散热量，化学反应就从稳定的、缓慢的氧化反应转变成为不稳定、激烈的燃烧。i点称为着火点，相应于该点的温度Ti称为着火温度或自燃温度。