一種燃料稀燃極限理論計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種燃料稀燃極限理論計(jì)算方法，具體包括以下步驟：(a)確定各組分摩爾分?jǐn)?shù)；(b)將各種稀釋氣體折合為當(dāng)量氮?dú)釴2摩爾分?jǐn)?shù)；(c)將含燃料混合氣近似為由燃料?氧氣?氮?dú)鈽?gòu)成的混合氣；(d)將各組分摩爾分?jǐn)?shù)歸一化處理；(e)求出氮?dú)釴2與氧氣O2的摩爾分?jǐn)?shù)之比λ；(f)構(gòu)造燃料、氧氣和氮?dú)庠诟谎鯒l件的非理論比通用反應(yīng)方程；(g)假設(shè)燃料在稀燃極限下的絕熱燃燒溫度，根據(jù)絕熱燃燒溫度計(jì)算公式和非理論比通用反應(yīng)方程反推燃料的摩爾分?jǐn)?shù)xf。
【專利說(shuō)明】
一種燃料稀燃極限理論計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于燃料燃燒技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種燃料稀燃極限理論計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 燃料的著火極限對(duì)工業(yè)生產(chǎn)安全、燃料的高效清潔燃燒意義重大。1812年5月25日 英國(guó)紐卡斯?fàn)柛浇l(fā)生了著名的Felling礦難，導(dǎo)致92人死亡，這次礦難事件的調(diào)查發(fā)現(xiàn)邁 出了人類對(duì)燃料著火極限探索的第一步，Davy爵士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)首次提出了著火極限的概念 和揭示了燃料著火的原理，作為本次調(diào)查的成果之一的Davy安全燈成為了煤礦的必備安全 裝置。在20世紀(jì)上半葉美國(guó)礦業(yè)局開(kāi)展了針對(duì)燃料著火極限的大規(guī)模實(shí)驗(yàn)研究，得到了大 量燃料包括烴類、醇類、酮類等在常溫(25°C)、常壓（latm)下與不同稀釋氣體構(gòu)成的混合氣 著火極限，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)至今仍是科研工作者、工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)研究燃料著火極限極其重要的 參考資料。Jones總結(jié)了影響著火管測(cè)定燃料著火極限的8個(gè)因素，包括:火焰?zhèn)鞑シ较?、?火管設(shè)計(jì)、著火管長(zhǎng)度、混合氣溫度、壓力、稀釋氣體的濃度和點(diǎn)火能量。
[0003] 除了煤礦企業(yè)外，燃料著火極限還受到多個(gè)產(chǎn)業(yè)關(guān)注包括化學(xué)及過(guò)程工業(yè)安全生 產(chǎn)、制冷劑工質(zhì)安全、消防安全和燃燒安全。以制冷劑工質(zhì)安全為例，20世紀(jì)90年代世界各 國(guó)政府決定逐步淘汰鹵代烷制冷劑，而替代工質(zhì)有相當(dāng)一部分是可燃的，因此需要考慮到 工質(zhì)一旦泄露所造成的火災(zāi)危險(xiǎn)性。而且部分工質(zhì)的著火燃燒過(guò)程激烈迅猛甚至是爆炸 式，因此更加需要對(duì)工質(zhì)的著火極限作出系統(tǒng)的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 目前燃料著火極限一般在常溫、常壓下通過(guò)定容燃燒彈或著火管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn) 結(jié)果的精確性受實(shí)驗(yàn)設(shè)備的容積、結(jié)構(gòu)形狀、尺寸影響很大，特別可視化定容燃燒彈和著火 管一般不能在高溫（> 1200K)、高壓（>20bar)下運(yùn)行，因此燃料著火極限的實(shí)驗(yàn)測(cè)定受到 很大局限。而且燃料的類別繁多逐一試驗(yàn)燃料在不同溫度、壓力下的著火極限，工作量巨大 而且造成資源浪費(fèi)，因此有必要提出一種簡(jiǎn)易、精確性較好的預(yù)測(cè)燃料著火極限的理論計(jì) 算方法。
[0005] 本發(fā)明提出一種燃料稀燃極限理論計(jì)算方法，其特征在于：用于計(jì)算純質(zhì)燃料與 一種或多種稀釋氣體構(gòu)成的含燃料混合氣在空氣中的稀燃極限;具體包括以下步驟：
[0006] a)確定含燃料混合氣中各組分摩爾分?jǐn)?shù)，分別是A%Fuel+Bl%Inertl+B2% 11161^2+~13」％11161'1：」+ ."+1^%11161^口+(]%六；[1'，即包括摩爾分?jǐn)?shù)為六％的燃料?1161、摩爾分 數(shù)分別為B1 %、B2%…Bj %、"·Βρ%的p種稀釋氣體Inert和摩爾分?jǐn)?shù)為C%的空氣Air，而且 A%+Bl%+B2%+---Bj%+---+Bp%+C% = 100% ；
[0007] b)p種稀釋氣體根據(jù)稀釋效果分別將各自的摩爾分?jǐn)?shù)乘以相應(yīng)的當(dāng)量系數(shù)Kk，折 合為當(dāng)量的氮?dú)釴2摩爾分?jǐn)?shù)D%，即D%=B1% XKkl+B2% XKk2+…Bj% XKkj+."+Bp% X Kkp;此時(shí)含燃料混合氣中各組分摩爾分?jǐn)?shù)分別為A%Fuel+D%N2+C%Air各種常用稀釋氣 體的當(dāng)量系數(shù)Kk如下表所示：
[0008]
[0009] c)將含燃料混合氣近似為由燃料-氧氣-氮?dú)?Fuel-〇2_N2)構(gòu)成的混合氣，此時(shí)燃 料Fue 1的摩爾分?jǐn)?shù)為A %，氧氣02的摩爾分?jǐn)?shù)為E %=20.95%XC%，氮?dú)釴2的摩爾分?jǐn)?shù)為 F%=D%+79.05%XC%，此時(shí)含燃料混合氣中各組分摩爾分?jǐn)?shù)分別為A % Fue 1+E % 〇2+F % N2；
[0010] d)將近似得到的三組分混合氣Fuel-〇2-N2的摩爾分?jǐn)?shù)進(jìn)行歸一化處理，燃料Fuel 摩爾分?jǐn)?shù)為 G%=A%/(A%+E%+F%)%，氧氣 〇2 摩爾分?jǐn)?shù)為 H%=E%/(A%+E%+F%)%， 氮?dú)釴2的摩爾分?jǐn)?shù)為I%=F%/(A%+E%+F%)%，此時(shí)含燃料混合氣中各組分摩爾分?jǐn)?shù)分 別為G%Fuel+H%〇2+I%N2,但此時(shí)G%+H%+I% = 100% ;
[0011] e)求出氮?dú)馑c氧氣02的摩爾分?jǐn)?shù)之比λ=Ι%/Η%;
[0012] f)構(gòu)造單一燃料Fuel、氧氣〇2和氮?dú)猞?在富氧條件即當(dāng)量比0<1的非理論比通用 反應(yīng)方程：
[0021] g)假設(shè)燃料在稀燃極限下的絕熱燃燒溫度為TAFT、環(huán)境溫度為Τ。，查找燃料的燃燒 焓A Hc、所有燃燒產(chǎn)物的定壓比熱容cm，根據(jù)以下絕熱燃燒溫度計(jì)算公式和上述非理論比 通用反應(yīng)方程反推此時(shí)燃料的摩爾分?jǐn)?shù) Xf，即得燃料在該混合氣下的稀燃極限xu
[0023]其中：
[0024] Taft-絕熱燃燒溫度，單位K;
[0025] T。-環(huán)境溫度，單位K;
[0026] Δ H。-燃料的燃燒焓，單位J/mol;
[0027] μι_非理論比通用反應(yīng)方程中第i種燃燒產(chǎn)物的系數(shù)；
[0028] cm-非理論比通用反應(yīng)方程中第i種燃燒產(chǎn)物的定壓比熱容，單位J/(mol*K)。
【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖。
[0030]圖2為實(shí)驗(yàn)得出的甲烷著火區(qū)域圖。
[0031]圖3為利用本發(fā)明原理計(jì)算得到的甲烷稀燃極限示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明不受所述具體 實(shí)施例所限。下述實(shí)施例均按照說(shuō)明書附圖1的實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行計(jì)算。
[0033] 實(shí)施例1:現(xiàn)有含燃料混合氣9 % CH4+10 % C02+81 % Air在容積為12L定容燃燒彈內(nèi)， 求在相同稀釋條件下（10%C02)CH4的稀燃極限。
[0034] 解答：
[0035] (a)確定含燃料混合氣中各組分摩爾分?jǐn)?shù):該混合氣含9 % CH4、10 %0)2和81 % Air;
[0036] (b)利用稀釋氣體的仏當(dāng)量系數(shù)將C02根據(jù)稀釋效果折合為當(dāng)量的氮?dú)釴 2摩爾 分?jǐn)?shù)；
[0037]由上述表格知C02的N2當(dāng)量系數(shù)Kk= 1.5
[0038] C02的折合N2摩爾分?jǐn)?shù)=10% XI .5 = 15%
[0039] (c)將含燃料混合氣近似為由燃料-氧氣-氮?dú)?Fue 1-〇2-Ν2)構(gòu)成的混合氣；
[0040] CH4的摩爾分?jǐn)?shù)=9%
[0041 ] 〇2的摩爾分?jǐn)?shù)=81 % X 20.95% = 16.9695%
[0042] N2的摩爾分?jǐn)?shù)=15%+81% Χ79·05%=79·0305%
[0043] CH4-O2-N2構(gòu)成的混合氣中各組分摩爾分?jǐn)?shù)分別為9%Fuel + 16.9695%〇2 + 79.0305%N2
[0044] 折算后混合氣總摩爾分?jǐn)?shù)=9%+16.9695%+79.0305% = 105%
[0045] (d)將近似得到的三組分混合氣Fuel-〇2-fc的摩爾分?jǐn)?shù)進(jìn)行歸一化處理；
[0049] 8.5714%+16.1614%+75.2671% = 100%
[0050] (e)求出氮?dú)馑c氧氣02的摩爾分?jǐn)?shù)之比λ;
[0052] (f)構(gòu)造單一燃料Fuel、氧氣〇2和氮?dú)猞?在富氧條件即當(dāng)量比0<1的非理論比通用 反應(yīng)方程：
[0053] CH4 + "air(02 + 1N2) -> "c〇2C02 + μΗ2〇Η20 + μΝ2Ν2 + μ〇2〇2
[0054] 其中：
[0061 ] (g)假設(shè)CH4在稀燃極限下的絕熱燃燒溫度為Taft=1450K、環(huán)境溫度為Τ〇 = 298Κ，查 找CH4的燃燒焓Δ Hc = 802480J/mol，⑶2、Η20、Ν2和02的定壓比熱容 cp,co2、cp,h2〇、^為和 cp,〇41ljS54.3J/(mol*K)、41.2J/(mol*K)、32.7J/(mol*K#P34.9J/(mol*K)。
[0062]把上述條件代入絕熱燃燒溫度計(jì)算公式
[0066] 解方程得
[0067] CH4 的摩爾分?jǐn)?shù) xf = 5.878%
[0068] 即CH4在此稀釋條件下（10 % C02)的稀燃極限xl = xf = 5 · 878 %
[0069] 對(duì)比定容燃燒彈得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，此時(shí)CH4稀燃極限是5.6%與本發(fā)明稀燃極限預(yù) 測(cè)值5.878 %吻合程度較好。
[0070] 由此實(shí)施例可見(jiàn)本發(fā)明取得了基本準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燃料稀燃極限的有益效果。
[0071] 同理，根據(jù)本發(fā)明的原理可以計(jì)算燃料在多組分稀釋氣體中的稀燃極限，只需把 稀釋氣體中的不同組分折合為相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的N2即可。例如在內(nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)程中常采取廢 氣再循環(huán)技術(shù)措施降低NOx，而參與再循環(huán)的廢氣一般是C0 2、H20和犯的混合氣，因此預(yù)測(cè)燃 料在多組份稀釋氣體中的稀燃極限十分必要。下面實(shí)施例利用本發(fā)明原理計(jì)算燃料在多組 分稀釋氣體中的稀燃極限。
[0072] 實(shí)施例2:現(xiàn)有含燃料混合氣7%CH4+20%Inert+73%Air在容積為12L定容燃燒彈 內(nèi)，其中稀釋氣體Inert由20%C02和80%N2組成，環(huán)境溫度和壓力分別為25°C、latm，求在相 同稀釋條件下(20 % Inert) CH4的稀燃極限。
[0073]解答：
[0074] (a)確定含燃料混合氣中各組分摩爾分?jǐn)?shù)；
[0075] 稀釋氣體Inert中C〇2的摩爾分?jǐn)?shù)=20% X 20% =4%
[0076] 稀釋氣體Inert中N2的摩爾分?jǐn)?shù)=20 % X 80 % = 16 %
[0077] 因此該混合氣含 7%CH4、4%C02、16%N4P73%Air。
[0078] (b)利用稀釋氣體的犯當(dāng)量系數(shù)A泛分別將稀釋氣體Inert中的C〇4PN2根據(jù)稀釋效 果折合為當(dāng)量的氮?dú)釴 2摩爾分?jǐn)?shù)；
[0079]由上述表格知C02的N2當(dāng)量系數(shù)Kk= 1.5，N2的N2當(dāng)量系數(shù)Kk= 1
[0080] CO2的折合N2摩爾分?jǐn)?shù)=4% X 1.5 = 6%
[0081] N2的折合N2摩爾分?jǐn)?shù)=16% X 1 = 16%
[0082] (c)將含燃料混合氣近似為由燃料-氧氣-氮?dú)?Fue 1-〇2-Ν2)構(gòu)成的混合氣；
[0083] CH4的摩爾分?jǐn)?shù)=7%
[0084] 混合氣中〇2的摩爾分?jǐn)?shù)= 73% Χ20·95% = 16·9695%
[0085] 混合氣中Ν2的摩爾分?jǐn)?shù)=6%+16%+73% Χ79.05% =79.7065%
[0086] CH4-O2-N2構(gòu)成的混合氣中各組分摩爾分?jǐn)?shù)分別為7%Fuel + 16.9695%〇2 + 79.7065%N2
[0087] 折算后混合氣總摩爾分?jǐn)?shù)= 7%+16·9695%+79·7065% = 103.676%
[0088] (d)將近似得到的三組分混合氣Fuel-〇2-fc的摩爾分?jǐn)?shù)進(jìn)行歸一化處理；
[0092] 6.7518%+16.3678%+76.8804% = 100%
[0093] (e)求出氮?dú)馑c氧氣02的摩爾分?jǐn)?shù)之比λ;
[0095] (f)構(gòu)造單一燃料Fuel、氧氣〇2和氮?dú)猞?在富氧條件即當(dāng)量比0<1的非理論比通用 反應(yīng)方程：
[0104] (g)假設(shè)CH4在稀燃極限下的絕熱燃燒溫度為Taft=1400K、環(huán)境溫度為Τ〇 = 298Κ，查 找CH4的燃燒焓Δ Hc = 802480J/mol，⑶2、H20、N2和〇2的定壓比熱容cp,co 2、cp,h2〇、4為和 cp,〇41ljS54.3J/(mol*K)、41.2J/(mol*K)、32.7J/(mol*K#P34.9J/(mol*K)。
[0105]把上述條件代入絕熱燃燒溫度計(jì)算公式
[0109] 解方程得
[0110] CH4 的摩爾分?jǐn)?shù) xf = 5.649%
[0111 ] 即CH4在此稀釋條件下的稀燃極限XL = Xf = 5 · 649 %
[0112] 對(duì)比定容燃燒彈得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，此時(shí)CH4稀燃極限是5.4%與本發(fā)明稀燃極限預(yù) 測(cè)值5.649 %吻合程度較好。
[0113] 由此實(shí)施例可見(jiàn)本發(fā)明取得了基本準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燃料稀燃極限的有益效果。
[0114]附圖2是著火管實(shí)驗(yàn)得到的甲烷-空氣-稀釋氣體在25°C，latm下著火區(qū)域，附圖3 是采用本發(fā)明原理預(yù)測(cè)的稀燃極限，絕對(duì)誤差均在6%以內(nèi)
[0115] 綜合上述，在燃料著火極限問(wèn)題中，本發(fā)明所提出的燃料稀燃極限理論計(jì)算方法 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合程度較好，取得了基本準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燃料稀燃極限的有益效果。
[0116] 以上所述本發(fā)明的實(shí)施方式，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何在本發(fā)明 的精神原則之內(nèi)所作出的修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范 圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種燃料稀燃極限理論計(jì)算方法，其特征在于：用于計(jì)算純質(zhì)燃料與一種或多種稀 釋氣體構(gòu)成的含燃料混合氣在空氣中的稀燃極限;具體包括以下步驟： a) 確定含燃料混合氣中各組分摩爾分?jǐn)?shù)， B j % Inert j+'"+Bp% Inertp+C%Air，即包括摩爾分?jǐn)?shù)為A%的燃料Fuel、摩爾分?jǐn)?shù)分別為 B1 %、B2%…Bj %、"·Βρ%的p種稀釋氣體Inert和摩爾分?jǐn)?shù)為C%的空氣Air，而且A% +B1 % +B2%+---Bj%+---+Bp%+C% = 100% ； b) p種稀釋氣體根據(jù)稀釋效果分別將各自的摩爾分?jǐn)?shù)乘以相應(yīng)的當(dāng)量系數(shù)Kk，折合為 當(dāng)量的氮?dú)釴2摩爾分?jǐn)?shù)D%，BPD%=B1% XKkl+B2% XKk2+."Bj% XKkj+...+Bp% XKkp; 此時(shí)含燃料混合氣中各組分摩爾分?jǐn)?shù)分別為A%FUel+D%N2+C%Air;各種常用稀釋氣體的 當(dāng)量系數(shù)Kk如下表所示：c) 將含燃料混合氣近似為由燃料-氧氣-氮?dú)猓‵uel-〇2-N2)構(gòu)成的混合氣，此時(shí)燃料 Fuel的摩爾分?jǐn)?shù)為A%，氧氣02的摩爾分?jǐn)?shù)為E% =20.95% XC%，氮?dú)釴2的摩爾分?jǐn)?shù)為F% = D%+79.05% XC%，此時(shí)含燃料混合氣中各組分摩爾分?jǐn)?shù)分別為A%Fuel+E%02+F%N2; d) 將近似得到的三組分混合氣Fuel-〇2-N2的摩爾分?jǐn)?shù)進(jìn)行歸一化處理，燃料Fuel摩爾 分?jǐn)?shù)為G% =A%/(A%+E%+F% ) %，氧氣02摩爾分?jǐn)?shù)為H% =E%/(A%+E%+F% ) %，氮?dú)釴2 的摩爾分?jǐn)?shù)為I % = F% /(A% +E % +F% ) %，此時(shí)含燃料混合氣中各組分摩爾分?jǐn)?shù)分別為 G%Fuel+H%〇2+I%N2,但此時(shí)G%+H%+I% = 100% ; e) 求出氮?dú)馑c氧氣02的摩爾分?jǐn)?shù)之比λ=Ι%/Η% ; f) 構(gòu)造單一燃料Fuel、氧氣〇2和氮?dú)猞?在富氧條件即當(dāng)量比0.<1的非理論比通用反應(yīng)方 程：其中：g) 假設(shè)燃料在稀燃極限下的絕熱燃燒溫度為Taft、環(huán)境溫度為Τ。，查找燃料的燃燒焓Δ H。、所有燃燒產(chǎn)物的定壓比熱容CP>1，根據(jù)以下絕熱燃燒溫度計(jì)算公式和上述非理論比通用 反應(yīng)方程反推此時(shí)燃料的摩爾分?jǐn)?shù)Xf，即得燃料在該混合氣下的稀燃極限a;其中： Taft-絕熱燃燒溫度，單位K; T。一環(huán)境溫度，單位K; A H。一燃料的燃燒焓，單位J/mol; 講一非理論比通用反應(yīng)方程中第i種燃燒產(chǎn)物的系數(shù)； cP>1-非理論比通用反應(yīng)方程中第i種燃燒產(chǎn)物的定壓比熱容，單位J/(mol*K)。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK105868565SQ201610207475
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月5日
【發(fā)明人】韓永強(qiáng), 李潤(rùn)釗, 劉忠長(zhǎng), 譚滿志, 許允, 田徑, 陳陽(yáng), 王延慶
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)