[发明专利]一种燃料稀燃极限理论计算方法

说明书

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爆炸式，因此更加需要对工质的着火极限作出系统的研究。

发明内容

目前燃料着火极限一般在常温、常压下通过定容燃烧弹或着火管进行实验，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，特别可视化定容燃烧弹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：

其中：