第三节 热值与燃烧温度及燃烧速度 热值 燃烧温度 燃烧速度 热值 我们知道，1摩尔的物质与氧气进行完全燃烧反应时所放出的热量，叫做该物质的燃烧热。例如1mol乙炔完全燃烧时，放出130．6×104 J的热量，这些热量就是乙炔的燃烧热，其反应式为： C2H2+2．5O2—→2CO2十H2O十130．6×104J 不同物质燃烧时放出的热量亦不相同，所谓热值：是指单位质量或单位体积的可燃物质完全燃烧时所发出的热量。可燃性固体和可燃性液体的热值以“J／kg”表示，可燃气体的热值以“J／m3 ”表示。可燃物质燃烧爆炸时所能达到的最高温度、最高压力及爆炸力等与物质的热值有关。物质的燃烧热见表1—2。 表1-2物质的燃烧热、热值和燃烧温度 物质的名称 * 燃烧热J／mol * * * * * 热值 J／kg * 燃烧温度℃ J／m 3* * 碳氢化合物： 甲烷 乙烷 苯 乙炔 882577 1542417 3279939 1306282 * 39400719 69333408 * 1800 1895 * 420500900 * * 58320000 * * * * * * * * * * * * 2127 * 醇类： 甲醇 乙醇 酮、醚类： 丙酮 乙醚 715524 1373270 * 23864760 30990694 * 1100 1180 * 1787764 2728538 30915331 36873148 * * * * * 1000 2861 * 石油及其产品： * 原油 汽油 煤油 43961400 46892160 41449320～46054800 1100 1200 700～1030 * 煤和其它物品： * 无烟煤 氢气 煤气 * 31401000 * 2130 1600 1850 211997 * 10805093 * 32657040 木材 镁 一氧化碳 硫 二硫化碳 硫化氢 液化气 天然气 石油气 磷 棉花 * 7117560～l4653800 25120800 * * * * * 1000～1177 3000 1680 1820 2195 2110 2020 2120 * * * 61435 285624 334107 1032465 543028 * * * * * 10437692 14036666 * * * * 12748806 * 10467000～113800000 35462196～39523392 38434824～42161076 * * 24970075 17584560 可燃物质的热值是用量热法测定出来的，或者根据物质的元素组成用经验公式计算。 Q=(1000*Q燃烧)/22.4 (1—1) 1． 可燃物质如果是气态的单质和化合物，其热值可按下式计算， 式中：Q——每1m3可燃气体的热值，J／m3； Q燃烧——每摩尔可燃气体的燃烧热，J／mol。 [例1] 试求乙炔的热值。 [解] 从表1—2中查得乙炔的燃烧热为130.6×104J／mol；代入公式(1—1) 答：乙炔的热值为5.83×107J/m3。 2. 可燃物质如果是液态或固态的单质和化合物，其热值可按下式计算：Q=(1000*Q燃烧)/M (1—2) 式中：M——可燃液体或固体的摩尔质量。 [例2]试求苯的热值；(苯的摩尔质量为78) [解〕从表1—2查得苯的燃烧热为328X104J／mol，代入公式(1—2) 答：苯的热值为4．21×107J／kg。
3．对于组成比较复杂的可燃物，如石油、煤炭、木材等，其热值可采用门捷列也夫经验公式计算其高热值和低热值。高热值是指单位质量的燃料完全燃烧，生成的水蒸汽也全部冷凝成水时所放出的热量；低热值是指单位质量的燃料完全燃烧，生成的水蒸汽不冷凝成水时所放出的热量。门捷列也夫经验公式如下： Q高 = 81C+300H-26(O-S) (1—3) Q低 = 81C+300H-26(O-S)-6(9H+w) (1—4) 式中，Q高、Q低——可燃物质的高热值和低热值，kcal／kg； C——可燃物质中碳的含量，％； H——可燃物质中氢的含量，％； O—一可燃物质中氧的含量，％； S——可燃物质中硫的含量，％； w—一可燃物质中的水分含量，％，
[例] 试求5kg木材的低热值。木材的成分为：C——43％，H—一7％，O——41％，S——2%， W——7％
[解]将己知物质的百分组成代入公式(1—4)
Q＝81×43+300×7-26(41-2)一6(9×7+7)=4149(kcal／kg)=1735．9×104(J／kg) 则5kg木材的低热值为：
5×1735．9×104=8679.7×104J 答：5kg木材的低热值为8679．7×104J。 可燃物质的热值见表l－2。 二、燃烧温度
可燃物质燃烧时所放出的热量，一部分被火焰辐射散失，而大部分则消耗在加热燃烧产物上。由于可燃物质燃烧所产生的热量是在火焰燃烧区域内析出的，因而火焰温度也就是燃烧温度。可燃物质的燃烧温度见表1—2。 火焰最高温度的计算：
燃烧过程是典型的非等温反应。在这种情况下，可利用图3－5那样的恒压循环过程作计算。如反应物的温度为T1，产物温度为T2，则反应的ΔH为: ΔH＝ΔH1＋ΔH0298＋ΔH2
常温下的反应物，进入火焰后立即变为产物。由于过程是瞬间完成的，可以近似地认为反应是在绝热条件下完成的，反应放出的热全部用来加热产物和掺杂在反应物中的惰性气体，使之升高到火焰温度。根据如此假设计算出的是火焰的最高温度Tm。实际上，火焰并不是绝热的化学反应气团，所以温度要低一些。
例3．9 燃烧水泥的转炉是利用煤粉燃烧加热的。假设喷进转炉的煤粉掺有按燃烧反应计量的空气，试问转炉可能达到多高的温度?
解 煤粉燃烧过程可以用图3．6那样的恒压循环过程表示。假设反应是在绝热条件下进行的，所以ΔH＝0。因为循环过程，ΔH1＋ΔH2 －ΔH＝0，所以ΔH1＝ΔH2
ΔH1是煤粉的燃烧热，也就是CO2的生成热，等于－94.05千卡。1摩尔煤粉燃烧需要1摩尔氧气，生成1摩尔二氧化碳，同时还混有4摩尔的氮气(空气中O2 ：N2＝1：4)。所以，ΔH2是l摩尔CO2和4摩尔氮气从298K升温到Tm所需的热量。查表知它们的热容为 CO2 Cp＝6.37十10.10×10-3T－3.41×10-6T2 N2 Cp＝6.66十1.02×10-3T
＝33.01Tm＋7.09×10－3Tm2－1.14×10－6Tm3－10434 又因为ΔH2＝ΔH1＝94050卡，所以得到关于火焰最高温度的方程为: 1.14×10－6Tm3－7.09×10－3Tm2－33.01Tm ＋104484＝0 解得 Tm＝2404（K） 实际上，火焰温度要比Tm低，因为不能达到绝热条件，而且从理论上讲，计算中假设碳和氧完全化合成CO2，这是近似的，在高温下二氧化碳的离解作用也不应忽视。理论上严格计算火焰温度时，一般要经过多次逼近才行。几种火箭燃料所能达到的理论最高温度如下： 燃料 NH2NH2 NH2NH9 B2H6 C2N6 氧化剂 O2 F2 F2 O3 理论最高温度(℃) 2970 4160 4360 5240 三、燃烧速度 （一）气体燃烧速度 由于气体的燃烧不需要象固体、液体那样经过熔化、蒸发等过程，所以燃烧速度很快。气体的燃烧速度随物质的组成不同而异。简单气体燃烧如氢气只需受热、氧化等过程；而复杂的气体如天然气、乙炔等则要经过受热、分解、氧化过程才能开始燃烧。因此，简单的气体比复杂的气体燃烧速度快。在气体燃烧中，扩散燃烧速度取决于气体扩散速度，而混合燃烧速度则取决于本身的化学反应速度；在通常情况下混合燃烧速度高于扩散燃烧速度。气体的燃烧性能也常见火焰传播速度来衡量，一些气体与空气的混合物在25．4毫米直径的管道中火焰传播速 度的试验数据见表。 表4—8 一些可燃气体在直径25.4毫米管道中火焰传播速度，米／秒 最大火焰传播速度 4.83 1.25 可燃气体在空气中的含量，％ 38.5 45 最大火焰传播可燃气体在空气中的含速度 0.82 1.42 量，％ 3.6 7.1 气体名称 氢 一氧化碳 气体名称 丁烷 乙烯