燃烧学讲义

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1、西安交通大学能源与动力工程学院,1,燃 烧 学,西安交通大学能源与动力工程学院 主讲人：周屈兰,西安交通大学能源与动力工程学院,2,0 绪 论,0.1 燃烧科学的发展史 0.2 燃烧科学的应用,西安交通大学能源与动力工程学院,3,0.1 燃烧科学的发展史,140150万年前，“摩擦生火第一次使人类支配了一种自然力，从而最终把人和动物分开”,燃烧是物质因剧烈氧化而发光、发热的现象“火”,西安交通大学能源与动力工程学院,4,人类认识火的过程是一个漫长的过程 “火”对人类而言，是一种非常重要，却又难以驾驭的自然力量,西安交通大学能源与动力工程学院,5,古代中国的五行：金、木、水、火、土 古埃及的四种

2、元素：火，空气，地球、水 古代印度的四大元素：地、水、火、风 古希腊，“单一元素”论者分别认为水、气、火、土为万物之源,西安交通大学能源与动力工程学院,6,17世纪末，德国斯塔尔（stahl）提出了燃素论 1772年，法国科学家拉瓦锡认为燃烧是一种 化学现象（空气中某种物质） 1774年普利斯特列发现了氧。 拉瓦锡的正确的燃烧学说得到确立， 开始了揭开燃烧学本质的过程。,西安交通大学能源与动力工程学院,7,19世纪，人们将燃烧作为热力学平衡体系来研究，阐明了燃烧过程中重要的平衡热力学特性。,20世纪30年代，美国化学家刘易斯和 俄国谢苗诺夫将化学动力学的机理引入燃烧研究，认为化学反应动力学是影

3、响燃烧速率的重要因素，初步奠定了燃烧理论的基础 。,西安交通大学能源与动力工程学院,8,3050年代，人们认识到燃烧是化学反应动力学、气体流动、传热、传质等物理因素的综合作用。卡门、钱学森提出用连续介质力学研究燃烧“反应流体力学”。 Spalding 20世纪60年代后首先得到了层流边界层燃烧过程控制微分方程数值解，此后引入湍流模型，形成了“计算燃烧学”。,西安交通大学能源与动力工程学院,9,0.2 燃烧科学的应用,全世界的能源结构以石油和煤为主，石油和煤的主要利用方式燃烧； 现代社会的主要动力来源矿物燃料燃烧；火力发电厂锅炉（2008年雪灾，电煤），工业用蒸汽，发动机等均是以固、气、液体燃料

4、的燃烧产生的热能为动力（热源）；火箭发动机高强度燃烧装置； 燃料中存在有害物质：烟尘、灰、SOx、NOx 污染环境 酸雨、温室效应等。改善燃烧工艺，控制燃烧过程，发展洁净燃烧技术。,西安交通大学能源与动力工程学院,10,电站煤粉锅炉系统简图,西安交通大学能源与动力工程学院,11,链条锅炉,从炉排后部观察的商品型煤燃尽状态,从炉排前部观察的商品型煤燃尽状态,西安交通大学能源与动力工程学院,12,循环流化床锅炉（ Circulating Fluidized Bed）,西安交通大学能源与动力工程学院,13,内燃机,西安交通大学能源与动力工程学院,14,固体燃料,液体燃料,气体燃料,西安交通大学能源与

5、动力工程学院,15,燃料分类,西安交通大学能源与动力工程学院,16,常用代表性燃气成分及特性资料（1）,西安交通大学能源与动力工程学院,17,常用代表性燃气成分及特性资料（2）,西安交通大学能源与动力工程学院,18,常用代表性燃气成分及特性资料（3）,西安交通大学能源与动力工程学院,19,0号轻柴油油质资料,重油油质资料,西安交通大学能源与动力工程学院,20,煤的成分图解,收到基 ar,空气干燥基 ad,灰分,干燥基 d,干燥无灰基 daf,固定炭,水分,挥发分,挥发部分,焦炭,灰分,西安交通大学能源与动力工程学院,21,各类煤的元素组成（质量百分数）,我国煤的技术型分类法（GB5751-86

6、）是采用表征煤的煤化程度的主要参数，即干燥无灰基挥发分Vdaf作为分类指标，将煤分为三大类，褐煤、烟煤和无烟煤。凡Vdaf l0%的煤为无烟煤， Vdaf 10%的煤为烟煤， Vdaf 37%的煤为褐煤。 Vdaf =1020%的煤习惯上也称为贫煤。,西安交通大学能源与动力工程学院,22,发电厂用煤国家分类标准,西安交通大学能源与动力工程学院,23,燃烧学涉及热力学、流体力学、化学动力学、传热传质学，具备综合的理论体系，而且与实验理论、技术密切相关。 燃烧科学应用的领域看，其重点在于研究燃料和氧化剂进行激烈化学反应的发热、发光的物理化学过程及其组织。 燃烧科学：燃烧理论方面的研究，主要以燃烧过

7、程涉及的基本过程为对象，如燃烧反应的动力学机理，燃烧的着火、熄灭、火焰传播、火焰稳定、预混火焰、扩散火焰、层流和湍流燃烧、催化燃烧、液滴燃烧、碳粒燃烧、煤的热解和燃烧、燃烧产物的形成机理等。 燃烧技术：主要是应用上述理论研究的结果来解决工程技术中的各种实际问题，包括：燃烧方法的改进、燃烧过程的组织、新的燃烧方法的建立、提高燃烧利用率、拓宽燃料利用范围、改善燃烧产物的形成、实现对燃烧过程的控制、控制燃烧中污染物的形成与排放，等等。,西安交通大学能源与动力工程学院,24,第一章 化学动力学和化学平衡,学习目的： 确定化学反应的速度以及各种因素对反应速度的影响 研究化学反应的机理-从反应物到生成物的

8、所经历路径。,西安交通大学能源与动力工程学院,第一章 化学热力学与化学反应动力学基础,1.1 基 本 概 念 1.2 化学反应速度 1.3 链式化学反应 1.4 化 学 平 衡 1.5 燃 烧 热,西安交通大学能源与动力工程学院,26,1.1 基本概念,1.1.1 单相反应和多相反应 （同相和异相）,单相反应：系统内各个组成物质都是同一状态，在此系统内进行的反应称为单相反应。 多相反应：系统内各个组成物质包含多种状态，非同一状态，在此系统内进行的反应称为多相反应。,西安交通大学能源与动力工程学院,27,1.1.2 简单反应和复杂反应,简单反应：由反应物经一步反应直接生成产物的反应。（也叫基元反

9、应） 复杂反应：反应不是经过简单的一步就完成，而是通过生成中间产物的许多反应步骤来完成的反应，其中每一步反应也称为基元反应。或者说是由一系列基元反应组成、机理复杂的反应。,可逆反应,平行反应,连续反应,西安交通大学能源与动力工程学院,28,1.1.3 浓度及其表示方法,浓度：单位体积内所含某种物质的量。,1分子浓度,2摩尔浓度,摩尔数和分子数之间的关系：,对于理想气体：,西安交通大学能源与动力工程学院,29,3质量浓度（密度）,4相对浓度,摩尔相对浓度：,质量相对浓度：,研究燃烧过程有时采用相对浓度较其它浓度方法更方便，因为它可以直接指出过程进行的程度，对于气体燃料而言，相对浓度又与压力、温度

10、无关（只和比例有关）。,西安交通大学能源与动力工程学院,30,1.2 化学反应速度,定义：通常用单位时间单位体积内消耗的燃料量或者氧量来表示。单位时间内由于化学反应而使反应物（燃料产物）浓度改变的速度。（对于多相反应而言指单位时间内单位表面积上参加反应物质的数量）,单位：,对于锅炉特定设备而言，常用容 积热负荷来表示化学反应速度：,西安交通大学能源与动力工程学院,31,化学反应速度既可以用反应物浓度的减少来表示，也可以用生成物浓度的增加来表示。但均取正值。,例：,定比定律,一般实际中以较容易测得的物质的浓度变化来表示反应速度。,西安交通大学能源与动力工程学院,32,1.2.1 质量作用定律：反

11、应物浓度与反应速度的关系,一、表述：当温度不变时，某化学反应的反应速度与该瞬间各反应物浓度的乘积成正比例，如果该反应按照某化学反应方程式一步完成（简单，基元反应），则每种反应物浓度的方次即等于化学反应方程式中的反应比例常数。,注意此时应是简单反应,k：化学反应速度常数，也称比速度。（反应物浓度均为单位1时的反应速度）,反映了进行燃烧化学反应难易的性质（活性，反应能力），该值仅与反应物的种类和温度有关，与压力和浓度无关。,西安交通大学能源与动力工程学院,33,二、用分子碰撞理论论证,简单反应 一步完成,2个A分子与1个B分子同时碰撞的机会与他们浓度的乘积成正比，如果化学反应是由分子碰撞引起的，则

12、反应速度应与A，B分子同时碰撞的机会成正比。,西安交通大学能源与动力工程学院,34,注意, 对于复杂反应，所形成的最终产物是由几步反应所完成的，故化学反应方程式并非表示整个化学反应的真实过程，故无法用质量作用定律直接按反应方程判断反应速度与反应物浓度关系。,真实反应过程为：, 严格讲，质量作用定律仅适用于理想气体。, 对于多相反应，仅考虑气相物浓度，对于固相或液相物质不考虑。,西安交通大学能源与动力工程学院,1.2.2 反应级数,化学反应速度表达式中浓度指数之和,n 就是反应级数,对于基元反应,n 代表了反应快慢，由实验测定（整数，分数，0）。a+b是化学方程式反应比例系数，方程的质量平衡。两

13、者概念不同，请注意区别。,西安交通大学能源与动力工程学院,36,n多由试验确定，如, 取 可以认为反应中A不变，此时, 根据不同浓度B，测出反应速度w，求出, 同理取 ，重复上述过程，求出,常用燃料的燃烧反应级数见教材P2。,西安交通大学能源与动力工程学院,37,一、0级反应：n=0,积分：,半衰期：,西安交通大学能源与动力工程学院,38,二、1级反应：n=1,积分：,半衰期,西安交通大学能源与动力工程学院,39,全部燃尽时,煤，重油燃烧时 n=1.0,西安交通大学能源与动力工程学院,40,三、2级反应：n=2,积分：,半衰期：,西安交通大学能源与动力工程学院,41,烃类n=2，轻油燃烧时n=

14、1.52.0,k,西安交通大学能源与动力工程学院,42,1.2.3 压力对化学反应速度的影响,对于理想气体,一级反应,二级反应,n 级反应,西安交通大学能源与动力工程学院,43,或者对理想气体,引入燃尽时间的概念,单位时间的反应（整个燃烧体积内的）,燃尽时间：,西安交通大学能源与动力工程学院,44,因此有,燃煤：,对燃油燃气锅炉，允许正压燃烧：,不变,西安交通大学能源与动力工程学院,45,1.2.3 温度对于化学反应速度的影响（温度影响k）,大多数化学反应速度是随着温度上升而迅速加快，范特霍夫根据大量数据总结出：对于一般反应来讲，当温度升高10，则化学反应速度在其它条件不变的情况下将增加24倍

15、。,一、 试验表明,西安交通大学能源与动力工程学院,46,当化学反应的反应物浓度相等条件下比较w与t关系,假设温度增加100，则反应速度随之增加210410倍，按平均计算 31059049 倍，可见温度影响巨大。,西安交通大学能源与动力工程学院,47,二、阿累尼乌斯定律,Arrhenius在一系列等温条件下实验测定了反应物浓度随时间变化关系，发现反应常数k与温度的关系，温度对化学反应速度的巨大影响主要表现在反应常数上，建立了阿累尼乌斯定律：,K0：频率因子 E：活化能，与反应物温度及浓度无关,西安交通大学能源与动力工程学院,48,阿累尼乌斯定律适用场合,简单化学反应（基元反应），或复杂化学反应

16、中的每一步基元反应 有明确反应级数n和速度常数k的复杂反应,西安交通大学能源与动力工程学院,49,三、活化能E,分子运动学说：根据气体分子运动学说理论，化学反应的发生是由于反应物分子相互碰撞而引起的。,并不是每一次碰撞都会引起化学反应，只有那些动能很大，超过某一数值（即E）而足以破坏其原有结构者才会引起化学反应。这种分子称为活化分子。,西安交通大学能源与动力工程学院,50,化学反应本质：参与反应的物质分子中的原子重新排列组合生成新的物质的过程。破坏原有分子结构需要一定的能量，因此只有具有该能量的分子碰撞后才能引起化学反应。,活化能：使普通分子（平均能量）变为活化分子 所需能量。,西安交通大学能源与动力工程学院,51,麦克斯韦尔-波尔兹曼分子能量分布定律：动能超过E的分子在分子总数中的份额，根据速度分布计算，近似等于,西安交通大学能源与动力工程学院,52,麦克斯韦-玻尔兹曼分布,麦克斯韦-玻尔兹曼分布可以用统计力