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1、第四章第四章 燃烧化学反应动力学基础燃烧化学反应动力学基础 燃烧：发放发热的氧化反应。燃烧：发放发热的氧化反应。 化学反应动力学化学反应动力学：研究化学反应体系从一种状态到另一种状态所经历的过程，化学反应速 度的变化规律。 第一节第一节 化学反应速度（与物质浓度有关）化学反应速度（与物质浓度有关） 化学反应分为两类化学反应分为两类：简单反应、复杂反应。 简单反应简单反应：参加反应物通过一步反应直接生成的产物。 复杂反应：复杂反应：不是通过一步而是通过多步反应，形成许多中间产物，最后才完成的反应。 基元反应基元反应：复杂反应其中每一步反应可称为 活化分子：活化分子：具有一定能量水平的，碰撞之后能
2、发生化学反应的分子。 活化能：活化能：活化分子的平均能量比普通分子的平均能量的超出值。 浓度表示方法：分子浓度、摩尔浓度、质量浓度 浓度：单位体积内所包含的物质的量。分子浓度：单位体积内某物质的分子量。n 第五章第五章 着火与稳燃（本章主要研究热自燃）着火与稳燃（本章主要研究热自燃） 燃烧过程燃烧过程:是发光放热激烈的化学反应过程。燃烧燃烧：是发光放热的氧化反应。 着火着火：从无化学反应的稳定状态向激烈放热反应状态的过度过程即为着火。 熄火熄火：从激烈放热反应状态向无反应状态的过渡过程即是熄火。 第一节 着火方式的概述 着火的原因着火的原因：1、由于本身热量的积累或本身链锁反应而引起的自热；2
3、、外加能量引起的 强迫点燃。煤粉气流的着火过程，就是热自燃。热自燃是由于可燃混合物化学反应放出的 热量大于向周围的散热，造成热量积累，使得温度不断升高，而很快达到极高的化学反应 速腾。链锁反应自燃是由于分支连锁反应中，链载体繁殖速度大于销毁速度而造成的。 自燃自燃：根据化学反应机理，着火又可分为热着火或链锁反应着火。通常将热着火称为热自 燃，将链锁反应着火称为链锁反应自燃 分析自燃的目的分析自燃的目的：为了得到化学反应速度发生骤变的临界条件，也就是热着火的临界条件。点燃点燃：依靠外界能量（如电火花、电弧炽热体或热气流等）强迫可燃混合物局部温度和化 学反应速度急剧升高并向未燃可燃混合物传播的现象
4、。 第二节 热自燃理论（稳定状态下的分析）密封容器热量分析范范- -特曼夫特曼夫：反应系统与周围介质之间的热平衡破坏就发生的着火。 利利- -恰及利耶恰及利耶：反应产物热曲线与系统向环境散热曲线相切就是着火的临界条件。 谢苗诺夫谢苗诺夫：完成数学描述，形成非稳定状态分析方法。 费朗克费朗克- -卡门涅茨斯卡门涅茨斯：提出稳定状态分析方法。 着火温度着火温度 TcTc：达到临界自燃工作状态的温度。 影响着火可靠性的因素影响着火可靠性的因素：环境温度 T0、散热条件 S/V、可燃气体压力 p、浓度 CfCa、活 化能 E。 1、T0对着火的可靠性越有利； 2、散热条件越大，S/V对着火的可靠性越不
5、利，着火温度 Tc； 3、p，对着火的可靠性越有利，着火温度 Tc； 4Cf 燃料浓度，对着火越有利，着火温度 Tc； 5、E 活化能，对着火可靠性越，不利，着火温度 Tc。 通过上述分析可知，燃料 E，则着火温度 Tc，因此 Tc 仅在此意义上代表了燃料本身的 化学反应性能，也即代表了燃料燃烧的难易程度。由于 Tc 与散热条件、压力、温度有关， 因此 Tc 不是燃料的本质物理属性。把 Tc 看作是燃料固有的物理化学常数的观点是错误的， 在某些实验条件下实测的着火温度，对燃料性质具有一定的相对比较意义。但在不同条件 下着火温度不是一个固定值，没有比较意义。第三节 点燃方法及点燃理论 点燃点燃：
6、是依靠外部能源，点燃局部可燃混合物，形成局部火焰。然后再从局部火焰点燃领 近可燃混合物，依靠逐层火焰传播现象，而达到着火的现象。 点火方法点火方法：高压电火花点火法、高频高压电火花点火法、高能电火花点火法、电弧点火、 火焰点火。 （前三种点火法只能点燃气体燃料、汽油、轻柴油；对难以点燃的重油、煤粉， 他们的点火能量不足） 三级点火三级点火：气油煤粉；二级点火：油煤粉。 点燃理论： 1、炽热无点燃理论 2、电火花点燃理论（最普遍的点火方式） 电火花点火分为两个阶段：其一电火花加热预混可燃气体，产生局部着火，形成初始火焰 中心；其二初始火焰中心加热周围可燃气体混合物，使之着火，火焰一层层传播出去。
7、如 果初始火焰形成，并出现火焰传播，则点火成功。 初始火焰中心是否能形成：取决于火花间隙的距离、间隙内可燃气体混合比、混气压力和 温度、以及流动状态、混合气体反应特性以及火花提供的能量。 初始火焰中心能否进行火焰传播：混合气体的压力、温度、混合比和流动状态和电极间距 离。 当电极间混合气体的压力、温度、混合比一定时，若要形成初始火焰中心必须满足两个条 件：其一点燃最小能，电极所释放的能量必须大于点燃最小能；其二熄火距离，当电极距 离小于熄火距离时，无论多大的火花能量，都不能点燃可燃气体混合物。 第四节熄火的基本概念（开口零维燃烧容器） 特性分析特性分析：着火和熄火过程是不可逆的，这种不可逆性是
8、指着火条件与熄火的条件是不相 同的。熄火过程带有滞后性，即熄火比着火要在更恶劣的条件下才能发生临界熄火的初 温小于临界着火的初温。 开口容器熄火因素：开口容器熄火因素： 1、 初始温度 T0：T0则 （ 无因次温度=RT/E）则熄火的可能性就越小。 2、 发热量 Q：Q，则 （无因此发热量）熄火的可能性就越小。 3、 进口燃料初始浓度 Y0：Y0则 （无因此发热量）熄火的可能性就越小。 4、 燃料活化能 E：E，熄火可能性就越大；Eq1(产热率)也促使熄火的可能 性增大。 5、 逗留时间 ：则 q1(产热率)，熄火的可能性减小。 第五节 层流火焰传播 根据燃烧机理不同分为：缓燃和爆震缓燃和爆震
9、。 缓燃缓燃：火焰传播是依靠导热或扩散使未燃混合气体温度升高，一层一层地依此着火，而产 生的火焰传播现象。一般缓燃的火焰传播速度不高。 爆震爆震：依靠激波的压缩作用，使未燃混合气体温度不断升高，一层一层地依此点燃，从而 使燃烧波不断向未燃混合气体中推进。爆震传播速度很高常大于 1000m/s；锅炉燃烧室不 会出现爆震。 锅炉燃烧处于湍流燃烧，火焰的传播应属于湍流火焰传播。由于层流火焰传播时火焰传播 的理论基础。又是可燃混合物的基础物性，因此有必要从层流火焰传播开始介绍。 层流火焰传播理论基础包括三个方面层流火焰传播理论基础包括三个方面： 1、 热理论热理论：认为控制火焰传播的主要机理为反应区向
10、未燃区的热传导。 2、 扩散理论扩散理论：认为来自反应区的链载体向未燃区扩散是控制层流火焰传播的主要因素。 3、 综合理论综合理论：认为热的传导和链载体的扩散对火焰传播可能有同等重要的影响。本节只介绍热理论。层流火焰传播速度又称正常火焰传播速度 un。层流火焰传播速度是指层流火焰相对于静止燃烧壁面的运动速度。火焰锋面火焰锋面：燃烧区与未燃区具有明显分界，有一层薄薄发光的火焰前沿，是预混气体的反应区。 层流火焰传播速 un 与导温系数 平方根成正比，与反应时间 平方根成反比，可以说层 流火焰传播速度是可燃气体混合物的物性常数。 层流火焰传播速度是依靠实验测量来确定的，测量方法： 本生灯法、平面火
11、焰法、驻定火 焰法、管内火焰法、球弹法。 第六章 物理化学因素对层流火焰传播速度 un 的影响 1、可燃气体混合温度初温可燃气体混合温度初温 T0T0：T0则 un；因为 T0 增加绝热燃烧温度增加则化学反应速 度 增加，进而使层流火焰传播速度 un 2、压力压力 P P：化学反应级 n=1 则 un，当 n=2 时 un 与 p 无关。 3、混气成分（过量空气系数）混气成分（过量空气系数）：不同的混合比对绝热燃烧温度 Tm 影响很大；从而对 un 影 响也大，对每一种可燃气体混合物，都存在一个最佳混合比；在最佳混合比时 un 最大。理 论上最佳混合比应该为化学计量系数比，即过量空气系数 =1
12、，并且火焰只能在一定的混 合比范围内传播，存在火焰传播的混合比界限。混合比低于下限或者高于上限，火焰不能 传播。即燃料太贫或者太富的混合气体，火焰不能传播。 4、绝热温度绝热温度 TmTm：Tm则 un；Tm 对 un 的影响要比 T0 大得多。 5、惰性气体浓度性气体浓度：惰性气体（氮气）加入可燃气体混合物后，使氧气浓度喝燃料浓度降低， 则绝热温度 Tm 下降，从而严重影响 un。 6、可燃混合气体导热系数可燃混合气体导热系数 ：火焰传播速度与导热系数的平方根成正比， 增加，就会 增加热量传递，un 增加。由于氢的导热系数比其他气体导热系数大的多，氢的火焰传播速 度比其他可燃混合气体大出一个
13、数量级。 7、火焰传播浓度界限火焰传播浓度界限：火焰能传播的浓度范围成为火焰传播浓度界限。相对过量空气系数 上下限分别 2 和 1，相对上下限存在最小火焰传播速度 umin，小于此值火焰不能传播， 产生熄火。最小火焰火焰传播 umin=2-10cm/s。 8 熄火距离熄火距离：无论可燃气体混合比在何范围内，冷壁面附近火焰不能传播，在冷壁面附近 火焰不能传播的距离成为熄火距离。熄火距离可以利用本生灯火焰进行测量。选用某种可 燃混合气体在灯口被点燃，突然切断可燃气来源，这时有回火现象；更换直径更小的管子 重复试验，直至回火现象不再发生时的最大管径，即为熄火距离。电火花点火时，火花间 隙距离小于熄火
14、距离时，火焰不能传播，不能形成初始火焰。 第七节 湍流火焰传播 锅炉燃烧室的燃烧过程是在湍流条件下进行的。 湍流的瞬时速度湍流的瞬时速度 w：为时均速度 w 和脉动速度 w。 湍动能湍动能：用 Wx，wy，wz 的军方只表示湍流脉动的强弱。 湍流相对强度湍流相对强度：用湍流脉动速度的均方根与速度的时均值表示湍动强度。 湍动能耗散率湍动能耗散率：湍动能减弱速率。 湍流尺寸湍流尺寸：两种度量方法：欧拉方法和拉格朗日法。 欧拉方法欧拉方法：是考察各个瞬间湍流涡团的脉动状态。当 1、2 点之间距离 L 很小时， L0，1、2 两处的涡团必然以同一频率同一脉动振幅脉动，此时欧拉关联系数Rx1,2=Ry1
15、,2=Rz1,2=1,Rx1,2=Ry1,2=Rz1,2=1, 1、2 点密切关联，关联系数达到最大值。当 1、2 点之间距离 L 很打时，L无穷大时， 则 1、2 两处基本上无统计联系此时 Rx1,2=Ry1,2=Rz1,2=0Rx1,2=Ry1,2=Rz1,2=0。拉格朗日方法：考察某一质点在不同时刻瞬间湍流涡团脉动状态。若 =2-1，0 时 RL1；时 Rl0 拉格朗日湍流标尺的物理意义：在特定的拉格朗日时间内，涡团所走过自由行程，也即脉 动涡团的作用范围的度量。 邓克尔实验结果：uT湍流火焰传播速度，un层流火焰传播速度 （1）当 Re(雷诺数)2300 时；Ut/un=1，层流状态下
16、，火焰传播速度与 Re 无关。 （2）当 2300Re6000 时，uT/unRe （3）当 Re8000 时，Ut/un=ARe+B 湍流火焰传播实验研究结论： （1）湍流火焰传播速度与湍流状态有密切关系。湍流相对强度越大，火焰传播速度越快。（2）燃料的种类及可燃混合物成分、浓度对湍流火焰传播速度有相当大的影响。湍流火 焰传播速度最大值，稍偏向福燃料侧。 （3）压力增加将使湍流火焰传播速度增加，湍流火焰厚度减薄。且初始温度越高，压力 影响越显著。 （4）提高初温也可提高湍流火焰传播速度，减小火焰厚度。压力越高，温度的影响越大。湍流火焰传播的表面燃烧理论（有两种理论：表面燃烧理论和容积燃烧理论）湍流火焰传播的表面燃烧理论（有两种理论：表面燃烧理论和容积燃烧理论） 气体的湍流脉动是由大小不同气体涡团所进行的不规则运动组成的。当不规则运动的涡团 平局尺寸相对的小于混合气体层流火焰传播速度锋面厚度时，即 LS 时，成为小尺寸湍流
