《哈工大能源学院高等燃烧学课件-燃烧理论-1(含绪论)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《哈工大能源学院高等燃烧学课件-燃烧理论-1(含绪论)（89页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、燃烧理论 哈尔滨工业大学 燃烧工程研究所,绪论 一、燃烧学科的发展 二、燃烧是一个学科 三、燃烧过程的理论模化 四、课程的教学内容和主要参考书,一、燃烧技术和燃烧科学的发展 （1）燃烧技术发展史,我国传说：燧人氏钻木取火 希腊传说：普罗米休斯把火带给人间。至少50万年前人类学会 用火。 恩格斯：“火”使人类脱离野蛮进入文明 “庄子”：木与木相摩则燃。 战国齐国田单：火牛阵 晋代张华“博物志”：四川用天然气煮盐 火药和火箭：我国首先发明（至少在宋代） 燃烧技术的三次大发展：蒸汽机和内燃机（产业革命）；航空 航天技术（二次世界大战）；能源危机（70年代末）,（2）近代燃烧技术的发展,燃烧的强化-高
2、能，高压，高温，高速燃烧。 节能高效率，低品位燃料燃烧 环保低污染 （低NOx，SOx，CO2，粉尘，噪音，有毒气体）燃烧 火灾防治森林，建筑和仓库火灾，矿井防爆 几种近代燃烧技术：氢氧燃烧；超音燃烧；高推重比燃烧；旋流（风）燃烧；流化床燃烧，磁控燃烧；脉动燃烧；催化燃烧；自蔓延燃烧,（3）燃烧科学的发展,燃素论18世纪中叶前 燃烧的氧化论Lavosier，Lomonosov （1756-1771） 燃烧热力学Kirshoff，Hess （19世纪） 燃烧反应动力学Simonov，Lewis （20世纪初） 燃烧学Zeldovich，Frank-Kamenetsky，Spalding，Pred
3、voditelev，Khitrin（20世纪30到50年代），Williams 化学（反应）流体力学Von Karmen，钱学森（20世纪60年代），Williams 燃烧的计算流体力学Spalding，Gosman，Smoot，Swithenbank 多相湍流反应流体力学周力行 燃烧的激光诊断学Durst，Bachalo，Adrain,二、燃烧是一个学科 1、燃烧学科的分支 可控燃烧反应 消防燃烧学（不可控反应） 2、可控燃烧反应燃烧学的研究内容 强化燃烧反应过程 燃烧过程的污染控制,强化燃烧反应过程 目的：单位时间、单位空间高效地烧掉更多 的燃料，放出更多的热量。 主要措施： 高反应燃烧室
4、（高温、高压等） 高反应燃料（复合燃料等） 高反应燃烧技术,燃烧过程的污染控制 目的：控制燃烧过程的污染物质生成和 排放。如NOx、SOx、CO、CO2、 粉尘等。 主要措施：燃料的预处理 清洁燃烧技术 燃烧产物的净化技术,主要是清洁燃烧利用，目前主 要的清洁燃烧方法有以下三类： 煤的预处理； 煤的清洁燃烧技术； 燃烧产物的净化处理。,1、煤的预处理： 煤在燃烧前进行预处理，使燃烧过程不产生污染物或少产生污染物，使煤变成清洁燃料。如： 煤的气化； 煤的液化； 水煤浆燃烧；等等。,2、清洁燃烧技术 采用在燃烧过程中控制污染的技术。有两种方式： （1）、提高利用效率，减少煤的耗量以减少污染。如：
5、采用超临界机组； 采用 IGCC等联合循环技术。,（2）、低污染燃烧技术。如： 循环流化床燃烧技术； 低污染煤粉燃烧技术； 其它低污染燃烧技术。 3、燃烧产物的净化处理 烟气脱硫技术； 烟气脱硝技术； 除尘技术。,以上三个方面都是国家“九五”、“十五”、“十一五”计划的主要研究内容。 1、对煤的预处理 煤的气化、液化关系到国家的经济命脉和安全，在石油短缺的情况下是非常重要的，应在引进技术的基础上，开展深入的研究，提高自主知识产权的技术份额，努力实现产业化。,2、清洁燃烧技术的研究已开展了多年，取得了很多成果。但是，有些技术与国外的技术还有很大差距。 另外，这个方面的技术成果推广的范围大，收到的
6、效益大。 应立足于那些通过研究工作，可以尽快缩小与国际的差距的技术；以及技术水平高，见效快，效益高，产业化前景好的技术进行研究。,3、燃烧产物的净化处理 目前的重点是烟气脱硫技术，特别是适合中国国情的高水平、低投资、低成本的脱硫技术。这是我国洁净煤技术的关键之一。 脱硝技术在国内研究已开展，随着对的要求越来越高，这项技术的研究会越来越深入。,燃烧学的背景知识 化学热力学 化学反应动力学 物理学 工程热力学 流体力学 传热学,三、燃烧过程的理论模化 1、目的 a. 模拟燃烧过程并发展对各种条件下燃烧行为的 预测； b. 帮助解释和理解所观察到的燃烧现象； c. 取代困难或昂贵的试验； d. 指导
7、燃烧试验的设计； e. 有助于确定各独立参数对燃烧过程的影响。,燃烧模型的分类：根据燃烧现象的条件分类,燃烧模型的基本组成,燃烧模型的控制方程 1、守恒方程：质量守恒（连续性方程） 动量守恒 组分守恒（扩散方程） 能量守恒 2、输运方程：层流分子输运 质量输运（Fick定律）： m = -DdC/dx 动量输运（Newton定律）： = - du/dx 能量输运（Fourire定律）： q = - dT/dx,湍流 湍流微团输运，包括： 湍流动能的输运； 湍流动能耗散率的输运； 雷诺应力的输运； 概率密度函数的输运； 瞬时脉动量的输运。 随着湍流模型的发展还会有 其它物理量输运。,四、燃烧学的
8、研究内容 燃烧学的主要内容： 燃烧化学化学热力学，化学反应 动力学 燃烧物理学流动、传热和热力学过程 燃烧测量燃烧过程的测量技术,课程内容 燃烧化学基础：化学热力学基础， 化学反应动力学； 燃烧物理学：燃烧过程理论模化的基础， 着火灭火理论， 气体燃料的燃烧， 液滴的燃烧 煤的燃烧基础。,主要参考书： 燃烧物理学基础 傅维标，卫景彬主编， 机械工业出版社 燃烧理论与化学流体力学 周力行主编， 科学出版社 燃烧原理 K.K.肯尼斯著，陈义良译， 科学出版社 粉煤燃烧与气化 Smoot著，科学出版社,一些说明,1、串课的困惑 2、方法、目的 1）本科生 掌握一些知识 2）研究生 掌握东西要宽，关键
9、创新。注意别 人创新的动机、方法以及结果。,一些说明,3、讲授方式 燃烧学发展很迅猛，课程内容很难跟上。采用老师讲授一部分，学生交流一部分的形式。学生自愿报名，做报告者考分基础上加10分，不做者不扣分，也不加分。 4、两节课的安排,第一章 燃烧化学基础 化学热力学及化学反应动力学 燃烧过程 一种化学反应，反应过程中放出大量 热能。实际上是化学反应的某种状态 变化。工程上是指燃料中可燃元素与 氧化合产生能量的反应过程。 燃烧过程的特点：1、反应中放出大量热能； 2、具有较高的反应速率。,燃烧化学： 化学热力学 化学的一个分支。 利用热力学第一定律（能量守恒定律）研究化 学反应中的能量变化。 能量
10、的变化机理：旧化学键的分裂吸收一定的能量； 新化学键的建立放出一定的能量； 键能的差额反应中的能量变化。 化学反应动力学 化学的一个分支。 定量地研究化学反应进行的速率及其影响 因素。,第一节 化合物的生成焓、反应焓和燃烧热 一、化合物的生成焓 标准生成焓： 二、反应焓 定义：在几种化合物（或元素）相互反应形成生成物时放出 或吸收的能量。 焓温图（HT),任意压力和温度下的反应焓 对理想气体：焓与压力无关，只与温度有关。 例如：反应物R有r个mol 经化学反应 变成 p 个mol生成物P 即： rR p P 反应焓 H= HP - HR= p hP - r hR 等于过程中系统的焓的减少。 在
11、定压过程中， H 随温度的变化为： 下标P表示为定压过程。,由定压比热的定义： 得到Kirchoff定律： 反应焓随温度的变化率等于定压下反应物和生成物的比热之差。 对上式积分： H0R298标准状态下反应焓，可由生成焓求得； CP,P 和CR,P生成物和反应物的定压比热，可由有关物性 表获得。,若假定CP,P 和CR,P与 T 无关： H=（pCP,P - rCR,P）（T 298）+ H0R298 若生成物和反应物都多于一种（得到Kirchoff定律之推广）： 如由反应：A+B+C+M+N+O+. 则： CR,P=XACPA+XBCPB+.= XSCPS S=R CP,P=XMCPM+XN
12、CPN+.= XjCPj j=p 式中：Xj、Xs分别为第 j 种和第 s 种成分的相对mol浓度。 可见，是对比热的加权平均，权值为某种成分的相对mol浓度。 （mol 浓度Ci = Mi/V，相对mol浓度 Xi = Ci/ Ci）,例题：计算水在90时的反应焓。假定：初始的混合物是按化学当量混合的。C = a + bT ，对 H2 ：a = 6.94, b = - 0.210-3；对 O2 ：a = 6.09, b = 3.2510-3 。 解：由表知：标准状态下水的生成焓为68.32 kcal / mol。 初始混合物：H2 + 1/2O2, r = 3/2；最终混合物 H2O, p
13、= 1。 于是：,反应焓与其物理状态的关系 反应焓与其物理状态有关 例：H2+1/2O2 = H2O（液） Hf = -68.31 kcal H2O（液） H2O（汽） Hv = -10.52 kcal H2+1/2O2 = H2O（汽） Hf = -57.79 kcal 可见：二者差一个蒸发焓（以mol 为单位的汽化潜热） 燃烧热 定义：1mol 燃料完全燃烧放出的热量为化合物的燃烧热。 燃烧焓 定义：系统经历一个等压过程，过程中物质组分发生变化，而 温度与初始状态相同时，系统放出的热量。,第二节 热化学定律 由热力学第一定律出发 导出两个重要的热化学定律 1、LavoisierLaplac
14、e定律 表述：使一化合物分解成为组成它的元素所需供给的 能量和由元素生成化合物产生的能量相等。 即：化合物的分解热等于它的生成焓，而符号相反。 例：C+1/2O2=CO hf= -26.42kcal/mol CO= C+1/2O2 hf= 26.42kcal/mol 1/2H2+1/2I2=HI hf= 6.00kcal/mol HI= 1/2H2+1/2I2 hf= -6.00kcal/mol,2、Gass求和定律 表述：化学反应中不管过程是一步或分多步进行，其产生或 吸收的净热量是相等的。 另一种表述：在化学反应中的能量转换过程取决于系统的初 始和最终状态，而与反应的中间状态无关。 由此可
15、得：热化学方程式可以用代数方法做加减。 例：求 C+1/2O2=CO hf=? 已知 C+ O2=CO2 hf= -94.05kcal CO+ 1/2O2= CO2 hf= -67.62kcal 则 C+ O2- CO - 1/2O2= CO2 - CO2 C+ 1/2O2=CO hf= -94.05+67.62= - 26.43kcal,可见，热化学定律的作用： 1、保证了用物质平衡式计算反应热量变化的合理性； 2、可以由两个相关反应求出另一个反应的生成焓（特别是当 某一个反应焓难以直接测定时）； 例：如上例。 3、可以根据已知的各反应物和生成物的燃烧焓来求出反应焓。 例：求：C2H4(乙烯）+H2=C2H6（乙烷） HR=? 由表中已知： C2H4+3O2=2CO2+2H2O h= - 377.3kcal H2+1/2 O2=H2O h= - 68.30kcal C2H6+7/2 O2= 2CO2+3H2O h= - 368.4kcal 用前两个方程减去第三个方程， 得： C2H4+H2=C2H6 HR= - 37.2kcal,第三节 热力学平衡及化学平衡 化学热力学的研究方法不是微观的，不考虑分子结构，而是把研究对象看成是一个整体，所以只能给出最终状态。 一、热力学平衡的定义 机械平衡当系统
