燃烧理合与技术专论作业Home work基本概念(concept)从化学平衡、活化能方面分析，为什么CO +1/2 02 3 co2H2 + l/202^H20的分解反响在高温下变得严重答：1)从化学平衡角度分析：首先因为CO和H2与02反响分别放出283.7kJ/moK 285.17 kJ/moI的热量， 上述两个反响都是放热反响由吕・查德理原理可知：处于平衡状态的体系，当 外界条件温度、压力及含量摩尔分数发生变化时，那么平衡发生移动，其移动方向 总是朝削弱或者抗拒外界条件改变的影响当温度提高时，反响体系将向着抗拒温度升高的方向开展，即化学平衡将向 吸热方向移动，所以在高温下分解反响变得严重2)从活化能角度来论述对于可逆反响aA+妨cC+如，反响速度可由阿累尼乌斯定律 k = ki) exp(--2)表示，设正反响活化能为Ei,逆反响活化能为E2那么逆反响速度可表示为：K2= k(n exp正反响速度可表示为：EK产 ％ exp(--h)i\i逆反响与正反响之比为:对于CO+1/2 O2 6CO2和H2 + 1/2023 H2O而言，由于正反响是放热反响, 所以正反响的活化能均比逆反响的活化能低，即E2>E1。
因此k2/kl随着温度增加 而提高，因此，在高温条件下，CO+1/2O2 —CO2和H2+ 1/202 —H2O的分解将 会变得剧烈2.试从以下各种条件中选出可使可燃混合气易于着火的有利条件：1)低的火焰温度；2)低的初始可燃气温度；3)高的燃烧热值；4)低的化学反响速率(平均值)；导致不同的热力学过程等，这些复杂多变的因素都增大了这个问题的研究难度 所以，仍需要对各种垃圾燃烧过程进行仔细透彻的研究，来确定燃烧系统中二嗯 英的具体形成机理通过对这种机理的了解和掌握，就可以采取相应的措施防止 二嗯英的形成和排放目前，燃烧源及烟气降温过程产生二嗯英的基本机制有如下三种途径 (Hutzinger et al, 1985)：1)进料中所含有的痕量二嗯英未经反响就直接通过燃烧炉，释放到环境中 对于大多数系统来说，这个途径不会是形成二嗯英的主要方式这是因为，对于 大型燃烧系统来说，会对燃烧过程进行良好的控制，燃烧温度和停留时间的优化 都会导致进料中大多数二嗯英的分解2)通过芳香型前体物的热解和分子重排而生成二嗯英，这些前体物可能是 进料中所含有的，也可能是不完全燃烧的结果前体物合成二嗯英出现在燃烧后 的环境中，当前体物被吸收到飞灰外表的时候会形成二嗯英。
这一反响可以被过 渡型金属催化剂所催化，最有效的催化剂是氯化铜前体物合成反响的适宜温度 是200C〜450℃,低于或高于这个温度段都会导致反响的抑制由于这些反响涉 及到不同种类的化学物质，所以相对于活性物质的浓度来说，二嗯英生成速率在 很大程度上依赖于促进此形成过程的条件，如温度、停留时间、空余催化外表等 因素3)在缺少芳香型前体物质的情况下，从头合成成为二嗯英在非燃烧区域的 主要形成机制从头合成理论包括大分子碳结构的氧化和分解，导致芳香型二嗯 英前体物质的形成然后，这些前体物质可能根据机理⑵的途径来形成二嗯英 机理(2)和(3)可以同时发生，共享一些反响途径，在许多相同物理条件的控制下 出现在相同的物理环境中在工艺精良、运作良好的燃烧系统中，机理⑵所需 要前体物质的数量不多，结果机理⑶就成了最主要的形成途径在不完全燃烧 的系统中，很难分清这两种机制对总产生量的贡献然而，如果采用了能够减少 形成过程所必需的物理条件的话，这两种机制都会被抑制这三种理论并不是相互孤立的，第三种机理和第二种有共通之处，在从头合 成反响过程中，亦会形成具有芳香环形结构的中间体混合物由于不完全燃烧而 形成的脂肪族混合物对最初形成这类简单的环形分子起到了重要的作用，然后这 些简单的环形分子才能够变成复杂的芳香性环形结构。
2)二嗯英的形成抑制技术从源头上抑制二嗯英合成是控制二嗯英排放的根本所在，可以采取多方面措 施来抑制二嗯英在燃烧区以及燃后区的合成，其中包括：从燃烧运行参数的优化、 燃烧炉结构的改进、炉内投加抑制剂、快速降温、清除管道、换热面积灰1)燃烧运行参数的优化通过对数个垃圾燃烧设施运行参数(炉内02、CO、HCK S02、炉温、飞灰、 铜的浓度)与二嗯英浓度检测，得出相关性研究结果由于炉型的差异，导致在 运行参数与二嗯英浓度关系之间差异，所以针对每种特定炉型结构，调整相应的 运行参数来抑制燃烧中二嗯英形成，是值得探索的研究方向2)燃烧炉结构的改进燃烧炉根据其结构可分为炉排式、流化床式、回转窑式；根据燃烧方式可分 为两段燃烧式、涡流式和弯曲式燃烧方式美国环保署提出良好燃烧条件是改善 燃烧炉结构遵循的原那么，即通常称之为“3T”原那么：燃烧温度保持在850℃以上 (Temperature)；二次布风时燃烧区形成充分湍流(Turbulence)；在高温区停 留时间大于2秒（Time）一般而言结构上满足三条原那么，燃烧就会完全，相应地 会从燃烧区减少不完全燃烧生成的二嗯英前驱物和二嗯英3）炉内投加抑制剂研究说明共有三大类无机或有机化合物用来抑制二嗯英生成：第一类为硫及 含硫化合物；第二类为氮化物；第三类为碱性化合物。
4）快速降温对二嗯英形成的影响资料说明烟气从燃烧炉排出后，经过降温段，二嗯英会显著合成，200℃到 500C是一个合成反响最活跃的温度区间，大约在300C时出现最大的的合成速 率因此缩短烟气在此温度范围内的停留时间，二嗯英的产生量势必减小5）清除管道、换热面积灰积灰中的不但能够释放出本身含有的二嗯英，而且能够作为二嗯英合成的场 所合成新的二嗯英定期清除管道弯头、换热面等容易积灰处，也是减少燃烧后 区域合成的重要手段5. 结合本人课题可自己感兴趣的问题，列出燃烧过程的数学模化的基本问题及其方程三、讨论题（discussion）1 微燃烧 Micro Scale Combustion2 微重力燃烧 Microgravity combustion3 催化燃烧 Catalysis Combustion4超绝热燃烧（超始燃烧）Super adiabatic combustion5 化学链燃烧 Chemical Looping6 富氧燃烧（Oxy-fuel Combustion）7燃烧测量新技术 Advanced Measurement5）低的比热容；6）高的热导率；7）高的可燃混合气总压力；8）可燃混合气的组分接近于化学计量数；9）低的气流速度；10）高的湍流强度（假设流动是湍流的话）。
答：3）高的燃烧热值：燃烧热值高，单位时间内释放处的热量多，有利于着火;5）低的比热容：放出相同的热量，能使反响物上升到更高的温度，有利于着火;7）高的可燃混合气总压力：混合器压力高，有利于着火；8）可燃混合气的组分接近于化学计量数：能使燃料燃烧完全，反响结束后，过 剩反响物没有或者极少，能提高反响空间的温度，有利于着火；9）低的气流速度：可使散热减少，有利于提高温度，有利于着火；10）高的湍流强度（假设流动是湍流的话）：高的湍流强度，有利于更好的传热传 质，加强混合，因此有利于着火；3.甲烷与空气在化学计量数配比状态（a =1）下用一直径为10mm的圆管作为 甲烷或预混后后甲烷的喷管喷出燃烧请分别就下面两种状态计算火焰长度1）预混火焰，混合物流速L5m/s2）扩散火焰，空气全部取自大气答：1）预混火焰，混合物流速L5m/s叔丁 「21 R解：Lb = -+ co Rt 37 忧 H计算时，预混火焰中可近似假设壁面上的流速VPR=0,假设火焰沿着管子中 心线传播，此时那么〃” =wcos6 = w = L5 m/s把数据代入上式得：Lb=（2/3） xl.5x （0.005/1.5） =3.3 mm2）对扩散火焰由扩散火焰的火焰长度近似计算公式“告缶其中Qf为流量，题中为L5x nx 0.0052, 丫了加江为反响CH4 + 2O2CO2+ 2H2O当量比下CH4质量分数，为16/（16+64/0.21）=0.05, D近似取为1.4*10-3 （通过公式估算），可得 q=0.2m=200mm4 .简述斯波尔丁的ESCIM0湍流燃烧理论的主要思想。
答：当两层不同速度的流体的平面流混合时、形成了湍流平面混合层的拟序结构, 由于两层流体的速度不同，在流体界面上将产生旋涡旋涡是在两层流体互相卷 吸和吞食之中产生，并在速度梯度作用下不断被拉伸生长；旋涡是由两层流体相 互粘附在一起的，流体层的厚度在拉伸作用下变薄;在两层流体互相扩散的同时, 如果有条件存在，将发生燃烧化学反响这个过程形象地表示了大尺度湍流输运 的一个基本特点，ESCIMO正是由描述这一过程的各分过程的字头合成而组成E （Engulfment）:卷吞，是在大尺度湍流作用下，一种流体被另一种流体卷 吞的过程；S (Stretch):拉伸，是叠在一起的流体层在拉伸作用下长度增加，厚度减少 的过程C (Coherence):粘附，是指流体层不愿别离的一种趋势，认为两层流体一 旦由于卷吞而碰到一起它们将互相粘附在一起，在传输、拉伸和燃烧化学反响 过程中不别离I (Interdiffusion ^0 Interaction);相互扩散和化学上的反响，是指在流体层受 拉伸过程中，发生在流体内部及其交界面上的扩散和化学反响MO (moving observer):运动观察系，即为了描述相互扩散和化学反响，把 坐标系取在流体层上，是与流体一起运动的观察坐标系。
从上面的描述可以看出，ESCIMO方法是欧拉法和拉格朗日方法的结合ESCIMO理论分成了 “经历”(biography),"统计"(demography)和他们的综合 (combination)三个大的局部在“经历”局部，针对在大尺度旋涡上一个流体夹块，考察其由产生到消失 的全过程流体的夹层块在生存过程中经历了内部的扩散或化学反响，“经历” 就是要求解出夹层块的物理化学状态随其“年龄”变化的规律在“统计”局部中，针对的对象仍然是流体夹层块，并将注意力集中在“经 历”中描述的流体夹层块在整个湍流场中的分布规律夹层块用它们的年龄、诞 生时间和尺寸等参数来表征在ESCIMO法中，Spalding选择夹层块的“年龄” 作为这一独立因素流体夹层块的分布特性那么由“年龄”的分布函数Pa(A)来描 述这里，Pa(A)代表了年龄在A到(A+dA)区域的夹层块的数目比例5 .液滴直径为0. 2mm的轻柴油在20°C的空气中变形并破裂的临界相对速度已 知:外表张力32. 32xlO_3N/m,气体密度々=1. ZOSkg/n?)答：液滴在气体中的临界状态可以用液体和气体的韦伯数来表示卬/di油滴破碎的临界条件是叫＞ 1%因此该液滴在空气中变形并破裂的临界相对速度为：Au =严。
o=43.3m/s7 0gdi可得液滴直径为0.2mm的轻柴油在20℃的空气中变形并破裂的临界相对 速度为43.3m/s6 .请判断以下命题是否正确，并论述理由：1)同样条件下，煤在高原上热解时其热解产物的析出量要多于在平原上热解； 答：正确当压力降低时，热解产物在煤粒中逸出时的阻力较小，有利于产物析 出，高原压力低于平原，因此没在高原上热解时其热解产物的析出要多于在平原 上热解2）同样条件下，煤在加氢干俯过程中的热解产率要低于煤燃烧时的热解产率； 答：错误，氢的存在干扰了形成半焦的二次反响，使一次反响生成甲烷因此在 同样的条件下，煤在加氢干储过程中热解产率要高于煤燃烧时的热解产率3）同样条。