三篇燃烧基本理论课件

1、第三篇燃烧基本理论第1页，共47页。概述燃烧过程燃烧过程是一个复杂的物理化学过程完成燃烧过程不仅需要一定的浓度和温度，还需要一定的时间和空间燃烧过程所需要的时间包括三个方面：混合、升温和反应反应所需时间受化学动力学因素的影响，而混合所需的时间则受扩散因素的影响燃烧过程主要受化学动力学因素和扩散因素的影响第2页，共47页。概述燃烧过程分类影响因素动力燃烧：燃烧过程受可燃混合物加热和化学反应速率的限制，而不受混合速度的限制扩散燃烧：燃烧过程主要受扩散速度的限制中间燃烧：介于上述两者之间的燃烧气体流动性质层流燃烧：燃烧室中煤气、空气和火焰都是以层流流动紊流燃烧：火焰气体以紊流流动介于二者之间的过渡性

2、质的燃烧参加反应物质的物态同相燃烧：燃料和氧化剂的物态相同异相燃烧：燃料和氧化剂的物态不同第3页，共47页。概述学习本篇的方法本篇着重介绍有关燃烧的基本理论，学习时，应着重从基本概念出发，理解现象的本质、变化规律及影响因素，以便能够运用燃烧的基本原理正确地组织炉内的燃烧过程第4页，共47页。第七章 射流混合过程研究射流混合过程的原因工业炉燃烧过程中气体的混合与加热对整个燃烧过程起着极为重要的作用在工业炉燃烧技术中，火焰的长度、宽度以及它的温度分布等特性主要取决于煤气与空气的混合气流的喷出速度、煤气与空气的相对速度、气流的交角以及旋流强度等都会对燃烧过程产生明显的影响第5页，共47页。工业炉燃烧

3、技术主要研究的混合规律紊流射流混合规律常用到的射流类型：圆形断面的自由射流、同心射流、交叉射流及旋转射流等射流混合过程研究的主要内容射流初始条件：喷口尺寸、流量、温度、压力、密度、浓度、出流速度等射流边界条件：外围流体流速、压力、温度、浓度等研究射流混合过程的目的根据射流的初始条件和边界条件，配合有关的物理参数，求出射流流场的速度分布、温度分布、浓度分布、卷吸气量比、射流扩展率以及射流张角，供研制和设计燃烧装置或组织火焰时参考第6页，共47页。静止气体中的自由射流煤气喷射到大气中的燃烧情况即属于静止气体中的自由射流，其燃烧装置称为大气烧嘴静止气体中的自由射流分为初阶段、过渡段和自模段初始段：射

4、流离开喷口，产生紊流旋涡层，与外围流体进行动量和质量交换，形成势流核心，核内各截面仍保持喷口截面上的初始速度、浓度及温度过渡段：外围气体跨流扩散与主流混合，发生动量、质量及能量的交换，随着混合区的逐渐扩大，势流核心逐渐缩小并消失。射流沿程各截面速度分布不断变化，速度分布日趋相似自模段：射流沿程各断面轴向流速都呈正态相似分布第7页，共47页。同向平行流中的自由射流当射流出流于同向平行气流中时，射流的扩展、轴心速度的衰减、势核的长度等，都和射流与外围气流之间的速度梯度有关随着外围气流速度的逐渐增大，射流与外围气流之间的速度差越来越小，因而混合速度逐渐减慢当两者速度相等时，混合速度很慢当外围速度超过

5、射流速度时，速度梯度又开始增大，混合速度又随之变快。速度梯度越小，射流扩展及轴心速度衰减就越慢，势核的长度也越大，当外围流与射流的流速相等时，势流核心将贯穿整个流场。第8页，共47页。交叉射流交叉射流：以某一角度与主流相交的射流。向火焰中喷射二次助燃空气或稀释空气时经常采用交叉射流掌握交叉射流的走向交叉射流在主流中的穿透深度交叉射流和主流的混合情况第9页，共47页。环状射流和同心射流对于环状射流和同心射流而言：在充分发展区，流动情况与轴对称的圆射流相似在靠近喷口附近，环状射流形成低压回流区；而同心射流则形成环状回流区喷嘴的几何形状对邻近喷嘴的射流状态有很大影响回流区的存在能改善火焰的稳定性第1

6、0页，共47页。旋涡射流旋涡射流：射流离开喷口前先强迫流体做旋转运动，当流体从喷口出流后，除了具有一般射流的径向与轴向速度分量外，还具有一定分布的圆周向速度分量，这就是旋转射流流场特征：旋转射流兼有旋转紊流运动、自由射流及尾流的特点，是这三种运动的组合作用：是强化燃烧和组织火焰的有效措施，能提高火焰稳定性和燃烧强度。第11页，共47页。影响燃烧过程中火焰长度的因素及研究方法气体动力学因素煤气的物理化学性质烧嘴出口直径燃烧空间的几何特性空气过剩系数通过实验来确定不同条件下火焰长度的变化规律和半经验性计算公式第12页，共47页。第八章燃烧反应速度和反应机理第13页，共47页。化学反应速率化学反应速

7、度（速率）单位时间内反应物（或生成物）浓度的变化由于参加反应各物质在达到平衡时，平衡系统中各组分之间存在一定的计量关系，因此，可以只研究某一种物质的浓度随时间的变化第14页，共47页。影响化学反应速度的因素浓度温度压力第15页，共47页。浓度对化学反应速度的影响符合质量作用定律K反应速度常数； n 反应级数 分别表示A、B的浓度（mol/m3）所以：第16页，共47页。温度对反应速度的影响即速度常数K与温度T之间的函数关系范特霍夫规则 ，该式表明温度每升高10K反应速度大约要变为原来速度的2-4倍。阿伦尼乌斯定律阿伦尼乌斯认为： 也就是式中：E阿伦尼乌斯活化能，通常称为活化能。单位：Jmol-

8、1R通用气体常数，8.314 J/(molK)K0常数，频率因子第17页，共47页。随着温度的升高，反应速度在一定范围内是急剧增加的。大约达到10000K后，反应速度常数的增加趋势才趋于缓慢而逐渐接近常数K。第18页，共47页。反应速度可以表示为温度和浓度的函数，即只适用于简单反应，对于复杂反应，表达式将不同燃烧反应属于链锁反应，活性中间产物（活化中心）起着重要作用。燃烧反应速度不仅与原始物质浓度有关，而且与活化中心的浓度有关，其表达式要由实验确定。第19页，共47页。压力对反应速度的影响对于工业炉燃烧过程而言，压力对燃烧反应速度的影响常予以忽略因为工业炉燃烧室中的压力接近于常压且变化范围不大

9、第20页，共47页。可燃气体的燃烧反应机理燃烧反应属于链锁反应中的支链反应在链锁反应中，参加反应的中间活性产物或活性中心，一般是自由态原子或基团。每一次活化作用能引起很多基本反应，这类反应很容易开始并继续下去。支链反应：参加反应的一个活化中心可以产生两个或更多的活化中心，其反应速度是极快的，以致可以导致爆炸。氢的燃烧反应机理一氧化碳的燃烧反应机理甲烷的燃烧反应机理第21页，共47页。氢的燃烧反应机理典型的支链反应，反应过程如下链的产生链的继续与支化器壁断链空间断链第22页，共47页。链的产生第23页，共47页。链的继续与支化第24页，共47页。器壁断链第25页，共47页。空间断链第26页，共4

10、7页。主要的基本反应是自由基和自由原子的反应，而且几乎每一个环节都发生链的支化反应的循环进行，引起H原子数的不断增加一个氢原子产生三个氢原子，三个将产生九个，从而反应速度越来越快。第27页，共47页。链锁反应的反应速度随时间的变化有一个重要的特点：初期有一个“感应期”（i）第28页，共47页。在感应期中，反应的能量只要用来产生活化中心。由于感应期中活化中心浓度小，观察不到反应在以一定速度进行。超过感应期，由于链的支化，反应速度迅速增大，直至最大值。反应在一定容器中，随着反应物质的消耗，活化中心的浓度逐渐减小，反应最终停止。第29页，共47页。对于燃烧反应，热效应很大，若反应体系热损失较小，则体

11、系应看作绝热体系绝热体系在反应过程中不仅活化中心在积累，而且体系温度逐渐升高，所以感应期内速度便开始增加超过感应期，反应速率急剧增加，并在一定容器内随着反应物的耗尽活性中心逐渐减少，最终反应停止。第30页，共47页。氢的反应速度取决于链反应中的链的继续与支化:因 的活化能最大，故总体而言，反应速度取决于 即 WKCHCO2考虑到温度的影响，氢的反应速度为由该式可见温度对燃烧反应速度的影响是极为显著的第31页，共47页。一氧化碳的燃烧反应机理一氧化碳的燃烧反应也具有象氢那样的支链反应的特征，而且只有在H2O存在的情况下才有可能开始快速的燃烧反应，反应机理如下：链的产生链的继续链的支化断链第32页

12、，共47页。链的产生第33页，共47页。链的继续链的支化第34页，共47页。断链第35页，共47页。一氧化碳的反应速率式中：mco,mo2为CO和O的相对浓度；PK0为与水含量成正比的系数一定的水的浓度有利于CO的燃烧反应，但如果水分过多，会使燃烧温度降低而减慢反应速度第36页，共47页。甲烷的燃烧反应机理各类碳氢化合物在较低温度下即开始氧化，温度区域不同，反应机理也不同高温下，碳氢化合物除了氧化反应，因其不稳定性还会发生分解和裂化反应。碳氢化合物的氧化反应机理属于退化支链反应，感应期比较长，反应速度也较支链反应慢。第37页，共47页。甲烷的燃烧反应机理甲烷在低温下（900K以下）反应机理链的

13、产生：链的继续：退化分支：第38页，共47页。链的继续：断链：这组反应机理的特点是生成产物甲醛，它又生成新的活化中心第39页，共47页。在高温下，除了氧化物的链锁反应外，还伴随着甲烷的分解。基本反应式包括甲烷的不完全燃烧反应：甲醛的进一步完全燃烧：甲烷的反应速度和氧及甲烷的浓度有关，并和温度及压力有关根据实验研究，甲烷氧化的最大反应速度：式中：比例常数；p系统的总压力；m、n、t实验常数，其值与温度有关。第40页，共47页。碳的结晶形态碳有两种结晶形态：石墨（燃烧中认为碳的结晶形态）、金刚石石墨碳的燃烧机理石墨炭的燃烧反应属于异相反应，包括扩散、吸附和化学反应碳的化学反应有三种反应碳与氧反应初

14、次反应碳与CO2反应：一氧化碳的氧化反应：碳的燃烧机理第41页，共47页。碳与CO2的反应及一氧化碳的氧化反应为二次反应分析生成CO和CO2是初次反应还是二次反应存在三种观点认为初次反应生成物是CO2，而燃烧产物中的CO是由于CO2和C的还原反应而生成的。初次生成物是CO，CO2是由于CO的氧化反应而生成的。初次生成物同时有CO和CO2。多数学者倾向此见解。第42页，共47页。初次生成CO和CO2的原因吸附对燃烧过程的影响:氧对碳的吸附不仅在其表面，还溶解于石墨晶格内，二者结合成一种结构不定的质点CxOy。在氧的撞击下分解：或热力分解：当温度低于1200-1300，分两个阶段进行。首先，氧在石墨内迅速溶解：然后，溶液在氧分子撞击下缓慢分解：第43页，共47页。总反应式为：所以低温下炭的燃烧反应速率方程为E1为活化能：84126kJ/mol高温下的：其中：E2活化能：290-370kJ/mol第44页，共47页。燃烧过程中氧化氮的生成机理NOX的主要成分：N2O、NO、NO2、N2O3、NO3、N2O4、N2O5等，主要是NO和N2O。NOX的生成机理在O2N2NO系统中存在下列反应：它的机理设想