燃烧学（西安交大） 第一章 导论、化学热力学与化学反应动力学基础课件

1、第一章 导论、化学热力学与化学反应动力学基础1.1 导论1.2 化学反应速率1.3 链式反应1.2 化学反应速率1.2.1 定义1.2.2 质量作用定律1.2.3 对化学反应速率影响的各种因素 浓度（质量作用定律） 温度（阿累尼乌斯定律） 压力 催化剂活化能反应级数浓度与反应时间关系半衰期时间与初始浓度关系反应速度与压力、反应级数关系燃尽时间与压力、反应级数关系 、催化剂对化学反应速度 的影响1、催化剂及其特性 催化剂：极大的改变 的物质；在反应前后质量组成都不变；催化剂促进 正催化剂 催化剂减慢 负催化剂（抗衰剂、缓蚀剂、阻燃剂）催化剂降低了活化能（E），初态、终态不变化。热力学中确定可以进

2、行的反应，催化剂可以提高化学反应速率。 、催化剂对化学反应速度 的影响例子：反应物催化剂催化条件生成物CO+H2CuO/ZnO30Mpa,264CH3OHFe2Mpa,200烷烃、烯烃（合成油）Ni常压,250甲烷Ru15Mpa,150固体石蜡酒精（C2H5OH）浓H2SO4140乙醚浓H2SO4或Al2O3170乙烯Cu200250乙醛ZnO,Cr2O3400500丁二烯 、催化剂对化学反应速度 的影响2、单相催化和多相催化催化剂与反应物同相，称为单相催化物催化剂与反应物异相，称为异相催化物 、催化剂对化学反应速度 的影响多相催化：吸附；反应（活化中心或活化点）； 催化剂颗粒越细，表面积大，

3、表面凹凸不平，反应得到促进；脱离，解吸 。1.3链式反应 反应不是一步能完成的上一步反应的生成物就是下一步反应的反应物活化中心（分子）、自由基（原子）2H2+O2=2H2O 活化中心: HCO+O2=CO2 活化中心 : OCO+O2=CO2 活化中心 : H OH ORH+O2=RH+CO+H2O 活化中心:OH 基本步骤： 链的激发：反应物在光、热、电、附加剂作用下生成自由基或原子 链的传递：活化中心与分子反应，除生成物之外，还会产生新的活化中心上一步活化中心数=下一步活化中心数称为不分支链反应上一步活化中心数下一步活化中心数反应中产生的能量不足以激活新的活化中心能量损失，销毁（若被气体吸

4、收带走，气体销毁）一、的燃烧步骤和机理：激发： （ 代表气体中除氢以外的分子或能量）传递： 活化能 75.4kJ/mol活化能 25.1活化能 41.92H2+O2=2H2O 式（1-5）的化学反应是决定性环节，所以氢燃烧的化学反应速度如果以生成的水分子来表示的话，可以写成： 式中，wm的单位为 mol/m3.s；各浓度HO2H2O单位为mol/m3;T的单位为K。 从式中可以看出，氢燃烧化学反应的速度除了与温度、氧浓度等存在一般的关系外，还与氢原子的浓度成比例。氢原子浓度变化：氢原子初生速度；再生速度；销毁速度。孕育速度与孕育时间（1-13）（1-15）温度上升=孕育时间大大缩短二、的燃烧讨

5、论：含有少量 “潮湿化” 没有 “干燥”干燥燃烧：在700以上才能着火；氧o是活化中心潮湿燃烧：讨论：三、烃的燃烧反应 （烷燃烧为例）（为，此外，烷基又可看成） 、有下的反应： 2、 缺下的反应： OH基为活化中心三、烃的燃烧反应 、有下的反应：合成：高一级的烷同一级的醛低一级的烷甲醛高一级的烷同一级的醛低一级的烷甲醛甲醛-燃烧 分解闪点：甲醛200-300左右，发出浅蓝色光-冷焰第一次出现冷焰的温度：闪点冷焰一般不爆炸，超闪点后禁止遇明火。三、烃的燃烧反应 、缺氧脱氢断链乙烯：高温下9001100 中温下 500 比越大，那么析碳越多。防止析碳：1.燃料中加入一次风，缺氧变为有氧燃烧2.蒸汽

6、雾化：加水(OH),3.最小水碳比 甲烷裂解时水蒸汽对析碳影响CH4=C+2H2+75kJC+H2O=CO+H2-131kJ+)CH4+H2O=CO+3H2-207kJ温度426537565595706816926982H2O/CH40.891.351.381.41.11.99.97.95转化反应的最小水碳比第一节着火基本原理 一、着火机理 着火方式热力着火（自燃）强迫着火（强燃）自发进行强制进行着火过程可燃混合物，只要有T，开始时wc很慢（有活化分子） 放热 升温 再放热 再升温 热量积蓄 达到着火温度 着火（其中有放热散热）（煤场、制粉系统处，煤矿、森林着火） 用高温热源放入可燃混合物，温

7、差存在导致热量传递（导热、对流、辐射）在高温热源边界层内可燃混合物发生反应，当反应放热大于散热时，在边界层内可燃混合物升温 达到着火温度 着火（天然气灶点火、煤粉着火）着火范围在可燃混合物整个体积内同时进行只在边界层内部首先点燃，再由边界层向周围空间扩散二、自燃从热平衡来研究：（对一可燃混合物着火过程）单位时间产生的热量Q1：单位时间散热量Q2：讨论：分析点A、B、C对于点A是稳定点（向左或向右波动，都会回到原位）点C不稳定点（向左熄火，向右着火二、自燃对于点B：热自燃着火的临界点，对应Tlj对于Q2Q1Q2，能着火，着火稳定。结论：1、着火临界条件： Q1Q2； 2、稳定着火条件： Q1Q2

8、（燃烧过程中，如煤粉燃烧，可用 于强燃） 二、自燃讨论：Q1Q2、 可推导出： （3-4） （+项舍弃）将根号内式用二项式定理展开成级数，再舍弃高次项：，将此代入式3-4得二、自燃 若取 着火温度：在一定结构环境和散热条件下，当可燃混合物达到某一温度，在此温度下，可燃混合物持续进行的化学反应放热量总是大于等于该结构环境的散热，这个温度就是临界着火温度。结论：Tlj与T0很接近，所以着火温度Tzh规定为Tlj或T0都 可； E小，燃料活性强，更易着火；二、自燃着火温度不仅与燃料本身活性有关，还与结构、散热有关。当燃料装置变化，同一燃料着火温度不同。不同锅炉炉膛、不同燃烧器、不同的燃烧组织方式均不

9、同。a、散热加强， 大，着火温度升高；b、反应速度常数k0大，或Cn大，着火温度下降；c、可燃混合物P增大，由于 ，Q1曲线上移，Tzh变小，更易着火。二、强燃T0可燃混合物的初温。二、强燃临界强燃着火的临界条件：分析：1、热源温度为T1，放热少。（实际温降曲线略高于自然散射温降曲线）2、热源温度升为T2，实际温降为0，化学反应放热=环境散热。3、热源温度再升为时T3，二、强燃平板形状热源物体计算：收入：支出：反应产热：解得：二、强燃 另一方面：w点之外无化学反应（边界层外无化学反应），纯导热。物体表面的换热系数。由传热学： 由式3-14可求得Tqr二、强燃讨论：强然着火温度一般远大于自然着火

10、温度（高几百度）；边界层散热很大，用自然着火模型解释Q1Q2，由于Q2边界层散热太大，所以要求Q1很大。特征尺寸L（炙热源尺寸）变小时，左边增大，Tqr增大，更难点燃。散热系数增大，强燃温度增加。 强燃使边界层着火燃烧，边界层着火后再向前推进，这就是火焰传播。一、火焰传播方式：1、缓燃：火焰锋面主要以导热和对流方式传热给可燃混合物所引起的火焰传播。煤粉-空气混合物以辐射和对流为主（乙炔乙烯丙烷甲烷火焰传播浓度范围： 过浓或过淡，化学反应wm很小，散热很大，火焰不能传播。、层流时的火焰传播淬熄距离： 在临近壁面只有数毫米之内的地方，壁面的散热作用十分强烈，以致火焰不能传播，这段距离称为淬熄距离。

11、火焰锋面形状：凸出的曲面：凸出曲面与低温混合物接触，散热面积大， uce会降低一些。凹入的曲面：高温火焰包围冷混合物，uce会大些。 设计喷嘴火焰锋面时要考虑，旋流燃烧器卷吸要好。 实验证明，散热或锋面凹凸对火焰传播速度影响不大， uce基本只决定于燃料与空气混合物的成分和物理化学性质。、湍流时的火焰传播湍流ut的特点（核心就是脉动速度w)1、火焰锋面不断抖动，传热与传质共存；2、火焰锋面很厚，为一区域。、湍流时的火焰传播舍谢尔金模型：小标尺湍动：湍动微团的尺寸或迁移距离均显著地小于层流锋面厚度时，这时的传热就由湍动与分子导热两者组成，使火焰锋面内平面形状不变，未增加锋面面积。小标尺湍动主要适

12、用于很细的管内流动。、湍流时的火焰传播大标尺弱湍动： 湍动微团尺寸或迁移距离均大于层流锋面厚度时，而微团湍动脉动速度w小于层流火焰传播速度uce，称为大标尺弱湍动。(wuce) 这时，能保持明显的锋面形状，但将使平面锋面变成锯齿形锋面，增加了火焰锋面的面积。S火焰锋面的曲面面积；S0平均位置平面面积。锥面高度：忽略uce与d的方向差异，也可得：d锥底的直径。（3-29）（3-30）对于图3-20所示的椎体，底半径r=d/2，可求出：代入式（3-29）与式（3-30），得到：大标尺弱湍动时，若wuce。由式（3-31）， wuce模型1： utw 湍动到哪里就烧到哪里。特征：锋面很厚，为一区域，

13、界面不清。、湍流时的火焰传播大标尺强湍动：湍动迁移距离l大于层流锋面厚度d；wuce。后来又发展模型2为：、湍流时的火焰传播讨论：以上计算ut的方法，均属“表面理论”燃烧化学反应只在薄薄的一层火焰锋面内进行。（“容积理论”燃烧化学反应各处都进行，燃烧与掺混共存。）本生灯的燃烧过程与火焰结构1、扩散火焰：第三节扩散火焰与预混火焰 特征：火焰软弱无力，温度低，火炬长。2、预混火焰（）：内火焰锋面是预混物的火焰称为预混火焰。特征：火焰有力、温度高、火炬短。本生灯的燃烧过程与火焰结构、脱火与吹熄：当 ，预混物流速太高，火焰将被吹离。、回火当 ，而预混物流量很小时，流量很低，火焰可能逆流而传进本生灯，这

14、种现象称为回火。火焰稳定：本生灯的燃烧过程与火焰结构、点火环：（射流出口速度特性）锥形火焰底部存在一稳定的点火环。射流扩散后速度越来越小，有些位置射流速度正好等于火焰传播速度，这样就形成了锚泊固定的火焰锋面，形成点火环。本生灯的燃烧过程与火焰结构在ABCD内，ucew：锋面可以在边界BAC上锚泊固定，因为火焰锋面落到区域ABDC之内就必然逆流传播，又移动到边界BAC上；另一方面，火焰锋面如果跑到边界BAC的上游，那里ucew，火焰锋面又会顺流移动回到边界BAC上；在ABCD外，uceuce。极不稳定，不能建立点火环，煤气与一级空气预混物不能着火，温度t降低，熄火 脱火回火图：在1、2、3、4等

15、各截面上都能找到w=uce点，形成稳定的着火环；在相交点内部，ucew，逆流回火，直到一个截面上只存在一个uce=w点，如煤气的喷口淬熄处。本生灯的燃烧过程与火焰结构6、 影响特性： 变化会影响射流各截面上燃料浓度，影响过量空气系数。1时，uce最大，偏离则uce下降。本生灯的燃烧过程与火焰结构 煤气中的烃在受热时遇不到氧气，裂解而产生炭黑，火焰呈明亮黄色，碳黑太多会引起燃烧不完全。 不可能回火，也不易脱火、极稳定，但火焰长、无力，化学不完全燃烧损失大，w太大时会冒浓烟。（气焊点火用）影响气体燃料燃烧火焰稳定因素：背景：实际w20m/s；高炉气含大量惰性气体，uce低，易脱火；不利因素：可燃混

16、合物出口流速w；成分不纯。火焰稳定条件：措施： 提高空气温度及提高气体燃料温度； 适当降低一次过量空气系数，提高火焰稳定性；（实际上， 缩小预混合距离，预混合程度降低） 完全预混，火焰十分强烈，但稳定性较差。(实际都是预混为提高燃烧效率)第四节提高火焰稳定性的措施 实例1：板式无焰燃烧器高速抽吸，多次预混，多孔燃烧(缩短火焰长度)。实例2 ：喉口收缩型无焰燃烧器 小直径喷口可降低喉口流速下限，不易回火。讨论：同一 材料、不同直径喷管时同一材料，淬熄距离一样；回火临届条件：在离壁面淬熄距离lcx处，w=ucelcx1=lcx2 w1lcx（陶瓷）w铜管w陶瓷一、湍流扩散火焰长度层流预混火焰长度湍

17、流预混火焰长度由于整体上预混火焰长度500 比越大，那么析碳越多。析碳：1.C/H越大，析碳可能性越大；不饱和烃（烯、炔）比饱和烃（烷）更易渣油重油轻油汽油液化石油气天然气燃料试验曾遇“爆燃”意外2007年1月。一支由10多名研制人员组成的试验队奔赴祖国最北端的黑龙江漠河。对这两种火炬在低温、大风条件下的性能进行实地测试。在那里，研制团队遭遇了意外“爆燃”。一天夜晚。固态燃料火炬点燃后，燃料猛地一下喷了出来，幸好当时没有试验队员正对着火炬，否则后果不堪设想。工艺改良后。“爆燃”现象再未发生过。 2007年5月7日。登山队员带着固态燃料火炬和固液组合火炬开始登顶测试。5月9日，登山队员成功登顶，

18、并顺利点燃了携带的3支固态燃料火炬。考虑到固态燃料火炬操作更为简便。研制团队将固态燃料火炬确定为珠峰火炬燃烧系统最终设计方案。悉尼水下奥运火炬设计？第二节油雾滴的燃烧过程 模型假设：假设油滴为球形，直径 （=2r0）油滴与气体无相对运动；火焰锋面的热量全由传导传递，火焰锋面对油滴的对流、辐射换热忽略；高温下油滴温度已达到饱和温度，导来的热全部用于蒸发；油滴周围有一稳定球形火焰锋面，此处油气与O2达到当量比；忽略温度场不均匀对热导率、扩散系数等的影响（a、D）均匀；不考虑油滴表面生成的油蒸汽向外扩散引起的向外流动的那股质量流（斯蒂芬流）；这个油滴不受周围油滴的影响，周围油滴不影响O2向该油滴均匀

19、扩散。油雾滴的燃烧过程 分析：1、热量交换：向内传导热量=油滴汽化潜热+油滴升温式中：热导率（假设为一常数）； T当地温度； qm油滴表面的气化量（油滴半径为r0）； T0油滴表面温度，设等于油的表面温度； H每单位质量油的气化潜热。将式（4-40）自由滴表面（ro、T0）到火焰锋面（r1、Tr）积分得：（4-41）（4-40）油雾滴的燃烧过程 2、质量交换（氧的扩散）：氧从远处向火焰锋面扩散量=火焰锋面消耗量设化学反应当量比：油气：O2=1:式中：D氧的分子扩散系数； C氧浓度。从远处至火焰锋面积分：（C、）锋面（0、r2）（4-43）油雾滴的燃烧过程 联立（4-41）与（4-43）得：讨论

20、：由公式可看出、D、Tr越大，qm越大；T0越小， qm越大。 （T0减小或者 Tr增大时，k增大）水的T0小、油的To大。（4-45）油雾滴的燃烧过程 3、油滴燃烧中，直径减小与气化量的关系：将式（4-45）、（4-47）联立得：因此由直径0的油滴烧到直径所需的时间：或者可以写成：（油滴燃烧的直径平方直线定律）（4-48）（4-47）油雾滴的燃烧过程 =0时油滴燃尽，由式（4-48）知燃尽时间为：燃尽时间与 成正比，可见雾化的重要性。讨论：与2成正比；只适合纯扩散火焰。若油滴与气体存在相对运动（炉内），则热量与质量交换都要加强；当相对Re=0200时有：即比静止时（Nu=2) 时大了 倍。油

21、雾滴的燃烧过程 讨论：若油滴与气体存在相对运动（炉内），则热量与质量交换都要加强；当相对Re=0200时有：即比静止时（Nu=2) 时大了 倍。油雾滴的燃烧过程 一些油滴蒸发气化但不一下子燃烧，如非常细的油滴喷入炉膛后迅速蒸发气化，并与空气预混再受热着火，此时用煤气、空气预混燃烧 规律来分析（第三章）。一些油滴逸入缺氧区。缺氧条件下，不能形成各自的球形扩散火焰锋面，较多油滴受周围高温介质加热，蒸发气化，然后再与空气混合形成扩散火焰，此时可用第三章煤气扩散火焰规律来分析。 这种一时不能燃烧或来不及燃烧的油滴，直径也在减小。 相当于火焰锋面在远处，r1=，因此，由（4-41）式得：（4-41）（4

22、-52）r1=代入，可推得：油雾滴的燃烧过程 其蒸发气化过程中的直径平方变化规律为：实际燃料油燃烧过程：（不均质，先烧轻质油，后烧重质油） 燃料油为多种烃的混合物，分子量很大，油滴燃烧室，轻质组分先蒸发和燃烧，残渣再裂解析碳而焦化再燃烧，直至燃尽。解释：燃料油中加入适量水并混均匀，雾化燃烧效果更好，原因？ 热油锅中倒入水，热油会爆出油滴而飞溅，为什么？油雾滴的燃烧过程 实际燃料油燃烧过程：（不均质，先烧轻质油，后烧重质油） 燃料油为多种烃的混合物，分子量很大，油滴燃烧室，轻质组分先蒸发和燃烧，残渣再裂解析碳而焦化再燃烧，直至燃尽。 问题1：燃料油中加入适量水并混均匀，雾化燃烧效果更好，原因？

23、问题2：热油锅中倒入水，热油会爆出油滴而飞溅，为什么？第三节油雾矩的燃烧过程 一、机械雾化器1、实际油雾矩：油雾中的油滴粒度（）并不相等；油滴的扩散燃烧锋面相互传热；相互妨碍氧扩散到它们的火焰锋面（各个油滴周围氧浓度有较大不同）；燃料与空气在喷口处原始浓度及速度分布不均匀（直接影响雾矩中分布特性）式中：f(p)是压力p的函数，f(p) 1说明：因为压力p决定油滴粒径分布，也影响油雾扩展角，与空气的混合程度等，但应注意不只是与压力有关，与结构系数A、炉膛结构、温度场都有关。二、油雾的计算模型2.1 蒸发气化模型由式（4-35）、（4-37）求出油雾矩中的各种粒径分布；用油滴的分布特性曲线表示：完

24、全仿照煤粉而采用余留量，则：（4-35）（4-37）二、油雾的计算模型2.1、蒸发气化模型按（4-46）、（4-49）求出不同粒径下油滴燃尽过程。（4-46）（4-49）模型缺点：未考虑油雾与空气射流的混合造成油滴浓度与氧浓度不均的问题。二、油雾矩的计算模型2.2 湍流混合扩散火焰模型计算方法1：气流混合燃烧先得到雾滴中的浓度分布和氧的浓度分布； 用射流理论或模型试验来确定。求出火焰锋面及火焰长度。 找出油与氧的浓度比符合化学反应规定的当量比点，并连线。二、油雾矩的计算模型2.2 湍流混合扩散火焰模型计算方法2：蒸发气化燃烧 计算雾矩射流中各根流线，再计算油滴的位移和时间关系，对照（4-48）

25、、 （4-50）所计算的油滴燃尽时间r ，就可确定油滴流到哪一点才烧完。 在方法2计算中，氧浓度分布和变化、油滴颗粒群的颗粒分布还只是简单假定。二、油雾矩的计算模型2.2 湍流混合扩散火焰模型缺点：方法1只考虑气流混合，方法2只考虑油滴蒸发气化这点，因此，算出的 火焰长度都比实际的小。 最好是用上两步分别计算，火焰长度计算结果较大的相对可信。当射流尺寸很小，喷射速度大，油滴粗时，肯定蒸发气化及燃烧对实际燃烧影响最大；反之，射流尺寸大，喷射速度小，油滴很细时，气流混合成为决定性环节。燃气轮机中，火焰长度是由气流混合和油滴气化燃烧两者控制，作用权重接近；工业炉中油雾滴气化燃烧过程是决定环节。第四节油与空气的分配和调风器 尽量解决喷口处原始的油与空气的速度分布均匀性问题、浓度分布均匀性问题、温度分布均匀性问题。风箱设计：风箱入口截面上空气流速应低些，1012m/s；风箱中避免流动涡流区；