高等燃烧学复习题参考答案集

《高等燃烧学》习题集与解答第一章绪论1、什么叫燃烧？答：燃烧标准化学定义：燃烧是一种发光发热的剧烈的化学反应。燃烧的广义定义：燃烧是指任何发光发热的剧烈的化学反应，不一定要有氧气参加。2、燃烧的本质是什么？它有哪些特征？举例说明这些特征。答：燃烧的本质是一种氧化还原反应。它的特征是：放热、发光、发烟并伴有火焰。3、如何正确理解燃烧的条件？根据燃烧条件，可以提出哪些防火和灭火方法？答：可燃物、助燃物和点火原始燃烧的三要素，要发生燃烧，可燃物和助燃物要有一定的数量和浓度，点火源要有一定的温度和足够的热量。根据燃烧的条件，可以提出一下防火和灭火的方法：防火方法：a、控制可燃物；b、隔绝空气；c、清除点火源灭火方法：a、隔离法；b、窒息法；c、冷却法；d、抑制法4、我国目前能源与环境的现状怎样？电力市场的现状如何？如何看待燃烧科学的发展前景？答：我国目前能源环境现状：一、能源丰富而人均消费量少我国能源虽然丰富，但是分布不均匀，煤炭资源60%以上在华北，水力资源70%以上在西南，而工业和人口集中的南方八省一市能源缺乏。虽然在生产方面，自解放后，能源开发的增长速度也是比较快，但由于我国人口众多，且人口增长快，造成我国人均能源消费量水平低下，仅为每人每年0.9吨标准煤，而1吨标准煤的能量大概可以把400吨水从常温加热至沸腾。二、能源构成以煤为主，燃煤严重污染环境从目前状况看，煤炭仍然在我国一次能源构成中占70%以上，成为我国主要的能源，煤炭在我国城市的能源构成中所占的比例是相当大的。以煤为主的能源构成以及62％的燃煤在陈旧的设备和炉灶中沿用落后的技术被直接燃烧使用，成为我国大气污染严重的主要根源。据历年的资料估算，燃煤排放的主要大气污染物，如粉尘、二氧化硫、氮氧化物、一硫化碳等，对我国城市的大气污染的危害已十分突出：污染严重、尤其是降尘量大；污染冬天比夏天严重；我国南方烧的高硫煤产生了另一种污染——酸雨；能源的利用率低增加了煤的消耗量。三、农村能源供应短缺我国农村的能源消耗，主要包括两方面，即农民生活和农业生产的耗能。我国农村人口多，能源需求量大，但农村所用电量仅占总发电量的14%左右。而作为农村主要燃料的农作物桔杆，除去饲料和工业原料的消耗，剩下供农民作燃料的就不多了。即使加上供应农民生活用的煤炭，以及砍伐薪柴，拣拾干畜粪等，也还不能满足对能源的需求。电力市场现状：2008年10月份，中国电力工业出现4.65％的负增长，为十年来首次出现单月负增长。11月，部分省市用电增幅同比下降超过30％。在煤价大幅上涨和需求下滑的影响下，目前火电企业亏损面超过90％，预计全年火电全行业亏损将超过700亿元。2009年，走过今年“寒冬”的电力行业将机遇与挑战并存，挑战大于机遇。受整个经济下滑的影响，“过剩”的尴尬将继续显现。电价矛盾将更加突出。今年以来，国家制定的煤电价格联动政策迟迟无法实施，导致发电企业亏损不断累积，电价矛盾日益尖锐。面对明年经济形势的复杂情况，电力销售价格能否适时调整，具有很大的不确定性。结构调整有望借势“提速”。明年宽松的用电环境正好为中国电力结构调整腾出了时间和空间。面对今年的大变局，国内发电企业将从跑马圈地式的快速扩张，转向注重效益的发展模式。燃烧科学的发展前景：燃烧学是一门正在发展中的学科。能源、航空航天、环境工程和火灾防治等方面都提出了许多有待解决的重大问题，诸如高强度燃烧、低品位燃料燃烧、煤浆(油-煤，水-煤，油-水-煤等)燃烧、流化床燃烧、催化燃烧，渗流燃烧、燃烧污染物排放和控制、火灾起因和防止等。我国的能源现状也决定了必须大力的发展燃烧学科。燃烧学的进一步发展将与湍流理论、多相流体力学、辐射传热学和复杂反应的化学动力学等学科的发展相互渗透、相互促进。第二章燃烧化学基础1、标准生成焓、生成焓的定义？反应焓的定义及计算方法？燃料发热量（热值）与燃烧焓、反应焓的关系？答：生成焓定义：化合物的构成元素（最稳定的单质）经化合反应生成1mol该化合物的焓的增量。标准生成焓：是化合物的构成元素在标准状态下（298K,0.1MPa），经化合反应生成1mol该化合物的焓的增量。在特定的温度压力下（等温等压）进行的反应，反应物与产物具有相同的t,p，则产物与生成物间的焓值之差为该反应的反应焓。如果化合物不是由元素直接反应的生成物，则反应后生成物与反应物间的焓差值，不是生成焓，而是反应焓。发热量与反应焓、燃烧焓大小相等，符号相反。2、什么是热着火？什么是链式着火？其区别是什么？热着火需要满足的条件是什么？化学链着火需要满足的条件是什么？答：热着火：可燃混合物由于本身氧化反应放热大于散热，或由于外部热源加热，温度不断升高导致化学反应不断自动加速，积累更多能量最终导致着火。链式着火：由于某种原因，可燃混合物中存在活化中心，活化中心产生速率大于销毁速率时，导致化学反应速度不断加速，最终导致着火。热着火过程与链式着火过程区别是：热着火通常比链式着火过程强烈得多。热着火过程：温度升高引发的，将使得系统中整体的分子动能增加，超过活化能的活化分子数按指数规律增加。导致燃烧反应自动加速。链式着火过程：主要是活化中心局部增加并加速繁殖引起的，由于活化中心会被销毁，所以链式着火通常局限在活化中心的繁殖速率大于销毁速率的区域，而不引起整个系统的温度大幅度增加，形成“冷焰”。但是，如果活化中心能够在整个系统内加速繁殖并引起系统能量的整体增加，就形成爆炸。3、自燃着火和强迫着火的区别是什么？答：强迫着火和热自燃在本质上没有多大的差别，但在着火方式上则存在较大的差别。热自燃时，整个可燃物质的温度较高，反应和着火在可燃物质的整个空间内进行。而强迫着火时，可燃物质的温度较低，只有很少一部分可燃物质受到高温点火源的加热而反应，而在可燃物质的大部分空间内，其化学反应速率等于零。强迫着火时着火是在局部地区首先发生的，然后火焰向可燃物质所在其他地区传播。与热自燃过程类似，强迫着火过程也有着火温度、着火孕育期和着火界限。但是强迫过程还有一个更重要的参数，即点火源尺寸。影响强迫着火过程上述参数的因素除了可燃物质的化学性质、浓度、温度和压力外，还有点燃方法、点火能和可燃物质的流动性质等，而且后者的影响更为显著。一般来说，强迫着火温度比热自燃温度高。4、实现强迫着火的临界条件是什么？答：强迫着火的临界条件是：图为炽热物体边界层内的温度分布。W2T即为临界点燃温度。要实现强迫着火的临界条件为：在炽热物体壁面处可燃物的温度梯度等于零，即：W0ddTx当着火发生以后，出现W/dx0dT的情况。5、什么叫做链式反应？它是怎样分类的？链反应一般可以分为几个阶段？答：链式反应是一种在反应过程中含有自由原子或自由基等活化物质的特殊反应，如果通过某一种方式（如光照射等)将其引发，便相继发生一系列的链锁反应，使反应一环扣一环的不断进行下去。链式反应分为不分支链反应（或直链反应）和分支链反应两类。链式反应一般分为链的激发（引发）、链的传递和链的断裂（中断）三个阶段。第三章燃烧物理学基础1、自由射流积分（动量守恒）条件、热焓差和浓度差守恒条件的物理意义是什么？答：自由射流动量守恒是指沿射流的轴线方向，在任意断面上，以射流的速度w与速度w2之差（w-w2）计算的动量是一个不变的常数。其值恒等于出口断面上的以出口速度w1与射流的速度w2之差计算的射流初始动量。同动量守恒条件相似可以得出，沿轴线方向上，任意断面上的热焓差和浓度差都是不变的常数，且恒等于出口断面上的射流与伴随流之间的热焓差和浓度差。2、把热射流射入冷空间中，和把冷射流射入热空间中，射流的轴线速度、温度差和浓度差衰减的情况有何区别？这对工程燃烧的二次风参数的选取有何指导意义？答：（1）把热射流射入冷空间中时，射流的轴线速度、温度差和浓度差衰减都很快，因为θ的值较大。而且随θ值增大，三者衰减速度均明显加快。（2）把冷射流射入热空间时，很明显θ值相对（1）中要小，所以此时射流的轴线速度、温度差和浓度差衰减都很慢，而且随θ值减小，衰减更慢。（3）从这个方面讲，组织锅炉内气流流动时，应用θ值低一些的一次风，从而保证较慢的衰减速度，有足够的扰动范围，以保证气流流动。而从燃烧供氧的角度讲应用θ值高一些的一次风，以加强湍流混合和传质，有利于燃烧。3、一台燃天然气的工业锅炉，运行时烟气中的氧的摩尔分数为3%。求解运行的空燃比和当量比。天然气按甲烷来处理解：已知:03.02Ox，04.16fuelW，85.28airW；求:(A/F)、先假定完全燃烧条件下，建立完全燃烧方程来获得空燃比，所谓的完全燃烧是指所有的碳全部形成二氧化碳，氢形成水：CH4+a(O2+3.76N2)→CO2+2H2O+bO2+3.76aN2其中a和b可用氧原子的守恒来建立方程.2a=2+2+2b→b=a-2从摩尔分数的定义有：aa76.41203.0a=2.368空燃比为：3.20176.4/fuelairfuelairfuelairWWaWWnnFA当量空燃比为：1.1704.1685.28276.4/stFA当量比为：84.03.201.17//FAFAst3、一个小型的低污染排放的地面燃气轮机，在满负荷下运行（3950kw），此时的当量比为0.286，空气流量为15.9kg/s。等效燃料（天然气）成分为C1.16H4.32，求：燃料的质量流率及其运行的空燃比。解：已知：286.0，85.28airW，skgmair/9.15，286.18008.132.401.1216.1fuelW求：fuelm和（A/F）按定义：24.24/32.416.14/yxa82.16286.1885.2824.276.476.4/fuelairstWWaFA8.58286.082.16//stFAFAskgskgFAmmairfuel/27.08.58/9.15/4、计算CH4和空气混合物在化学当量下的定压绝热燃烧温度。压力为1atm，初始温度为298K。aaabbnnxtotOO76.41276.32122解：假设：1.反应完全燃烧，燃烧产物仅为CO2，H2O，N22.假设产物的比热为常数，用在1200K，其中Tad先估计为2100KCH4+2(O2+3.76N2)→1CO2+2H2O+7.52N212CON，22OHN，52.72NN查表得生成焓和1200K时的比热：molkcalhchf/8.174,，molkcalhcof/942,，molkcalhohf/8.572,Kmolcalcpco/466.132，Kmolcalcoph/444.102，Kmolcalcpn/060.824,4chfCHreachNh)298(2222222,22,2adpnnophohpcocoohfohcofcoprodTcNcNcNhNhNh令prodreachh得：KTad7.2317第四章燃料1、燃料的化学成分有那些？以及各个成分的性质是什么？答：无论是固体燃料、液体燃料还是气体燃料，他们的主要组成都是多种碳氢化合物。从元素分析的角度来看，燃料主要组分是C、H、O、N、S以及水分和灰分。碳（C）。碳是常用燃料中主要的可燃元素，一般占煤成分的20%~70%。碳元素包括煤受热分解时产生的挥发分中的碳和固定碳。碳化程度越深的煤，固定碳的含量也越高。由于固定碳的燃点很高，含碳量越高的煤，其着火燃尽也越困难。氢（H）。氢是燃料中热值高且有利于燃烧的元素。约为3%~5%，且均以化合物的状态存在。氢含量的多少，直接影响煤的热值、着火和燃尽。氧（O）。氧在各种煤中的含量差别很大。随着煤的地质年龄的增长，煤中的氧不断分解逸出，气含氧量逐渐降低。氧使煤中的可燃碳及可燃氢的含量相对减少，从而降低煤的热值。氮（N）。氮是燃料中的惰性元素，一般情况下不参与燃烧过程。燃料发生燃烧反应后，氮以游离状态随着燃烧烟气