燃烧学讲义1

西安交通大学能源与动力工程学院1燃烧学西安交通大学能源与动力工程学院主讲人：周屈兰西安交通大学能源与动力工程学院20绪论0.1燃烧科学的发展史0.2燃烧科学的应用西安交通大学能源与动力工程学院30.1燃烧科学的发展史140~150万年前，“摩擦生火第一次使人类支配了一种自然力，从而最终把人和动物分开”燃烧是物质因剧烈氧化而发光、发热的现象－－“火”氧化剧烈氧化缓慢氧化平静的燃烧急速的燃烧即通常的燃烧如喷气发动机中的燃烧爆炸（有限空间中的）急速燃烧如呼吸和金属锈蚀等自燃（从缓慢氧化转变成剧烈氧化）西安交通大学能源与动力工程学院4人类认识火的过程是一个漫长的过程“火”对人类而言，是一种非常重要，却又难以驾驭的自然力量西安交通大学能源与动力工程学院5古代中国的五行：金、木、水、火、土古埃及的四种元素：火，空气，地球、水古代印度的四大元素：地、水、火、风古希腊，“单一元素”论者分别认为水、气、火、土为万物之源西安交通大学能源与动力工程学院617世纪末，德国斯塔尔（stahl）提出了燃素论1772年，法国科学家拉瓦锡认为燃烧是一种化学现象（空气中某种物质）1774年普利斯特列发现了氧。拉瓦锡的正确的燃烧学说得到确立，开始了揭开燃烧学本质的过程。西安交通大学能源与动力工程学院719世纪，人们将燃烧作为热力学平衡体系来研究，阐明了燃烧过程中重要的平衡热力学特性。20世纪30年代，美国化学家刘易斯和俄国谢苗诺夫将化学动力学的机理引入燃烧研究，认为化学反应动力学是影响燃烧速率的重要因素，初步奠定了燃烧理论的基础。西安交通大学能源与动力工程学院830～50年代，人们认识到燃烧是化学反应动力学、气体流动、传热、传质等物理因素的综合作用。卡门、钱学森提出用连续介质力学研究燃烧—“反应流体力学”。Spalding20世纪60年代后首先得到了层流边界层燃烧过程控制微分方程数值解，此后引入湍流模型，形成了“计算燃烧学”。西安交通大学能源与动力工程学院90.2燃烧科学的应用全世界的能源结构以石油和煤为主，石油和煤的主要利用方式——燃烧；现代社会的主要动力来源——矿物燃料燃烧；火力发电厂锅炉（2008年雪灾，电煤），工业用蒸汽，发动机等均是以固、气、液体燃料的燃烧产生的热能为动力（热源）；火箭发动机高强度燃烧装置；燃料中存在有害物质：烟尘、灰、SOx、NOx→污染环境→酸雨、温室效应等。改善燃烧工艺，控制燃烧过程，发展洁净燃烧技术。,xxSoNo西安交通大学能源与动力工程学院10电站煤粉锅炉系统简图西安交通大学能源与动力工程学院11链条锅炉从炉排后部观察的商品型煤燃尽状态从炉排前部观察的商品型煤燃尽状态西安交通大学能源与动力工程学院12循环流化床锅炉（CirculatingFluidizedBed）西安交通大学能源与动力工程学院13内燃机西安交通大学能源与动力工程学院14固体燃料•液体燃料•气体燃料西安交通大学能源与动力工程学院15燃料分类类别天然燃料人工燃料固体燃料木柴，泥煤，烟煤，无烟煤，石煤，油页岩等木炭，焦炭，泥煤砖，煤矸石，甘蔗渣，可燃垃圾等液体燃料石油汽油，煤油，柴油，沥青，焦油气体燃料天然气，煤层气高炉煤气，发生炉煤气，焦炉煤气，液化石油气西安交通大学能源与动力工程学院16序号燃气种类成分体积分数（%）H2COCH4C3H6C3H8C4H10N2O2CO2H2S1天燃气--98.0CmHn0.30.31.0---0.42油田伴生气-[C2H6]80.1CmHn3.82.30.6-3.4-[7.4]2.43炼焦煤气59.28.623.42.0--3.61.22.0-4混合煤气48.020.013.01.7--12.00.84.5-5高炉煤气1.823.50.3---56.9-17.5-6矿井气-52.4---36.07.04.6-7高压气化气59.324.814.0--0.20.8-共0.98液化石油气-C4H81.510.04.526.2-54.09液化石油气----50.050.0----常用代表性燃气成分及特性资料（1）西安交通大学能源与动力工程学院17序号燃气种类摩尔质量气体常数标况下密度相对密度标态下质量定压比热容绝热指数1天燃气16.654499.50.74350.57501.5571.30822油田伴生气21.73382.60.97090.75031.7391.28703炼焦煤气10.496792.50.46860.36241.3881.35704混合煤气14.997554.40.67000.51781.3671.38405高炉煤气30.464269.91.35511.04801.3561.38706矿井气22.780365.21.01700.78601.4431.35107高压气化气11.124747.80.49660.38401.3401.39008液化石油气56.610147.02.52701.95503.5131.15009液化石油气52.651158.02.35001.81803.3301.1520常用代表性燃气成分及特性资料（2）西安交通大学能源与动力工程学院18序号燃气种类标态下高位热值标态下低位热值实用华白数动力粘度运动粘度爆炸极限上限/下限标态下理论空气量理论烟气量干烟气最大CO2体积分数理论燃烧温度火焰传播速度1天然气40337365334221810.3313.9215.0/5.09.6410.64/8.6511.8019700.3802油田伴生气4799943572443089.329.6214.2/4.411.4012.53/10.3012.7019730.3743炼焦煤气19788175892566511.6024.7635.6/4.54.214.88/3.7610.6019980.8414混合煤气15378138361692912.1518.2942.6/6.13.183.85/3.0613.9019860.8425高炉煤气33113265280515.7911.6876.4/46.60.631.50/1.4828.801580-6矿井气20829187681861413.5613.3919.84/7.374.665.66/4.6112.3519960.2477高压气化气16381147972101713.3426.9346.6/5.43.363.87/3.0013.2020000.9408液化石油气123477114875723147.032.789.7/1.728.2830.67/26.5814.6020500.4359液化石油气117308108199706427.143.049.0/1.927.3729.62/25.1213.9020200.397常用代表性燃气成分及特性资料（3）西安交通大学能源与动力工程学院190号轻柴油油质资料重油油质资料名称Mar(%)Aar(%)Car(%)Har(%)Oar(%)Nar(%)Sar(%)0号轻柴油0.000.0185.5513.490.660.040.2542900注：表中成分为质量分数名称Mar(%)Aar(%)Car(%)Har(%)Oar(%)Sar(%)Nar(%)粘度200号重油20.02683.97612.230.56810.2418600.92~1.01100时130361.015.5~9.5100号重油1.050.0582.512.51.911.50.49406000.92~1.0180时1202515.5注：表中成分均为质量分数西安交通大学能源与动力工程学院20煤的成分图解收到基ar空气干燥基ad灰分干燥基d干燥无灰基daf固定炭水分挥发分挥发部分焦炭灰分A（包括硫酸盐硫SS）CHONSCMinfMfC西安交通大学能源与动力工程学院21各类煤的元素组成（质量百分数）我国煤的技术型分类法（GB5751-86）是采用表征煤的煤化程度的主要参数，即干燥无灰基挥发分Vdaf作为分类指标，将煤分为三大类，褐煤、烟煤和无烟煤。凡Vdaf≤l0%的煤为无烟煤，Vdaf10%的煤为烟煤，Vdaf37%的煤为褐煤。Vdaf=10~20%的煤习惯上也称为贫煤。煤的类别CdafHdafOdafNdaf褐煤60～774.5～6.615～301.0～2.5烟煤73～934.0～6.82～150.7～2.2无烟煤89～980.8～4.01～30.3～1.5西安交通大学能源与动力工程学院22分类指标煤种名称等级代号分级界限辅助分类指标界限值鉴定方法挥发分Vdar(2)超低挥发分无烟煤特级VII≤6.5%Qnet,v,ar23023kJ/kg煤的工业分析方法（GB212-77煤中发热量测定方法（GB213-79））低挥发分无烟煤1级V16.5%~9%Qnet,v,ar20930kJ/kg低中挥发份烟煤2级V29%~19%Qnet,v,ar18418kJ/kg中挥发分烟煤3级V319%~27%Qnet,v,ar16325kJ/kg中高挥发分烟煤4级V427%~40%Qnet,v,ar15488kJ/kg高挥发分烟褐煤5级V540%Qnet,v,ar11721kJ/kg灰分Ad(Az)ƒ常灰分煤1级A1≤34（≤7%）煤的工业分析方法（GB212-77）高灰分煤2级A234%~45%(7%~13%)超高灰分煤3级A345%(13%)外在水分Mf常水分煤1级M1≤8%Vdaf≤40%煤中全水分的测定方法（GB211-79）煤的工业分析方法（GB212-77）高水分煤2级M28%~12%Vdaf≤40%超高水分煤3级M312%全水分Mt常水分煤1级M1≤22%Vdaf40%高水分煤2级M222%~40%超高水分煤3级M340%硫分Sd,tSt,z④低硫煤1级S1≤1%(≤2%)煤中全硫分的测定方法（GB214-77）中硫煤2级S21%~2.8%(0.2%~0.55%)高硫煤3级S32.8%(0.55%)煤灰熔融性Ts不结渣煤1级T2-11350Qnet,v,ar12558kJ/kg煤灰熔融性的测定方法（GB219-74）煤中发热量测定方法（GB213-79）不限Qnet,v,ar≤12558kJ/kg易结渣煤2级T2-2≤1350Qnet,v,ar12558kJ/kg发电厂用煤国家分类标准西安交通大学能源与动力工程学院23燃烧学涉及热力学、流体力学、化学动力学、传热传质学，具备综合的理论体系，而且与实验理论、技术密切相关。燃烧科学应用的领域看，其重点在于研究燃料和氧化剂进行激烈化学反应的发热、发光的物理化学过程及其组织。燃烧科学：燃烧理论方面的研究，主要以燃烧过程涉及的基本过程为对象，如燃烧反应的动力学机理，燃烧的着火、熄灭、火焰传播、火焰稳定、预混火焰、扩散火焰、层流和湍流燃烧、催化燃烧、液滴燃烧、碳粒燃烧、煤的热解和燃烧、燃烧产物的形成机理等。燃烧技术：主要是应用上述理论研究的结果来解决工程技术中的各种实际问题，包括：燃烧方法的改进、燃烧过程的组织、新的燃烧方法的建立、提高燃烧利用率、拓宽燃料利用范围、改善燃烧产物的形成、实现对燃烧过程的控制、控制燃烧中污染物的形成与排放，等等。西安交通大学能源与动力工程学院24第一章化学动力学和化学平衡学习目的：确定化学反应的速度以及各种因素对反应速度的影响研究化学反应的机理----从反应物到生成物的所经历路径。2020/2/15西安交通大学能源与动力工程学院第一章化学热力学与化学反应动力学基础§1.1基本概念§1.2化学反应速度§1.3链式化学反应§1.4化学平衡§1.5燃烧热西安交通大学能源与动力工程学院261.1基本概念1.1.1单相反应和多相反应（同相和异相）单相反应：系统内各个组成物质都是同一状态，在此系统内进行的反应称为单相反应。多相反应：系统内各个组成物质包含多种状态，非同一状态，在此系统内进行的反应称为多相反应。西安交通大学能源与动力工程学院271.1.2简单反应和复杂反应简单反应：由反应物经一步反应直接生成产物