[工学]哈工大能源学院高等燃烧学课件-燃烧理论-1含绪论

燃烧理论哈尔滨工业大学燃烧工程研究所绪论一、燃烧学科的发展二、燃烧是一个学科三、燃烧过程的理论模化四、课程的教学内容和主要参考书一、燃烧技术和燃烧科学的发展（1）燃烧技术发展史•我国传说：燧人氏钻木取火•希腊传说：普罗米休斯把火带给人间。至少50万年前人类学会用火。•恩格斯：“火”使人类脱离野蛮进入文明•“庄子”：木与木相摩则燃。•战国齐国田单：火牛阵•晋代张华“博物志”：四川用天然气煮盐•火药和火箭：我国首先发明（至少在宋代）•燃烧技术的三次大发展：蒸汽机和内燃机（产业革命）；航空航天技术（二次世界大战）；能源危机（70年代末）（2）近代燃烧技术的发展•燃烧的强化---高能，高压，高温，高速燃烧。•节能—高效率，低品位燃料燃烧•环保—低污染（低NOx，SOx，CO2，粉尘，噪音，有毒气体）燃烧•火灾防治—森林，建筑和仓库火灾，矿井防爆•几种近代燃烧技术：氢氧燃烧；超音燃烧；高推重比燃烧；旋流（风）燃烧；流化床燃烧，磁控燃烧；脉动燃烧；催化燃烧；自蔓延燃烧（3）燃烧科学的发展•燃素论—18世纪中叶前•燃烧的氧化论—Lavosier，Lomonosov（1756-1771）•燃烧热力学—Kirshoff，Hess（19世纪）•燃烧反应动力学—Simonov，Lewis（20世纪初）•燃烧学—Zeldovich，Frank-Kamenetsky，Spalding，Predvoditelev，Khitrin（20世纪30到50年代），Williams•化学（反应）流体力学—VonKarmen，钱学森（20世纪60年代），Williams•燃烧的计算流体力学—Spalding，Gosman，Smoot，Swithenbank•多相湍流反应流体力学—周力行•燃烧的激光诊断学—Durst，Bachalo，Adrain二、燃烧是一个学科1、燃烧学科的分支可控燃烧反应消防燃烧学（不可控反应）2、可控燃烧反应——燃烧学的研究内容强化燃烧反应过程燃烧过程的污染控制强化燃烧反应过程目的：单位时间、单位空间高效地烧掉更多的燃料，放出更多的热量。主要措施：高反应燃烧室（高温、高压等）高反应燃料（复合燃料等）高反应燃烧技术燃烧过程的污染控制目的：控制燃烧过程的污染物质生成和排放。如NOx、SOx、CO、CO2、粉尘等。主要措施：燃料的预处理清洁燃烧技术燃烧产物的净化技术主要是清洁燃烧利用，目前主要的清洁燃烧方法有以下三类：•煤的预处理；•煤的清洁燃烧技术；•燃烧产物的净化处理。1、煤的预处理：煤在燃烧前进行预处理，使燃烧过程不产生污染物或少产生污染物，使煤变成清洁燃料。如：•煤的气化；•煤的液化；•水煤浆燃烧；等等。2、清洁燃烧技术采用在燃烧过程中控制污染的技术。有两种方式：（1）、提高利用效率，减少煤的耗量以减少污染。如：•采用超临界机组；•采用IGCC等联合循环技术。（2）、低污染燃烧技术。如：•循环流化床燃烧技术；•低污染煤粉燃烧技术；•其它低污染燃烧技术。3、燃烧产物的净化处理•烟气脱硫技术；•烟气脱硝技术；•除尘技术。以上三个方面都是国家“九五”、“十五”、“十一五”计划的主要研究内容。1、对煤的预处理煤的气化、液化关系到国家的经济命脉和安全，在石油短缺的情况下是非常重要的，应在引进技术的基础上，开展深入的研究，提高自主知识产权的技术份额，努力实现产业化。2、清洁燃烧技术的研究已开展了多年，取得了很多成果。但是，有些技术与国外的技术还有很大差距。另外，这个方面的技术成果推广的范围大，收到的效益大。应立足于那些通过研究工作，可以尽快缩小与国际的差距的技术；以及技术水平高，见效快，效益高，产业化前景好的技术进行研究。3、燃烧产物的净化处理目前的重点是烟气脱硫技术，特别是适合中国国情的高水平、低投资、低成本的脱硫技术。这是我国洁净煤技术的关键之一。脱硝技术在国内研究已开展，随着对的要求越来越高，这项技术的研究会越来越深入。燃烧学的背景知识•化学热力学•化学反应动力学•物理学•工程热力学•流体力学•传热学三、燃烧过程的理论模化1、目的a.模拟燃烧过程并发展对各种条件下燃烧行为的预测；b.帮助解释和理解所观察到的燃烧现象；c.取代困难或昂贵的试验；d.指导燃烧试验的设计；e.有助于确定各独立参数对燃烧过程的影响。燃烧模型的分类：根据燃烧现象的条件分类序号燃烧条件燃烧模型分类1时间相关性稳态、非稳态2空间相关性一维、二维、三维3反应物初始状态预混、非预混（扩散）4流动条件层流、湍流5反应物的相单相、多相6反应位置均相、多相7反应速度化学平衡（快速反应）、有限反应速度8对流条件自然对流、受迫流动9可压性不可压、可压10燃烧传播速度爆震（超音速）、缓燃（亚音速）燃烧模型的基本组成初始条件控制方程1、守恒方程2、输运方程边界条件状态方程热力学和输运特性动力学参数经验知识材料性质和结构特性燃烧模型的控制方程1、守恒方程：质量守恒（连续性方程）动量守恒组分守恒（扩散方程）能量守恒2、输运方程：层流——分子输运质量输运（Fick定律）：m=-D·dC/dx动量输运（Newton定律）：τ=-μ·du/dx能量输运（Fourire定律）：q=-λ·dT/dx湍流——湍流微团输运，包括：湍流动能的输运；湍流动能耗散率的输运；雷诺应力的输运；概率密度函数的输运；瞬时脉动量的输运。随着湍流模型的发展还会有其它物理量输运。四、燃烧学的研究内容燃烧学的主要内容：燃烧化学——化学热力学，化学反应动力学燃烧物理学——流动、传热和热力学过程燃烧测量——燃烧过程的测量技术课程内容燃烧化学基础：化学热力学基础，化学反应动力学；燃烧物理学：燃烧过程理论模化的基础，着火灭火理论，气体燃料的燃烧，液滴的燃烧煤的燃烧基础。主要参考书：«燃烧物理学基础»傅维标，卫景彬主编，机械工业出版社«燃烧理论与化学流体力学»周力行主编，科学出版社«燃烧原理»K.K.肯尼斯著，陈义良译，科学出版社«粉煤燃烧与气化»Smoot著，科学出版社一些说明•1、串课的困惑•2、方法、目的•1）本科生•掌握一些知识•2）研究生•掌握东西要宽，关键创新。注意别人创新的动机、方法以及结果。一些说明•3、讲授方式•燃烧学发展很迅猛，课程内容很难跟上。采用老师讲授一部分，学生交流一部分的形式。学生自愿报名，做报告者考分基础上加10分，不做者不扣分，也不加分。•4、两节课的安排第一章燃烧化学基础——化学热力学及化学反应动力学燃烧过程——一种化学反应，反应过程中放出大量热能。实际上是化学反应的某种状态变化。工程上是指燃料中可燃元素与氧化合产生能量的反应过程。燃烧过程的特点：1、反应中放出大量热能；2、具有较高的反应速率。燃烧化学：化学热力学——化学的一个分支。利用热力学第一定律（能量守恒定律）研究化学反应中的能量变化。•能量的变化机理：旧化学键的分裂——吸收一定的能量；新化学键的建立——放出一定的能量；键能的差额——反应中的能量变化。化学反应动力学——化学的一个分支。定量地研究化学反应进行的速率及其影响因素。第一节化合物的生成焓、反应焓和燃烧热一、化合物的生成焓标准生成焓：二、反应焓定义：在几种化合物（或元素）相互反应形成生成物时放出或吸收的能量。焓—温图（H—T)任意压力和温度下的反应焓对理想气体：焓与压力无关，只与温度有关。例如：反应物R有r个mol经化学反应变成p个mol生成物P即：r•Rp•P反应焓ΔH=ΔHP--ΔHR=p•ΔhP--r•ΔhR等于过程中系统的焓的减少。在定压过程中，ΔH随温度的变化为：下标P表示为定压过程。PRpppPRdThdrdThdpdTHd由定压比热的定义：得到Kirchoff定律：反应焓随温度的变化率等于定压下反应物和生成物的比热之差。对上式积分：ΔH0R298——标准状态下反应焓，可由生成焓求得；CP,P和CR,P——生成物和反应物的定压比热，可由有关物性表获得。PRPPPPRrCpCdTd0298298)(RPRTPPPRHdTrCpCH若假定CP,P和CR,P与T无关：ΔH=（p·CP,P-r·CR,P）·（T–298）+ΔH0R298若生成物和反应物都多于一种（得到Kirchoff定律之推广）：如由反应：A+B+C+………+M+N+O+…….则：CR,P=XACPA+XBCPB+………….=ΣXSCPSS=RCP,P=XMCPM+XNCPN+………….=ΣXjCPjj=p式中：Xj、Xs分别为第j种和第s种成分的相对mol浓度。可见，是对比热的加权平均，权值为某种成分的相对mol浓度。（mol浓度Ci=Mi/V，相对mol浓度Xi=Ci/ΣCi）例题：计算水在90℃时的反应焓。假定：初始的混合物是按化学当量混合的。C=a+bT，对H2：a=6.94,b=-0.210-3；对O2：a=6.09,b=3.2510-3。解：由表知：标准状态下水的生成焓为68.32kcal/mol。初始混合物：H2+1/2O2,r=3/2；最终混合物H2O,p=1。于是：kcalHkcaldTTHTTrCpCKmolcalCCKmolcalTTTCxxPRPRpRppOpHpppROH782.67))(32.68(00036.004.81000036.004.800024.064.62318)/(18)/(00024.064.61025.309.631102.094.632.312321;32231363298333222代入得：反应焓与其物理状态的关系反应焓与其物理状态有关例：H2+1/2O2=H2O（液）ΔHf=-68.31kcalH2O（液）H2O（汽）ΔHv=-10.52kcalH2+1/2O2=H2O（汽）ΔHf=-57.79kcal可见：二者差一个蒸发焓（以mol为单位的汽化潜热）燃烧热定义：1mol燃料完全燃烧放出的热量为化合物的燃烧热。燃烧焓定义：系统经历一个等压过程，过程中物质组分发生变化，而温度与初始状态相同时，系统放出的热量。第二节热化学定律由热力学第一定律出发——导出两个重要的热化学定律1、Lavoisier—Laplace定律表述：使一化合物分解成为组成它的元素所需供给的能量和由元素生成化合物产生的能量相等。即：化合物的分解热等于它的生成焓，而符号相反。例：C+1/2O2=COΔhf=-26.42kcal/molCO=C+1/2O2Δhf=26.42kcal/mol1/2H2+1/2I2=HIΔhf=6.00kcal/molHI=1/2H2+1/2I2Δhf=-6.00kcal/mol2、Gass求和定律表述：化学反应中不管过程是一步或分多步进行，其产生或吸收的净热量是相等的。另一种表述：在化学反应中的能量转换过程取决于系统的初始和最终状态，而与反应的中间状态无关。由此可得：热化学方程式可以用代数方法做加减。例：求C+1/2O2=COΔhf=?已知C+O2=CO2Δhf=-94.05kcalCO+1/2O2=CO2Δhf=-67.62kcal则C+O2-CO-1/2O2=CO2-CO2C+1/2O2=COΔhf=-94.05+67.62=-26.43kcal可见，热化学定律的作用：1、保证了用物质平衡式计算反应热量变化的合理性；2、可以由两个相关反应求出另一个反应的生成焓（特别是当某一个反应焓难以直接测定时）；例：如上例。3、可以根据已知的各反应物和生成物的燃烧焓来求出反应焓。例：求：C2H4(乙烯）+H2=C2H6（乙烷）ΔHR=?由表中已知：C2H4+3O2=2CO2+2H2OΔh=-377.3kcalH2+1/2O2=H2OΔh=-68.30kcalC2H6+7/2O2=2CO2+3H2OΔh=-368.4kcal用前两个方程减去第三个方程，得：C2H4+H2=C2H6ΔHR=-37.2kcal第三节热力学平衡及化学平衡化学热力学的研究方法不是微观的，不考虑分子结构，而是把研究对象看成是一个整体，所以只能给出最终状态。一、热力学平衡的定义机械平衡—