燃烧学第1和2讲-导论和基础

高等燃烧学李晓东第一讲：导论第二讲：主要介绍化学热力学基础知识和化学动力学的基础知识;第三讲：将对燃烧物理学基本方程进行分析，重点介绍斯蒂芬（Stefen）流和相分界面上边界条件，以加深对燃烧反应边界条件的认识第四讲：经典的燃料的着火理论，内容包括经典的热力爆燃理论，点火理论和强迫着火理论。第五讲：火焰传播理论，主要介绍正常火焰传播和火焰稳定的基本原理及这一理论用于燃烧稳定的方法的理论基础；课程内容第六讲：湍流燃烧理论与模型，这是目前发展较快的新的理论成果，介绍经典的表面皱折和容积燃烧两种湍流燃烧模型；第七讲：液体燃烧的燃烧理论，除了介绍经典的油滴蒸发燃烧的理论，如Stefan流等的影响等。第八讲：讨论煤的热解和燃烧的理论，内容包括煤的热解、挥发份的组成和燃烧、热解动力学、煤的加热和着火、煤的着火模式理论、碳球的燃烧、煤燃烧过程、煤的燃烬及煤粉火焰传播等理论；第九讲：针对燃烧过程中污染物的形成机理及其影响因素和控制方法进行介绍。岑可法等著，高等燃烧学，浙江大学出版社，2002傅维镳等著，燃烧学，高等教育出版社，2000参考书目第一讲导论为什么学习燃烧学?火是人类文明的标志燃烧现象无处不在燃烧是化学发展的主线燃烧是能源贡献的主要方式燃烧是大气环境污染的主要来源燃烧的定义燃烧—燃料和氧化剂两种组分在空间激烈地发生放热化学反应的过程燃烧的两个特征：发光、发热燃烧过程是一个复杂的物理、化学的综合过程，它包括燃料和氧化剂的混合、扩散、预热、着火以及燃烧、燃烬等过程燃烧科学的发展简史燃烧是物质剧烈氧化而发光、发热的现象，这种现象又称为“火”“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”火的使用是人类出现的标志之一第一次产业革命(18世纪60年代)在英国出现，其标志就是蒸汽机的产生，这是人类在火(燃烧)现象的长期知识和经验积累的结果火是神的贡献，是普鲁米修斯为了拯救人类的灭亡，从天上偷来的在我国，燧人氏钻木取火的故事更为切合实际和动人但这些离火的本质相距甚远对火的认识十七世纪末叶德国化学家贝歇尔(J.J.Becher)和斯塔尔(G.E.Stahl,1660～1734)提出燃素论解释燃烧现象一切物质之所以能够燃烧，都是由于其中含有被称为燃素的物质一切与燃烧有关的化学变化都可以归结为物质吸收燃素与释放燃素的过程燃素论燃素逸至空气中时就引起了燃烧现象，逸出的程度愈强，就愈容易产生高热、强光和火焰。物质易燃和不易燃的区别，就在于其中含有燃素量的多寡不同这一学说对于许多燃烧现象无法说明：燃素的本质是什么?为什么物质燃烧重量反而增加?为什么燃烧使空气体积减少?1772年11月1日法国科学家拉瓦锡关于燃烧的第一篇论文发表了，其要点是由燃烧而引起的重量增加这种“重量的增加”是由于可燃物同空气中的一部分物质化合的结果。燃烧是一种化合现象拉瓦锡尚未完全弄清楚这空气的一部分是什么物质燃烧学的不断发展1774年，普利斯特列(英国)发现了氧拉瓦锡很快在实验中证明，这种物质在空气中的比例为1/5，并命名这一物质为“氧”（原义为酸之源）拉瓦锡正确的燃烧学说得到确立，并因此而引起了化学界的一大革新这仅仅是揭开了燃烧的本质燃烧学的不断发展(续）19世纪，由于热力学和热化学的发展，燃烧过程开始被作为热力学平衡体系来研究，从而阐明了燃烧过程中一些最重要的平衡热力学特性，如燃烧反应的热效应、燃烧产物平衡组成、绝热燃烧温度、着火温度等热力学成为燃烧现象认识的重要而唯一的基础燃烧学的不断发展(续）直到20世纪的30年代，美国化学家刘易斯(B.Lewis)和俄国化学家谢苗诺夫等人将化学动力学的机理引入燃烧的研究，并确认燃烧的化学反应动力学是影响燃烧速率的重要因素，且发现燃烧反应具有链锁反应的特点，这才初步奠定了燃烧理论的基础燃烧学的不断发展(续）随着上世纪初各学科的迅猛发展，在上世纪30年代和50年代之间，人们开始认识到影响和控制燃烧过程的因素不仅仅是化学反应动力学因素，还有气体流动，传热，传质等物理因素，燃烧则是这些因素的综合作用的结果，从而建立了着火、火焰传播、湍流燃烧的规律。燃烧学的不断发展(续）上世纪五十年代到六十年代，美国力学家冯·卡门(Vol.Karman)和我国力学家钱学森首先倡议用连续介质力学来研究燃烧基本过程，并逐渐建立了所谓的“反应流体力学”，学者们开始以此对一系列的燃烧现象进行了广泛的研究。燃烧学的不断发展(续）冯·卡门斯波尔丁(D.B.Spalding，国际计算流体与计算传热的主要创始人、英国帝国理工大学)在上世纪六十年代后期首先得到了层流边界层燃烧过程控制微分方程的数值解，并成功地接受了实验的检验；遇到了湍流问题的困难，斯波尔丁和哈洛在继承和发展了普朗特，雷诺和周培源等人的工作，将“湍流模型方法”引入了燃烧学的研究，提出了一系列的湍流输运模型和湍流燃烧模型，并成功地对一大批描述基本燃烧现象和实际的燃烧过程进行了数值求解。燃烧学的不断发展(续）上世纪80年代，英、美、俄、日、德、中、法等的工作，形成了“计算燃烧学”；定量预测燃烧过程和燃烧技术，使燃烧理论及其应用达到了一个新的高度；燃烧过程测试手段的进展，先进的激光技术，现代质谱、色谱等光学，化学分析仪器，改进了燃烧实验的方法，提高了测试精度，研究燃烧过程的各种机理；燃烧学在深度和广度上都有了飞跃的发展。燃烧学的不断发展(续）飞行时间质谱仪原子吸收光谱仪色质联机红外热重色谱联用仪激光诱导荧光仪（PLIF）通过检测火焰中活性分子在特定波长的脉冲激光照射下诱导发射出的荧光光谱信号，获知火焰中气态中间产物的分布以及温度分布等特性。SimutaneousPLIFofCH2O&CH动力来源：锅炉、蒸汽动力、发动机热源：冶金、化工、玻璃、化肥、水泥、陶瓷、石油化工生活：采暖、做饭高温高压高速燃烧：火箭燃烧的应用领域新能源和可再生能源新能源：新能源又称非常规能源。是指传统化石能源之外的各种能源形式。新能源通常指核能、太阳能、风能、地热能、氢气、生物质能等。新能源包括了核能源和可再生能源。可再生能源：具有自我恢复原有特性，并可持续利用的一次能源。根据联合国1981年新型能源和可再生能源会议的定义，包括太阳能、水力发电、风能、生物质能、海洋热波浪力能等十多种，主要指常规化石能源以外的可再生能源。《中华人民共和国可再生能源法》适用范围为：风力发电、生物质发电（包括农林废弃物直接燃烧和气化发电、垃圾焚烧和垃圾填埋气发电、沼气发电）、太阳能发电、海洋能发电和地热能发电。28(单位：亿吨标准煤/年)林业生物质1.25工业废弃物0.35农作物秸秆3.3城市垃圾0.26禽畜粪便1.3我国每年可供能源开发的废弃农作物秸秆量相当于2亿多吨标准煤，如用于发电可提供4551亿度电能，这相当于2005年全国发电量的20%中国工程院《中国可再生能源发展战略研究》2007我国生物质资源火灾：损失无法估量大气污染：酸雨、温室效应燃烧的危害大气有害污染物质颗粒物：指大气中液体、固体状物质，又称总悬浮物硫氧化物：是硫氧化物的总称氮氧化物：是氮氧化物的总称碳的氧化物：主要包括二氧化碳和一氧化碳其它特殊有害物质：※碳氢化合物：是以碳元素和氢元素形成的化合物，如甲烷、乙烷以及多环芳烃等※持久性有机污染物（含氯有机污染物二恶英）※重金属中国大气污染基本特征以煤为主的能源消费结构以及工业结构和布局的不尽合理，普遍形成城市大气总悬浮颗粒物超标、二氧化硫污染保持在较高水平的煤烟型污染城市机动车尾气排放污染物剧增，氮氧化物污染呈加重趋势由于大规模建筑施工等人为活动，引起扬尘污染加重部分地区生态破坏，使得我国沙尘暴污染有所加重由于硫氧化物、氮氧化物等致酸物质的排放仍未得到有效控制，全国已形成华中、西南、华东、华南等多个酸雨区，尤以华中酸雨区为重050010001500200025001989199019911992199319941995199619971998199920002001二氧化硫烟尘工业粉尘氮氧化物万吨/年怎么学燃烧学？燃烧科学目前正在从一门传统的经验科学成为一门系统的、涉及热力学化学动力学流体力学传热传质学物理学数学为基础的综合理论体系从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。主要以燃烧过程涉及的基本过程为对象：燃烧反应的热力学/动力学机理燃料的着火、熄灭火焰传播和稳定预混（扩散火焰）的层流、湍流和催化燃烧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理论的研究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：燃烧方法的改进及新的燃烧方法的建立燃烧过程的组织，提高燃料利用率，拓宽燃烧利用范围改善燃烧产物的组成，实现对燃烧过程的控制，控制燃烧过程污染物的形成与排放等等燃烧技术的研究燃烧科学研究方法燃烧科学发展最重要的形式是理论的更替，而理论的更替正是科学实践的结果，也就是研究方法的更替，从燃烧学发展的简史可以看出，仅有实验的力量并不能决定理论的正确与否，如燃素说的基础也是实验，但得到的却是错误的理论，燃烧理论的建立是实验研究和理论总结的结合。由于燃烧过程的复杂性，到目前为止，燃烧科学的研究，仍然以实验研究为主，但理论和数学模型的方法正显得越来越重要。燃烧过程的数学方法在流体力学、反应动力学和其他物理化学方程的基础上，提出化学流体力学的全套方程组目前的数学尚无力论证这组方程的通解和解的存在性，这与通常的人们在一般条件下通过把体现燃烧理论的那些基本方程的解与实验研究对比的方法来检验和发展理论的过程不相一致，致使燃烧学长期停留在实验、总结的阶段。数学模型方法近年来计算机的迅猛发展，提供了一套在一般条件下用数值方法求解上述方程组的可能性，可以求出各种理论数学模型的解，通过把该解与相应的实验研究结果对比、检验、发展和优化的理论模型，从而深入认识现有燃烧过程，预示新的燃烧现象，进一步揭示燃烧规律。燃烧理论与错综复杂的燃烧现象有机地联系起来，使燃烧学科上升到系统理论的高度。第二讲化学热力学和化学热力学基础燃烧化学热力学根据热力学第一定律分析化学能转变为热能的能量变化，确定化学反应的热效应热力学第一定律：在任何发生能量转换的热力过程中，转换前后能量的总量维持恒定根据热力学第二定律分析化学平衡条件以及平衡时系统的状态热力学第二定律：不可能把热从低温物体传至高温物体而不引起其他变化热效应当反应体系在等温条件下进行某一化学反应过程时，除膨胀功外，不做其它功，此时体系吸收或释放的能量，成为该反应的热效应当反应在1atm、298K下进行，此时的反应热称为标准热效应根据热力学惯例，吸热为正值，放热为负值反应热等温等压条件下反应物形成生成物时，放出或吸收的热量称为该化学反应的反应热:由生成物和反应物的生成焓差来确定:HnhhRTifTPRfTjPRii标准反应热在标准状态下的反应热称为标准反应热标准反应热等于生成物摩尔数乘以标准生成热，减去反应物摩尔数乘以标准生成热如果反应物为稳定单质，生成物为1摩尔的化合物时，该式的反应热在数值上就等于该化合物的生成热根据键能计算标准反应热当化合物的标准生成热未知时，可用键能来计算反应热化合物原键的拆散和新键的形成过程，在此过程中伴有能量的变化，并以反应热形式表现出来用键能计算反应热不很精确，但在缺少热化学数据时，用键能估算反应热也是解决问题的一种方法平均键能（kJ/mol）键键能键键能C-CC=CCCC-HC-OC=OC-NCNC-ClC-BrC-IC-FC-SO-OO=ON-NNNH-H355.64598.31828.43410.03359.82723.83338.90878.64326.35283.33267.78426.77267.78138.07489.53251.04941.4430.95O-HO-NN-HP-PS-