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1、第三篇 燃烧基本原理,第三篇学习重点 学习第三篇要求重点掌握： 1. 燃烧的主要分类：动力燃烧和扩散燃烧 2. 化学反应速度及其影响因素，阿伦尼乌斯定律 3. 连锁反应和支链反应，氢和碳的燃烧反应机理 4. 自燃着火和强制点火，闭口 / 开口体系的着火 条件分析 5. 层流火焰传播速度及其推导，（两区物理模型）燃烧火焰的稳定性，影响层流火焰传播速度的因素；紊流火焰传播速度,燃 料 与 燃 烧,第三篇 燃烧基本原理 第八章 燃烧反应速度和反应机理,第三篇 燃烧基本原理,燃料燃烧过程：煤块/油滴/燃气燃烧过程 燃烧是复杂的物理化学过程三传一反： 动量传递（流动） 热量传递 质量传递（扩散） 化学反
2、应 = 混 + （热 + 反 ） = 扩 + 反,第八章 燃烧反应速度和反应机理,燃烧的基本分类： （1）动力燃烧（动力学控制，预混燃烧）： 反 扩 （2）扩散燃烧 （扩散混合控制）： 扩 反 （3）中间燃烧： 介乎两者之间， 扩 与 反 相当。 其它分类： 按燃料：气 / 液 / 固体燃料燃烧 按气体流动方式：层流 / 紊流 / 过渡燃烧 按反应物物态：均相 / 异相燃烧 按固体床层：层状燃烧（固定床） 沸腾床燃烧 粉煤燃烧（气流床）,第八章 燃烧反应速度和反应机理,1 化学反应速度 一、化学反应速度 单位时间内反应物浓度的变化： W = dC / d （ kMol / m3 s） CO +
3、 H 2O = CO2 + H2 W = dCCO2 / d = dCH2 / d = - dCCO / d = - dCH2O / d ,第八章 燃烧反应速度和反应机理,C + O2 = CO2 化学反应速度： W = KCn 反应级数 n ； 反应速度常数 K 阿伦尼乌斯定律： K= K0 exp（ E / RT） 频率因子（指前因子）K0 ； 活化能 E； 通用气体常数 R。,第八章 燃烧反应速度和反应机理,二、影响化学反应速度的因素 W = K0 exp（ E / RT）Cn 1. 温度 T 温度升高，反应速度加快；到一定温度 （10000 K）后，增加缓慢 2. 活化能 E 反应本身
4、固有性质；E 高，难于反应 3. 反应物浓度 C 浓度高，反应速度加快（与反应级数 n 有关） 4. 反应物分压 分压大即 p浓度高，反应速度也加快 5. 反应级数 n 由化学反应本身决定,第八章 燃烧反应速度和反应机理,2 可燃气体的燃烧反应机理 一、链锁反应机理 H2 + O2 = H2O 氢燃烧反应 反应过程中有中间活性产物（活化中心），是自由态原子或基团。活化中心能与反应物继续反应，生成产物的同时又产生新的活化中心。活化中心具有高能量，反应时所需的活化能要低得多，使得反应加快。严重时，甚至会发生爆炸。链锁反应,第八章 燃烧反应速度和反应机理,连锁反应： 直链反应（不分支）： 链锁反应完
5、成后，活化中心数不增加 支链反应（分支）： 链锁反应完成后，活化中心数增加。 支链反应的反应速率大大加快。,第八章 燃烧反应速度和反应机理,二、氢的燃烧反应机理 H2 + 0.5O2 = H2O 1. 链的产生（形成活化中心） H2 + O2 2OH H2 + M 2H + M （ M 为活化分子，M 为惰性分子） O2 + O2 O3 + O 2. 链的继续与支化（支链反应） H + O2 OH + O E = 75.4 kJ/Mol 控制反应 2OH + 2H2 2H2O + 2H E = 41.9 kJ/Mol O + H2 OH + H E = 25.1 kJ/Mol H + 3H2
6、+ O2 2H2O + 3H 活化中心增加，反应速度加快,第八章 燃烧反应速度和反应机理,3. 器壁断链（活化中心消失） 2H （碰器壁） H2 2OH（碰器壁） H2 O2 2O （碰器壁） O2 4. 空间断链 H + O2 + M HO2 + M O + O2 + M O3 + M O + H2 + M H2O + M,第八章 燃烧反应速度和反应机理,感应期 1 开始阶段，得到的能量用以产生活化中心，并不提高反应速度。 等温过程的 绝热过程的 支链反应速度 支链反应速度 燃烧反应的控制反应： H + O2 OH + O 反应速度： W = 10-11 T1/2 exp（ 7.54 104
7、 / RT） CH CO2,第八章 燃烧反应速度和反应机理,3 碳的燃烧反应机理 碳粒燃烧过程：扩散、吸附、反应、内扩散、气相反应、脱附 一次反应： C的氧化反应 C + O2 = CO2 + 409 kJ/Mol C + 0.5O2 = CO + 123 kJ/Mol 二次反应： CO2还原反应 C + CO2 = 2CO 162 kJ/Mol CO氧化反应 CO + 0.5O2 = CO2 + 286 kJ/Mol,第八章 燃烧反应速度和反应机理,碳燃烧反应的三种观点： 1. 初次生成CO2 ，再还原成CO 2. 初次生成CO ， 再氧化成CO2 3. *初次同时生成CO2 、CO,第八章
8、 燃烧反应速度和反应机理,实验研究结果，多数认同第三种观点，即同时生成CO2 和CO （1）1200-1300 C O2在石墨晶格内溶解：4C + 2O2 = 4C 2（O2）溶 固熔络合物 缓慢分解： 4C 2（O2）溶 + O2 = 2CO2 + 2CO （控制反应） 总反应： 4C + 3O2 = 2CO2 + 2CO （1：1 ） 对于O2是一级反应： W1 = K1 pO2 exp（ E1 / RT） （2）1600 C以上 O2在石墨晶格上吸附： 3C+2O2 = 3C 2（O2）吸 分解反应： 3C 2（O2）吸 = CO2 + 2CO 总反应： 3C + 2O2 = CO2 +
9、 2CO （1：2 ） 对于O2是 0 级反应： W2 = K2 exp（ E2 / RT）,第八章 燃烧反应速度和反应机理,（3） 1300-1600 C （实际情况） 兼有上述两种机理， O2在石墨晶格内溶解生成固熔络合物的同时，在晶格介面上被吸附。 CO2 ：CO 的比例介乎1：1 到1：2 之间。,第八章 燃烧反应速度和反应机理,4 燃烧过程中NOX的生成机理 一、 NOX 的生成机理 烟气中NOX来源于空气以及燃料中N，在高温下生成，造成污染。 NOX NO、 NO2 、 NO3 、 N2O 、 N2O3 、 N2O4 、 N2O5 1. NO 生成机理（直链反应） N2 + O =
10、 NO + N N + O2 = NO + O N2 + O 2 = 2 NO Q,第八章 燃烧反应速度和反应机理,NO生成速度与O2 、N2浓度，温度有关。 当有水蒸气时，N + OH H + NO 2. NO2 生成机理 （ NO 的氧化） O2 + M = 2O + M NO + O + M = NO2 + M NO + HOO = NO2 + OH,第八章 燃烧反应速度和反应机理,二、NOX 生成的影响因素 （1）火焰中及最高温度区（燃烧带或之后）生成 （2）烟气在燃烧室停留时间 （3）火焰中N2 、 O2 的浓度，（控制 n） （4）燃料中N,第八章 燃烧反应速度和反应机理,三、降低
11、烟气中NOX的方法 （1）降低燃烧燃烧温度水平，防止局部高温 （2）控制空气消耗系数 n （3）缩短烟气在高温区停留时间 （4）采用低 N 燃料 （5）低NOX燃烧方法： 二段燃烧法 烟气循环法 沸腾燃烧法,第八章 燃烧反应速度和反应机理,燃 料 与 燃 烧,第三篇 燃烧基本原理 第九章 着火过程,第九章 着火过程,气体燃料两种着火方式： 自燃着火：可燃混合物在整个容器内达到某个温度后，会 自动着火达到燃烧状态。 强制着火：常温下可燃混合物中，用一点热源使之局部点 火燃烧，并向周围传播，最后整个可燃混合物 达到着火燃烧。 着火热力理论： 以热量平衡为基础。化学反应发出的热量超过散失的热量时，就
12、能着火。 着火温度与燃料成分、浓度（压力）、容器壁温等因素有关，着火温度不是一个物性参数。,第九章 着火过程,1 着火过程与着火温度 简化模型：闭口体系，容积V，壁面温度 T0 可燃混合物温度 T，浓度 C，且均匀不变 反应发热： Q1 = q W = q k0 Cn exp（ E / RT）= A exp（ E /RT） （kMol/m3 . s） 系统散热： Q2 = F（T T0）= B（T T0） 不能自燃着火 系统加热 散热冷却 低温区稳定点,第九章 着火过程,改变散热条件 P97 图9-2 Q1 = A exp（ E /RT） Q2 = B（T T0） Q1 发热曲线 Q2 散热曲
13、线，着火临界状态 TB 着火温度,第九章 着火过程,Q1 = A exp（ E /RT） Q2 = B（T T0） 改变壁温条件T0 改变发热Q1 TB 着火温度 着火条件：Q1 | T=TB = Q2 | T=TB Q1 / T | T=TB = Q2 / T | T=TB A exp（ E / RTB）= B（TB T0） A exp（ E / RTB） E /（R TB 2 ） = B 两式相除： R TB 2 /E = TB T0 R TB 2 E TB + E T0 = 0 解： TB T0 = R T0 2 / E,第九章 着火过程,2 点火过程 强制点火热源：小火焰、高温气体、
14、灼热物体、电火花 *点火源T3 ，强制点火 *点火源T2 ，临界状态： T/ n |壁面 = 0 点火温度 T2 *点火源T1 ，不能点着 - 容器内可燃气 容器内惰性气,第九章 着火过程,3 着火浓度界限 1. 浓度确定时，仅在一定的温度、压力条件下，才能着火,第九章 着火过程,2. 在一定的温度（压力）条件下，必须在一定的浓度 范围内才能达到点火或强制着火，（空气中着火如 上 图） 工业上常用点火浓度界限（上限与下限），又称爆炸极限（上限与下限）。 混合可燃气爆炸极限： L = 100% /（y1 / L1 + y2 / L2 + y3 / L3 + ） 在富氧空气中或者燃气预热时，浓度界
15、限将变宽。,第九章 着火过程,4 燃烧室中着火与熄火 假设：开口体系，绝热过程，另维模型（均匀参数），动力燃烧， 均相燃烧。 一、动力燃烧热平衡 . 混合气停留时间 1 ， 完成反应时间 2 1. 反应发热： Q1 = q W = q（C C0）/1 . Q1 = q k0 exp（ E /RT） C . 一级反应： k0 = 1 / 2 . 1 = 1 / 1 + exp（1/）/ 12 2. 转为燃烧产物的热量（比照散热） 1 - 低温稳定点 Q 2 = CP（T T0）V / 1 V 3 - 着火临界点，着火点 2 = A（ 0） 5 - 高温稳定 4 - 熄火临界点，熄火点 . 二、稳
16、定状态和临界条件： 1 = 2 d1 / d = d2 / d,第九章 着火过程,着火及稳定的影响因数 （1）0 = RT0 / E，提高0，即提高预热温度，有利于 着火及稳定； （2）A = CPE /（C0 q R ），降低A ，即提高反应热或 初始浓度，或降低活化能，有利于着火及稳定；,第九章 着火过程,（3） 12 = 1 / 2 ，提高12 即增加停留时间或加快反 应速度，有利于着火及稳定； （4）烟气循环加大，使T0 （ 0 ）增加，同时q下降， 有利于着火及稳定；,第九章 着火过程,（5）考虑火焰辐射传热，辐射传热系数越小，越 有利于着火及稳定。,第九章 着火过程,三、扩散燃烧的
17、稳定条件 扩散燃烧时，燃烧速度仅取决于扩散过程。化学反应速度很快，燃烧反应的发热曲线与温度无关：即1 / = 0。 1 = 1 C / C0 = 1 / 1 + exp （1/ ） / 13 1 = 1 / （1 + 1 / 13 ） 因为： 13 = 1 / 3 ， 1 可燃物停留时间， 3 扩散特征时间 2 = C P / C 0q E（ 0） /R 1 与2只有一个稳定点。 （1）当1确定，q， 2斜率 ， （2）当2确定，混合不充分，燃烧不完全，发热小， 1 ， ,第九章 着火过程,扩散燃烧的稳定条件,燃 料 与 燃 烧,第三篇 燃烧基本原理 第十章 燃烧传播过程,第十章 燃烧传播过程
18、,1 燃烧（火焰）传播及其机理 层流火焰法线传播速度 uL （正常传播速度 ），与气流法线分速度 w 相等时，能稳定燃烧。,第十章 燃烧传播过程,2 层流火焰传播速度 一、建立基本方程 假设（1）一维流动，定常，常物性； （2）燃烧反应只在高温反应区进行； （3）管壁对流传热和辐射传热可以忽略（绝热假定） （4）反应物和生成物的比热CP基本相同。 dx微元的热平衡方程： 两侧面导入热量 + 反应热 = 微元体热焓增量 -dT/dx|x -（-dT/dx|x +dx）+ Wqdx = wCPdT d2T/dx2 - wCPdT/dx + Wq = 0 W反应速率 导热项 焓增项 反应项,第十章
19、燃烧传播过程,二、两区物理模型 预热区：忽略化学反应，W = 0 反应区：温度接近燃烧温度， dT/dx = 0,第十章 燃烧传播过程,三、方程求解 1. 预热区 d2T/dx2 - w CPdT/dx = 0 边界条件 x=x0：T = T0 x=x1：T = TB 设Y= dT/dx x=x0：Y0=0 方程为： dY/dx = wCPdT/dx x0 x1 Y1 = wCP（ TB- T0） dT/dx|x1 = （wCP /）（ TB- T0）,第十章 燃烧传播过程,2. 反应区 d2T/dx2 + Wq = 0 边界条件 x=x1：T = TB, x=x2：T = TK dT/dx
20、= 0 Y2=0 设Y= dT/dx dx = （/Y）dT 方程为： dY/dx + Wq = 0 dY= - Wq dx -YdY=Wq dT x1 x2 Y12/2 = TB Tk Wq dT Y1= dT/dx|X1 = （ 2 TB Tk Wq dT）1/2,第十章 燃烧传播过程,Y1= dT/dx|X1 = （ 2 TB Tk Wq dT）1/2 两区交界面上的导热热流 = 反应放热 Y1= dT/dx|X1 = uL 0 q uL = Y1 /0q = （ 2 TB Tk Wq dT）1/2 / 0 q 采用积分平均值： TB Tk Wq dT）= （Wq）* （TK - T0）
21、 火焰面两侧绝热： 全区内反应热 = 焓增加 q = CP （TK TO） 层流火焰传播速度（数模分析解） uL =（ 1/0CP） 2 （qW ）* /（TK TO）1/2,第十章 燃烧传播过程,层流火焰传播速度 ： uL = （1/0CP） 2 （qW ）* /（TK TO）1/2 四、层流火焰传播速度 uL 的影响因素 1. 可燃气体组分 组分不同，0、CP 、q、W 都不同。 2. 可燃气体浓度（空气消耗系数 n ） 浓度过小， q；浓度过大，氧气浓度， 因而W， uL 3. 氧化剂中O2含量 氧气浓度，因而W， uL ,第十章 燃烧传播过程,4. 预热温度 TO ，同时W、 ， 0
22、因此，uL 。 5. 非绝热体系（有热损失） TO ，同时W、 ， 0 ， 因此，uL dL火焰传播临界直径,第十章 燃烧传播过程,五、混合气体的火焰传播速度 Li 各单一可燃气体的%浓度； uLi 各单一可燃气体的火焰传播速度； pi 各单一可燃气体占燃气可燃质成分的%； 混合燃气的火焰传播速度： uL = （ uLi pi / Li）/ （ pi / Li）,第十章 燃烧传播过程,3 紊流燃烧前沿的传播 紊流流动燃烧时，流体内传热、传质、化学反应都大大加强。火焰面紊乱且较厚，有脉动和噪声。紊流燃烧传播速度 uT uL 。 紊流燃烧传播速度 uT 与混合气体的流动和物性有关。 uT uL的原
23、因： 1. 火焰前沿发生变形、皱折，反应表面显著增加； 2. 传热、传质显然加剧； 3. 紊流使得烟气与可燃气快速混合，而且提高温度。,第十章 燃烧传播过程,3 紊流燃烧前沿的传播 一、皱折表面理论与容积燃烧理论 未燃预混区与火焰的分界处，认为是火焰的前沿。 1. 小尺度紊流火焰 （2300Re 6000） 气体微团的尺度小于层流燃烧前沿面厚度，燃烧区厚度略有增加。 邓克尔模型uT/uL =Re 0.5 ； 谢尔金模型 uT/uL =（1+ e/ a）0.5 2. 大尺度弱紊流火焰（ Re 6000） 气体微团脉动速度u uL，使得火焰前沿面被破碎， 没有明显的分界区域。 在微团内既剧烈混合，又进行反应， 达到着火条件就整体燃烧。各个微团 进行不同程度的容积反应。,第十章 燃烧传播过程,二、紊流火焰传播速度uT的实验研究 1. uT与可燃混合气浓度关系 uT有极大值 2. uT与Re关系 Re， uT 3. uT与初始温度关系 T0， uT ； uT 正比于 T0 1.6； uT /uL 正比于 T0 - 0.24 影响较小 4. uT与管径d关系 （由于散热） d，uT； uT /uL = 0.18 d 0.25 Re 0.24,第十章 燃烧传播过程,三、提高预混气燃烧速度，改善燃烧性能 1. 用uL大的预混可燃气 2. 提高紊流强度（Re） 3. 提高混合气的温度和压力,