5燃料与燃烧第八~十一章

第九章 着火过程与着火温度
一、基本概念：
1、着火过程：从无化学反应向稳定的强烈的 放热反应状态的过渡过程，即为着火过程。
基本概念：
2、着火及着火温度：即燃料与氧化剂的 燃烧反应可以自动加速的这一时刻即为 着火，此时燃料与氧化剂的混合可燃物 所达到的温度为着火温度。 瞬间过程 爆炸：当燃烧反应速度达到不可控制的 地步时就叫爆炸。爆炸与着火没有严格 的界限。
得：
RTB2/E =TBTo
TB =
E E 2 TO E 2R 4R R
（取“-” 号，“ +”是一个达不到的值）
展开 , 忽略高阶项次 TB E/2R-E/2R(1-2RTo/E-2R2To2/E2)
= To+RTo2/E 或 TB-To= RTo2/E
该式表示在可以自燃着火的条件下气体的着火 温度与器壁温度之间的关系。
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
H2 + O2 2OH H2 + M 2H + M （ M 为活化分子，M 为惰性分子） O2 + O 2 O3 + O
2. 链的继续与支化（支链反应）
H + O2 OH + O 2OH + 2H2 2H2O + 2H O + H2 OH + H H + 3H2 + O2 2H2O + 3H E = 75.4 kJ/Mol 控制反应 E = 41.9 kJ/Mol E = 25.1 kJ/Mol 活化中心增加，反应速度加快
第三节 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
第二节 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
第一节 着火过程第一部分 （热自燃着火理论）
热自燃着火理论： 既然着火的反应是放热反应，那么化 学反应速度达到急剧程度的主要原因是 热量，即化学反应中的放热，除了各种 损耗以外，仍有多余的热量加热自身， 因而反应速度自我加速达到很高的程度 而着火，研究的着眼点在于反应过程中 热量的变化，故叫热着火理论。
基本概念：
3 、使可燃混合物着火并开始燃烧，有两种 方式： 自燃着火（着火）：使混合物整个容积 同时达到某一温度，混合物自动地、不再 需要外界作用而着火达到燃烧状态，这种 过程称为着火。
基本概念：
被迫着火（点火）：用外界的能源如电 热、电火花、炽热物体或小火苗等加入 到可燃混合气中，使局部温度提高，发 生着火燃烧，再自动地把火焰传播到其 余混气去的过程称为点火。 着火的条件分析：燃料、助燃氧化剂和 温度。着火必须着重研究温度条件和能 量平衡。
着火化学模型（反应为简单反应）
To=C（常数）
T、C
V
T=T() C=C()
S
我们研究一个容器，其 容积为V，表面积为S， 其中充满可燃混合气， 起始温度为T0，热效应 为q。假设：
着火化学模型（反应为简单反应）
1）反应中压力不变 2）忽略辐射散热，粘性耗能和体积力 3）混合气在容器中是静止的
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）
图2-3放热与散热关系图
Q1与Q2会在高温区有1个交点 点2为高温不稳定点 当过程稍向右移动，系统就会自然；稍向 左移动，系统便会被冷却而降到低温稳定 点1。
散热曲线不变，发热曲线改变。如书上 P98，图9-4
总结
发生自燃的基本条件是 Q1﹥Q2，T ﹥TB 临界条件是Q1与Q2有一个切点B 切点B对应的温度，便称为“着火温度”或 “着火点”
根据能量守恒定律，方程可简化为：
T T ρc p λ r r
常物性条件下：
热力学能增量
T T ρcp λ 2 (*) r 反应速度是温度的指数函数，此方程求解 困难。 1、简化理论 T 0 认为自燃的瞬间即达到稳定状态，故 （*）式简化为： 2 T λ 2 r
100 l ,% P1 P2 l1 l2
Pi—各气体的体积百分数 li—各气体的浓度界限
4、容器尺寸
T
V o 1 、（S ）—TB图
着火区
V 2o、（ S ）—TB关系：
V （ ） TB S

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
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
第一节 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 + H 2O = CO2 + H2 W = dCCO2 / d = dCH2 / d = - dCCO / d = - dCH2O / d
点1称为低温稳定点。 点1之前，Q1﹥Q2，说明发出的热量大于 系统向外散失的热量，这时系统被加热。 达到1点后稳定 超过1点， Q2 ﹥Q1，系统将会受到冷却重 新回到1点 自燃着火不可能发生
Q2’
Q2’’’
图2-4处于临界状态的放热与散热关系
• Q2’’’是散热很弱的情况，这时Q1总是大于 Q2，这时反应是自动加速，直道发生自燃。 • Q2’是散热很强的情况，不会发生自燃 Q2’’与Q1有一个切点，切点之前系统不断被 加热，达到切点时，Q1=Q2，但是该点不 稳定，稍过B点，就会发生自燃
第八章 燃烧反应速度和反应机理
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） 质量传递（扩散） 热量传递 化学反应
= 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。
PTB，降低压力的实质是降低了反应速度，必须
提高起始温度，反应才能自行加速到着火，低压增加了 着火的难度。 对应一定的自燃温度，有一个最低 的压力使自燃能够实现，这个压力
P To
着火区
低限为自燃的临界压力。
不着火 To
2、当To=C时，P与X的关系 1o、当P〈 Pmin时，不能着火 2o、当P 〉Pmin时，有一个着火浓度范围 3o、当P 时，[X下，X上]
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
5、着火温度：（切点B）
Q1 T = TB Q2 T TB Q1 Q2 T TB T T
T TB
E RTB = S (TB T O ) A e E A e R TB E = S 2 R TB
n


E RT
Q1
式中q、V、k0均为定值。在开始燃烧之前，即在 着火过程之中，假设反应物质的浓度不变，即C 相当于初始浓度： E （曲线） Q A exp