燃烧学(西安交大) 第一章 导论、化学热力学与化学反应动力学基础
燃烧学 第一章 绪论-精选文档
二、燃烧理论的发展
• 世纪二十年代到四十年代
– 俄国化学家谢苗诺夫等人由反应动力学和传热传质相 互作用的观点，首次从定量关系上建立了着火及火焰 传播的经典燃烧理论 – 人们已逐渐认识到，限制燃烧过程的往往不是反应动 力学而是传热传质
• 四十年代到五十年代
– 基于扩散燃烧或扩散 — 动力燃烧的观点开始研究了液 滴和炭粒燃烧
锅炉爆炸2
– 1993年，宁波北仑港电 厂配600MW的2019t/h 锅炉燃烧组织不当，炉 膛严重结渣，大渣落下 砸坏水冷壁， （18.2Mpa,360℃）高 压水冲破炉墙，当场烧 死，烫死，窒息死亡19 人，造成严重损失。
配600MW发电机组2019t/h锅炉
四、燃烧学的研究内容
• 燃烧学的研究主要从两方面进行
– 燃烧理论的研究 • 研究燃烧过程所涉及的各种基本现象的机理 • 如燃料的着火、熄火、火焰传播及火焰稳定、预混火焰、扩散
火焰、层流和湍流燃烧、液滴燃烧、碳粒燃烧、煤的热解和燃 烧、燃烧产物的形成等过程的机理
– 燃烧技术的研究 • 应用燃烧基本理论解决工程技术中的各种实际燃烧问题 • 如对现有燃烧方法进行分析和改进，对新的燃烧方法进行探索
燃 烧 学
第1章
绪论
一、什么是燃烧？
• 燃烧的定义
– 物质剧烈氧化而出现的发光发热的现象。 – 表现现象是 火 – 火是人类最早发现和应用的现象之一： • 火使人类摆脱了茹毛饮血和黑暗寒冷； • 火使人类进入文明社会，促进人类进步； – 现代社会发展的支撑工业离不开火 • 冶金，制造业 • 能源动力行业：火力发电；汽车、轮船和航空航天
和实践，提高燃料利用范围和利用效率，实现对燃烧过程的控 制，控制燃烧过程中污染物质的生成和排放等等。
燃烧理论基础第一章..
（一）化学反应过程能量转换的数量关系
3. 燃烧焓 Δhc0 定义：单位质量的燃料（不包括氧化剂）在定温—定容或定温—定压条件下， 燃烧反应时的反应焓之值（kJ/kg）。 • 燃烧焓是反应焓的一种特例（习惯用负值）。 • 与燃料的热值数值相当。 • 燃料热值有高热值与低热值之分，相差一个燃烧产物中的水的气化潜热。 (QP)L= (QP)L-WLW (kJ/kg) • 工程上，对固体、液体燃料的热值习惯上用kJ/kg，对气体燃料的热值 习惯上用kJ/m3 LW－单位质量水蒸气的蒸发潜热2445.1kJ/kg。 W －冷凝水称重后之质量（kg）。
2. 化学平衡与自由焓 因H、T、s为状态常数，故H -Ts也为状态参数。定义为自由焓，也称 Gibbs函数，记做g。 于是为定温—定压反应时，其有用功可表示为： 即有用功等于或小于反应自由焓的减少。 当定温—定压反应过程为可逆过程时，系统将作出最大有用功。
1. 化学平衡与平衡常数 定义kp为以分压定义的反应平衡常数。 由道尔顿分压定律， 可得：
定义kx为以体积百分比定义的平衡常数。 由平衡常数定义可得，平衡常数越大，反应进行得越彻底。实际kc 或kp 为有限值，即系统中组分的[A][B][C][D]存在。
（二）化学反应过程
1. 化学平衡与平衡常数 • 实际过程中为有限反应，且正向反应速度一般比逆向反应速度快得多。 可用反应度λ表示系统达到平衡时反应物能有效变为产物的程度。
中文名称：焓 英文名称：enthalpy
• 定义1：热力学中表示物质系统能量的一个状态函 数，常用符号H表示。数值上等于系统的内能U加 上压强p和体积V的乘积，即H=U+pV。焓的变化 是系统在等压可逆过程中所吸收的热量的度量。 • 定义2：工质的热力状态参数之一，表示工质所含 的全部热能，等于该工质的内能加上其体积与绝 对压力的乘积。 – 焓是一个热力学系统中的能量参数。规定由字 母H（单位：焦耳，J）表示，H来自于英语 Heat Capacity（热容）一词。
燃烧学1-第一章_绪论
“火” 剧烈氧化
如喷气发动机中的燃烧
急速的燃烧
氧化140~150万年前，“摩擦生火第爆炸一（次有限 使空人间类中的支）配急了速燃烧 一种自然缓力慢氧 ，化从而如最呼终吸把和金人属和锈动蚀等物分开”
自燃（从缓慢氧化转变成剧烈氧化）
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3
现代燃烧学的确立
17世纪末，德国斯塔尔（stahl）提出了燃素论
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12
燃料分类
类 别 天然燃料
人工燃料
木柴，泥煤，
固体燃料
烟煤，无烟煤， 石煤，油页岩
木炭，焦炭，泥煤砖，煤矸石，甘蔗渣，可 燃垃圾等
等（可燃冰）
液体燃料
石油
汽油，煤油，柴油，甲醇，乙醇，二甲醚， 水煤浆
气体燃料
天然气，煤层 气，页岩气
高炉煤气，发生炉煤气，焦炉煤气，液化石 油气
燃烧学
西安交通大学能源与动力工程学院
教材：燃烧学 第2版 主编：徐通模 惠世恩 书号：978-7-111-55429-5 出版社：机械工业出版社
西安交通大学能源与动力工程学
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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1
第一章 绪 论
1.1 燃烧概述 1.2 常见的燃烧设备
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2
1.1 燃烧概述
燃 烧 是物 质 因 剧平烈静氧的燃化烧而发即光通、常的 发燃热烧的 现 象－ －
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6
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；
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
西安交大第1章-热力学第一定律及其应用(材料)解析
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2019/8/18
三 第一定律的文字表述
热力学第一定律（The First Law of Thermodynamics） 有两种说法： 1 第一类永动机是不可能制成的
第一类永动机（first kind of perpetual motion machine) 一种既不靠外界提供能量，本身也不减少能量， 却可以不断对外作功的机器称为第一类永动机。
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2019/8/18
1 功与过程，功的计算
设在定温下，一定量理想气体在活塞筒中
克服外压 pe ,经4种不同途径，体积从V1膨胀到 V2所作的功。
1.自由膨胀（free expansion）
δ We,1 pedV 0
因为
pe
0 p
2.等外压膨胀（pe保持不变）
p1V1
We,2 p2 (V2 V1 )
T=f（p,V） p=f（T,V） V=f（p,T）
例如，理想气体的状态方程可表示为：
pV=nRT
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2019/8/18
五 热和功
热（heat）
体系与环境之间因温差而传递的能量称为
热，用符号Q 表示。 Q的取号：
体系吸热，Q>0；
体系放热，Q<0 。
功（work）
量成正比，如体积、质量、熵等。这种性质有加 和性，在数学上是一次齐函数。
强度性质（intensive properties） 它的数值取决于体系自身的特点，与体系的
数量无关，不具有加和性，如温度、压力等。它 在数学上是零次齐函数。指定了物质的量的容量 性质即成为强度性质，如摩尔热容。
高等燃烧学(第1章化学动力学和化学平衡)
高等燃烧学 Advanced Combustion
阿累尼乌斯定律适用场合 简单化学反应（基元反应），或复杂化 学反应中的每一步基元反应 有明确反应级数n和速度常数k的复杂反 应
n
n
25
高等燃烧学 Advanced Combustion
三、活化能E
分子运动学说：根据气体分子运动学说理论， 化学反应的发生是由于反应物分子相互碰撞而引 起的。 并不是每一次碰撞都会引起化学反应，只有那 些动能很大，超过某一数值（即E）而足以破坏 其 原 有 结构者才 会引起化学反应。 这种 分子 称 为活化分子。
高等燃烧学advancedcombustion49不分支链分支链反应链中断高等燃烧学advancedcombustion50氢的链式反应一燃烧化学反应机理分解成氢原子h活化中心的形成以外的其他高能分子高等燃烧学advancedcombustion51氢原子h活化中心与o高等燃烧学advancedcombustion52二讨论质量作用定律和阿雷尼乌斯定律适用于式1决定了整个反应的速度所以氢燃烧化学反应速度为用生成物水分子来表示7541010exp高等燃烧学advancedcombustion53氢原子h是h燃烧反应中的活化中心故研究氢原子h浓度的变化fcgc氢原子浓度变化氢原子初生浓度氢原子繁殖速度氢原子销毁速度繁殖比例常数销毁比例常数高等燃烧学advancedcombustion54解此一阶线性常微分方程如果活化中心h原子销毁比例常数g繁殖比例常数f趋向一个很小的定值反应可以忽略高等燃烧学advancedcombustion55如果活化中心h原子销毁比例常数g繁殖比例常数flimexp随时间线性增加由于斜率很小故增加缓慢
τ rj ↓ τ ≥ τ rj
21
高等燃烧学 Advanced Combustion
第1章_燃烧化学反应动力学基础
35
六 基元反应的化学反应速率:
1 双分子反应:燃烧中发生的大多数基元反应
A B C D
2 H 2O 例 对H2与O2的燃烧,其总包反应: 2 H 2 O2
其双分子反应:
H 2 O2 HO2 H
H O2 OH O OH H 2 H 2O H
' ' a b
注意此式应是基元反应
w kcA cB k ：化学反应速率常数，也称 反映了进行燃烧化学反应难易 的性质（活性，反应能力）， 比反应速率。（反应物浓度均 该值仅与反应物的种类和温度 为单位1时的反应速率） 有关，与压力和浓度无关。
292、用分子碰ຫໍສະໝຸດ 理论论证2 A B C
mA A V
kg / m3
nA cA V
(mol / m3 )
nA p A V RT
p AV nA RT c A
R : 通用气体常数 8.314 J / mol K
24
3．摩尔分数
nA xA nA nB ...
摩尔分数与物质的量浓度之间的关系：
RT xA cA p
六 基元反应的化学反应速率:
3 三分子反应:
A B M C M
例:
瞬时速率
26
2 表达式： 化学反应速度既可以用反应物浓度的减少
来表示，也可以用生成物浓度的增加来表
dc A w d
示。但均取正值。
' ' '' '' A B G 例： a b g hH ' ' '' '' a , b , g , h 为各物质的化学计量系数
燃烧学讲义1
西安交通大学能源与动力工程学院
常用代表性燃气成分及特性资料（3）
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 2 3 4 5 6 7 8 9
42218 44308 25665 16929 2805 18614 21017 72314 70642
10.33 9.32 11.60 12.15 15.79 13.56 13.34 7.03 7.14
13.92 9.62 24.76 18.29 11.68 13.39 26.93 2.78 3.04
8
Sox , Nox
0.2 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。
15.0/5.0 14.2/4.4 35.6/4.5 42.6/6.1 76.4/46.6 19.84/7.37 46.6/5.4 9.7/1.7 9.0/1.9
9.64 11.40 4.21 3.18 0.63 4.66 3.36 28.28 27.37
10.64/8.65 12.53/10.30 4.88/3.76 3.85/3.06 1.50/1.48 5.66/4.61 3.87/3.00 30.67/26.58 29.62/25.12
第1章_燃烧化学反应动力学基础
2019/2/2
链式化学反应
燃烧化学反应中的化学平衡 氮氧化物形成的化学反应机理
第一节
燃烧化学反应动力学概述
一 燃烧定义: 燃料与氧气的剧烈化学反应，并伴随着发 光发热的现象 二 燃烧作用: 燃烧反应将燃料的化学能转化为热能,诸如 锅炉/内燃机/燃气轮机等能量转换设备,均 是以燃烧的形式实现化学能向热能,进而向 机械能转换..
参考资料
• 课程内容主参考书 《燃烧原理》，陈义良等，航空工业出版社 《粉煤燃烧与气化》，J.G.斯穆特，科学出版社 《燃烧物理学基础》，付维彪等，机械工业出版社 辅助参考书 《燃烧理论与化学流体力学》,周力行，科学出版社 《高等燃烧学》，岑可法等，浙江大学出版社 《化工热力学》， 《化学反应工程学》
' ' a b
注意此式应是基元反应
w kcA cB k ：化学反应速率常数，也称 反映了进行燃烧化学反应难易 的性质（活性，反应能力）， 比反应速率。（反应物浓度均 该值仅与反应物的种类和温度 为单位1时的反应速率） 有关，与压力和浓度无关。
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2、用分子碰撞理论论证
2 A B C
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。
Sox , Nox
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。
燃烧学导论
燃烧学导论以下为各章需要掌握的内容，请对照讲义和课本做好复习工作。
第1章 引言z 世界总能源的80％来自于燃烧矿物燃料，绝大部分大气污染物和CO 2也源自于燃烧。
z 燃烧研究的目标：开发替代燃料；研制高性能燃烧器。
第2章 化学反应热力学z 摩尔百分数、质量百分数、及两者间的相互转换z 化学反应当量比，分压法配制预混气体z 化学平衡条件，化学反应平衡常数，Le Chatelier 原理z 绝热燃烧温度的计算第3章 化学反应动力学z 质量作用定律z Arrhenius 定律z 化学反应活化能与反应放热量z 碰撞理论z 准稳态近似(QSSA)，部分平衡(PE)z Lindermann 理论z 链分支反应z H 2-O 2系统：反S 型曲线，I ，II ，III 三个爆炸极限第4章 控制方程z 输运现象：扩散系数定性推导；Lewis 数；分子扩散速度，Fick 定律z 连续方程，动量方程，组分方程，能量方程z 等压假设z 守恒标量方程，耦合函数z 一维问题的简化方程第5章 层流预混火焰z 缓燃波(deflagration) vs. 爆震波(detonation)，一维分析, 瑞利(Rayleigh)关系, 兰金-雨贡纽(Rankine-Hugoniot)关系z火焰厚度: Le D M T ==//αδδ，该式的物理意义为... zMallard and Le Chatelier 理论(热理论)，掌握分析方法 z一维层流预混火焰的定性分析(热质理论) ，掌握分析方法 z一维层流预混火焰详细理论分析：Theory of Zeldovich, Frank-Kamenetskii & Semenov z 层流火焰速度的定义：n U S S L ⋅−=)( z影响层流预混火焰速度的因素 z 最小点火能(MIE, Minimum Ignition Energy)，临界熄火距离第6章 层流扩散火焰z 守恒标量(Coupling Function)方程, 混合物分数z 从0(氧气侧)到1.0(燃料侧)变化 z 扩散火焰中Y F ，Y O ，T 随混合物分数z 的分布z 扩散火焰的绝热燃烧温度z 一维稳态静态扩散火焰, 掌握求解解法：1), 混合物分数法Mixture Fraction Formulation ；2), 耦合函数法Coupling Function Formulation ；3), 反应面法Reaction-Sheet Formulation 。
[西安交大燃烧学课件]燃烧学习题答案
![[西安交大燃烧学课件]燃烧学习题答案](https://img.taocdn.com/s3/m/83356bf5534de518964bcf84b9d528ea80c72f57.png)
祝各位同学考试顺利新年快乐《燃烧学》复习题参考答案集2009 / 1 / 9 第一章化学热力学与化学反应动力学基础1、什么叫燃烧答燃烧标准化学定义燃烧是一种发光发热的剧烈的化学反应燃烧的广义定义燃烧是指任何发光发热的剧烈的化学反应不一定要有氧气参加2、什么是简单反应、复杂反应答简单反应由反应物经一步反应直接生成产物的反应。
也叫基元反应复杂反应反应不是经过简单的一步就完成而是通过生成中间产物的许多反应步骤来完成的反应其中每一步反应也称为基元反应。
3、浓度和化学反应速度正确的表达方法答浓度单位体积内所含某种物质的量 1.分子浓度ni Ni /V Ni为分子数 1 /m3 2.摩尔浓度Ci Mi /V Mi 为摩尔数mol / m3 3.质量浓度ρiGi /V kg / m3 4.相对浓度摩尔相对浓度x i N i /N∑n i /N∑C i /C∑p i /p 质量相对浓度fG i /G∑ρi /ρ 化学反应速度通常用单位时间单位体积内消耗的燃料量或者氧量来表示。
化学反应速度既可以用反应物浓度的减少来表示也可以用生成物浓度的增加来表示。
但均取正值。
W±d C / dτ 4、质量作用定律的适用范围试用质量作用定律讨论物质浓度对反应速度的影响。
答①反应应为简单反应②严格讲质量作用定律仅适用于理想气体。
③对于多相反应仅考虑气相物浓度对于固相或液相物质蒸汽分压不考虑。
按质量作用定律如果反应方程式是aAbB 简单反应则反应速度和反应物浓度AB成如下关系W kAaBb 即当温度不变时某化学反应的反应速度与该瞬间各反应物浓度的乘积成正比例如果该反应按照某化学反应方程式一步完成简单基元反应则每种反应物浓度的方次即等于化学反应方程式中的反应比例常数。
5、什么是反应级数反应级数与反应物初始浓度以及半衰期之间的关系如何答化学反应速度表达式中浓度指数之和nαβ就是反应级数。
反应级数与反应物初始浓度无关。
燃烧学习题参考答案喝水不忘挖井人2 / 25 由于w -dC/dτkCn 可推得零级反应一级反应二级反应6、常用的固体、液体和气体燃料的反应级数值的范围是多少燃料反应级数煤气轻油重油煤粉 2 1.52 1 1 7、试用反应级数的概念讨论化学反应是速度、燃尽时间与压力之间的关系。
西安交大能动学院 热能与动力工程锅炉专业课件 §5—1 燃烧过程的基本知识
着火的反应机理有二： 热力着火 可燃混合物由于自身的氧化反应放热或者由于外 部热源的加热，使得温度不断升高，导致氧化反 应加快，从而聚积更多的热量，最终导致着火。
链式着火
可燃物反应过程中存在链载体，当链产生的速度 超过其销毁的速度，或者反应本身为支链反应， 由于链载体的大量产生，使反应速度迅速增大， 同时又产生更多的链载体，最终使反应物着火.
单位时间内可燃混合物通过容器壁向外界散失的热量为
Q2 aFT T0
式中
（3-74）
a——由混合物向内壁的散热系数； F——容器的内表面积。
由于容器中混合物的温度 T 变化不大，可认 为 a 近似为常数。用 B 表示 aF，则
Q2 BT T0 (3—75)
式(3—75)在图中为一直线 M。 散热 线 M 的斜率取决于散热条件。
产热曲线与散热曲线的切点 i 称为着火点， 相应的温度Ti 称为着火温度或自燃温度。
着火温度表示可燃混合物系统化学反应可以自动加速而达 到自燃着火的最低温度。 着火温度对某一可燃混合物来说，并不是一个化学常数或 物理常数，而是随具体的热力条件的不同而不同的。 若散热条件不变，升高压力将使反应物的浓度增加，化学 反应速度加快，图3—26中产热曲线L将向左上方移动。
dCB b w kf A C B dt
式中
f A ——单位容积两相混合物中固相物质的表面积； CB
一—气相反应物质的浓度。
温度对化学反应速度的影响很大。燃烧过程中化 学应的速度几乎都随温度的升高而迅速增大。 不同分子之间只有互相碰撞才能发生化学反应。 互相碰撞的分子不一定都能发生化学反应。互相 碰撞时，只有少数具有较大能量的活化分子能够 产生化学反应。超过分子平均能量可使分子活化 而发生反应的能量称为活化能。
燃烧学西安交大气体燃料的燃烧
--湍流输运所起的折算热扩散率。 式中： At ? 湍流输运所起的折算热扩散率。
小标尺湍动主要适用于很细的管内流动。
Ⅱ、湍流时的火焰传播
②大标尺弱湍动： 湍动微团尺寸或迁移距离均大于层流锋 面厚度时，而微团湍动脉动速度w’小于层 流火焰传播速度uce，称为大标尺弱湍动。 (w’<<uce) 这时，能保持明显的锋面形状，但将 使平面锋面变成锯齿形锋面，增加了火焰 锋面的面积。
uce uce a 2Tlr RTlr 0 Tlr T0 E a
0
Ⅰ、层流时的火焰传播
火焰锋面厚度：
uce 0 uce (
RTlr a 2 ) 2 uce Tlr T0 E
可燃混合物升温预热区厚度：
Tlr T0 Tlr T0 a dT uce ( )B (Tlr T ) uce dx a 2Tlr RTlr S ( ) Tlr T0 E S
c、可燃混合物P增大，由于wc p ，Q1曲线上移，Tzh变 小，更易着火。
二、强燃
T0——可燃混合物的初温。
二、强燃
临界强燃着火的临界条件：
T Tqr dT （放热 0 散热） dx
分析：
1、热源温度为T1，放热少。（实际温降曲线略高于自 然散射温降曲线） 2、热源温度升为T2，实际温降为0，化学反应放热=环 境散热。
二、自燃 讨论：Q1＝Q2、
A exp(
dQ1 dQ2 dT dT
可推导出：
E ) S (Tlj T0 ) RTlj
AE E exp( ) S 2 KTlj RTlj T0 E 可求得：Tlj (1 1 4 R ) 2R E
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。
燃烧学 第一章 绪论
火焰、层流和湍流燃烧、液滴燃烧、碳粒燃烧、煤的热解和燃 烧、燃烧产物的形成等过程的机理
– 燃烧技术的研究 • 应用燃烧基本理论解决工程技术中的各种实际燃烧问题 • 如对现有燃烧方法进行分析和改进，对新的燃烧方法进行探索
锅炉爆炸2
– 1993年，宁波北仑港电 厂配600MW的2019t/h 锅炉燃烧组织不当，炉 膛严重结渣，大渣落下 砸坏水冷壁， （18.2Mpa,360℃）高 压水冲破炉墙，当场烧 死，烫死，窒息死亡19 人，造成严重损失。
配600MW发电机组2019t/h锅炉
பைடு நூலகம்
四、燃烧学的研究内容
• 燃烧学的研究主要从两方面进行
学习燃烧学的目的
• 任何事物都是一分为二的。
– 利用燃烧过程为人类造福 – 避免燃烧过程给人类带来危害
• 核心问题
– 燃烧过程的可控制性
• 学习燃烧学的双重目的
– 掌握燃烧过程基本概念和基本原理 – 学会应用基本概念和原理分析判断燃烧过程 – 逐步学会控制、利用燃烧过程
有关教学说明
• 课堂授课共54学时，实验课6学时 • 作业：每章讲完后留大作业 • 参考书
和实践，提高燃料利用范围和利用效率，实现对燃烧过程的控 制，控制燃烧过程中污染物质的生成和排放等等。
五、燃烧学的研究方法
• 燃烧科学发展的最重要的形式是理论的发展，而
理论的发展正是科学实践的结果，也就是研究方 法的发展。
• 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
– 人们已逐渐认识到，限制燃烧过程的往往不是反应动 力学而是传热传质
燃烧学(西安交大) 第一章 导论、化学热力学与化学反应动力学基础
式中，wm的单位为 mol/m3.s；各浓度[H][O2][H2O]单位 为mol/m3;T的单位为K。
从式中可以看出，氢燃烧化学反应的速度除了与温度、 氧浓度等存在一般的关系外，还与氢原子的浓度成比例。
氢原子浓度变化：
dCH d
H
fCH
gCH
CH
H exp[ ( f
f g
•
• 甲烷裂解时水蒸汽对析碳影响 • CH4==C+2H2+75kJ • C+H2O===CO+H2-131kJ • +) • CH4+H2O===CO+3H2-207kJ
•转化反应的最小水碳比
温度 H2O/CH4
426 537 565 595 706 816 926 982 0.89 1.35 1.38 1.4 1.11 .99 .97 .95
Tzh S k0Cn
a、散热加强，S 大，着火温度升高； b、反应速度常数k0大，或Cn大，着火温度下降；
c、可燃混合物P增大，由于wc p，Q1曲线上移，Tzh变
小，更易着火。
二、强燃 T0——可燃混合物的初温。
二、强燃
临界强燃着火的临界条件： 分析：
T Tqr dT （0 放热 散热） dx
g) ] 1
H ——氢原子初生速度；
fCH ——再生速度；
gCH ——销毁速度。
一、Ｈ２的燃烧
讨论：
① g f 销毁大于繁殖
lim
CH
H (0 1)
f g
H
g f
② g f
（Ⅰ）
CH
lim f g
H exp[ ( f
燃烧学化学热力学与化学动力学
两式相减，可得：
1 C O2 CO, h f 26.43 2
盖斯定律的另一个用处就是根据已知的各反应物和生成物的燃烧 焓来求出反应焓。例如：
C2 H 4 H 2 C2 H 6
概述
燃烧现象的本质是化学反应
掌握化学动力学基础，是弄清燃烧速 本章将介绍一些最基本的化学动力学知 率及其影响因素以及掌握燃烧污染物形成 识，讨论有关均匀混合气体的单相反应问题 机理的前提
在一个系统内各个组成物质都是同一物态，如 都是气态或液态，则此系统为单相系统，在此系统 内进行的化学反应为单相反应。
零级反应一级反应二级反应三级反应hhggbbaa对于简单反应或基元反应反应级数等于反应的分子数四化学反应级数与反应分子数反应级数与反应分子数是两个完全不同的概念反应分子数概念只能用于一个基元反应反应级数则是实验测定浓度对反应速度的影响的总结果反应分子数的概念是用来解释反应机理的而反应级数则是用以区分各种实验测定的反应速度方程式的类型反应级数可以不是整数如一般碳氢燃料与氧的反应是152级反应四化学反应级数与反应分子数dtdc实际反应
§4-3-1
自由能，标准反应自由能
热力学平衡意味着系统的各个参数保持不变并均匀分布。判别热 力学系统是否能达到平衡状态，可由热力学第二定律来描写。对于不 可逆过程，热力学第二定律有：
ds dq dT
将热力学第一定律 dq de pdv代入上式，整理后可得：
de pdv Tds 0
A B M N
这时只要取比热为摩尔平均比热即可，即：
c pR xAc pA xBc pB xs c ps
燃烧学复习大纲
燃烧学复习大纲《燃烧学》考研复习大纲1.教材徐通模主编,《燃烧学》，机械工业出版社，2021年2.课程学习目标和基本要求2.1学习目的燃烧是动力工程和工程热物理的二级学科之一。
本文主要研究燃烧反应过程中的各种强放热反应，即流动、传热、传质和化学反应的综合现象。
学习的目的是了解燃烧现象的本质、主要影响因素以及燃烧过程的发展变化规律，能够运用理论知识掌握气体燃料、液体燃料和固体燃料燃烧过程的原理和研究方法。
2.2基本要求（1）能够从理论上准确地认识燃烧现象，了解燃烧过程发生、发展的规律。
（2）掌握对燃烧过程进行理论分析的基本方法，以及对物理过程进行数学处理的基本方法。
（3）学会研究燃烧过程的一些基本实验方法，能够初步利用一些经典实验研究燃烧过程的方法。
（4）了解燃烧理论和燃烧研究方法的新发展。
3.复习内容3.1燃烧化学基础（1）化学动力学基础：基本反应，质量作用定律，阿累尼乌斯定律，反应级数，一级反应和二级反应特点（2）化学反应的化学平衡、分类和特征（3）链式反应：支链反应、直链反应3.2燃烧物理基础（1）传质学基础：费克扩散定律，直角坐标系传质学方程（2）流体力学基础：直流自由射流、旋转射流和直流交叉射流的基本概念和应用特性3.3气体燃料的燃烧（1）预混可燃气的着火和自燃理论：绝热条件下和非绝热条件下非稳态着自燃理论（2）预混可燃气体的点燃理论：无穷大平板点燃理论――零值梯度理论（3）层流火焰传播：火焰传播速度的概念和理论（4）湍流火焰传播：湍流火焰传播模型的分类和主要特征（5）扩散火焰：扩散火焰的概念和火焰长度理论（6）射流火焰：自由射流、旋转射流和直流交叉射流火焰的特点（7）火焰的稳定性：工业火焰稳定的基本原理和方法3.4液体燃料的燃烧（1）液体燃料燃烧特性（2）斯蒂芬流（3）单液滴蒸发理论（4）单液滴燃烧理论（5）液雾燃烧的理论基础（6）液体燃料的燃烧组织3.5固体燃料的燃烧理论（1）煤的热解过程分类及其特点（2）碳的燃烧化学反应：碳燃烧的非均相化学反应理论、扩散燃烧区和功率燃烧区和过渡燃烧区理论（3）炭球燃烧速率和燃尽时间：纯炭球化学反应速率和燃尽时间理论（4）煤颗粒燃烧过程：含灰炭球燃烧速率和燃尽时间理论（5）煤粉气流的燃烧过程：煤粉燃烧特点，煤粉燃烧组织理论基础3.6燃烧污染物的生成和控制（1） nox的形成机理与控制（2）sox的形成机理与控制。
西安交大燃烧学223
h
0 f
2
9
8
kJ/m ol
C +O 2 dp 0 C O 2
h
0 f
298
-393.5
kJ/mol
当生成焓为负值时，表示生成 的化合物的生成焓值低于其构 成元素的生成焓值之和，为放 热反应。反之为吸热反应。
CO+
1 2
O2
dp 0
CO2
h -282.8 kJ/mol
由于CO并非构成元素（最稳定单 质），所以该式不是CO2的生成焓。 如果化合物不是由元素的稳定单质 直接反应的生成物，则反应后生成 物与反应物间的焓差值，不是生成 焓，而是反应焓。
研究化学反应的机理----从反应物到生成物的所 经历路径。
初步了解物质的结构与化学反应能力之间的关系
3
浓度的表示方法
1、质量浓度:单位体积的混合物中某一组分A的质量。
A
mA ( A组分的质量) V（混合物的体积）
(kg/m3 )
2、物质的量浓度（摩尔浓度）：
cA
nA ( A组分物质的量) V（混合物的体积）
O
2
CO+2H
2O (l)
H
0 R 298
8 9 0 .3k J
H
0 R 298
607.3kJ
13
燃烧焓为反应焓的特例，指单位量的燃料（不 含氧化剂）作等压燃烧反应时的反应焓。
H
0 C
kJ/m ol燃 料
燃烧焓针对燃料（反应物）而言，生成焓 则是针对化合物（产物）而言。
14
发热量
发热量：亦称“热值”，指的是单位量的燃料在 等压或等容燃烧时所释放的热量，工程上用正值。 单位一般用kJ/kg（固体，液体），kJ/m3 （气体） 高位发热量：亦称“高热值”，简称“高发热 量”。指燃料中的水分在燃烧过程结束后以液态 水形式存在时的燃料发热量。
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二、ＣＯ的燃烧
讨论：含有少量 H2、H2O“潮湿化”
没有
H2、H2O“干燥”
• 干燥ＣＯ燃烧：在700℃以上才能着火；氧o是活化中心
• 潮湿ＣＯ燃烧：
二、ＣＯ的燃烧
• 潮湿ＣＯ：
M H2 2H M
H O2 O OH
O H2 H HO
O HH 2 H 2O H
④ 、催化剂对化学反应速度 的影响
例子：
反应物 CO+H2
酒精（C2H5OH）
催化剂
CuO/ZnO Fe Ni Ru 浓H2SO4 浓H2SO4或Al2O3
Cu ZnO,Cr2O3
催化条件
30Mpa,264℃ 2Mpa,200℃ 常压,250℃ 15Mpa,150℃ 140℃ 170℃
200℃～250℃ 400℃～500℃
• CO+O2===CO2
活化中心 : O
• CO+O2===CO2
活化中心 : H OH O
• RH+O2===RH’+CO+H2O 活化中心:OH
基本步骤： ①链的激发：反应物在光、热、电、附加剂作用下
生成自由基或原子 ②链的传递：活化中心与分子反应，除生成物之外，
还会产生新的活化中心
• 上一步活化中心数=下一步活化中心数称为不分支链反应 • 上一步活化中心数<下一步活化中心数称为分支链反应
生成物
CH3OH 烷烃、烯烃（合成油） 甲烷 固体石蜡 乙醚 乙烯
乙醛 丁二烯
④ 、催化剂对化学反应速度 的影响
2、单相催化和多相催化 • 催化剂与反应物同相，称为单相催化物 • 催化剂与反应物异相，称为异相催化物
④ 、催化剂对化学反应速度 的影响
单相催化：
S O2 SO2
SO2
1 2
O2Leabharlann SO3C H mn 2(mn)2
脱氢 CmnH2(mn)(烯 )H2
率。
④ 、催化剂对化学反应速度 的影响
催化剂特性： • ①用量很少，自身活性很强，促使反应物活化。 • ②反应前后质量、组成均不变
化学反应的前后始态、终态不变 • ③催化剂有很强的选择性
Ⅰ、不同类型的反应，有不同的催化剂 Ⅱ、同一个反应物反应，不同的催化剂有不同的反应 方向 ④催化剂中毒：有少量杂质：Ⅰ、助催化；Ⅱ、中毒， 活性下降，甚至失去选择性。
高一级的烷 同一级的醛 低一级的烷 …… 甲醛
甲醛----燃烧 分解
HCHOO2 燃 烧 CO2H2O HCHO 分 解 COH2
• 闪点： • 甲醛200-300℃左右，发出浅蓝色光---冷焰 • 第一次出现冷焰的温度：闪点 • 冷焰一般不爆炸，超闪点后禁止遇明火。
三、烃的燃烧反应
２、缺氧
③链的终止 • 上一步活化中心数>下一步活化中心数 • 反应中产生的能量不足以激活新的活化中心能量损
失，销毁（若被气体吸收带走，气体销毁）
一、Ｈ２的燃烧
步骤和机理： • 激发： MH2 2HM（ M 代表气体中除氢以外的分子或能量） • 传递：
H O2 OOH OH2 H HO 2(OH H2) 2(H2OH)
f C H ——再生速度；
g C H ——销毁速度。
一、Ｈ２的燃烧
讨论：
① g f 销毁大于繁殖
li m CHfHg(01)gHf
② g f
（Ⅰ）
C Hlfi m gf H gex p [(fg)] 1 H （Ⅱ） ③ f g
e x p [ (f g )]1 指 数 函 数 （Ⅲ）
• 孕育速度与孕育时间 • （1-13） • （1-15）
１、有Ｏ２下的反应： 2、 缺Ｏ２下的反应：
Cn H 2n1
三、烃的燃烧反应
１、有Ｏ２下的反应：
RH OH R H2O R O2 RO2 RO2 RHCO(醛) OH RHCO R RCO RH(低一级烷) RCO R CO
合成：
R H O 2 R H ( 低 一 级 烷 ) C O H 2 O 高一级的烷 同一级的醛 低一级的烷 …… 甲醛
COOHCO2H2 COOMCO2M
哪怕加入1%H2 或2%H2O, 600-640 就能着火（下降）
• 讨论：
C CO C O2 C H 2O
Cn H 2n1
三、烃的燃烧反应 （烷燃烧为例）
CnH2n2RH（ R 为 Cn H 2n1 ，此外，烷基又可看成 R C H 2 ）
OH基为活化中心
式中，wm的单位为 mol/m3.s；各浓度[H][O2][H2O]单位 为mol/m3;T的单位为K。
从式中可以看出，氢燃烧化学反应的速度除了与温度、 氧浓度等存在一般的关系外，还与氢原子的浓度成比例。
氢原子浓度变化：
dCH d
H
fCH
gCH
CH
H exp[( f
f g
g)]1
H ——氢原子初生速度；
活化能 75.4kJ/mol 活化能 25.1 活化能 41.9
H 3 H 2 O 2 2 H 2 O 3 H
2H2+O2===2H2O
式（1-5）的化学反应是决定性环节，所以氢燃烧 的化学反应速度如果以生成的水分子来表示的话，可以 写成：
w m d [ H d 2 O ] 2 k [ H ] [ O 2 ] 6 1 0 6T e x p ( 7 5 . 4 k R J T /m o l ) [ H ] [ O 2 ]
燃烧学（西安交大） 第一章 导论、化学热力学与化学反应动 力学基础
④ 、催化剂对化学反应速度 的影响
1、催化剂及其特性 催化剂：
• 极大的改变 的物质；
• 在反应前后质量组成都不变； • 催化剂促进 ——正催化剂
催化剂减慢 ——负催化剂（抗衰剂、缓蚀剂、阻燃剂） • 催化剂降低了活化能（E），初态、终态不变化。 • 热力学中确定可以进行的反应，催化剂可以提高化学反应速
催化过程：
NO
1 2
O2
NO2
NO2 SO2 SO3 NO
①催化剂与反应物同相同； ②反应较慢，NO催化 。
④ 、催化剂对化学反应速度 的影响
多相催化： ①吸附； ②反应（活化中心或活化点）；
催化剂颗粒越细，表面积大，表面凹凸不平，反应得 到促进； ③脱离，解吸 。
1.3 链式反应
• 反应不是一步能完成的 • 上一步反应的生成物就是下一步反应的反应物 • 活化中心（分子）、自由基（原子） • 2H2+O2===2H2O 活化中心: H