燃烧理论基础
燃烧理论基础-燃烧热力学
u=u(T,v)
h=h(T,P)
微分方程
du=
( u T
)v dT
(u v
)T
dv
dh=
h
h
( T
)P dT
( P
)T
dP
9
定容比热Constant-volume specific heats
du
( u T
)v
dT
热力学定义：du/dT=cv
(
u v
)T
d
v
cv
(
u T
)v
dh
(
h T
)P
dT
(
h P
燃烧学导论：概念与应用
主要围绕燃烧物理及相关的概 念，燃烧化学内容偏少。
CK Law，Combustion Physics Irvin Glassman，Combustion James House, Principle of Chemical Kinetics
第2讲 燃烧热力学
问题1：燃烧第一直接目的是获得什么？ 锅炉、发动机、煤气灶、热气球。。。
(A
/
F
) stoic
4.76(2.24) 28.85 1 8 .2 8 6
1 6 .8 2 ,
则从上述方程有
(A /F ) ( A / F ) sto ic 1 6 .8 2 5 8 .8
0 .2 8 6
46
由于 (A/F) 是空气流率与燃料流率之比，
m ma ir 1 5 .9 k g / s 0 .2 7 0 k g / s
温度升高有更多的转动和 振动模式变得活跃：温度 越高，分子平动速度越快， 分子碰撞频率越高，有更 多的动能转变为分子转动 能和振动能。
燃料与燃烧原理
dC dC A dCG dC H B W WA — WH W — G B dt dt dt dt
第一章 燃烧理论基础
质量作用定律的意义 质量作用定律说明了参加反应物质的浓度对化学反应速度的影响。其意义是：对于均相反应，在一 定温度下，化学反应速度与 参加反应的各反应物的浓度乘积成正比，而各反应物浓度的方次等于 化学反应式中相应的反应系数。因此，反应速度又可以表示为：
第一章 燃烧理论基础
二．
阿累尼乌斯定律 在实际燃烧过程中,由于燃料与氧化物 (空气)是按一定比例连续供给的,当混 合十分均匀时,可以认为燃烧反应是在反应物质浓度不变的条件下进行的.这 时,化学反应速度与燃料性质及温度的关系为: k＝k0ｅ(－E/RT) 式中, k0 --相当于单位浓度中，反应物质分子间的碰撞频率及有效碰撞次数的 系 数 E—反应活化能； R—通用气体常数； T—反应温度： k—反应速度常数（浓度不变）。 阿累尼乌斯定律说明了燃料本身的“活性”与反应温度对化学反应速度的 影响的关系。 什么是燃料的“活性”呢？可以简单地理解为燃料着火与燃尽的难易程度。 例如，气体燃料比固体燃料容易着火，也容易燃尽。而不同的固体燃料， “活性”也不同，烟煤比无烟煤容易着火，也容易燃尽。因此，燃料的 “活性”也表现为燃料燃烧时的反应能力。燃料的“活性”程度可用“活 化能”来表示。
WA —
式中
dC A a b k AC A C B dt
WB —
dC B a b k BC A CB dt
ＣA, ＣB---反应物A,B的浓度 a , b---化学反应式中，反应物A,B的反应系数； kA, kB---反应速度常数。 多相燃烧的化学反应速度 对于多相反应，如煤粉燃烧，燃烧反应是在固体表面上进行的，固体燃料的浓度不变，即CA=1。 反应速度只取决于燃料表面附近氧化剂的浓度。用下式表示：
燃烧理论基础-化学动力学
pN AV
2 AB
[
8kBT
]1/ 2
exp[ EA
/
RuT ]
4.17
• 不幸的是,碰撞理论没有给出确定活化能和空间因子的方 法.
• 更先进的理论， 具有破碎和形成键的分子结构的假设， 活样化的络讨合论物不理在论本，讲的就范可围以，从有基兴本趣原可理参来考计算Rekfbsim.[o2le]ca。nd这[3]. （第141页)
12
1. 总包反应与基元反应
反应机制可以只包括几步 (基元反应）或可以达到几百个。 如何选择最少的基元小步骤来描述一个特定的反应是一个活跃的研究领域
（寻找主要反应途径）。
13
1. 总包反应与基元反应
包含194种反应物和1459个 基元反应的 H2/CO/C1-C12 动力学模型。
JetSurF网站首页 （/JetSurF/）
反应的速度与以下的参数有关:
– 反应物浓度 – 温度 – 催化剂的存在与浓度 – 固体、液体或催化剂的表面积
反应速度随浓度变化一般用实验速度规律来表示。
为什么不用理论推导？
20
2.反应速率和反应级数
aA总包+ 反bB应 C 速度 = -[A]/t = k[A]m[B]n
• [A] & [B] = 反应物浓度 (M) • m, n =指数 [与化学反应中的系数(a和b）无关，一般是实验测量值]
A2(g) + B2(g)
2AB(g)
反应将会如何发生?
39
3. 基元反应速度
40
3. 基元反应速度 一个有效的碰撞
活化复合体-假设
分离
41
3. 基元反应速度
• 例 直如观,感在觉O，H希和望HH反要应撞形在成羟H基2O的的O反一应侧中要， 比在H一侧更容易反应,因为产物是形成 H-O-H这样的键。一般地，空间因子要远 小于1；但也有例外。
燃烧理论
aA bB gG hH
(燃料)(氧化剂) (燃烧产物) 化学反应速度可用正向反应速度表示，也可用逆 向反应速度来表示。即
dC A WA = — dt
dCG WG = dt
dC B WB = — dt
dC H WH = dt
CA 、CB 、CG、、CH为摩尔组分浓度，kg/m3 或mol/m3。
过程所占的时间很长，约为90％，燃尽时间为1～2.8
秒。从燃烧放热量来看，焦碳占煤粉总放热量的 60～ 95％。 三、煤粉燃烧的主要特征 煤粉着火燃烧过程的细节十分复杂，只能说明几个 阶段的主要特征。
煤粉颗粒必须首先吸热升温，热源来自炉内1300～ 1600℃的高温烟气，燃煤得到干燥，随着水分的蒸发， 燃煤温度不断升高。挥发分析出后，剩余的固态物形成 焦碳。 可燃挥发分气体的着火温度比较低，450～550℃以 上就可着火、燃烧，同时释放热量，加热焦碳。焦碳温 度升高到着火温度时，即着火燃烧，并放出大量热量。 当焦碳大半烧掉之后，内部灰分将对燃尽过程产生 影响。其原因是：外层的灰分裹在内层焦碳上，形
3．正常燃烧向爆炸性燃烧的转变 当火焰正常燃烧时，有时会发生响声。此时，如 果绝热压缩很弱，不会引起爆炸性燃烧。但当未燃混 合物数量增多时，绝热压缩将逐渐增强，缓慢的火焰 传播过程就可能自动加速，转变为爆炸性燃烧。 四、煤粉气流火焰传播速度的影响因素 一般情况下，挥发分大的煤，火焰传播速度快；灰 分大的煤火焰传播速度小；水分增大时，火焰传播速度 降低。
k ko e
E RT
k0：频率因子； E：活化能； R：通用气体常数； T：热力学温度； 活化能E、频率因子k0都与温度无关；
什么是燃料的“活性”呢？
燃料的“活性”表示燃料着火与燃尽的难易程度。 例如，气体燃料比固体燃料容易着火，也容易燃尽。 而不同的固体燃料，“活性”也不同，燃料的“活 性”也表现为燃料燃烧时的反应能力。各种燃料所 具有的“活性”程度可用“活化能”的概念来描述。
燃烧过程的理论基础
烟煤Vdaf=40%
650
烟煤Vdaf=30%
750
烟煤Vdaf=20%
840
贫煤Vdaf=14%
900
无烟煤Vdaf=4%
1000
挥发分越高的煤，着火温度越低，即越容易着火； 挥发分越低的煤，着火温度越高，越不容易着火。
着火热
一次风：现代大中容量锅炉广泛燃用煤粉，为了使煤粉气流被更快加热到煤粉颗粒的着火温度，总是不把煤粉燃烧所需的全部空气都与煤粉混合来输送煤粉，而只是用其中一部分来输送煤粉，这部分空气称为一次风。
只有粗煤粉在炉膛高温区才可能处于扩散。
其他区域为动力或过渡区，故提高炉膛温度可强化煤粉燃烧。
一次反应：式3-26；一次产物
燃烧机理：在碳粒的吸附表面进行的多相燃烧反应。
二次反应：式3-27；二次产物
碳粒的燃烧
02
不同温度下的碳粒燃烧过程：
图3-6 低于1200℃； 高于1200℃；
气流速度影响：
影响煤粉气流着火的因素
煤粉空气混合物经燃烧器喷入炉膛后，通过湍流扩散和回流，卷吸周围的高温烟气，同时又受到炉膛四壁及高温火焰的辐射，被迅速加热，热量达到一定温度后就开始着火。
1．燃料的性质 挥发分：含量低，煤粉气流的着火温度高，着火热增大，着火所需时间长，着火点离燃烧器喷口的距离也增大。 水分：水分大，着火热也随之增大，炉内温度水平降低，从而使煤粉气流卷吸的烟气温度以及火焰对煤粉汽流的辐射热也相应降低，对着火不利。 灰分：灰分在燃烧过程中不能放热还要吸热，灰分在着火和燃烧过程中使得炉内烟气温度降低，同样使煤粉气流的着火推迟，并进一步影响了着火的稳定性。 煤粉细度： 煤粉愈细，着火愈容易。（这是因为在同样的煤粉浓度下，煤粉愈细，进行燃烧反应的表面积就会越大，而煤粉本身的热阻却减小，在加热时，细煤粉的温升速度就比粗煤粉要快，这样就可以加快化学反应速度，更快地着火。）
燃烧过程的基本理论
煤粉着火的主要加热源
• 要使煤粉着火。必须要有热源将煤粉加热到足够 高的温度。这个热源主要包括：煤粉气流卷吸回 流的高温烟气；火焰、炉墙等对煤粉的辐射；燃 料进行化学反应释放的热量 • 建模，研究结果表明：煤粉气流中，只有表面一 层煤粉可以接受辐射加热，考虑到这一影响，说 明煤粉气流的着火主要靠高温烟气回流 • 为了使煤粉气流更快加热到煤粉颗粒着火温度， 不能把燃烧所需要的空气全部用来输送煤粉，而 是用一部分输送煤粉，这部分为一次风，其余的 为二次风和三次风
活化能 E 破坏原有化学键并建立新化学键所必须消耗的能量，具有活化能 的分子为活化分子。活化能 E与反应物种类有关，挥发分含量小的煤，E大 在一定的温度下，活化能 E越大，则反应速度常数 k值越小，反应速率越小； 而在一定的活化能 E下，温度越高，则反应速度常数k值越大，反应速率越 大 不同反应活化能不同，而且正反应和逆反应的活化能也不同。（见书119页）
§6-2煤、焦炭和煤粉的燃烧
一、煤粉燃烧燃烧的四个阶段 预热、干燥(吸热) 挥发分析出(热解),并着火 燃烧(挥发分、焦炭)(保证O2、足够温度 ) 燃尽（残余焦炭→灰渣）影响q4 着火是前提、燃尽是目的 如何强化着火→第四节 如何强化燃烧、燃尽→第五节 煤粉的燃烧，四个阶段往往交错进行，挥发分析出几乎延续 到煤粉燃烧的最后阶段，甚至是更小的粒子先着火
M M ar M mf 2510 cq T0 100 (6 45) Br ar 2510 cq Tzh 100 100 M 100 mf
第一项为加热煤粉和一次风所需热量 第二项为煤粉中水分蒸发、过热所需热量 请问第二项中两个水分的意思？为什么要减？ 着火热大，着火所需时间长，着火点离开燃烧器喷口的距离大，着火困难
燃烧理论基础简介
燃烧理论基础简介一、碳粒燃烧的动力区、扩散区、过渡区1．动力区：温度低于900～1000℃时，化学反应速度小于氧气向碳粒表面的扩散速度，氧气的供应十分充足，提高扩散速度对燃烧速度影响不大，燃烧速度取决于温度。
2．扩散区：温度高于1200℃时，化学反应速度大于氧气向碳粒表面的扩散速度，以至于扩散到碳粒表面的氧气立刻被消耗掉，碳粒表面处的氧浓度接近于0，提高温度对燃烧速度影响不大，燃烧速度取决于氧气向碳粒表面的扩散速度。
3．过渡区：介于动力区和扩散区之间，提高温度和提高扩散速度都可以提高燃烧速度。
若扩散速度不变，只提高温度，燃烧过程向扩散区转化；若温度不变，只提高扩散速度，燃烧过程向动力区转化。
二、直流煤粉燃烧器1、煤粉燃烧器的作用煤粉燃烧器是燃煤锅炉燃烧设备的主要部件。
其作用是：(1) 向炉内输送燃料和空气；(2) 组织燃料和空气及时、充分的混合；(3) 保证燃料进入炉膛后尽快、稳定的着火，迅速、完全的燃尽。
在煤粉燃烧时，为了减少着火所需的热量，迅速加热煤粉，使煤粉尽快达到着火温度，以实现尽快着火。
故将煤粉燃烧所需的空气量分为一次风和二次风。
一次风的作用是将煤粉送进炉膛，并供给煤粉初始着火阶段中挥发分燃烧所需的氧量。
二次风在煤粉气流着火后混入，供给煤中焦炭和残留挥发分燃尽所需的氧量，以保证煤粉完全燃烧。
直流燃烧器通常由一列矩形喷口组成。
煤粉气流和热空气从喷口射出后，形成直流射流。
（二）、直流煤粉燃烧器的类型直流煤粉燃烧器的一、二次风喷口的布置方式大致上有两种类型。
一类适用于燃烧容易着火的煤，如烟煤、挥发分较高的贫煤以及褐煤。
这类燃烧器的一、二次风喷口通常交替间隔排列，相邻两个喷口的中心间距较小。
我们称为均等配风方式，这种方式适合烟煤的燃烧。
因一次风携带的煤粉比较容易着火，故希望在一次风中煤粉着火后及时、迅速地和相邻二次风喷口射出的热空气混合。
这样，在火焰根部不会因为缺乏空气而燃烧不完全，或导致燃烧速度降低。
燃烧理论基础-燃烧热力学
• 3.76=79（N2）/21( O2)
37
反应物和产物混合物
重要概念：
• 化学当量空燃比（理论空燃比）：化学当 量燃烧时空气与燃料的质量比。
温度升高有更多的转动和 振动模式变得活跃：温度 越高，分子平动速度越快， 分子碰撞频率越高，有更 多的动能转变为分子转动 能和振动能。
比热的温度特性
15
比热（热容）
比热随温度变化使状态参数计算更复杂
T
u(T ) uref cv (T )dT
Tref T
h(T ) href cp (T )dT
问题2
• 如果你将1kg的甲烷与20kg的空气混合燃 烧，最终的产物是怎样的？
• 如果将空气量减少到10kg，产物会不一 样吗？
产物的分子结构由化学过程决定；产物中各 种组分的比例由热力学过程决定。
3
问题3
• 如果你将1kg的甲烷与20kg的空气混合燃 烧，最终的温度如何？
• 如果将空气量减少到10kg,最终的温度如 何？
40
过量空气百分比
% excess (1- ) 100%
41
例 2.1
一个小型的低污染排放的固定燃气轮机， 在满负荷下运行(3950kW)，此时的当量 比为0.286（贫燃），空气流量为 15.9kg/s。 当量的燃料（天然气）成分是 C1.16H4.32. 请求出燃料的流率及这台燃气 轮机的运行空燃比。
温度是重要燃烧参数，通过温度知道后续热力 过程、传热过程的品质。
4
主要内容
• 状态参数 • 热力学第一定律 • 反应物与产物的组成 • 绝对（标准）焓与形成焓 • 燃烧焓与热值 • 绝热燃烧温度 • 化学平衡 • 燃烧的平衡产物
燃烧与爆炸理论复习提纲及知识点
燃烧与爆炸理论复习提纲及知识点一、燃烧理论基础1.燃烧概念及特征：燃烧是指可燃物质与氧气（或含氧体）在一定条件下放出热、光以及大量的有害气体等物质，产生火焰、产生明亮或红外线的光亮、产生热、产生烟雾和气体等。
2.燃烧产物及其特点：燃烧产物主要有热、光、火焰、烟雾和气体等，其中烟雾和气体是有害的，会对人体以及环境造成危害。
3.燃烧过程及要素：燃烧过程由以下三个要素组成：燃料、助燃剂和氧气。
燃料是产生热的物质，助燃剂是加速燃烧的物质，氧气是燃烧的供给气体。
4.燃烧反应方程式：燃烧反应方程式描述了燃料和氧气在一定条件下发生燃烧的化学反应过程，可以通过方程式来推算燃烧的产物以及释放的能量。
5.燃烧的传热方式：燃烧的传热方式包括辐射、传导和对流。
辐射是指燃烧产生的热通过空气中的电磁波辐射传递；传导是指热通过物体固体材料内部的分子传递；对流是指热通过流体内部的对流传递。
二、燃烧过程和制止燃烧方法1.燃烧过程：燃烧过程包括燃烧启动、燃烧加速和燃烧自维持三个阶段。
燃烧启动是指燃料和氧气开始发生化学反应；燃烧加速是指燃料和氧气的化学反应速率逐渐加快；燃烧自维持是指燃料和氧气的化学反应维持在一定的速率，不再需要外界能量提供。
2.燃烧过程中的火焰结构：火焰由三个区域组成：燃料区、氧化区和冷却区。
燃料区是燃料、助燃剂和部分未反应的氧气混合的区域，发生燃烧反应；氧化区是氧气与燃料在火焰中反应的区域；冷却区是接近火焰外围的空气。
3.制止燃烧的方法：制止燃烧的方法主要有断燃剂、隔离、升温、窒息和抑制等。
断燃剂是指切断燃料与氧气接触的方法；隔离是指将燃料与氧气分开的方法；升温是指提高燃烧温度，使燃料燃烧困难；窒息是指排除氧气的方法；抑制是指使用抑制剂抑制火焰的方法。
三、爆炸理论基础1.爆炸概念及特征：爆炸是指可燃物质在一定条件下短时间内快速氧化或分解，产生大量高温、高压气体释放的现象。
爆炸特征包括爆炸压力、爆炸温度和爆炸速度等。
燃气燃烧理论基础-燃气燃烧理论基础(1)
燃气燃烧理论基础-燃气燃烧理论基础(1)燃气燃烧理论基础——燃气燃烧的基本原理一、燃气燃烧的基本定义燃气是指天然气、液化石油气、煤气等可燃气体，燃烧是指物质与氧气发生化学反应时放出热和光的过程。
因此，燃气燃烧指燃气与氧气发生化学反应时发生放热和光的过程。
二、燃气燃烧的基本条件1. 氧气供应充足。
燃烧所需的氧气是燃气与空气中氧气的混合物，空气中氧气含量为21%，如燃烧过程中氧气不足，则燃料无法充分燃烧，会产生一些危险性物质，如一氧化碳等。
2. 燃气和氧气的比例正确。
燃气和氧气的比例称为混合比，不同混合比会对燃烧效果产生影响。
当混合比过高或过低时，燃烧效果不理想，会产生大量有毒有害的气体。
3. 点火器可靠。
燃气燃烧需要点火器将燃气点燃，如果点火器不可靠，则无法点燃燃料，无法进行燃烧过程。
4. 燃气温度适宜。
燃气燃烧需要一定的温度才能够发生，如果燃气温度过低，则无法燃烧；如果燃气温度过高，则会发生过热现象，影响燃烧效果。
三、燃气燃烧的基本过程1. 燃料挥发阶段。
在燃烧开始前，燃料需要先从液态或固态转化为气态，这个过程就称为燃料挥发阶段。
2. 气态燃料和气态氧气混合阶段。
燃料挥发后，气态燃料将与气态氧气充分混合形成燃气混合物。
3. 点火阶段。
点火器将燃气混合物点燃，引起燃烧过程。
4. 燃烧阶段。
燃烧过程分为初燃和稳燃两个阶段，初燃是指点火后燃气混合物在最初阶段的燃烧，稳燃是指燃烧达到稳定状态的阶段。
5. 燃烧完毕阶段。
当燃料和氧气供应中断或燃料燃烧完毕后，燃烧过程将结束。
总之，燃气燃烧是一个复杂的过程，需要充分考虑各种因素，保证燃气燃烧的效果和安全性。
自燃理论燃烧学基础
q
Q1
Q2
a点：
b
b点：
c点：
a
c
T0
T
可编辑课件PPT
相交： 相切： 相离：
20
放热速率： Q1QVZφnAeE/RT 散热速率：Q2Ah(TT0)
决定曲线位置关系的因素 ：T0，P一定； h变！
q
Q1
Q 2 自燃重要的准则：
b
斜率h02是个临界值， 超过这个对流换热系
数，反应就会不断加
a
c
速直至着火，该斜率 称为临界对流换热系
决定曲线位置关系的因素 ：T0，h一定； P变！
q
Q1
a点：
Q2
b
b点： c点：
c
相交：
a
相切：
相离：
T0
T
可编辑课件PPT
24
放热速率： Q1QVZφnAeE/RT 散热速率：Q2Ah(TT0)
决定曲线位置关系的因素 ：T0，h一定； P变！
q
Q1
自燃重要的准则：
Q 2 反应压力P02是个临界
b 值，体系超过这个压 力，反应就会不断加
q
Q1 Q2
a点：
稳定点，体系只能稳定在交点处 作低温、缓慢的氧化反应，反应
b
无法加速，体系不能着火；
b点：
c a
T01 T02 T03 Tc
非稳定点，但是热力学非自发状 态。
c点：
T
可编辑课件PPT
临界点，标志着体系处于由维持 低温、稳定氧化反应状态到不能 维持这种状态（即到加速反应状 态）的过渡状态，体现了体系热 自燃着火条件。Tc出现火焰的最 低临界温度，为该条件下的15自燃
数形结合法：
燃烧基本理论
总旳燃烧速度常数K
K=1/（1/Ks+1/Kd）
焦旳化学反应速度常数Ks一般以为满足Arrhenius公 式：
Ks=Aexp(-E/RTs) 气流旳扩散速度可由下式拟定[55]
Kd=2.3ФD/（d RTa）
其中，Ф为化学当量系数，与反应机理有关，在
C+O2→2CO时，Ф=2，在C+O2→CO2时Ф=1
。
一般，对于>100μm旳大 颗粒，且挥发分含量较多 旳煤，在慢速加热旳条件 下（<100℃/s），煤中旳 挥发分有可能在颗粒周围 到达着火条件而首先发生 均相着火。对于较小煤粒 及迅速加热条件下，则可 能是煤表面首先着火，这 就是非均相着火。
1）非均相着火
经典理论是热爆炸理论（Thermal Explosion Theory）即TET理论。
其他影响原因
燃烧速度不但与边界层扩散有关，而且与氧在孔 内旳扩散有关。
孔内扩散系数与焦旳孔隙构造亲密有关。 煤中矿物构成及含量对煤焦燃烧反应也具有影响。
灰分对燃尽影响比较复杂，灰分旳增大，一方面 会阻碍氧在煤焦内部旳扩散，另一方面，增长旳 灰分中旳空隙又会提升氧在煤焦内部旳扩散截面 积。
4．煤旳结渣性研究
纯碳与氧反应旳表观频率因子 Ko,c仅是碳粒温度与直径旳函数，而煤焦反 应旳频率因子 Ko,ch K ocf (s) , 表达煤焦比表面积f（s）影响 煤焦反应速率旳某一函数，显然f（s）是 个物理原因，它旳大小与煤质有关，所以煤焦反应旳频率因子与煤质有 关。
4．试验室研究情况
试验措施
直接观察 失重分析 分别统计煤粉、挥发分及煤焦旳失重曲线，对比三条失
1989年，Ｗ.Print[18]等人对煤粒在二维流化床中旳着火及 热解作了系统性旳试验研究。成果表白，在较高旳温度 下（>８００℃）确实是挥发分先析出并着火，在低温 下（<４５０℃）则是整个煤粒或煤粒表面某处着火。
燃烧理论基础
焦碳燃烧
灰渣
挥发份释放及大部分烧掉所占时间约为总燃烧时间的十分之一， 绝大部分时间为焦碳的燃烧。 一般认为是串联，也有交叉过程
一、碳燃烧的反应环节
大致分为几个串联环节： （1）氧气扩散到焦碳表面； （2）氧气被碳表面吸附； （3）在碳表面化学反应 （4）燃烧产物由焦碳表面解吸， （5）二氧化碳向周围扩散。 碳反应速度决定于（1）和（3）， 总体速度决定于二者较慢的一个。
二、火焰传播的形式
层流火焰传播 缓慢燃烧的火焰传播是依靠导热或扩散使未燃气体混合物 温度升高。层流火焰传播速度一般为20～100cm/s。 湍流火焰传播 一般为 200cm/s以上。
三、炉膛内的火焰传播
1．正常的火焰传播（缓慢燃烧） 是指可燃物在某一局部区域着火后，火焰从这个区域向前 移动，逐步传播和扩散出去 2．反应速度失去控制的高速爆炸性燃烧 出现爆炸性燃烧时，火焰传播速度极快，达1000～3000m/s， 温度极高，达 6000℃；压力极大，达 2.0265ＭPa (20.67大 气压)。 3．正常燃烧向爆炸性燃烧的转变 当未燃混合物数量增多时，绝热压缩将逐渐增强，缓慢的 火焰传播过程就可能自动加速，转变为爆炸性燃烧。
二、影响化学反应速度的主要因素
1，浓度 从前面反应速度的定义式，可知：浓度越大，反应速度越 快。 原因：燃烧反应属双分子反应，只有当两个分子发生碰撞 时，反应才能发生。浓度越大，即分子数目越多，分子间 发生碰撞的几率越大。
2．压力
气态物质参加的反应，压力升高，体积减少，浓度增 加，压力对化学反应速度的影响与浓度相同。 对理想气体混合物中的每个组分可以写出其状态方程：
燃烧基础理论知识课件PDF
燃烧基础理论知识目录§1.燃烧基础知识§2.火灾的定义和分类§3.建筑火灾的发生和发展过程§4.防火和灭火的基本原理§1.燃烧基础知识三、燃烧的类型四、燃烧的产物§1.燃烧基础知识三、燃烧的类型四、燃烧的产物燃烧是一种十分复杂的氧化还原化学反应，能燃烧的物质一定能够被氧化，而能被氧化的物质不一定都能够燃烧。
比如：铁生锈的过程就是被氧化，但是铁不能燃烧。
因此，物质是否发生了燃烧反应，可根据“化学反应、放出热量、发出光亮”这三个特征来判断。
§1.燃烧基础知识三、燃烧的类型四、燃烧的产物（一）燃烧的必要条件：可燃物、助燃物和 引火源可燃物：可以燃烧的物品。
如纸张、木材、煤炭、汽油、氢气等。
自然界中的 可燃物种类繁多，若按化学组成不同，可分为有机可燃物和无机可燃物两大类；按物理状态不同，可分为固体可燃物、液体可燃物和气体可燃物三大类助燃物：凡与可燃物相结合能导致和支持燃烧的物质。
最常见的助燃物是氧，包括游离的氧（空气中的氧）或化合物中的氧；此外，某些物质也可作为燃烧反应的助燃物，如氟、氯、氯酸钾等物质也可作为助燃物。
引火源(也称点火源)：凡使物质开始燃烧的外部热源(能源)。
引火源温度越高，越容易点燃可燃物质。
根据引起物质着火的能量来源不同，在生产生活实践中引 火源通常有明火、高温物体、化学热能、电热能、机械热能、生物能、光能和核能等。
§1.燃烧基础知识三、燃烧的类型四、燃烧的产物链式反应：有焰燃烧都存在着链式反应。
当某种可燃物受热，它不仅会汽化，而且其分子会发生热裂解作用，从而产生自由基。
自由基是一种高度活泼的化学基团，能与其他自由基和分子起反应，使燃烧持续进行 。
有焰燃烧需要有可燃物、助燃物、引火源和链式反应四个要素。
燃烧四面体§1.燃烧基础知识三、燃烧的类型四、燃烧的产物（二）燃烧的充分条件：具备了燃烧的必要条件，并不意味着燃烧必然发生。
燃烧学燃烧理论基础重点知识
4燃烧理论基础4.1燃烧反应的热力学基础1、单相反应：在一个系统内反应物与生成物属同一物态。
2、多向反应（异相反应）：在一个系统内反应物与生成物不属与同一物态。
3、浓度：单位体积中所含某物质的量。
摩尔浓度： 质量浓度： 摩尔相对浓度： 质量相对浓度： 4、标准生成焓、反应焓、燃烧焓、显焓、绝对焓（P98-100）5、化学反应速率：单位时间内，反应物（或生成物）浓度的变化量。
其单位为：kg/(m3s)、 kmol/(m3s)、 分子数/(m3s)①例： a 、b 、c 、d 为对应于反应物A 、B 和产物C 、D 的化学反应计量系数②反应速率可以表示为：③化学反应速率与计量系数之间有如下关系： /i i mi i i i i i i i i n N VM VN n C X N n C M Y M nρρ=====∑∑∑∑∑＝＝aA bB cC dD+→+,,C A B D A B C D dC dC dC dC r r r r d d d d ττττ=-=-==或1111::::::C A B D A B C D dC dC dC dC a d b d c d d d r r r r a b c dττττ-=-==⇒=④化学反应速率的三种表示方法：反应物的消耗速度、生成物的生成速度、r 为反应速度⑤影响化学反应的因素：（温度、活化能、压力、浓度、可燃混合气的配比、混合气中的惰性成分）1. 浓度：浓度越大，反应速度越快。
2. 压力：对于气体燃料，压力升高，体积减少，浓度增加，反应速度加快。
（压力对化学反应速度的影响与浓度相同。
）3. 温度：温度增加，反应速度近似成指数关系增加，体现在反应速度常数。
①阿累尼乌斯定律： A —常数，频率因子，由实验确定；R —通用气体常数，8.28kJ/molK ，1.98kcal/molK ； E —活化能，J/mol ，由实验确定⏹ 气体分子的运动速度、动能有大有小；⏹ 在相同温度下，分子的能量不完全相同，有些分子的能量高于分子的平均能量，这样的分子称为活1111G A B H A B G H dC dC dC dC r a d b d g d h d r ar r br r grr hrττττ-=-====-=-==b B a A C kC =rRT E Ae k -=化分子（自由基、活化中心、活化络合物、中间不稳物）⏹ 化学反应中，由普通分子到达活化分子所需最小能量---活化能E ；（讨论活化能对反应速率影响，通过阿累尼乌斯定律） ⏹ 阿累尼乌斯定律反应了温度对反应速率的影响； 阿累尼乌斯定律是实验得出的结果；并不是所有的化学反应都符合阿累尼乌斯定律。
燃烧过程的理论基础化学反应速度均相反应质量作用定律多相反应
燃烧过程的理论基础⏹化学反应速度化学反应速度影响反应速度的因素⏹固体燃料的燃烧煤燃烧的四个阶段焦炭的燃烧煤和煤粉的燃烧特点⏹煤粉气流的着火与燃烧着火与熄火的热力条件煤粉气流着火热源煤粉气流的着火及影响因素完全燃烧条件燃烧反应是一种发光放热的高速化学反应，同时伴随各种物理过程均相燃烧燃料和氧化剂物态相同，如气体燃料在空气中燃烧多相燃烧燃料和氧化剂物态不同，如固体燃料在空气中燃烧化学反应速度化学反应速度在反应系统单位体积中物质（反应物或生成物）浓度的变化率，单位是mol /（cm 3·s ）对于反应式αA ＋βB → γG ＋δH反应速度为C A 、C B 、C G 、C H 分别为反应物A、B和生成物G、H的浓度，mol/cm 3α、β、γ、δ 分别为相应的化学计量系数)14(dtdC 1dt dC 1dt dC 1dt dC 1w HG B A -⨯δ=⨯γ=⨯β-=α-= 均相反应质量作用定律质量作用定律反映浓度对化学反应速度的影响对于均相反应，在一定温度下，化学反应速度与参加反应各反应物浓度乘积成正比，各反应物浓度的幂指数等于其相应的化学计量系数对反应αA＋βB →γG＋δH质量作用定律可用下式表示式中：k 为反应速度常数，表示单位物质浓度时的反应速度)34(C kC w B A -=βα 在温度不变的情况下，反应物的浓度越高，分子的碰撞机会越多，化学反应速度就越快。
多相反应质量作用定律多相燃烧反应在固体表面进行，固体燃料浓度不变（C A =常数），故多相反应速度w 是指在单位时间、单位表面上反应物（气相）浓度的变化率式中f A －单位容积两相混合物中固相物质的表面积；C B －气相反应物质的浓度β=-=B A BC kf dtdC w 阿累尼乌斯定律阿氏定律反映温度对化学反应速度的影响反应物浓度不变时，反应速度常数k 随温度变化的关系式中k 0－频率因子，近似为一常数R、T、E －通用气体常数、热力学温度、活化能)44(e k k RTE 0-=- 活化能E 能够破坏原有化学键并建立新化学键所必须消耗的能量，具有活化能的分子为活化分子。
燃气燃烧理论基础燃气燃烧理论基础-V1
燃气燃烧理论基础燃气燃烧理论基础-V1燃气燃烧理论基础在现代社会中，燃气燃烧是极为普遍的现象，涉及的应用领域也十分广泛。
在此背景下，燃气燃烧理论成为了热力学、化学等学科中的一部分，其基础理论涉及到气体的热力学性质和化学反应动力学等方面。
本文将介绍燃气燃烧的基础理论。
第一部分：燃气的热力学性质1.1 燃气的物理性质燃气的物理性质包括密度、粘度、导热性等。
其中，密度与燃气的压力和温度密切相关。
随着温度的升高，燃气分子的平均动能增加，分子的有效半径增大，从而使密度降低。
同时，压力的升高会使得燃气分子之间的相互作用增强，引起分子的回旋运动增加，这也会导致燃气密度的增加。
粘度是指流体内部分子之间相互作用的抵抗。
在燃气中，粘度与温度密切相关，随着温度的升高，燃气分子的运动增快，分子间碰撞的三维弹性碰撞增加，分子间距离的均方根速度添加增加，从而导致粘度的下降。
导热性是指流体内部传递热量的物理性质。
在燃气中，热传递的速度与燃气的温度、密度和压力有关，燃气的导热性与热传导方式、燃气分子内部运动等因素也有关。
1.2 燃气的热力学性质燃气的热力学性质包括热容、热传导系数、等焓热容、等压热容等。
其中，热容是指物质在受到一定热量输入后产生的温度变化。
燃气的热容与气体的组成、温度密切相关。
温度升高，燃气分子的运动速度增加，热容度跟着增加；而在低温、高压下，燃气分子之间的相互作用增大，产生相互作用引起的热能变化趋势加强，燃气的热容度也相应提高。
热传导系数是指单位长度内热量传递的量。
燃气中的热传导系数主要受到温度和燃气分子间碰撞的影响。
在低温、高压下，燃气分子间的相互作用越强，热传导系数也会越小。
第二部分：燃气燃烧的基础理论2.1 燃烧反应的定义燃烧反应是指物质与氧气在一定温度和压力条件下进行的氧化性反应。
在燃烧反应中，氧气会与燃料反应，放出热能，同时产生焦炭、一氧化碳、二氧化碳、三氧化硫等化合物。
燃烧反应是现代工业生产和生活中不可缺少的反应类型之一。
燃气燃烧理论基础燃气燃烧理论基础4064
H =ΣHi ri = H1 r1+ H2 r2+… … +Hn rn 4. 理想气体状态方程
PV = RT
P/ρ = RT
V — 比容（Nm3/kg ） ρ — 密度
R — 通用气体常数，8.31J/（Mol﹒K）
燃气基础知识
燃气基础知识
二、城市燃气的分类
1. 燃烧特性参数
华白数W：与燃烧热负荷有关的参数
第五章 大气式燃烧器
2. 混合管
使得燃气与空气充分混合，速度场、温度场、浓度场均匀分布。 渐缩管有利于速度场均匀分布，不利于温度场、浓度场均匀分布； 渐扩管反之。 混合管取圆柱形，长度 =（1-3）dt
3. 扩压管
截面扩大，混合气速度降低，使气体的部分动压变为静压，提高压 力，混合均匀。扩压管张角6 ～8°。
在燃气-空气混合气中 1. 浓度确定时，仅在一定的温度、压力条件下，才能着火； 2. 在一定的温度（压力）条件下，燃气与空气的比例在一定
的范围内火焰才能传播； 3. 能使火焰持续不断传播所必须的最低（高）燃气浓度，称
为火焰传播浓度下（上）限。
第三章 燃气燃烧的火焰传播
单一燃气的爆炸极限
燃气名称 氢
口琴式燃烧器
平板式多孔红外燃烧器
第五章 大气式燃烧器
第五章 大气式燃烧器
二、大气式燃烧器的特点和应用范围 优点：
1. 火焰短，火力强，燃烧温度高； 2. 可用于不同燃气，燃烧较安全、环保，热效率高，CO含量低； 3. 可用低压燃气，空气靠燃气引射，具有自调性，煤气空气按比例
调节； 4. 适用性强，可满足各种工艺需要。
2— 脱火曲线 (气流速度上限) 4— 回火曲线 (气流速度下限) 1— 光焰曲线，α过小时,由于
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高温途径，即在已燃区产生的NO成为热NO（Thermal NO）或称Zeldovich-NO
瞬发途径，即在火焰区产生的NO称为瞬发NO（Prompt NO）或称Fenimore-NO
途径：（燃气轮机）
燃料氮途径。（燃煤）
内燃机中的NO途径：高温途径、瞬发途径。
C——实际浓度，Cst——理论浓度
15.浓度（空燃比）（C=#@￥）
一定体积混合气体中的燃料重量/空气重量
16.化学计量浓度
时的浓度
17.绝热火焰温度的求解方法，尤其是考虑化学平衡时的计算方法（**）（附图）
首先分别根据平衡常数Kp和能量守恒方程得到的反应度λ和绝热火焰温度 的关系，然后采用迭代法计算得到
3.研究基础有哪些基本定律和现象（**）
牛顿粘性定律，傅里叶导热定律，费克扩散定律，斯蒂芬流问题
4.自然：不需要外界的火源引火，在适当的温度压力条件下可燃混合气（剂）自身的化学反应速度已经快得足以产生足够的热量，使之着火燃烧或爆炸（**）
5.引燃：可燃混合气（剂）依靠外火源（如电火花，引燃火焰，火星等）来引燃的。
18.绝热燃烧火焰计算程序及数据处理。
第二章化学动力学
1.化学反应动力学是研究化学反应机理和化学反应速率的科学。（*）
2.燃烧机理研究的核心问题有：燃烧的反应机构，反应速度，反应程度，燃烧产物的生成机理等
3.净反应速度（*）（公式见书本）
消耗速度与生成速度的代数和。
4.反应级数n
一般碳氢燃料n=1.7~2.2≈2
5.Arrhenius定律
A-频率因子（分子间碰撞的频率）；E-活化能；T-温度
比反应速度
6.分子碰撞理论与Arrhenius定律属热爆燃理论
7.热爆燃理论（**）
反应物在一定温度的反应系统中，分子碰撞使部分分子完成放热反应，放出的燃烧热提高反应系统中的温度，从而加速反应速度。反应系统处于一种正反馈的加热、加速反应过程。当反应速度趋于无穷大，就产生爆炸。这种由于反应热量聚集的加速反应乃至燃烧爆炸的理论称为热爆燃理论。
6.关于混合流动的一些结论。
混合流动通量是各组分流动通量之和。
组分k的平均质量流量为该组分在混合流中的扩散通量和对流通量之和
混合流中对流通量之和为混合流的通量。
7.牛顿粘性定律表明，粘性是动量交换的必要条件，由速度梯度变为动量梯度（**）
8.傅里叶导热定律表明：热扩散是能量交换的必要条件，由温度梯度变为焓的梯度（**）
12.烃类燃料燃烧（**）
烃类燃料的着火界限曲线大致呈反S形，带有冷焰区和热焰区。烃类在内燃机中的自然过程一般经历冷焰、蓝焰和热焰三阶段。
13.冷焰过程的特征（**）
过氧化物以爆炸形式分解、主要生成甲醛、反应物质自加热的程度不大、冷焰强度随温度变化存在一个峰值、有辐射光发出、冷焰仅存在于一定的温度和压力范围内。
本课程的学习内容
第一章燃烧热力学
第二章化学动力学
第三章燃烧物理系
第四章着火（自然与引燃）
第五章预混合气体燃烧火焰
第六章扩散火焰与液体燃料燃烧
第七章气体燃料的喷射与燃烧
第八章固体燃料的燃烧
课程实验
考试说明
课程考核形式
闭卷考试
依托大纲，参考教材
70%考卷，30%平时
题型：填空、（判断、）多项选择、名词解释、简答、计算、图解分析
14.蓝焰和热焰的特性
15.为什么动力机械在冷启动时要用浓混合气？
烃类燃料的着火界限曲线大致呈反S形；不同浓度下，着火界限形态所处位置有很大区别：当混合气浓度较大时，着火界限曲线移向低压和低温方向一边，这说明：当提高混合气体浓度后，它可在较低温度和较低压力下着火，因此动力机械在冷起动时要用浓混合气。
5.反应焓的计算（**）
6.燃烧焓（**）
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）。
7.燃料热值（**）
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汽化潜热。
8.平衡常数的三种表达方式和相互间的关系（**）
按浓度定义的反应平衡常数，以分压定义的反应平衡常数，以体积百分比定义的反应平衡常数。
8.热爆燃理论的局限性体现在什么地方？
热爆燃理论只是描述了过程的始末，没有涉及其所经历的过程。燃烧和爆炸是一步完成的。热爆燃理论对于许多反应、燃烧现象无法解释，有其局限性。如燃烧半岛、倒S图无法解释。
9.图解燃烧半岛现象
会画 燃烧半岛示意图，并能初步解释
10.链反应（**）
整个反应由若干相继发生或相继平行发生的基元反应组成、有直链反应，分支链反应之分，经历引发，传播，抑制，中断过程。
反应物能有效变为产物的程度
10.Gibbs函数的定义
自由焓，为状态参数。g=h-Ts
11.Helmholtz函数
自由能f
12.焓与生成焓仅是温度的单一函数，而自由焓与P、T有关。
13.过量空气系数（**）( )
燃烧1Kg燃料，实际提供空气量/理论所需空气量。
14.当量比（ϕ=！#@￥%！@）
2.燃烧速度的决定因素有哪些？举例说明哪些燃烧现象受物理过程控制，哪些受化学过程控制？
9.费克组分扩散定律表明，传质（扩散）是组分扩散的必要条件，由密度梯度变为质量分数的梯度（**）
10.分子传输定律是否具有通用传输方程形式？
11.Stefen流产生的物理条件、化学条件
存在扩散过程及物理化学过程
第四章着火（自燃或引燃）
1.着火过程由什么因素控制的？
着火与混合气的压力、温度、浓度、壁面的散热率、（点火能量）、气体流动有关。
第三章燃烧物理学
1.燃烧现象按照混合气的制备、着火、燃烧过程中火焰与燃烧室的相对位置、可燃混合气体的流动等事怎样分类的？
预混合燃烧及扩散燃烧，分别举2~3例
自燃与引燃
定置火焰与行进火焰
层流燃烧与湍流燃烧
2.描述燃烧物理现象的方程有哪些？（**）
质量守恒方程，动量守恒方程，能量守恒方程，组分守恒方程。
考试时间：6月9日下午或晚上
第一章
1
2
3.化合物的标准生成焓
化合物的构成元素在标准状态下（25℃，0.1MPa）。定温——定容或者定温定压；经化合反应生成一个mol的该化合物的焓的增量（KJ/mol）
所有元素在标准状态下的标准生成焓均为零。
4.反应焓（**）
在定温——定容或定温——定压条件下，反应物与产物之间的焓差为该反应物的反应焓（KJ）。