燃烧理论基础第五章概述
第五章燃烧温度
22.4 H 22.4 W
VH2O
2
100
18
100 lH2O Ln
5
上一章回顾
• n>1时气体燃料燃烧产物生成量如下式，如何
理解？
Vn
CO
H2
(n
m 2
)Cn
H
m
2H2S
CO2
N2
H 2O
1
21
100
(n 100
)L0
lH2O
• 预热是利用余热在低温下实现，非常利于节能
• 空气的富氧程度
• 氧含量越高，燃烧产物生成量越减少。因为氮气少 • 在氧含量在小于约40％时，氧含量变化影响显著。
大于40％后，变化影响减缓。 • 氧含量对高热值燃料影响大，对低热值燃料影响小
25
第六章 空气消耗系数及不完全燃烧 热损失的检测计算
• 空气消耗系数和燃烧完全程度的实用检测方法， 是对燃烧产物（烟气）的成分进行气体分析
20
计算Qpyr
• （1）忽略。在温度<1800oC的情况下，热分解 很少发生，或热分解对温度的影响很小时，可忽 略Qpyr＝0
• （2）按CO2分解度fCO2和H2O的分解度fH2O计算
• Qpyr = 12600VCO+10800VH2 • = 12600fCO2.(VCO2)comp+10800fH2O. (VH2O)comp • fCO2、 fH2O与温度有关，可查附表8和附表9，数值
• 1m3气体燃料的理论氧气需要量（体积）为
L0,O2
1 2
CO
1 2
燃烧器设计技术手册
燃烧器设计技术手册第一章：燃烧器概述1.1 燃烧器的作用和应用领域燃烧器是一种用于将一种或多种燃料燃烧产生热能的装置，广泛应用于工业生产中的锅炉、热风炉、焚烧炉等设备中。
燃烧器的设计和性能直接影响到燃烧效率和环保性能。
1.2 燃烧器的分类依据燃烧器的工作原理和结构特点，可将燃烧器分为压力喷嘴燃烧器、旋风燃烧器、流化床燃烧器、多孔燃烧器等类型。
1.3 燃烧器的主要组成部分燃烧器主要包括燃烧器本体、点火装置、燃料输送系统、空气输送系统、调节系统和安全控制系统。
第二章：燃烧器设计原理2.1 燃烧理论基础介绍燃烧的化学过程和热力学原理，包括燃料与氧气的反应、燃烧传热等基础知识。
2.2 燃烧器设计参数讨论燃烧器设计中的主要参数，包括燃烧器功率、燃烧器效率、热效率、燃烧器稳定性等。
第三章：燃料选择与燃烧器匹配3.1 燃料物性及选择介绍各种常见的工业燃料的物理性质和燃烧特性，包括液体燃料、固体燃料和气体燃料。
3.2 燃烧器与燃料的匹配讨论燃烧器设计时需要考虑燃料的选择和燃烧器的适配性，使燃料能够充分燃烧，提高燃烧效率。
第四章：燃烧器结构设计4.1 燃烧器形式与结构介绍不同类型燃烧器的结构特点和设计原则，包括压力喷嘴燃烧器、旋风燃烧器、多孔燃烧器等。
4.2 燃烧器材料选择讨论燃烧器材料的选择原则和材料特性，包括耐热材料、耐腐蚀材料等。
第五章：燃烧器性能测试与调试5.1 燃烧器性能测试介绍燃烧器性能测试的方法和技术，包括燃烧效率测试、热效率测试、排放测试等。
5.2 燃烧器调试与优化讨论燃烧器在实际应用中的调试方法，包括点火调试、燃烧参数优化等。
第六章：燃烧器运行维护与安全管理6.1 燃烧器运行维护介绍燃烧器的日常运行维护方法，包括清洗、保养、损坏检修等。
6.2 燃烧器安全管理介绍燃烧器在运行过程中的安全管理知识，包括防火、防爆、泄漏处理等。
结语燃烧器设计技术手册涵盖了燃烧器的基本原理、设计流程、性能测试、调试与维护等方面的知识，对于燃烧器设计人员和生产运营人员具有重要的参考价值。
燃烧学—第5章3 [兼容模式]
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滴群扩散燃烧
冷液雾
预热区 纯蒸发
预混气燃烧
图5-37 简化的滴群扩散燃烧模型
《燃烧学》--第五章
一维两相火焰的总体连续方程为： u m 常数
g
l u m 常数
气相连续方程为
d g u dx
l
d
4
kf N
kf为扩散燃烧的蒸发常数，N为液 滴在单位容积内的数目。
vl
1 4k 4 4 ( T T ) h ( T T ) T T c M ( T T ) F l F l F F F l l pl l l l LV cpl Tl T d
当d很小的时候，上式右端的第1项相对较大，所以有vl与d近 似成正比的关系。 当d很大时，右端的第1项相对较小，所以有vl与d近似无关系。
上式又可写为
' ' z c p T Q z 0 c p T g , 0 Q0 m dx
dT
若将上式无量纲化，最终可以解得
1 1 m d c 0 p l
《燃烧学》--第五章
图 5-41 湍流型浮力扩散火焰
《燃烧学》--第五章
（二）火焰的倾斜度 液池内油品的火焰大体上呈锥形，锥形底就等于燃烧的液池 面积。锥形火焰受到风的作用而产生一定的倾斜角度，这个 角度的大小与风速有直接的关系。当风速大于或等于4m／s时， 火焰会向下风方向倾斜约 60 ～ 70°此外，试验还表明；在无 风的条件下，火焰会在不定的方向倾斜 0 ～ 5°这也许是因为 空气在液池边缘被吸入的不平衡或火焰卷入空气不对称所造 成的。
《消防燃烧学》第5章 燃烧温度
t热
Q低
因此 ct3＋bt2＋at－Q低＝0 解方程即得t热
14
理论燃烧温度计算
理论燃烧温度表达式如下
t理 Q 低 Q空 Q 燃 Q分 V n c产
Q低、Q空、Q燃都容易计算 需要计算Vn.c产 更关键的是计算Q分
15
高温热分解
温度越高，分解越强；压力越高，分解较弱 工业炉中，只考虑温度，且只有大于1800度 才考虑热分解 并且只考虑CO2和H2O的热分解反应，则分 解热Q分
8
比热近似法
产物整体比热近似值法(表5－2)
根据具体的燃料成分计算V0 ＝(VCO2＋VH2O＋VN2 ＋…) ，根据燃料种类确定c产
适用性：燃烧产物的平均比热受温度的影响不 显著，特别是空气作助燃剂
CO2和H2O的比热对温度的变化比较敏感，N2不明 显 C和H燃烧以后，产物的比热虽然增加，但是不大 各种燃料燃烧以后产物的比热介于C和H的产物比 热之间，差别不大
理
t理 '
Q 低 Q空 Q 燃 V n c产
（3）计算不考虑Q分的i总，然后查图5－4得到t理
i总 Q低 Q空 Q燃 Vn
20
影响理论燃烧温度的因素
燃料种类和发热量
主要取决于单位体积燃烧产物的热含量 考虑Q低/V0，比考虑Q低的影响更符合规律
t理
Q 低 Q空 Q 燃 Q分 V n c产
t热 Q低 V 0 c产
与传热条件、炉子结构等因素有关吗？ 只和燃料性质有关
6
理论发热温度的计算
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。
燃烧器设计技术手册
燃烧器设计技术手册第一章概述燃烧器是工业生产中常见的设备，其作用是将燃料和空气混合并点燃，产生热量。
燃烧器的设计和选型对于工业生产过程的能源利用效率、环境保护和安全性都有着重要的影响。
本手册旨在介绍燃烧器设计的基本原理、技术要点和实际应用，以便工程师和技术人员在燃烧器选择、设计和优化方面能够有所指导和帮助。
第二章燃烧器原理1. 燃烧理论基础介绍燃烧过程的基本原理，包括燃烧的化学反应、燃烧的热力学过程、燃料燃烧与空气混合的理论模型等。
2. 燃烧器分类介绍不同类型的燃烧器，包括锅炉燃烧器、工业燃烧器、热风炉燃烧器等，以及它们的特点和应用场景。
第三章燃烧器设计要点1. 燃料选择介绍不同种类的燃料的特点、适用范围和燃烧特性，以及在燃烧器选择和设计中的考虑因素。
2. 空气与燃料的混合讨论如何在燃烧器设计中实现燃料与空气的合理混合，以确保燃烧效率和节能。
3. 燃烧稳定性介绍燃烧器设计中保证燃烧稳定的技术手段和方法，以防止燃烧不稳定带来的问题。
4. 燃烧器热负荷计算介绍燃烧器设计中的热负荷计算方法，以确定燃烧器的适用范围和技术参数。
第四章燃烧器材料与结构设计1. 材料选择探讨在燃烧器设计中选择合适的材料的依据和方法，并介绍常用材料的特点和适用范围。
2. 结构设计介绍燃烧器的结构设计原则，包括外观结构、燃烧室设计、燃烧器头设计等方面的要点和技术注意事项。
第五章燃烧器安全与环保1. 安全防护措施探讨燃烧器设计与使用中的安全防护措施，包括防爆、防火、防失火等方面的技术要点和注意事项。
2. 环保要求介绍燃烧器设计中需要考虑的环保要求，包括排放控制、烟气净化、能源利用效率等方面的设计原则和技术措施。
第六章燃烧器性能测定与优化1. 性能测定方法介绍燃烧器性能测定的基本方法和技术手段，包括静态特性测试、动态特性测试、耐久性测试等方面的内容。
2. 优化方法探讨燃烧器优化设计的方法和技术手段，包括结构优化、燃烧参数优化、控制系统优化等方面的内容。
第五章 煤粉燃烧理
dC
a b k AC A C B
k k0e
E RT
b wB k 0 C B e
E RT
3、活化能的影响：在一定温度下，活化能越大，活化分子 数越少，则化学速度越慢；反之，若活化能越小，化学反应 速度就越快。在相同条件下，不同燃料的焦碳的燃烧反应， 其活化能是不同的，高挥发分煤的活化能较小，低挥发分煤 的活化能较大。各类煤的焦炭按方程反应的活化能的值 (MJ/kmol) 分别为： 褐煤：92~105；烟煤：117~134；无烟煤：140~147 4、压力对化学反应速度的影响 在反应容积不变的情况下，反应系统压力的增高，就意 味着反应物浓度增加，从而使反应速度加快。化学反应速度 与反应系统压力的次方成正比：
r kC0
当温度很高时（＞1400℃），化学反应速度常数随温度的升 高而急剧增大，炭粒表面的化学反应速度很快，以致耗氧速 度远远超过氧的供应速度，炭粒表面的氧浓度实际为零。这
时»，则 ks≈ ， k
r kC0
3、过渡燃烧区 介于上述两种燃烧区的中间温度区，化学反应 速度常数与氧的扩散速度系数处于同一数量级，因 而氧的扩散速度与炭粒表面的化学反应速度相差不 多，这时化学反应速度和氧的扩散速度都对燃烧速 度有影响。这个燃烧反映温度区称为过渡燃烧区。 在过渡燃烧区内，提高反应系统温度，改善氧的扩 散混合条件，强化扩散，才能使燃烧速度加快。 在煤粉锅炉中，只有那些粗煤粉在炉膛的高温 区才有可能接近扩散燃烧。在炉膛燃烧中心以外， 大部分煤粉是处于过渡区甚至动力区的。煤粉锅炉 着火区是动力区。 因此煤粉锅炉提高炉膛温度和氧的扩散速度都可 பைடு நூலகம்强化煤粉的燃烧过程。
B ks r
燃烧理论与技术大纲
燃烧理论与技术》课程教学大纲课程编号：08211011课程类别：专业基础课程授课对象：能源与动力工程、热能工程、工程热物理、建筑环境等专业开课学期：第6学期学分：3学分主讲教师：王俊琪等指定教材：同济大学、重庆建筑大学等编，《燃气燃烧与应用（第三版）》，中国建筑工业出版社，2005年教学目的：通过对该课程的学习，使学生掌握有关燃气燃烧的基本知识，学会相应的燃气燃烧的计算方法，能够利用化学反应动力学原理解释相关的燃烧现象及燃烧的速度，理解不同气流的混合原理和燃气燃烧火焰的传播机理及传播速度的测定方法，深刻认识燃气各种燃烧的方法，并能利用流体力学、化学反应动力学原理分析各种燃烧方法的机理。
在此基础上，进一步掌握各种不同种类的燃烧器原理、构造及其设计原理与方法，深入理解有关民用燃气用具、燃气工业炉窑的类型、结构，并能进行有关设计计算和热力计算。
第一章燃气的燃烧计算课时：1周，共3课时教学内容第一节燃气的热值一、燃烧及燃烧反应计量方程式燃烧的定义与条件；不同燃烧反应的计量方程式。
二、燃气热值的确定燃气低热值和高热值的定义及其计算方法；混合气体热值的计算。
第二节燃烧所需空气量一、理论空气需要量理论空气量的概念；理论空气量的精确计算方法和近似计算方法。
二、实际空气需要量实际空气量和过剩空气系数的概念；常用设备的过剩空气系数。
第三节完全燃烧产物的计算一、烟气量烟气的主要成分；按烟气组分计算的理论及实际烟气量；根据燃气的热值近似计算不同燃气的烟气量。
二、烟气的密度烟气密度的计算。
第四节运行时烟气中的CO含量和过剩空气系数一、烟气中CO含量的确定烟气中CO含量确定的方法及公式；燃气是否完全燃烧的判别式；工业中常用的RO2的计算方法。
二、过剩空气系数的确定完全燃烧和不完全燃烧时过剩空气系数的确定方法。
第五节燃气燃烧温度及焓温图一、燃烧温度的确定热量计温度和理论燃烧温度的概念及计算公式；影响理论燃烧温度的具体因素分析。
燃烧学第五章
当燃料燃尽，即C=0时，燃烧产物温度达到理论燃烧温度
（绝热火焰温度）Ta
Ta
T0
Q1
Cp
C0
二、绝热条件下的自燃过程
• 自燃过程中，反应物浓度、反应温度、反应速度和反 应时间的关系可用下图表示：
v
T
C
i
i称为着火感应期，着火延迟期或着火诱导期
三、非绝热条件下的自燃过程
• 自然界中不存在绝热过程，任何系统总是存在散热过 程，在有散热的条件下，可以用谢苗诺夫非稳态着火 理论揭示自燃的热力着火规律。
– 当压力（或温度）下降时，则可燃界限缩小，当 压力（或温度）下降到某一值时，则可燃界限缩 小成一点，当压力（或温度）再继续下降，则任 何混合气成分都不能着火。
几种可燃气体的着火范围
名称
着火温度℃
氢 (H2) 一氧化碳 (CO)
甲烷 (CH4) 乙烷 (C2H6) 丙烯 (C3H6) 乙炔 (C2H2) 硫化氢 (H2S)
三、非绝热条件下的自燃过程
VgqcpVd dT S(TT0)0
qg
ql
cp
dT
d
c点是曲线qg与ql的切点，因此可得自燃的临界条件
qgcqlc
dqg dT
c
dql dT
c
三、非绝热条件下的自燃过程
Q o C n e V x E / k R o p c T S ( T c T o )c
谢苗诺夫（Semonov）完成了数学上的描述。
• 谢苗诺夫的可燃混合气热自燃理论
有一体积为V(m3)的容器，其中充满有化学均匀 可燃气体混合物，其分子浓度为n(1/m3)，容器的壁温 为T0(K)，容器内的可燃气体混合物正以速度wn(1/m3s) 在进行反应，化学反应后所放出的热量，一部份加热 了气体混合物，使反应系统的温度提高，另一部份则 通过容器壁而传给周围环境。
《燃烧学》课程笔记
《燃烧学》课程笔记第一章燃料与燃烧概述一、燃烧学发展简史1. 古代时期- 早期人类通过摩擦、打击等方法产生火，火的使用标志着人类文明的开始。
- 古埃及、古希腊和古罗马时期，人们开始使用火进行冶炼、烹饪和取暖。
2. 中世纪时期- 炼金术的兴起，炼金术士们试图通过燃烧和其他化学反应来转化金属。
- 罗杰·培根（Roger Bacon）在13世纪对火进行了研究，提出了火的三要素理论：燃料、空气和热。
3. 17世纪- 法国化学家安托万·洛朗·拉瓦锡（Antoine Lavoisier）通过实验证明了燃烧是物质与氧气的化学反应，推翻了燃素说。
- 拉瓦锡的氧化学说为现代燃烧理论奠定了基础。
4. 18世纪- 约瑟夫·普利斯特里（Joseph Priestley）和卡尔·威廉·舍勒（Carl Wilhelm Scheele）分别独立发现了氧气。
- 拉瓦锡和普利斯特里的实验揭示了氧气在燃烧过程中的作用。
5. 19世纪- 热力学第一定律和第二定律的发展，为理解燃烧过程中的能量转换提供了理论基础。
- 化学反应动力学的发展，科学家们开始研究燃烧反应的速率和机理。
6. 20世纪- 燃烧学作为一门独立学科得到发展，研究内容包括火焰结构、燃烧污染物生成与控制等。
- 计算流体力学（CFD）的应用，使得燃烧过程的模拟和优化成为可能。
- 环保意识的提高，促进了清洁燃烧技术和低污染燃烧技术的发展。
二、常见的燃烧设备1. 炉子- 锅炉：用于发电和工业生产中的蒸汽供应。
- 炉灶：家用烹饪设备，使用天然气、液化石油气等作为燃料。
- 热水器：利用燃料燃烧产生的热量加热水。
2. 发动机- 内燃机：汽车、摩托车等交通工具的动力来源。
- 燃气轮机：用于飞机、发电厂等，具有较高的热效率。
3. 焚烧炉- 医疗废物焚烧炉：用于医院废物的无害化处理。
- 城市生活垃圾焚烧炉：用于垃圾减量和资源回收。
燃烧学讲义-第5章气体燃料燃烧--资料
可燃混合物实际的温 度分布（含化学反应）
化学反应放热
x
可燃混合物的温度分 布（不含化学反应）
21
强燃的临界条件应为：T
dT
dx n 0
Tqr
Tw=Tqr
可燃混合物实的壁面温度称为 T0
x
强燃温度
可燃混合物的温度分 布（不含化学反应）
22
平壁强燃温度的求解：设一表面温度为Tqr的炽 热平板置于静止或低速的可燃混合气中，如下
热着火
链式着火
2
热着火：可燃混合物由于本身氧化反应放热大于散热， 或由于外部热源加热，温度不断升高导致化学反应不断 自动加速，积累更多能量最终导致着火。——大多数气 体燃料着火特性符合热着火的特征。
链式着火：由于某种原因，可燃混合物中存在活化中心， 活化中心产生速率大于销毁速率时，导致化学反应速度 不断加速，最终导致着火。 ——某些低压下着火实验 （如 H2+O2，CO+O2的着火）和低温下的“冷焰”现 象符合链式着火的特征。
)2
exp(
E RTqr
)
可分析：
① L↓，Tqr↑ ② Nu（气流速度上升，η↑，散热增大）↑，Tqr↑ ③ P↑（C↑）, Tqr↓ ④ λ、E↑，Tqr↑ ⑤ Q↑, Tqr↓ 强燃温度明显高于自燃温度，通常要达到1000℃以上。
31
自燃与强燃的对比：
条件 过程
自燃
强燃
Q1=Q2，
14
T 自燃温度Tzr
散热增大
如果温度T和燃 料浓度（过量空 气系数α）配合 的点在U形曲线 以上的区域，则 会发生自燃甚至 爆炸，称为爆炸 区。
自燃范围
α
着火温度与燃料空气混合物的浓度（过量空气系数α）的关系
燃烧理论_姚强_第五章一些重要的化学机理
GIVEN: The H 2-O 2 reaction mechanismDISCUSS: the process that result in the three explosion limits.a) First explosion limit: mean-free path becomes short enough for O, H and OH radicals to react with other speciesbefore being destroyed at chamber walls.In the H 2-O 2 system at low pressures the molecular mean-free path is long enough for the O, H and OH radicals to reach, and be destroyed by the quenching of the chain-propagating reactions and no explosion occurs. As the chamber pressure increases, the molecular mean-free path decreases and the O, H and OH radicals begin to react with other species. At same chamber pressure the chain-propagating reactions prevail over wall radical destruction and the mixture can explode.b) Second explosion limit: HO 2 destruction at chamber wall.As the chamber pressure is increased past the first explosion limit the M HO M O H +→++22 reaction begins to compete with the O OH O H +→+2reaction for H atoms. The hydroperoxy radical (HO 2) is relatively inactive and can reach the chamber walls and be destroyed, effectively quenching the H radicals and terminating the reaction process.c) third explosion limit: mean-free path becomes short enough for HO 2 radical to react with other species beforebeing destroyed at walls.As in the first explosion limit, increasing the chamber pressure causes the molecular mean-free path to decrease. Eventually, The mean-free path becomes short enough for the HO 2 radicals to react with other species before wall destruction can occur and the mixture can once again explore.Atp5-4GIVEN: the CO oxidation mechanismFIND: the primary reaction step in which CO is converted into CO 2.ASSUMPTIONS: hydrogen-containing species (H 2, H 2O) are presentAPPROACH: The CO oxidation mechanism is as follows:O CO O CO +→+221 OH OH O H O +→+22 H CO OH CO +→+23 primary reaction step O OH O H +→+24 H OH H O +→+25 H O H H OH +→+226 OH CO HO CO +→+227 The three reactions in which CO is converted into CO 2 are reactions 1,3 and 7. Reaction 1 is slow and does not significantly contribute to the CO oxidation. Reaction 1 does, however, serve as the chain-sequence initiator if hydrogen containing species are present. Reaction 7 occurs if HO 2 is present but is not as important as reaction 3, which is the primary oxidation step (H CO OH CO +→+2).The remaining reactions (2,4,5,6) are only chain propagating or chain branching steps involving radical formation and destruction and do not directly contribute to CO oxidation.GIVEN: the oxidation of higher paraffinsDESCRIBE: The 3 major steps and the key features of each stepStep 1: fuel molecule is broken at a C-C bond:The fuel molecule is broken at a C-C bond by O, H, and OH attack, resulting in the formation of hydrocarbon radicals. These hydrocarbon radicals break down further to form olefins (alkenes) and hydrogen atoms. The hydrogen atoms react with oxygen to form H 2O.Step 2: olefin oxidation is initiated by O-atom attack:Olefin oxidation is initiated by O-atom attack resulting in the formation of formyl radicals, formaldehyde, and other hydrocarbon species. These radicals and species further oxidize to form CO and H 2. The H 2 reacts with oxygen to form H 2O.Step 3: CO oxidation:CO oxidation to form CO 2 through the moist CO mechanism in which the reactionO CO O CO +→+22 serves as the chain initiator and the H CO OH CO +→+2reaction serves as the primary means of CO oxidation.COMMENTS: Although the above 3 steps outline the higher paraffin oxidation mechanism, the actual mechanism is quite complex, involving a great number of species, radicals and other reaction mechanisms (i.e., H 2-O 2, CO, etc.)Atp5-6GIVEN: the following hydrocarbon radicalsa) n-butyl radical b) sec-butyl radical----∙C C C C ||||||||-----∙C C C C ||||||| FIND: how the scission -βrule would apply to the breaking of C-C bond in each radicalAPPROACH: The scission -βrule states that the C-C or C-H bond broken is one site removed from the radical site.a) n-butyl radicalb) sec-butyl radical----∙C C C C ||||||||-----∙C C C C |||||||COMMENTS: Note that the scission -βrule can also apply to C-H bongs (see Figure 5.3), but that the break generally occurs at an appropriate C-C bond if possible due to the lower C-C bond strength.Atp5-7GIVEN: the eight semi-detailed steps (P.1 through P.7 and other steps) for the oxidation of C 3H 8.FIND: the first 5 steps in the oxidation of butane (C 4H 10)ASSUMPTIONS: butane oxidation follows a similar path to propane oxidation APPROACH:Breaking PointBreaking PointStep 1: butane molecule is broken by collision with third-bodyM H C H C M H C ++→+5252104M CH H C M H C ++→+373104Step 2: H atom abstractiuon due to third-body collision.M H H C M H C ++→+4252M H H C M H C ++→+6373M H CH M CH ++→+23Step 3: The H atoms created in step 2 react with O 2 to form radicals.O OH O H +→+2Step 4: H atom abstractiuon due to third-body collision.O H H C OH H C 294104+→+OH H C O H C +→+94104294104H H C H H C +→+step 5: hydrocarbon radical C 4H 9 decay following scission -β( Prob.5-6)M H C H C ++5242M H C +94M CH H C ++363Atp5-8GIVEN: the single-step global mechanism of equations 5.1 and 5.2 for hydrocarbon combustion with airFIND: the rates of fuel carbon conversion to CO 2 for 1=Φ, P=1 atm, T=1600 K fora) methane CH 4b) propane C 3H 8c) octane C 8H 18ASSUMPTIONS: ideal gas behaviorAPPROACH: determine the mole fractions and concentrations of fuel and oxygen, including the N 2 in the air. Then determine the fuel oxidation rate and convert this to a carbon oxidation rate.a) CH 4 : 22222476.3276.3aN O H CO aN aO CH ++→++at 1=Φ, a=x+y/4=1+4/4=2095.052.721144=++==TOTCH CH N N x 190.052.721222=++==TOT O O N N x transforming to concentrations using:33/10616.7)1600(315.8325.101m kmol T R P -⨯==393634/105.723/105.723)10616.7(095.0][4m gmol m kmol TR Px CH CH ---⨯=⨯=⨯==363332/10447.1/10447.1)10616.7(190.0][2m gmol m kmol TR Px O O ---⨯=⨯=⨯==n mu aO CH TR E A dt CH d ][]][exp[][244--= using Table 5.1scm gm ol O CH T dtCH d -⨯-=⨯⨯-⨯-=-⨯-=-----363.163.0983.123.0484/1064.56]10447.1[]105.723][160024358exp[103.1][]][24358exp[103.1][fuel carbon:s cm gmol dt H C d x dt C d yx -⨯-=⨯-==--366/1064.56)1064.56(1][][b) C 3H 8 : 222228376.34376.3aN O H CO aN aO H C ++→++at 1=Φ, a=x+y/4=3+8/4=5040.08.185118383=++==TOTH C H C N N x207.052.721522=++==TOTO O N N x transforming to concentrations using: 33/10616.7)1600(315.8325.101m kmol T R P -⨯==3936383/106.304/106.304)10616.7(04.0][83m gmol m kmol T R Px H C H C ---⨯=⨯=⨯==363332/10577.1/10577.1)10616.7(207.0][2m gmol m kmol T R Px O O ---⨯=⨯=⨯==n mu a O H C TR E A dt H C d ][]][exp[][28383--= using Table 5.1scm gm ol O CH T dtH C d -⨯-=⨯⨯-⨯-=-⨯-=-----3365.161.091165.121.041183/1008.4]10577.1[]106.304][160015098exp[106.8][]][15098exp[106.8][fuel carbon:s cm gmol dt H C d x dt C d y x --=⨯-==-33/012.0)1008.4(3][][c) C 8H 18 : 2222218876.39876.3aN O H CO aN aO H C ++→++at 1=Φ, a=x+y/4=8+18/4=12.50165.0475.1211188188=++==TOT H C N H NC x207.0475.1215.1222=++==TOT O O N N x transforming to concentrations using:33/10616.7)1600(315.8325.101m kmol T R P -⨯== 39363188/107.125/107.125)10616.7(0165.0][188m gmol m kmol T R P x H C H C ---⨯=⨯=⨯==363332/10577.1/10577.1)10616.7(207.0][2m gmol m kmol TR P x O O ---⨯=⨯=⨯==n m u a O H C TR E A dt H C d ][]][exp[][28383--= using Table 5.1s cm gm ol O H C Tdt H C d -⨯-=⨯⨯-⨯-=-⨯-=---335.1625.09115.1225.018811188/1036.1]10577.1[]107.125][160015098exp[106.4][]][15098exp[106.4][fuel carbon:s cm gmol dtH C d x dt C d y x --=⨯-==-33/011.0)1036.1(8][][COMMENTS: Note that the carbon conversion rate for CH 4 is much slower than either C 3H 8 or C 8H 18.Atp5-11GIVEN: That experiments show rapid NO formation within flame zone and that this formed NO is called prompt NO. DISCUSS: the two ways in which the prompt NO can be formedMETHOD 1: Thermal mechanism:In flame zones chemical equilibrium may not exist. In particular, super equilibrium concentrations of O-atoms may exist and can lead to rapid NO formation rates.METHOD 2: Prompt or Fenimore mechanism:The Prompt mechanism is linked to the hydrocarbon oxidation chemistry in the flame zone. Hydrocarbon radicals react with molecular N 2 to form amines and cyano compounds plus a free N radical which react with OH to form NO ( see problem 5-10).Atp5-12GIVEN: the conversion of NO to NO 2 in post-flame gases.IDENTITY: The key radicals involved in NO to NO 2 conversion and explain why NO 2 does not appear in high-temperature regions.The following mechanism is responsible for the conversion of NO to NO 2 in the combustion products:OH NO HO NO +→+22NO 2 formation OH NO H NO +→+2NO 2 formation 22O NO O NO +→+ NO 2 formationFrom these reaction steps it is apparent that the HO 2 radical is the key radical in the conversion process. NO 2 does not appear in high-temperature regions since HO 2 only forms in low-temperature regions, meaning NO 2 is not formed in high-temperature regions, and the NO 2 destruction reactions are more active at high temperatures, resulting in the destruction of any NO 2 that is transferred to the high-temperature regions.。
第五章 燃烧理论基础
NCEPU
能源与动力工程学院
华北电力大学
NCEPU 动力与扩散燃烧理论应用讨论
不同温度区域内，为提高反应速度，有不同的措施： 温度较低时，提高燃烧速度的关键： 提高温度，氧气很充足，不必大量鼓风； 温度较高时，提高燃烧速度的关键： 缺氧是关键，要提高出力，应大量鼓风。
q1 ~ T
Q1 ko e
— E RT n m CO C f Qr 2
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NCEPU 2．散热与温度的关系 q2 ~ T
q2
' q2
" q2
' q2
加热混合物本身所消耗并带走的热量：
G C p (T T0 ) V
向周围介质散失的热量（对流+辐射）
" q2
(2)扩散区（扩散控制区）
温度增加，化学反应速度急剧增大，耗氧量急剧增加， 很快消耗掉扩散来的氧气，燃烧速度取决于扩散。
燃烧反应速度w 取决于氧气向碳粒表面的扩散速度。 强化燃烧的措施是强化扰动，减小煤粉颗粒。 （3）过渡区
动力区与扩散区之间区域，强化燃烧的措施是同时提高炉膛 温度和扩散速度
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NCEPU 3.2 阿累尼乌斯定律的讨论-活化分子、活化能
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。 有效碰撞——能发生化学反应的碰撞。 活化分子——能发生有效碰撞的分子； 活化能E——参与化学反应的物质达到开始进 行化学反应状态所需的最低能量；
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NCEPU 四、煤粉气流火焰传播速度的影响因素
5,6章燃烧学思考题和作业题
第五章气体燃烧本章知识要点预混燃烧和扩散燃烧的概念；预混气的热自燃理论和点燃理论；层流预混火焰和扩散火焰的传播理论；湍流预混火焰和扩散火焰的经典理论；火焰稳定性理论。
重点1.预混可燃气的着火和自燃理论：绝热条件下预混可燃气着火自燃理论，非绝热条件下谢苗诺夫非稳态着火自燃理论。
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.层流预混火焰传播理论：层流火焰传播的综合性理论4.层流扩散火焰：扩散火焰的本生灯试验，脱火、回火，扩散火焰特点5.湍流预混和扩散火焰传播：湍流火焰传播的经典模型简介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：火焰稳定的基本原理和方法复习思考题1.绝热条件下自燃过程的温度、浓度随时间的变化特征。
2.用谢苗诺夫的非稳态热力着火理论分析热力着火中的自燃现象。
3.用点燃条件下的零值梯度理论分析无限大平板上燃气点燃现象。
4.着火感应期，着火过程的时间特征。
5.燃料的可燃界限，影响燃料可燃界限的因素有哪些？6.层流和湍流的火焰传播速度，火焰锋面厚度。
7.层流火焰传播速度求解的热理论和综合性理论。
8.影响层流火焰传播速度的因素有哪些，影响规律如何？9.运用层流火焰传播理论分析层流火焰传播的稳定性。
10.湍流火焰的分类和湍流火焰的特点。
11.影响湍流火焰传播速度的因素。
12.应用火焰稳定的均匀搅混热平衡原理和传热原理分析湍流火焰的稳定性。
13.预混火焰和扩散火焰的各自特点。
14.工程上稳定火焰的措施。
作业题1.煤堆自燃导致能源的浪费和设备受损伤，因此必须防止。
现有下列现象，请用自燃热力着火理论加以解释：（1）褐煤和高挥发分烟煤容易自燃；（2）煤堆在煤场上日久后容易自燃；（3）在煤堆上装上通风竖井深入煤层深处，可防止自燃；（4）如果用压路机碾压煤堆，使之密实，可防止自燃。
2.热自燃或热爆炸和链式爆炸有什么区别？请分析原因。
3.请解释为什么发动机在高原、冬季难发动？4.试讨论影响层流火焰传播速度的因素，如果预混可燃气由甲烷+氧气（摩尔比1：1）换成乙烷+氧气（摩尔比1：1），层流火焰传播速度会有什么变化？如果预混可燃气甲烷+氧气的摩尔比由1：1变为1：2，层流火焰传播速度有什么变化？5.请全面比较预混火焰和扩散火焰的优缺点，并说明为什么工程上燃用气体或液体燃料时一般不用一次空气为零的纯扩散火焰？6.点燃煤气时一定要先放明火后开气阀，这是“火等气”的操作方式。
燃气燃烧理论基础-燃气燃烧理论基础文档
（四） 压力的影响 Sn ∝ pk
Sn ﹤50 k ﹤0
第三章 燃气燃烧的火焰传播
50-100 ≈0
﹥100 ﹥0
第三章 燃气燃烧的火焰传播
（五）惰性气体的影响
燃气中加入惰性气体N2，热值 降低，反应速度减慢，将使火焰传 播速度Sn下降。
第三章 燃气燃烧的火焰传播
三、 火焰传播浓度极限（爆炸极限，着火浓度极限）
燃气名称 氢
一氧化碳 甲烷 乙炔 乙烯 乙烷 丙烯 丙烷 丁烯
正丁烷 异丁烷
爆炸下限 % 4.0 12.5 5.0 2.5 2.7 2.9 2.0 2.1 1.6 1.5 1.8
（常温，20℃) 爆炸上限 %
75.9 74.2 15.0 80.0 34.0 13.0 11.7 9.5 10.0 8.5 8.5
200-400 1.42
400-700 1.47
700-1000 1.51
1000-1200 1.55
1200-1500 1.59
第二章 燃气燃烧反应动力学
一、 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， 即单位时间、单位体积内反应物的消耗量： W = dC / d （ kMol / m3 ·s）
01
第四章 燃气燃烧方法 兰色火焰出现条件：1. 燃气-空气混合物浓度在爆炸上限与爆炸下限之间。 2. 气流的切向分速使下面质点对上面质点点火。 3. 火焰根部存在点火源：火焰传播速度 Sn = 气流速度 V
1点：Sn＜V 2点：Sn＞V 3点：Sn = V 火焰面稳定
点火环
第四章 燃气燃烧方法
（二）燃烧器头部 1. 多火孔头部
燃气-空气混合物均匀分布到各火孔， 头部各点气流压力相等，二次空气能均 匀达到各个火孔。
锅炉教案第五章燃烧理论.
第五章 煤粉燃烧的理论基础和燃烧设备（一）教学要求1.掌握炭粒的三个燃烧区域，理解影响燃烧反应的化学因素和物理因素2.掌握煤粉气流着火的影响因素和完全燃烧的条件3.了解直流射流的特性，理解直流燃烧器的结构型式及其布置情况4.了解旋流射流的特性，理解旋流燃烧器的结构型式及其布置情况5.了解W 型火焰燃烧技术（二）重点和难点重点：1.炭粒燃烧的动力燃烧区、扩散燃烧区、过渡燃烧器三个区域2.煤粉气流着火的影响因素3.煤粉完全燃烧的条件难点：1.直流燃烧器的结构型式及其布置情况2. 旋流燃烧器的结构型式及其布置情况（三）教学方式课堂讲授、多媒体教学结合课堂讨论及现场模型讲授(四)教学内容第一节 燃烧的基本理论复习几种热损失。
为了减小热损失，锅炉燃烧需要作到：稳定着火、快速燃尽。
为实现该目的，需寻找强化燃烧的方法，这就要认识燃烧过程的本质。
从而，需要学习基础燃烧理论。
燃烧是气体、液体或固体燃料与氧化剂之间发生的一种强烈的化学反应；同时伴随各种物理过程燃烧反应根据参加反应的物质不同分为：一、化学反应速度某一反应物浓度的减少速度或生成物浓度的增加速度表示。
1.浓度浓度越大，反应速度越快。
质量作用定律：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，而各反应物浓度项的方次等于化学反应式中相应的反应系数。
对于异相反应：化学反应在炭粒表面进行，认为碳粒浓度不变，化学反应速度指单位时间内碳粒表面上氧浓度的变化。
质量作用定律说明：在温度不变的情况下，反应物的浓度越高，分子的碰撞hH gG bB aA +→+b B a A C kC w =b B B kC w =机会越多，化学反应速度就越快。
2.温度阿累尼乌斯定律：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。
反应物浓度不变时，反应速度常数k 随温度变化的关系3.压力在反应容积不变的情况下，反应系统压力增高，就意味着反应物浓度增加，化学反应速度增加。
第五章煤粉燃烧理论基础及燃烧设备精品文档
• 煤粉燃烧器（喷燃器） • 点火装置 • 炉膛
燃烧器作用
• 将一、二次风送入炉膛，组织气流结构，迅速稳定着火 • 及时供应空气，风粉充分混合，迅速完全燃烧
2019年11月21日
第三节 煤粉燃烧器及点火设备
燃烧器要求
• （1）空气动力场，着火，风粉混合→燃烧稳定性、经济性 • （2）燃料适应性，调节性，调节范围→适应煤种和负荷变化的需要 • （3）控制NOx生成→保护环境 • （4）运行可靠，便于维修 • （5）易于实现远程或自动控制
迅速稳定着火 →一次风射流刚性、贯穿能力↑→火焰偏斜↓，风粉后期混 合↑ 3）一、二次风喷口间距加大：一、二次风混合推迟，利于着火 4）二次风分级布置：利于前期着火和后期燃烧 5）周界风、夹心风：风速↑→气流刚性↑→防止气流偏斜和燃烧器烧坏
影响着火稳定 6）三次风：布置在燃烧器上方，有下倾角，风速高
2019年11月21日
不同状态物质的燃烧
自然界里的一切物质，在一定温度和压力下，都以一定状态（固态、 液态、气态）存在。这三种状态的物质燃烧过程是不同的。固体和液 体发生燃烧，需要经过分解和蒸发，生成气体，然后由这些气体成分 与氧化剂作用发生燃烧。气体物质不需要经过蒸发，可以直接燃烧。
2019年11月21日
5）炉内散热条件——敷设卫燃带（注意结渣） 6）燃烧器结构特性
（1）一、二次风混合 （2）尺寸
7）锅炉负荷——着火稳定性条件限制了调节范围
2019年11月21日
6．结论
1）稳定着火过程的首要条件：组织强烈的煤粉气流与高温烟气的混 合→供给足够Qzh
2）减小Qzh的有效措施：提高一次风温、合适的一次风量和风速 3）难燃煤稳定着火常用方法：较细较均匀煤粉，敷设卫燃带
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• SMD方法的定义：按SMD计的全部油滴的体积与表面积
之比与实际喷雾的V/A相等
• 单个油滴：V1/A1＝d/6
V A
k i 1
6
di3ni
k
di2ni
S.M .D 6
i 1
V1N/A1N＝V/A
k
di3ni
组分分布
• 求解原理：组分守恒 ＋ 能量守恒
5.3.1 单个油滴蒸发 过程的解析分析
• 单个油滴的蒸发过程为Stefen流问题（条件：
存在扩散过程及物理化学过程）
• 温差（T ∞ －TW）引起热传递（温度较低的液体 进入温度较高的空气）
• 假设单个油滴的蒸发面为壁面，外界热 空气中没有燃料，燃料中无空气：很明显，
燃料的蒸发与燃料的类别、介质温度与成分、 油滴的初始尺寸有关。
YFR
TR 液相
相界面
T
气相
设T为温度，Yi为第i个组 分的质量分数， 下标∞、W、R分别代表周 围介质、油滴表面蒸发处、
油滴内部。
• 稳常定数蒸 ，发 液时 相， 源液区相YF内R=温1 度与组分分布一定：TR为 • 气相区无穷远处燃料的质量分数 YF∞=0 • 为求解蒸发速度，必须知道液相及气相的温度与
• 燃料的活化能远大于气化热(如汽油，1281>335 kJ/kg) 因此，液体燃料总是先蒸发后着火的，即燃烧总是在 气态下进行的。
• 汽油机为准预混合的燃烧。柴油机以扩散燃烧为主。 • 提高扩散速度是提高扩散火焰燃烧的关键。工程上采
用压力喷射法。如柴油机，为200MPa，实现细化。
柴油机扩散燃烧过程的几个阶段
• 直径从x到x+dx之间 的油滴数称作dn， 其质量为dm
• 一次喷射中的(或作 一次测量的)油滴的 总数和总质量分别 为NT、MT
（二） 喷雾贯穿距离
• 贯穿距离的大小(即贯穿度)对燃料在燃烧室中 的分布影响很大。
• 贯穿距离不能太大，也不能太小。
• 贯穿度太大，有较多的燃油喷到燃烧室壁上； 反之，贯穿太小，燃料不能很好地分布到燃烧 室空间，使燃烧室空气得不到充分利用。
5.1 扩散火焰与预混合 火焰的区别
• 混合气形成方式不同 • 燃烧速度的决定因素不同
预混合燃烧受控于化学反应动力学及传热与扩散 扩散火焰中混合与燃烧同时进行，燃烧受控于燃料与氧
化剂的扩散
液体燃料燃烧的一般特征
• 液体燃料燃烧的着火温度远高于它的沸点温度（如汽 油，干点温度200ºC，着火温度780K）。
烧涉及到很多油滴同时发生热量、质量、动量交换以 及化学变化，过程太复杂，而单个油滴则是其基础， 如果知道单个油滴的喷雾与燃烧，同时知道喷雾中油 滴群的尺寸、个数、速度的时空分布，则喷雾与燃烧 过程很容易得到解析解。
• 单个油滴蒸发与燃烧的理想化：理想的扩散
燃烧过程，以无限薄的燃烧火焰面为界面，将燃料与 氧化剂分开。
a
• A为常数，对孔形喷嘴A=2.33×10-3，节
流轴针喷嘴A=2.18×10-3，轴针喷嘴
A=2.45×10-3；Δp为喷孔前后平均压差
(MPa)；B为循环喷油量(mm3/循环)；a为
周围介质密度(kg/m3)。
• 表征油滴粒度的方 法：
油滴粒度分布曲线
油滴质量分布曲线
粒子数累积分布曲线
质量累积分布曲线
• 背压提高，则喷油速度降低且喷雾贯穿距离减 小，会使液滴出现团聚现象，油滴直径增大；
• 增加喷油量，喷雾液产生团聚的可能性增大， 从而也增大了液滴的直径。
• SMD可以用经验公式表示 S.M.D f P, a,mB,
S.M .D
A(p)0.135
B 0.121 0.131
滞燃期I：混合、焰前反应
缓燃期III：扩散速度控制
急燃期II：多点着火燃烧
后燃期IV：残余混合气 燃烧，对发动机性能不利
5.2 液体燃料的喷雾特性
• 全国有喷雾学会(医学、农业、锅炉、内燃机、 涡轮机、消防气象、降尘、化妆品、热处理等)。
如1ml的燃油，表面积为245mm2。若雾化成40μm油滴， 油滴总数为2.99×107个，其表面积为1.5×106 mm2。 表面积增大5090倍。
• 无量刚化：同时除以燃料的入口质量，并对密度、
半径、速度无量纲化，由于u=dx/dt，可以得到贯穿距 离x与时间t之间的关系为： x∝t0.5
（三） 喷雾锥角
• 喷雾形成的油束一般是各种大小不同的 油滴组成的圆锥体，该圆锥体组成的夹 角即喷雾锥角。
5.3 单个油滴的蒸发与燃烧
• 研究单个油滴蒸发与燃烧的原因：喷雾燃
• 有了足够大的表面积有利于导热（吸热），扩 散。（肉丝与肉块为例）
• 表征喷雾特征的三个参数：喷雾粒度、贯穿距 离及喷雾锥角
（一） 喷雾粒度
• 喷雾粒度：表示燃料喷散雾化的程度，一般指喷散的细
度和喷散的均匀度。如何求得喷雾中的油粒平均直径。 采用激光全息、CT技术加计算机数据采集处理技术。
• 表征粒度的方法：算术平均法、质量平均法、体积平均
《燃烧理论基础》课件
第五章 扩散火焰与液体燃料 的燃烧
汽车与交通工程学院 王维强
主要内容
• 各种火焰类型的回顾 • 扩散火焰与预混合火焰的区别 • (以柴油机为例)扩散燃烧过程的几个阶段 • 液体燃料的喷雾特性 • 单个油滴的蒸发与燃烧
各种火焰类型的回顾
• 四种分类方法
可燃混合气的制备：预混合火焰、扩散火焰 燃烧过程中火焰的相对位置：定置火焰、行进火焰 混合气的流动状态：层流燃烧、湍流燃烧 着火方式：点燃、压燃
S.M .D
i 1 k
di2ni
i 1
Δni为直径为di被测量的油粒数量；k为直径分档数；N为被测油滴总数。
• 影响柴油喷雾粒度的因素：
喷油压力、背压、油泵转速、喷油量、燃料性质、喷 孔面积、喷孔粗糙度等
• 在一定的背压下，喷油泵转速提高，喷油压力 增大，燃油从喷油器的出口速度增加，就能减 小油滴的直径；
• 贯穿度必须根据混合气形成方式的不同要求与 燃烧室相互配合。
• 贯穿度是喷雾燃烧品质的重要控制参数。
• 喷雾方式有两种：无涡流的自由喷射、有涡流 的受限喷射。
• 无涡流的自由喷雾贯穿距离具体的推导： • 根据动量守恒：燃料入口的动量等于出口处燃料与
空气的动量和，很容易建立入口半径与出口半径之间 的关系。