【工程燃烧学】第五章燃烧温度
工程燃烧学_5
第五章扩散火焰与液体燃料燃烧第五章扩散火焰与液体燃料燃烧许多实际燃烧设备中，常常由于燃料性质限制而不容易形成预混合气。
此时，通常是将燃料和氧气（或空气）分别供入燃烧室空间内，燃料和氧气的混合过程和化学反应过程是同时进行的。
第五章扩散火焰与液体燃料燃烧第五章扩散火焰与液体燃料燃烧在通常燃烧室高温环境下，化学反应过程进行很快，而燃料和氧的混合过程要慢得多。
因此，控制燃烧速率的是混合过程的快慢，这就是扩散燃烧的基本性质。
第五章扩散火焰与液体燃料燃烧第五章扩散火焰与液体燃料燃烧随使用燃料的形态不同有气体扩散燃烧和液体扩散燃烧之分。
气体扩散燃烧时，随喷入燃烧室内燃料气体的流动状态不同而分为层流扩散燃烧和湍流扩散燃烧两种形式，两者的燃烧形态及机理不同。
液体喷雾燃烧时，要把液体燃料向燃烧室内喷散雾化成细小液滴，并尽可能分布在较大的空间范围内（why?)；液滴再吸热蒸发和燃烧。
第五章扩散火焰与液体燃料燃烧第五章扩散火焰与液体燃料燃烧了解燃料喷射雾化，液滴的蒸发和燃烧的基本规律是掌握扩散燃烧的基础。
对于复杂的、实际的喷雾燃烧和湍流扩散燃烧现象，要按具体条件做近似分析。
第五章扩散火焰与液体燃料燃烧第一节气体扩散燃烧1.1 基本概念一般来说，凡是燃料和氧化剂未预先混合的燃烧过程，可称为扩散燃烧，或称扩散火焰。
在这种火焰中，化学反应速率比由扩散引起的质量输运速率和由热传导产生的能量输运速率快得多。
它的显著特点是火焰面内化学反应速率很高、燃烧区厚度很薄的面，可以当做数学中的表面处理。
燃烧面的一侧为燃料气体，另一侧为氧化剂气体。
第五章扩散火焰与液体燃料燃烧第一节气体扩散燃烧按照混合气流动的性质可将扩散火焰分为层流扩散火焰和湍流扩散火焰。
蜡烛、火柴在空气中的燃烧，单个燃料液滴在含氧介质内的燃烧等都属于层流扩散火焰；工业用燃烧器（燃烧气体或液体燃料的各种加热炉）、涡轮喷气发动机和在某些类型的液体火箭发动机和内燃机燃烧室中的燃烧过程，则存在湍流扩散火焰。
冉景煜版 工程燃烧学--第 05 章
二、谢苗诺夫热自燃理论
要实现稳定的热着火，需满足两个热力条件：
①
系统处于热平衡状态，即放热量Q1等于散热量Q2； 放热量随系统温度的变化率大于散热量的变化率，即
②
dQ1/dT≥dQ2/dT，表示放热曲线在散热曲线上方。
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重庆大学能源与环境研究所
Institute of Energy & Environment, Chongqing University
化学反应速度实现自动加速，最终形成火焰。
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Institute of Energy & Environment, Chongqing University
二、着火方式
两类着火方式：自燃着火和强迫着火。
1、自燃着火（热自燃）
自燃着火是可燃物在不需要施加外界能量的条件下而
自动着火的现象。
物质的反应特性）或边界条件（系统的散热或物质的交换
情况）之下，由于化学反应的剧烈加速，使反应系统在某 个瞬间或空间的某部分达到高温反应状态（即燃烧状态）， 那么，实现这个过渡的初始条件或边界条件就称为“着火 条件”。
着火条件不是一个简单的初温条件，而是化学动力参数和
流体力学参数的综合函数。
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2、链式着火
机理：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，在分支链式反应的作用下，
导致化学反应不断加速，最终实现着火的现象称为链式着
火。
例如H2和O2的化合反应，它满足了分支链式反应的条件， 只要反应一旦开始它就会着火，如果满足一定的浓度条件， 还会发生爆炸。
《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
层流燃烧温度
层流燃烧温度层流燃烧温度是指在燃烧过程中，燃料与氧气充分混合后产生的最高温度。
层流燃烧是一种高效的燃烧方式，其温度是燃料燃烧的关键因素之一。
层流燃烧温度主要受到燃料的种类、氧气供应方式、燃料与氧气的混合程度以及燃烧设备的设计等因素的影响。
不同的燃料具有不同的燃烧温度，常见的燃料包括天然气、煤炭、石油等。
天然气燃烧温度相对较低，煤炭和石油的燃烧温度较高。
氧气供应方式也会影响层流燃烧温度。
一般来说，氧气的供应方式可以分为两种，一种是自然通风，另一种是强制通风。
自然通风是指通过自然气流将氧气输送到燃烧区域，而强制通风则是通过风机等设备将氧气压力输送到燃烧区域。
强制通风相对于自然通风来说，可以提供更多的氧气，进而提高燃烧温度。
燃料与氧气的混合程度也是影响层流燃烧温度的重要因素。
混合程度越高，燃料燃烧时与氧气的接触面积就越大，燃烧反应也就越充分，进而燃烧温度也就越高。
为了提高混合程度，可以采取一些措施，比如增加燃料和氧气的接触时间和接触面积，调整燃料和氧气的比例等。
燃烧设备的设计也会对层流燃烧温度产生影响。
设计合理的燃烧设备可以提供更好的燃烧条件，使燃料和氧气充分混合，从而提高燃烧温度。
例如，在燃烧设备的设计中可以考虑采用喷嘴、燃烧室等结构来增加燃料和氧气的混合程度，提高燃烧效率。
层流燃烧温度的高低直接影响到燃烧过程的效率和环境影响。
燃烧温度越高，燃料燃烧的充分程度和燃烧效率就越高，能量利用率也就越高。
同时，燃烧温度过高也会导致一些问题，比如燃烧过程中产生的氮氧化物和硫氧化物等有害物质的生成量增加，对环境造成污染。
因此，在实际应用中，需要根据具体情况合理调节层流燃烧温度。
一方面，要尽量提高燃烧温度，提高燃烧效率和能量利用率，减少对环境的污染。
另一方面，也要注意控制燃烧温度，避免温度过高导致的问题。
层流燃烧温度是燃烧过程中的重要参数，其高低直接影响到燃烧效率和环境影响。
在实际应用中，需要综合考虑燃料的种类、氧气供应方式、燃料与氧气的混合程度以及燃烧设备的设计等因素，合理调节燃烧温度，以实现高效燃烧和环保燃烧的目标。
山东大学工程燃烧学考点整理
第一章：可能出的概念题：1.什么是燃烧？燃烧的分类？每种分类的特征？燃烧是指氧化剂与可燃物混合发生的剧烈化学反应，其过程一般伴随传热传质、发光发烟等现象。
燃烧可分为气相燃烧与固相燃烧，气相燃烧又分为预混燃烧与扩散燃烧，气相燃烧中可燃物与氧化剂均为气体，固相燃烧为表面燃烧，无火焰。
预混燃烧可燃物与氧化剂已提充分混合，燃烧过程只取决于可燃混合气的化学动力过程，扩散燃烧是可燃物在燃烧时才与氧化剂混合，取决于摻混速度。
此外还可以分为表面燃烧、阴燃、蒸发燃烧、分解燃烧等等2.什么是火焰？火焰的分类有哪些？火焰是指发生燃烧反应的气体所占据的空间区域。
火焰可分为预混火焰与扩散火焰等等3.热力学第一定律表达式？简单表述：Q=U+W4.热效应的概念？其中应重点注重的条件有哪些？热效应是指，在定容定压条件下，物质进行反应时不做非体积功，且产物与反应物温度相同，这种情况下反应放出的热量。
重点注意定容定压（体积功=0）、不做非体积功（Wa=0）、产物反应物温度相同（不因为比热容吸收热量）5.生成焓、反应焓、燃烧焓的概念？并注意其中的条件？生产焓是指稳定单质或元素在定压条件下反应生成1mol化合物时的热效应。
反应焓是指某些化合物与化合物或元素在任意温度下进行单位反应产物和反应物的焓差（注意，这些概念末尾的写法都是有说法有讲究的）。
燃烧焓是指1mol化合物完全燃烧时对应的焓差。
注意：因为反应焓与燃烧焓的反应物与产物有可能都是化合物，所以要说焓差，而生成焓的反应物是单质，单质的生产焓为0，故说“热效应”。
*6.拉瓦锡——拉普拉斯定律解释？化学反应的生成焓等于分解焓，符号相反。
*7.盖斯定律描述？无论化学反应是分一步还是多步进行的，其热效应相同。
*8.基尔霍夫定律描述？（写公式）这一定律表明了什么的关系？表明了反应焓随温度的变化规律9.热力学第二定律的两种表述？何为孤立系统熵增原理？克劳修斯表述：热量不可能从低温物体传向高温物体而不产生其他任何影响。
燃烧学(二)
（kg） （kg / kg）
第四章 空气需要量及燃烧产物生成量
§1 燃烧所需的空气量计算
二、固体和液体燃料的理论空气需要量
因此，每公斤燃料完全燃烧所需要的理论氧气质量为：
8 1 G0.O2 ( C 8 H S O) 3 100
（kg/kg）
(4-2)
在标准状态下1kmol质量的气体体积量为22.4 Nm3，所以标 准状态下氧气的密度为32/22.4=1.429 kg/Nm3 。 故每公斤燃料完全燃烧所需要的理论氧气体积量为：
（Nm3/ Nm3） （4-17） 理论烟气量（n=1时，不考虑空气的水分）为：
Vn [CO H 2 (n m 1 79 )C n H m 2 H 2 S CO2 N 2 H 2 0] L0 2 100 100
（4-18）
第四章 空气需要量及燃烧产物生成量
§2 完全燃烧的烟气量计算
第四章 空气需要量及燃烧产物生成量
§1 燃烧所需的空气量计算
四、实际空气需要量与过剩空气系数
在实际的燃烧装置中为保证燃料能够完全燃烧，实际供应的空 气量总是大于理论空气量的。燃烧时实际供应的空气量叫实际空气 量。实际空气量与理论空气量的比值称为过剩空气系数。 过剩空气系数：n=Ln/L0 实际空气量： Ln=nL0 过剩空气量： Ln-L0= nL0-L0=(n-1) L0
第四章 空气需要量及燃烧产物生成量
§2 完全燃烧的烟气量计算
燃烧产物的量可以根据燃烧反应前后的物质平衡关系 进行计算。完全燃烧时单位燃料燃烧后的产物包括： CO2 ，SO2 ，H2O，O2 ，N2
Vn VCO2 VSO2 VH2O VN2 VO2
（Nm3 / kg）或者（Nm3 / Nm3） (4-11)
工程燃烧学 燃烧计算
1 反应式：H O2 H 2 O 2 数量关系： 2 16 19
反应式：S O2 SO2 数量关系： 32 32 64
8 11 每kg耗氧： 11 （ 2 kg / kg） （kg / kg） 每 kg 耗氧： 1 8 （ 9 kg / kg ） 3 3
河北工业大学能源与环境学院 3
气体燃料理论空气量
w w w w w 气体燃料体 COw H2 Cn Hm H2Sw CO2 N2 O2 H2Ow 100 积百分数为：
可燃成分反 应方程式为：
单位体积气 体燃料的理 论需氧量与 理论空气量 分别为：
2014-10-31 河北工业大学能源与环境学院
O2
'
21 ' ' Ln L0 100 0.5CO ' 0.5H 2 2CH 4 干 100 Vn
整理上述两式得到 （对于n<1也成立） V 干 V 干 100 4.76O ' 1.88CO ' 0.88 H ' 7.52CH ' 1 0 n 2 2 4 100
Vn 完干 Vn 不干 100 1.88CO ' 0.88 H 2 ' 7.52CH 4 ' 4.76O2 '
河北工业大学能源与环境学院
11
第四节燃烧产物成分测定和验证
为了对燃烧过程进行控制，必须对燃烧产物进行检测与分析。测 定烟气成分的取样点要合理选择，否则可能造成测定结果没有代表性。 烟气分析仪一般分为两类： 化学式：利用特定的化学 药品对烟气中各成分进行 吸收，测定其含量。如奥 氏（Orsat）分析仪。 物理式：利用烟气各成分的物 理性质如对红外线波长的选择 性吸收进行测定。如红外气体 分析仪、光谱分析仪等
燃烧学(6)
1
5.1 基本概念
燃料燃烧的过渡状态
着火：无反应状态过渡到强烈放热状态 熄火：强烈放热状态过渡到无反应状态
着火的基本种类
自燃：
化学着火：不需外界供热，依靠自身化学反应着火 热力着火：可燃混合物达到一定温度实现着火
强迫着火： 局部着火→火焰传播→空间燃烧
2
化学反应着火实例：CO
热着火：适用于基元反应 链锁着火：适用于低温低压，链载体的生成速
度与销毁速度的对比
25
链锁反应着火分析
H2-O2反应：
链载体产生：H2+M2H+M 链的传递：H+O2+3H22H2O+3H
H+O2OH+O：75.36kJ/mol O+H2OH+H ：25.10kJ/mol 2OH+H22H2O+2H ：41.90kJ/mol
27
链载体浓度与时间的关系
(f-g)>0： (f-g)<0： 链锁反应的临界着火条件： (f-g)=0
链载体浓度
3.0
2.5
(f-g)=0.3
2.0
(f-g)=0.2
(f-g)=0.1
1.5
1.0
(f-g)=-2
0.5
0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
mole fraction
0.0 6.0x10-6 5.0x10-6 4.0x10-6 3.0x10-6 2.0x10-6 1.0x10-6
0.0 0.0
0.2
0.4
X-H X-O X-OH
0.6
X-H2 X-CO X-CO2 X-O2 X-H2O X-HO2 X-H2O2
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(Vn )comp (Vn )uncomp 1.88VCO' 1.88VH2 ' 9.52VCH4 '
(Vn
)uncomp
100
1.88CO'1.88H 100
2
'9.52CH
4
'
• CO+0.5O2+1.88N2=CO2+1.88N2
• H2 +0.5O2+1.88N2=H2O+1.88N2
• CH4+2O2+7.52N2=CO2+2H2O+7.52N2
• 燃料理论发热温度(发热温度)只和燃料性质有关
• 在绝热Qtrans＝0，完全燃烧Quncomp＝0的基础上， 进一步忽略热分解Qpyr＝0，规定空气和燃料不预 热Qair＝0，Qfuel＝0，空气消耗系数n＝1，则
teng
Qlow V0 c prod
• 确定V0、cprod的值后就可以求得发热温度teng
8
燃烧温度
• 燃烧温度＝炉内燃烧后的温度＝未排放的烟气温度 • 从能量平衡方程出发，求燃烧温度 • 能量收入 • 燃料发热量Qlow，因为炉内温度>100oC，水分处于蒸汽状态 • 空气带入的物理热Qair=Ln.cair.(tair-0) • 燃料带入的物理热Qfuel=cfuel.(tfuel-0)，因是单位燃料
• 但一般而言烟气和初始燃料的温度压力状态是不 同的，另外如果在冷态条件下，烟气中的饱和水 蒸气量将很少，不能将水都计为气体，只有在 100oC以上才全部是气态
• 更科学的方法应该用mol数或质量
7
上一章回顾
• n<1不完全燃烧且没有氧气剩余，产物中有VCO’、 VCH4’ 、VH2’ 那么相对于完全燃烧，产物生成量 的变化是多少？
2. 右边第二项是所有空气减去反应的氧气（或所有氮 气和剩余的氧气），仍在烟气中
3. 右边第三项是所有空气所带的水蒸气
6
上一章回顾
• 为什么说用体积Vn来表示燃烧产物生成量不够科学？
• 因为体积是随温度变化的，在烟气中温度越高体 积越大。由于Vn表达式中用燃料的成分体积来表 示，这就意味着 Vn代表的烟气必须是跟初始燃料 处在相同温度压力下
9
能量平衡
• 能量支出有 • 燃烧产物物理热Qprod=Vn.cprod.(tprod-0) • 燃烧产物和炉向周围的传热Qtrans • 不完全燃烧热损失Quncomp • 产物在高温下热分解的吸热Qpyr • 能量平衡方程 • Qlow+Qair+Qfuel＝Qprod+Qtrans+Quncomp+Qpyr
• 1m3气体燃料的理论氧气需要量（体积）
为
L0,O2
1 2
CO
1 2
H2
2CH 4
O2
1 100
3
上一章回顾
• 实际湿空气消耗量与理论干空气需要量间的关系？
• 实际湿空气消耗量Ln
Ln nL0,w (1 lH2O ) nL0
• n为空气消耗系数，lH2O为每m3干空气吸 收的水蒸气体积数
12
燃料理论发热温度的计算
• 确定烟气体积V0，等于各成分体积之和 • 如认为只有三种成分CO2、H2O、N2，则 • V0＝VCO2＋VH2O＋VN2 • 而VCO2、VH2O、VN2由燃料成分计算(如何计算？) • 说明：此处忽略掉了S、A灰分 • 确定烟气比热cprod，它是强烈相关于温度tprod的 • (1比热近似法) 查表5－2得到各温度下的cprod值 • (2内插值近似) 查附表7得各温度下各气体成分的c 值 • (3求解方程法) 认为各气体成分c值与温度成2次级 数关系，查表5－1得各系数 c＝A1＋A2t＋A3t2 13
1
上一章回顾
• 已知理论氧气质量需要量G0,O2，如何计算理论氧气 体积需要量L0,O2 ？
• 先计算氧气的密度，按标准状态计算 • 密度 = 32 / 22.4 = 1.429 (kg/m3)，因此 • L0,O2 = G0,O2 /1.429 (m3)
2
上一章回顾
• 已知可燃气体成分为CO%＋H2 % ＋CH4 % ＋CO2 % ＋O2 % ＝100 % ，1m3可燃气体的理论氧气需要量 L0,O2？
上一章回顾
• 固体或液体用C、H、O、N、S、A、W表示时，1kg 燃料燃烧的理论氧气需要量如何表示？
• G0,O2 = (8C/3 + 8H – O + S) /100 （kg）
• C＋O2＝CO2 C：O＝12：32 • 4H ＋O2＝2H2O H：O＝4：32 • S＋O2＝SO2 S：O＝32：32
4
上一章回顾
• 1kg固体燃料燃烧，当n>1时产物中氧气、氮气、水 蒸汽的生成量VO2、VN2、VH2O是多少？
• O要考虑过量空气，N要考 虑燃料中N和空气中N， H2O要考虑燃料中H、W 和空气中水蒸气
21 VO2 100 (Ln L0 )
22.4 N 79 VN2 28 100 100 Ln
比热近似法求解燃料理论发热温度
• 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＋od
• 内近似法求温度（比热随温度增大而增大）
• 假定发热温度在表中的一个范围内，查比热cprod， 得V0 cprod值，计算得t
• 若t在该范围内，则t就是发热温度teng
• 若t>该范围，则应往温度值小的范围内
• 重新查比热，重复
• 若t<该范围，则应往温度值大的范围内
10
燃烧产物温度
• 实际温度计算式
t prod
Qlow
Qair
Qfuel Qtrans Vn cprod
Quncomp Qpyr
• 理论燃烧温度
• 假定绝热Qtrans＝0，完全燃烧Quncomp＝0
ttheo
Qlow
Qair Vn
Qfuel cprod
Qpyr
11
燃料理论发热温度
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
1 100
(n
21 100
)L0
lH2O
Ln
(m3 / m3燃料）
1. 等式右边中括号组成的第一项表示燃料中各成分燃 烧后所形成的烟气量，燃料中O2已经和可燃成分反 应不用再考虑