工程燃烧学
工程燃烧学
煤的化学组成•煤由结构极其复杂的有机化合物和一些无机矿物质组成。
化合物的分子结构至今仍不十分清楚•化学组成测定方法–元素分析法–工业分析法元素分析•C：主要可燃元素，炭化程度越高，含碳量越大–泥煤：~70% 烟煤：78~90%–褐煤：70~78% 无烟煤：90%以上•氢（H）是含量较低，一般在5%以下。
以两种形式存在：•有效氢–氢元素与C、S结合–热值很高，约为C的3.7倍–含碳量为85%时，有效氢含量达到最大•化合氢元素与O结合形成不可燃化合物•氧（O）是煤中的有害元素，与C、H结合构成氧化物，使它们失去燃烧性而降低煤的热值。
炭化程度高，氧含量降低•氮（N）一般不反应。
但高温下会氧化形成有害气体NOx，产生污染•一般含量为0.5~2%•干馏工业中，可作为氮素资源回收•硫（S）有三种存在形式•有机硫，来自母体植物，均匀分布•黄铁矿硫，与铁结合在一起形成FeS2•硫酸盐硫，以硫酸盐的形式存在，主要是CaSO4·2H2O和FeSO4前两种硫都能参加燃烧，总称为可燃硫或挥发硫；第三种硫不能进行燃烧硫（S）是一种极为有害的物质–硫在燃烧后生成SO2和SO3能危害人体健康和造成大气污染及形成酸雨–在加热炉中能造成金属的氧化和脱碳–在锅炉中能引起锅炉换热面的腐蚀–焦炭中的硫还影响生铁和钢的质量很多情况下都要进行脱硫洗选•除掉黄铁矿硫和硫酸盐硫•焦炉洗精煤含硫量应控制在0.6%以下•灰分（A）为煤中矿物杂质在燃烧过程中经高温分解和氧化作用后生成的固体残留物–是一种有害成分•影响高炉冶炼的经济技术指标•降低煤发热量•低熔点灰分易结渣，有碍于空气流通和气流的均匀，使燃烧过程受到破坏•造成不完全燃烧，及不利于设备维护和操作•水分外部水分•不被燃料吸收而是机械地附在燃料表面上的水•在大气中自然风干后即可去除内部水分•被煤粒内部毛细孔吸附的水分，在内部均匀分布•自然风干不能去除，在105～110℃加热后去除通常指水分就是上两种，称为全水分化合水：矿物杂质的矿物结晶水，在200～500℃加热后去除热解水：机质中的氢和氧在干馏或燃烧后形成的水收到基–以包括全部七种组分在内的燃料成分总量作为计算基准，又称应用基。
工程燃烧学工程燃烧学29
1-燃气进口；2-空气进口 3-外壳；4-盖板；5-螺旋 片6-燃气喷头；7-烧嘴板；
8-烧嘴板
螺旋叶片式平焰燃烧器
八、低NOx气体燃烧器
（1）烟气再循环燃烧器
烟气再循环技术是将部分低温烟气直接送入炉内， 或与空气混合后送入炉内，由于烟气的吸热作用和 对氧浓度的稀释，使燃烧速度和炉内温度降低，因 而热力型NOX减少。
1-调风板； 2-一次空气口； 3-引射器喉部； 4-喷嘴； 5-火孔
二、引射式大气燃烧器（半预混燃烧器）
和扩散式燃烧器相比，引射式大气燃烧器的火焰温度比较高，火焰短，火力强；
但结构复杂，燃烧稳定性较差。
与鼓风式燃烧器相比，引射式大气燃烧器不必鼓风，投资少，不耗电；但热负荷不宜太 大，否则结构相当笨重。引射式大气燃烧器热负荷调节范围宽广，可燃烧低压燃气，但 热强度较低。一次空气过剩空气系数基本上不随燃气压力而变化。因此，这类燃烧器具 有可贵的自动调节性能。
燃气发热量
是否预热
安装方式
低热值燃气用的引射式燃烧器 高热值燃气用的引射式燃烧器
冷风引射式燃烧器 热风引射式燃烧器 直头引射式燃烧器 弯头引射式燃烧器
二、引射式大气燃烧器（半预混燃烧器）
燃烧器由两大部分组成：引射器和头部。工作时具有一定压力的气体燃料以一定的速度 从喷嘴喷出，进入收缩型吸气管，并借助燃料射流的吸卷作用带入一次空气。燃料与空 气在引射器内混合，把动能转变为压力能，然后从头部的火孔流出，并从周围大气中获 取二次空气，完成整个燃烧过程。大气燃烧器的一次空气系数通常为0.45~0.75。
的压差，以提高引射器的工作效率； • 喷头呈收缩状，主要为了使出口断面上速率分布均匀化，防止回火。 • 燃烧坑道用耐火材料砌成，可燃气体在这里被迅速加热到着火温度并完成燃烧反应。
工程燃烧学工程燃烧学9
五、组合射流
1. 组合平行射流 2. 交叉流 3. 组合旋转射流 凡是可以强化扰流、产生卷吸及回流的组合射流均可以用于强化稳燃
气流的旋转和射流最大速度、离喷嘴的距离x等有关，距喷嘴越远，射流最大速度急 剧下降。轴向速度u和径向速度v 按x-1的规律衰减，而切向速度w 则按x-2的规律衰减。
5）旋转射流的射程较小。 旋流强度增加时，不同方向局部最大速度均增加，但火炬射程却衰减很快。因此可用
改变旋流强度的办法来调节火炬射程。
四、旋转射流
四、旋转射流
3. 使流体发生旋转的方法
将流体或其中的一部分切向引进一个圆柱导管 在轴向管内流动中应用导向叶片
利用旋转的机械装置使通过该装置的流体发生旋转运动，这类装置包 括旋转导叶、旋转格栅和旋转管
四、旋转射流
4. 工业燃烧中常用的旋流发生器
蜗壳式旋流发生器
径向导叶式旋流发生器
轴向导叶式旋流发生器
四、旋转射流
1. 旋转射流分类
1）自由旋转射流：
旋转气流离开旋流发生器后，喷向一个足够大的空间，由于不 受固体表面的限制而能够自由扩张，例如煤粉炉中旋流燃烧器 喷出的气流
2）半自由旋转流动：
旋转流动在外边界上不能自由扩张，如旋风炉
3）复合旋转射流：
各类射流与旋转射流的组合
四、旋转射流
1. 旋转射流分类
一、环形和共轴射流
1. 环形和共轴射流概念：
2. 存在外部回流及中心回流区。环形射流的中心具有一个反向的回流区。对共轴射流而言， 在中心射流和环形射流的交界面的尾迹中也存在着这样一个回流区。回流区的尺寸和回流 速度对着火的稳定性以及中心射流和环形射流间的混合速度都有较大影响。
二、有限射流
1. 概念：喷入有限空间的射流称为有限射流。 2. 流动特性：射流外边界与有限空间的器壁存在回流区。
工程燃烧学工程燃烧学19
2、电火花或电弧点火
利用两电级空隙间放电产生火花，使这部分混合可燃物温度升高，产生着火。 它比较简单易行，但由于能量比较小，故其使用范围有一定限制。
3、火焰点火
火焰点火是先用其他方法将燃烧室中易燃的混合可燃物点燃，形成一股稳定 的火焰，并以它作为热源去点燃较难着火的混合可燃物。
对可燃物来说，在T2温度下，炽热体附近的 可燃物进行较剧烈的化学反应，所放出的 热量向周围扩散，使可燃物温度的下降的 趋势得以制止，使温度水平提高到和曲线2 一样。
这时处于着火的临界状态，温度T2一般称为 临界点燃温度。
着火状态
稍微提高炽热温度至T3，则炽热 物体周围可燃物的放热量大于其 散热量，着火过程不可避免地出 现，在离开炽热体后，可燃物因 着火使温度不断提高，如曲线2所 示。
由此可见：要实现强迫着火的临界条件为：在炽热物体附近可燃物的温度梯度等 于零，即：
dT dx
x0 0
点燃后：
dT dx
x0 0
二、工程中常用点燃方法
工程上较常用的点火方法有以下几类：
1. 炽热物体点火 2、电火花或电弧点火 3、火焰点火
1、炽热物体点火
常用金属板、柱、丝或球等作为电阻，通以电流使其炽热；
一、强迫着火条件
燃烧技术中，为了加速和稳定着火，往往由外界对局部的可燃混合物进 行加热，并使之着火。之后，火焰便自发传播到整个可燃混合物中，这 种使燃料着火的方法称为强迫着火。
设有一个点火物体放置于充满气体的容器中（温度为T0），其强迫着火过程可分为 以下大类：
低温氧化 状态临界状态 Nhomakorabea着火状态
低温氧化状态
工程燃烧学工程燃烧学23
• 在火焰前锋厚度的很大一部分区域 ，化学 反应速度很小，这部分称为可燃混合物的 “预热区”。化学反应主要集中在很窄的区 域 中，在这个区域内反应速度、温度和活 化中心的浓度都达到了最大值。称为“化学 反应区”，也称为火焰前锋的“化学宽度”。
一、层流火焰焰锋结构
• 如果在本生灯直管内的预混可燃气体流动为层流，则在管口处可得到稳定的正锥形火焰前锋。 在如果层流火焰在管道内传播，则焰锋呈抛物线形；若在管内的层流预混可燃气流中安装火 焰稳定器，则会形成锥形焰锋。
• 层流中的火焰前锋形状是多种多样的。但在火焰锋面的两侧必然是未燃的预混可燃混合物气 体和已燃的烟气，在很薄的焰锋面内进行着剧烈的燃烧化学反应和强烈的两类气体混合。四、Fra bibliotek流火焰传播速度
燃料
氢 乙炔 乙烯 甲烷 苯 丙烯
理论空 气量
Lo （kg/kg）
34.5 13.25 14.8 17.23 13.3 14.8
燃料体积浓度（%）
化学 当量 29.5 7.75 6.56 9.5 2.73 4.47
着火 下限 4.0 2.5 2.7 5 1.4 2.0
着火 上限 75 81 34 15 7.1 11
着火限时过量空 气系数
下限
上限
10.1
0.14
3.57
0.18
2.51
1.35
1.98
0.39
1.96
0.36
2.28
0.37
火焰传播 对应于
速度 vLmax （cm/s）
vLmax体积 浓度（%）
《工程燃烧学》课件
生物质燃烧技术
生物质成型燃料、生物质气化 等技术。
趋势展望
未来燃烧技术的发展将更加注 重环保、能效和智能化。
燃烧设备的能效与环保性能
能效评价
燃烧设备的能效主要通过热效率、燃烧效率 等指标进行评价。
能效改进措施
采用高效燃烧器、优化燃烧工况等措施提高 能效。
环保性能评价
主要通过污染物排放水平进行评价，如烟尘 、二氧化硫、氮氧化物等。
燃烧污染控制政策与标准
政策制定
政府制定相关政策，限制 燃烧污染物的排放，推动 清洁能源的发展。
标准制定
制定严格的燃烧污染物排 放标准，要求企业达标排 放，对不达标的企业进行 处罚。
监督与执行
政府相关部门对燃烧污染 控制进行监督和执法，确 保相关政策和标准得到有 效执行。
06
工程燃烧学的应用与发展
工程燃烧学在其他领域的应用
工业生产过程
在工业生产过程中，许多工艺流程涉及到燃 烧过程，如冶金、陶瓷、玻璃等行业的熔炼 、烧成过程。通过应用工程燃烧学原理，可 以提高产品质量和降低能耗。
航空航天领域
在航空航天领域，燃烧学原理的应用对于推 进系统的性能至关重要。火箭发动机、航空 燃气涡轮发动机等设备的优化设计都需要借
区域传播的速度。
火焰稳定性
03
火焰稳定性是指火焰在各种条件下都能保持稳定燃烧的能力，
包括燃料供应、气流速度、温度和压力等因素的影响。
03
燃料及其燃烧特性
燃料的种类与特性
燃料分类
根据来源和化学组成，燃料可分 为化石燃料、生物质燃料和核燃 料等。
特性描述
每种燃料有其独特的物理和化学 性质，如密度、热值、含硫量等 ，这些性质影响其燃烧特性和环 境影响。
工程燃烧学
工程燃烧学一、名词解释1.工业窑炉：是对物料进行加热的设备，加热的目的是改变物料的物理、化学和机械性质，使物料表与加工成所需要的产品。
2.内燃机：是通过燃料在汽缸中燃烧产生高温燃气，并依靠燃气膨胀推动活塞往复运动而将燃烧时释放出来的热能转换为机械功的活塞式动力机械，是热效率最高的一种热机。
3.燃料：是用以生产热量或动力的可燃性物质，是常规能源的主要组成部分。
4.锅炉：是产生蒸汽或热水的热能动力设备，它由锅和炉两大部分组成。
5.燃料热值：又称发热量，是燃料分析的重要指标之一。
由于燃料的燃烧过程主要以获取大量的热量为目的，燃料的热值越高，其经济值也越大。
6.旋转射流：燃料气流或空气流在离开燃烧器喷口之前开始作旋转运动，那么在气流有喷口喷出后便会边旋转边向前运动，从而形成旋转射流。
7.雾化角：雾化角即为油雾化炬的张角。
8.喷雾射程：是指在某个给定的时间内，油喷嘴在喷射方向上喷出的油雾实际能够到达的平面，与有喷嘴喷口之间的距离。
9.介质雾化喷嘴：又称气动式雾化喷嘴，它的工作原理是利用空气或蒸汽作为雾化介质，将其压力能转换为高速气流，使液体燃料喷散为雾化炬。
10.链条炉：链条炉采用移动的链条炉排作为燃煤装置，加煤、清渣、除灰等主要操作均实现了机械化。
11.往复炉排炉：又称往复推动炉排，是利用炉排片的往复运动实现机械加煤、出灰操作的燃烧设备，按其结构形式不同可分为倾斜式往复炉排和水平式往复炉排。
12.抛煤机炉：是利用机械或风力将燃煤抛撒在炉排上以替代人工加煤的机械。
简答题1.燃烧的概念？答：工程燃烧过程是以获取大量的热量为目的，通过有效的人为控制而使燃料和氧化剂在某个确定的空间进行的强烈放热反应。
在组织燃烧过程之前，应该首先对燃料及其类型和燃烧性能有一个充分地认识。
2.燃料的组成？答：燃料的特性主要是指燃料的化学组成、发热能力及其主要的物理和化学性质，为了在工程实际中洁净、有效、合理地利用燃料，应该通过燃料的工业分析、元素分析、和成分分析，获得其化学组成和使用性质的基本数据。
工程燃烧学工程燃烧学40
k ks
碳的燃烧速度取决于氧气扩散速度； 称为扩散控制燃烧，又称扩散燃烧区。
k<<aks， 1/ aks →0，kzs≈ k ， wC=β k C∞,O2 扩散能力强，化学反应能力差；
温度较低时，碳燃烧速度取决于化学动力学因素；
称为动力控制燃烧，又称动力燃烧区。
三、碳粒表面燃烧的分区
k ≈ aks时，wC= β kzs C∞,O2
氧的消耗速度：
碳的燃烧速度：
折算反应速度常数：
kzs
1
1
1
wC kzsC,O2
k ks
三、碳粒表面燃烧的分区
2. 碳燃烧反应控制
k>>aks，1/k→0，kzs≈ aks，wC=βaks C∞,O2 反应温度很高时，化学反应能力很强；
1 kzs 1 1
wC kzsC,O2
Re>100时，Nu=0.7Re0.5
三、碳粒表面燃烧的分区
谢苗诺夫准则可以表达为：
从上式可以看出，影响Sm的因素包括以下几项：
火焰温度T
气流相对速度w
活化能E，频率因子k0煤的粒径d三、碳粒表面燃的分区火焰温度TT
, exp
E RT
, Sm
T
,
D
D0
T T0
m , Sm
总的趋势，Sm下降趋于扩散区
例如：粒径10mm时， T=1000℃进入扩散燃烧区 粒径0.1mm时，T=1700 ℃进入扩散燃烧区
kzs 1
1 1
wC kzsC,O2
k ks
化学反应能力与氧气的扩散能力处在同一数量级的情况下，燃烧速度介于 动力燃烧区和扩散燃烧区之间，称为过渡燃烧区。
在过渡燃烧区域的燃烧反应速度，将同时取决于化学反应速度和扩散速度， 两者的作用都不能忽略。
工程燃烧学
相对于收到基成分，干燥成分被放大了100/(100-War)倍，因此干燥成分/收到基成分＝100/(100-War)相对于收到基成分，可燃成分被放大了100/(100-War-Aar)倍，因此可燃成分/收到基成分＝100/(100-War-Aar)相对于干燥成分，可燃成分被放大了100/(100-Ad)倍，因此可燃成分/干燥成分＝100/(100-Ad)干馏，即把煤在隔离空气的情况下加热把煤加热到110oC，使水分蒸发，测出水分含量在隔绝空气下加热到850oC，测出挥发分含量然后通入空气使焦块全部燃烧，测出灰分和固定碳含量高位发热量：单位质量的煤完全燃烧后，燃烧烟气的温度降低至室温时放出的全部热量低位发热量：单位质量的煤完全燃烧时，所放出全部热量中去除烟气中水蒸气汽化热后的量煤的发热量测定3种方法氧弹量热计直接测定应用工业分析值计算应用元素分析值计算炭化程度高，比热减小通常，矿物质含量增高，比热降低温度变化，比热先增后降导热系数随炭化程度升高和温度升高而增大同一煤种，水分含量增大，导热系数增大粘结性：粉碎后的煤在隔绝空气的情况下加热到一定温度时，煤的颗粒相互粘结形成焦块的性质焦结性：指在工业炼焦条件下，一种煤或几种煤混合后的粘结性，也就是煤能炼出冶金焦炭的性质实验室中用坩埚法测定粘结性，干馏后按外形分八个等级，称为粘结序数1粉状—焦炭残留物均为粉末2黏着—残留物粘着，手轻压成粉末3弱黏着—残留物粘结，手轻压碎成小块4不熔融黏结—手指用力压裂成小块5不膨胀融化黏结—成浅平饼状，表面有银白色金属光泽6微膨胀熔融黏结—表面银白色金属光泽，表面有小气泡7膨胀熔融黏结—表面银白色金属光泽，高度不超过15mm8强膨胀熔融黏结—焦渣高度大于15mm汽油辛烷值的测定是以异辛烷和正庚烷为标准燃料进行配比，使其产生的爆震强度与试样相同，标准燃料中异辛烷所占的体积百分数就是试样的辛烷值。
辛烷值高，抗爆性好汽油抗爆能力的大小与化学组成有关。
工程燃烧学工程燃烧学5
2）氢：
可燃元素，是燃料中仅次于碳的可燃成分，煤中氢元素的含量一般为2%~10% 煤化程度越深的煤，其氢的含量就越少 发热量大，1kg氢完全燃烧后可放出120370kJ的热量 氢极易着火及燃烧，含氢量多的煤着火及燃尽都较容易
一、燃料的元素分析
3）氧：
不可燃的元素，以化合物状态存在 氧含量多，将减少燃料中可燃成分的含量，对燃料的燃烧不利 碳化程度越深的煤，其氧的含量就越少，如无烟煤中氧的含量仅为1%~2%，煤化程度
高位发热量
单位质量的燃料完全燃烧时放出的全部热量，包含烟气中水蒸气凝 结时放出的热量
低位发热量
单位质量的燃料完全燃烧时放出的全部热量中扣除水蒸气的汽化潜 热后所得的发热量
硫及硫酸盐硫。前两种硫均能燃烧释放出热量，合称为可燃硫，硫酸盐硫不能燃烧， 计入灰分 在煤中的含量很低，一般只有0.5%~4%，南方一些煤种有时可达10%。 对含硫量高的煤，在设计及运行时要采取脱硫措施，以减轻其不利影响。
燃料的元素分析方法 如煤的元素分析按照GB/T 31391-2015进行，其他燃料可参考执行。科学研究中可
一、燃料的元素分析
燃料的元素主要由C、H、O、N、S组成。
C
S
H
固/液
N
O
CO
…
H2
气
CO2
O2
CH4
一、燃料的元素分析
1）碳：
可燃元素，是燃料的主要成分，一般占燃料质量份额的15%~90%，煤中占20%~70% 煤化程度越深的煤，其固定碳的含量越多 碳的发热量大，1kg碳完全燃烧时可放出32866kJ的热量 纯碳的着火与燃烧很困难，煤中碳的含量越多，发热量就越大，但着火与稳定燃烧就越困难
采用专门仪器进行分析测试。
工程燃烧学工程燃烧学27
强化燃烧的方式
• 如果燃烧过程中的燃料初始浓度值不变，则加强通风速度，可使扩散 速度系数增大。因此，在扩散燃烧区域，要强化燃烧，就必须加大风 速，加强燃料与氧的扰动混合。
三、过渡燃烧控制区
• 当 mix ch 时，则整个燃烧时间等于扩散混合时间与化学反应时间之和,
• 即 mix ch ，这种情况称为过渡燃烧控制区。
τ
τch
τmix
强化燃烧的方式
• 在过渡燃烧控制区内，氧的扩散速度和燃料的化学反应速度较为接近， 即氧的扩散速度常数β与化学反应速度常数k值相比，哪一个都不能忽 略。
• 要强化这个区域的燃烧，提高温度和强化燃料与氧的扰动混合，同样 都是重要的措施。
小结
燃烧反应控制区间 动力燃烧控制区、扩散燃烧控制区和过渡燃烧控制区 控制区间强化燃烧的方式
τmix
动力燃烧区域发生在低温区，在动力燃烧控制区中，氧气浓度足够高，化学反应速度 较慢，燃烧反应速度决定于化学反应速度，可以认为与扩散速度无关。
强化燃烧的方式
• 根据阿累尼乌斯定律，反应速度常数k取决于温度，它随燃烧过程温度的升高而 增大得很快。因此，在动力燃烧区域，反应速度w将随温度T的升高而按指数关
系急剧地增大。
k k0eE RT
• 在此区域内，提高温度是强化燃烧反应的有效措施。
二、扩散燃烧控制区
• 当 mix ch 时，则整个燃烧时间近似等于扩散混合时间，即 mix ，这种情况可
称为扩散燃烧。
τ≈τmix
τch
τmix
• 燃烧过程的进展与化学动力因素关系不大，而主要取决于流体动力学的扩散混合因素。 也就是说，此时燃烧反应的温度已经很高，化学反应能力远大于扩散能力。
以碳粒的燃烧为例，其步骤如下： （1）氧扩散到碳表面； （2）扩散的氧被碳表面吸附； （3）碳与氧发生化学反应； （4）燃烧产物解吸附； （5）燃烧产物向外扩散。
工程燃烧学工程燃烧学30
3）一、二次风的合理配置 合理分配送入火焰根部一次风与中心风比例。一般将送入调风器的空气分成两部分。一部 分从喷嘴附近送入，首先与雾化气流混合，称为一次风；另一部分离喷嘴稍远处送入，称 为二次风。 燃油雾化气流的扩张角与空气射流的扩张角度应合理匹配。 采用旋转气流，使燃烧器出口附近形成大小适当的回流区，以利燃料的着火与燃烧。 加强风、油后期的混合。 维持低氧燃烧、提高风速、降低阻力以及尽量促使后期混合等，也都是重要的配风原则。
着火阶段
油雾与空气获取热 量迅速达到着火温 度以上，才能保持 稳定燃烧，这个热 量叫做着火热。
加强“油气”和 空气混合的措施
着火热的来源
一、提高燃烧器出口空气流速 二、加强燃烧器出口气流的燃动 三、送入一定量的一次风与油雾预先混合，乙
方油雾产生热裂现象
一、高温烟气和炉墙的辐射热
二、回流的高温烟气与混合物间的对流热
二、液体燃料燃烧特征
液体燃料的沸点低于着火温度，先蒸发后燃烧，总是燃烧其蒸汽； 燃烧过程分为三步：
1.蒸发
较慢
2.混合
油蒸汽与氧相互扩散，较快
3.燃烧
燃烧速度快
油燃烧速度取决于最慢的蒸发速度
液体燃烧只能在表面蒸发，并在离液滴表面一定距离的火焰面上燃烧，液体表面 无火焰，内部无火焰
液体燃料燃烧时，如果缺氧，会产生热分解。
防止或减轻热 分解措施
二、使雾化气流出口区域的温度适当降低，即使产 生热分解也能形成轻质碳氢化合物。
三、使雾化的液滴尽量细，达到迅速蒸发和扩散混 合，避免高温缺氧区的扩大。
(完整)工程燃烧学复习要点
思考题第一章绪论1、燃烧的定义（氧化学说）:燃烧一般是指某些物质在较高的温度下与氧气化合而发生激烈的氧化反应并释放大量热量的现象。
2、化石燃料燃烧的主要污染排放物?烟尘，硫氧化物，氮氧化物其次还有CO，CO2等其他污染物。
3、燃素学说；燃素学说认为火是火是由无数细小且活泼的微粒构成的物质实体,这种火的微粒即可愿意与其他元素结合而形成化合物也可以以游离的方式存在,大量游离的火的微粒聚集在一起就形成了明显的火焰，它弥散于大气之中变给人以热的感觉，由这种火微粒构成的火的元素便是燃素。
第二章燃料1.什么叫燃料？它应具备哪些基本要求?是指在燃烧过程中能释放出大量热量,该热量又能经济、有效地应用于生产和生活中的物质.物质作为燃料的条件:（1)能在燃烧时释放出大量热量；（2）能方便且很好的燃烧；（3）自然界蕴藏量丰富,易于开采且价格低廉；（4）燃烧产物对人类、自然界、环境危害小2.化石燃料主要包括那些燃料？（煤，石油，天然气）3.燃料分类方法？燃料按物态分类及其典型代表燃料（1 固体燃料(煤炭）2 液体燃料（石油、酒精）2气体燃料（天然气、氢气）4.燃料的组成，固液体燃料的元素组成都有那些? 固体燃料是各种有机化合物的混合物。
混合物的元素组成为：C、H、O、N、S、A、M 液体燃料是由多种碳氢化合物混合而成的。
其元素组成亦为：C、H、O、N、S、A、M5.气体燃料的主要组成成分有哪些？气体燃料是由若干单一可燃与不可燃气体组成的混合物：CO、H2、CH4、CnHm、CO2、N2、H2O、 O2等。
6.燃料分析有几种,分别是什么？（1）工业分析组成（测定燃料中水分（M）、挥发分（V）灰分（A)和固定碳（FC)等4种组分的含量）。
;（2) 元素分析组成（用化学分析的方法测定燃料中主要化学元素组分碳(C)、氢（H）、氮（N）、硫（S）和氧（O) 以及灰分（A）和水分(M）的含量）；（3）成分分析组成（化学分析方法测定气体燃料各组分的体积或质量百分比）7.燃料的可燃与不可燃部分各包含哪些主要成分?可燃成分：（碳（最主要的可燃元素，氢（发热值最高的可燃元素)硫(有机硫、黄铁矿硫:可燃烧释放出热量，合称为可燃硫或挥发硫。
工程燃烧学工程燃烧学6
Rw=560/t+650/T1max+0.27w1max
6）煤的燃尽特性指数RJ：
煤的燃尽特性指数RJ同样由热天平测定，但除燃烧 特性曲线外，还需要煤焦燃尽曲线。
RJ=10/(Aa+Bb+Cc+Dd)
RJ
＜2.5 2.5~3 3~4.4 4.4~5.29 ≥5.29
着火难易程度
极难燃尽煤种 难燃尽煤种 中等燃尽煤种 易燃尽煤种 极易燃尽煤种
5）煤的着火稳定性指数Rw：
t ——着火温度，℃ w1max——易燃峰的最大燃烧速率，mg/min T1max ——易燃峰的最大燃烧速率所对应的温度， ℃
Rw ≤4.02 4.02~4.67 4.67~5 5~5.59 ≥5.59
着火难易程度
极难着火煤种 难着火煤种 中等着火煤种 易着火煤种 极易着火煤种
2）燃料比：
煤的工业分析成分中固定碳（FC）与干燥无灰基挥发分（Vdaf）的 比值，表明燃煤着火和燃尽的难易程度，燃料比越大，着火就越 困难，也越难以燃尽
3）反应指数：
指煤样在氧气流中加热，使其温升速度达到15℃/min时所需要的 加热温度，反应指数越大，煤越难着火和燃烧
4）煤的燃烧特性曲线：
TG曲线反应样品质量随时间的变化 DTG曲线反映了式样燃烧过程中的质量变化率随时间或温度的变化规律 DTG的峰值代表燃烧失重速率的最大值
某烟煤据煤的煤化程度，以干燥无灰基挥发分Vdaf作为分类指标，将所有煤分为褐煤、烟煤、 无烟煤。
煤种 挥发分Vdaf
褐煤 40~60
烟煤 20~40
贫煤 10~20
无烟煤 <10
无烟煤：
表面呈明亮的金属光泽，挥发分含量低，一般<10%，且挥发分析出的温度较高，着火 困难，不易燃尽
工程燃烧学工程燃烧学20
二、链锁反应理论中的灭火分析
根据链锁反应着火理论，要使已着火的系统灭火，必须使系统中的自由基增长 速度小于自由基的销毁速度。可采取以下措施：
• 降低系统温度，以减慢自由基增长速度 • 增加自由基在固相器壁的销毁速度 • 增加自由基在气相中的销毁速度
三、灭火方式
• 任何物质发生燃烧，都有一个由未燃状态转向燃烧状态的过程。这一过程的发生必须同时具备三个 条件，即可燃物、氧化剂、着火源。通常又称为燃烧三要素。
• 灭火的原理就是使燃烧三要素不相互发生作用，其方法主要有隔离法、窒息法、冷却法、抑制法等。
1）隔离法 2）窒熄法 3）冷却法 4）抑制法
常用的灭火剂
灭火剂：能够有效破坏燃烧条件， 终止燃烧的物质。
气体灭火剂（七氟丙烷）
液体灭火剂（水）
固体灭火剂（干粉）
• 按形态，有气体灭火剂、液体灭火剂和固体灭火剂。 • 按种类，有水灭火剂，泡沫灭火剂、干粉灭火剂、卤代烷灭火剂、二氧化碳灭火剂、烟雾灭火剂。
3）降低系统混气浓度
保持环境温度T0和散热条件不变，为使系统灭 火，降低系统中混气的浓度C0。由放热公式 可知，放热速度Q1 将变小，放热曲线将下移。 降低混气浓度至C2，使散热曲线与放热曲线 相切于E点时，便实现了系统灭火。
• 综上所述，在热着火理论中，要想使已经着火的系统灭火，必须采取以下措施： 降低系统氧气或可燃气体的浓度；降低系统环境温度；改善系统散热条件。
一、热自燃理论中的灭火机理
1）降低环境温度T0
环境温度为从T3至T2至T1时，均不能灭火。 环境温度降至T0 时，E点是个不稳定点，由 于散热速度大于放热速度，系统会自动降温 至E’， E’是低温缓慢氧化态，即系统灭火。
工程燃烧学工程燃烧学15
• 温度对反应速度的影响最为显著。
• 温度主要影响的是反应速率常数k。
van’t Hoff
• 范特霍夫(van’t Hoff)规则：反应温度每升高10℃，反应速率大约增加2-4倍，
这是一个近似的经验规则；
0
kt 10 kt
2~4
一、温度对化学反应速度的影响
• 由式可知，反应速度随温度的升高而升高，并呈指数关系。例如温度升高100 K，则燃烧速度 随之增加210~410倍。也就是说，当温度做算术级数增加时，反应速度将做几何级数增加。由 此可见温度对化学反应速度的影响之大。
E ln k RT ln k0
lnk -E/R
1/T
按照式以lnk~1/T作图，
可得到一条直线，
直线的斜率为-E/R， 由此可求出物质的活化能E。
一、温度对化学反应速度的影响
不是所有的反应都遵循以上定律：
（a）一般化学反应 （b）酶反应 （c）某些碳氢化合物的氧化 （d）合成NO2反应
二、活化能的影响
E
k k0e RT
• 阿累尼乌斯公式：活化能E的大小反映了反应进行的难易程度，活化能 E越小，反应越容易；也反映了温度对反应速率常数的影响的大小。
• E值较大时，温度升高，k值的增大就很显著；反之，就不显著。
二、活化能的影响
• 例：两个化学反应，活化能分别为83.68 kJ/mol和167.36 kJ/mol，当温度由500 K增加到 1000 K时，若不计频率因子的变化，则活化能低的反应速率增加了4×104倍，活化能高的 反应速率增加了3×108倍。
• 范特霍夫规则是一个近似的经验规则。它只能决定各种化学反应中大部分反应的速度随温度 变化的数量级。对于不需要精确的数据或者缺少完整数据的时候，尚不失为一种估计温度对 反应速度常数影响的方法。
工程燃烧学工程燃烧学34
qm
dr r2
qm
c pg
4
1 rl
1 rf
ln
1
cpg g Qlg
Tf Tl
再来求火焰锋面所在球面的半径 rf。假设火焰锋面之外有一半径为r的球面。氧气从远处通 过球面向内扩散的数量，必然等于火焰锋面上所消耗的氧量，因而也等于汽油流量 乘以化
学反应方程式中氧与油的当量比 β,即：
2.液滴群扩散燃烧
周围介质温度低或雾化颗粒较粗时，在燃烧区的每个液滴周围有薄层火焰包围，在火焰面 内是燃料蒸气和燃烧反应产物，火焰面外是空气和燃烧反应产物，液滴的燃料蒸气各自供 给其周围的火焰，并和氧气相互扩散混合进行燃烧反应。
此时燃烧与蒸发几乎同步进行，形成滴群的扩散燃烧。此时反应动力学因素影响不大，蒸 发过程的快慢控制着燃烧过程的进程。
设有半径为r的球面，通过该球面向内传导的热量；必然等于油在油滴表面汽化以后，流
到这个球面上并使温度升高所需要的总热量，即
4 r2
dT dr
qm
c pg
T
Tl Qlg
将上式改写，然后自油滴表面（rl和Tl）到火焰锋面（rf和Tf）积分:
Tf 4
Tl
c pg
dT T Tl
Qlg
rf rl
液滴群燃烧的三种物理模型：
预蒸发式燃烧 液滴群扩散燃烧
复合式燃烧
1.预蒸发型燃烧
燃料液滴进入火焰区前已全部蒸发完，燃烧完全在无蒸发的气相区中进行，这种燃烧情况与气 体燃料的燃烧机理相同，液滴蒸发对火焰长度的影响不大。
这种燃烧情况相当于雾化液滴很细，周围介质温度高或雾化喷嘴与火焰稳定区间距离长。
3.复合燃烧
介于预蒸发型燃烧和滴群扩散燃烧之间的一种情况。 如较为常见的喷雾液滴燃烧，由于喷出的液雾中的液滴大小不均匀，其中较小的液滴容易蒸
工程燃烧学
来分析煤的成分，挥发分的质量分数以V来表示，不可燃烧的成分是 灰分，其质量分数以A表示，固定碳的质量分数以FC表示。工业分析 的结果由M,V,A和FC组成，M+V+A+FC=100。 2）常用的四种基准 煤的四种常用基准有收到基、空干基、干燥基、干燥无灰基。 实验室中实际分析工作所得到的是空干基成分，然后再根据水分含 量等不同而换算成其他基德成分。（加） 1.1.4 煤的使用性质 为了合理使用煤、选择恰当的燃烧装置及制定燃烧操作规程， 除了煤的化学组成外，必须了解煤的使用特性 煤的工业分析是在规定条件下将煤样进行加热和干燥，测出煤 中水分、灰分、挥发分和固定碳四种成分所占的质量分数，此外还 包括煤的发热量、灰熔点的测定和剩余焦炭特征的鉴定。
1.外在水分（也叫做湿分或机械附着水），是指煤在开采、运输、 贮存和选洗过程中带进的水分，它们不被燃料燃料吸收而是机械的 附着在燃料表面上。外在水分易于蒸发，与大气温度有关，变化很 大。 2.内在水分，是指达到风干状态后燃料中残留的水分，它包括 被燃料吸收并均匀分布在可燃质中的化学吸附水和存在于煤中的矿 物质中的矿物结晶水。内在水分不易蒸发，只有在高温分解师才能 除去。通常在做分析计算和评价燃料时所说的水分就是指的这部分 水分 1.1.3 煤的成分表示方法及其换算 1）煤的成分表示方法 煤的成分表示方法通常用各组分的质量分数来表示。对煤的化学分 析分为元素分析及工业分析。煤的元素分析是煤的固有成分测定， 可按公式C+H+O+N+S+A+M=100来计算。工业分析是按煤的燃烧过程
第一章 燃料
• 本章从固体燃料、液体燃料和气体燃料三个方面入手，介绍了三 种燃料的特点和使用性能。
1.1 固体燃料
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二、介质雾化喷嘴（气动式雾化喷嘴）
蒸汽作为介质，可以在雾化同时降低油的粘度，进入喷 嘴的燃油粘度较高时，仍能保证雾化质量，
空气作为介质时，空气压力低，雾化质量较差。
低压喷嘴（3x103~1x104Pa） 高压喷嘴（1x105Pa以上）
1. 低压空气雾化喷嘴
采用鼓风机供给的空气作为雾化介质，喷嘴前风压 低，一般为(5.0~10.0) ×103Pa，高的可达12.0×103Pa。
以平均直径表示雾化细度，工程上两种表示方法：
（1）中间直径法（d50或dMMD） 液雾中大于或小于这一直径的两部分液滴的总质量相等。
（2）索太尔平均直径法（dSMD） 假设油滴群中每个油滴直径相等时，按照所测得的所有油
滴的总体积V与总表面积S计算出的油滴直径，故又称体面积
平均直径。
d SMD
Nidi3 Nidi2
（2）雾化方法
机械式雾化 燃油在高压下通过雾化片的特殊机械结构将燃油雾化，
通过喷油嘴喷出。直流式、离心式和转杯式。 介质式雾化
靠附加的雾化介质（蒸气或压缩空气）的能量来雾化。 根据其压力的不同，分为高压雾化、中压雾化和低压雾化。 组合雾化
两种雾化方式有机结合起来。
6.2.2 雾化性能及评定指标
（1）雾化过程
雾化过程：
燃油从喷嘴喷出时形成液 流，由于初始湍流状态和 空气对油流的作用，使油 流表面发生波动，在外力 作用下，油流开始变为薄 膜并被碎裂成细油滴。
已分裂出的油滴在气体介质中还 会继续再分裂。油滴在飞行过程 中，受外力（油压形成的推进力、 空气阻力和重力）和内力（内摩 擦力和表面张力）作用，只要外 力大于内力，油滴便会产生分裂。 直到最后内力和外力达到平衡， 油粒不再破碎。
2. 离心式雾化油喷嘴
特点： 油压要求较高，一般应达2.0-3.5MPa。 调节范围很小 适用于热负荷变化不大的燃烧装置，或
利用临时关闭或打开某个油喷嘴来调节 热负荷。
徐州燃烧控制研究院油枪部分参数 油压：1.2-5.0MPa 燃油种类：轻油、重油 出力：100-4500Kg/H 雾化粒度：50-150μm 雾化角：60-100° 调节比：1:2
油滴的蒸发时间 蒸发速度常数
t
d
2 0
d
2 B
k1
k1
8
ln[1
B cp rf
cp f
(T
TB )]
2、油滴与介质之间存在相对速度（Re≠0）
油滴的蒸发时间
t
d02
d
2 B
k2
Sc 施密特准则
D
蒸发速度常数
k2 k1(1 0.3Sc0.33 Re0.5 )
油滴蒸发的直径平方-直线定律说明，在给定了温 差（T-TB）之后，蒸发时间只是油滴初始直径d0平方的函 数。
Ni——直径为di的油滴数。
雾化均匀度 雾化均匀度是指燃料雾化后液滴群颗粒尺寸的均匀程
度，即为液滴群中众颗粒大小相差的悬殊性程度。 一般可用粒数分布曲线和质量分布曲线表示。
n，雾化均匀性指数
四、流量密度分布
单位时间内通过与燃料喷射方向相垂直的单位截面 上燃油质量沿半径的分布规律。
对燃烧过程的影响： 分布较好的油雾能将油雾滴分散到整个燃烧空间，并
型号标注： XYQ-1 □ □
1简单式，2回油式 可摆动注R，否则不注
徐州燃烧控制研究院油枪
1为 机械雾化
3. 回油式机械雾化油喷嘴
提高了机械雾化油喷嘴的流量调节性能，稳定其 在低负荷时的雾化质量。
供油压力不变的情 况下可利用改变回油量 的方法调节热负荷（喷 油量）。
回油式油喷嘴的调 节比可达4左右，可应 用于热负荷变化较大的 燃烧室。
雾化介质的消耗量应为燃烧所需空气量的 50%以上。
比例调节式油烧嘴 (R形烧嘴)
原理： 根据负荷按比例
调节空气量和油量。
首选燃油品种重柴 油，也可选用一些重燃 料品种，但需加热。
用于热处理炉、 焙烧炉等小型炉。
低压空气雾化喷嘴的特点
优点 1. 运行费较低。 2. 燃料油与空气实观比例联动控制, 操作方便。
比外混式喷嘴用的雾化剂温度、 压力要高。
实际应用中喷嘴前的 雾化剂压力总是大于0. 3~0.5MPa , 混合室中 表压一般总在0.2~ 0.3MPa以上。
高压气体雾化喷嘴的特点
优点
雾化的冲击能量强, 雾化效果好； 结构简单、制造容易、材料与加工要求不高, 原始投资低。
缺点
雾化剂流速高, 喷口处高倍膨胀, 噪音较大； 雾化剂费用高, 日常运行费用高。
燃烧速度加快
易蒸发液体燃料（汽化器）
喉 部
流速大 进气管
吸入汽油
高速气流
边蒸发边流动 冲散油股
燃
小雾滴
烧 室
混合良好
燃烧
难蒸发液体燃料（油雾炬燃烧）
油雾边缘易混合 中心难混合。通过喷 嘴使油雾化，油的颗 粒不均匀，从几 m 到500 m。
大颗粒容易产生 大的烟粒与焦粒。
油雾炬——油雾化后形成颗粒群的轨迹轮廓
缺点 1. 雾化冲击力弱，烧油能力较小, 对燃料油的要求 高，雾化颗粒较粗。 2. 以空气作为雾化剂，空气的预热温度受到限制。
2. 高压气体雾化喷嘴
采用高压气体作为雾化介质。常用的雾化介质为 压缩空气(0. 3~0.7MPa)和水蒸气(0. 3~1. 2MPa)，也可 采用高压氧气或煤气等其他高压气体。
依其作用或结构类型可以分为外混式和内混式、纯高 压雾化喷嘴与高压雾化一机械雾化复合喷嘴；
适用于大型炉、负荷变动范围较宽的炉子、雾化质 量要求较高的炉子、燃料油品质恶劣的炉子。
1）外混式气体雾化喷嘴 旋流叶片
工作压力： 0.2~0.25MPa
2) 内混式高压雾化喷嘴
混合室
燃料油能得到多次雾化作用。
雾化炬特性： l 、雾化粒度大小均匀, 粒度小(40~50微米)。 2、雾化炬的张角较大（60~80度）。 3、流量密度合理。
旋转着的空心圆锥体+负压带
4. Y型雾化喷嘴
雾化剂压力常用 0.6~1.4MPa。 燃料油压0.5~2.0MPa。
与机械雾化器相 比，运行汽压大 大降低，系统可 靠性好。
用于锅炉、冶金炉、食品和药用工业。
滴，其直径为
d
(d
2 0
k1 )0.5
油滴体积为
V
6
(d 2
k1 )1.5
n，均匀性指数
雾化均匀度较差的油雾，在其蒸发的初始阶段 蒸发速度较快，在蒸发60%体积后，蒸发速度 变慢，蒸发所需时间较长；
第六章 液体燃料的燃烧
6.1 液体燃料燃烧方式 6.2 液体燃料的雾化过程及装置 6.3 液体燃料的蒸发及燃烧过程 6.4 配风原理及装置 6.5 液体燃料雾化燃烧的组织及布置
6.1 液体燃料燃烧方式
液体燃料范围
石油炼制加工所得到的产品，如汽油、柴油、煤油、 重油等。△
化学法由煤、油页岩或天然气等提炼或合成的燃料。 煤液化制取的合成汽油、柴油、重油及甲醇。 化学合成法和发酵法制取的乙醇燃料。 化工废液和造纸黑液等。
评定液体燃料雾化器雾化性能及质量的主要指标：
流量特性 调节比 雾化角 雾化细度及均匀度 流量密度分布 射程 气耗率
一、流量特性
流量特性指的是油喷嘴单位时间内喷油量随油压变化的规
律。相应的关系曲线称为流量特性曲线。
二、雾化角
出口雾化角 喷嘴出口处作雾化炬外边界的切线得到的锥角。
条件雾化角x 喷嘴出口中心为圆心，设定轴向长度x为半径画的圆弧
加热Biblioteka 气体 高温烟气 管道燃烧
适合黏度高、沸点不高的轻质液体燃料
(4)雾化燃烧
利用雾化器将液体燃料破碎雾化为大量直径为几 微米到几百微米的小液滴，悬浮在空气中边蒸发边燃 烧。
表面积增加了上千倍，有利于液体燃料迅速有效 地燃烧。工程实际中主要的液体燃料燃烧方式。
雾化器
破碎 液体
小液滴
悬浮
边蒸发边燃烧
燃料的蒸发表面积增加 上千倍
3. 组合式雾化喷嘴（高压雾化-机械雾化 复合式）
两种类型喷嘴的 复合物。燃料油的雾 化, 一方面依靠雾化剂 对燃料油的冲击作用, 另一方面也依靠将燃 料油所具有的压力能 转化为动能。
转杯式油喷嘴
用于中小型锅炉 和窑炉等装置的 燃烧设备。
特点： 一次风通过导流叶片后旋转，方向与油滴飞出方 向相反，剪切作用可提高雾化效果。 一次风旋转速度高于油粒旋转速度，火焰中不会 有油粒分离。 一次风的风量对油的二次雾化过程影响很大，一般 15~20%。 调节比可达5左右，结构紧凑, 油耗、动力消耗和污染小, 操作和维护方便。
只能在表面蒸发，并在离液滴表面一定距离的 火 焰面上燃烧，液体表面、内部都无火焰。
和空气混合前存在蒸发气化过程，油滴在此过程 中如果处于高温缺氧状态，将发生热裂解。
C m H n 缺氧 x C y H 2 C m x H n 2 y
液体燃料燃烧形式分类
燃烧方式
液面燃烧 灯芯燃烧 蒸发燃烧 雾化燃烧
与雾化炬边界相交，圆心与两交点连线的夹角。
对火焰长短的影响： 大——张角大，火焰短粗 小——张角小，火焰细长
雾化角的选择： 根据燃烧室的尺寸和燃料与空气的
混合条件来合理选择。 大型燃烧室中，90~120° 小尺寸燃烧室中，50~80°
三、雾化细度和均匀度
雾化细度
指燃油雾化后形成的雾化炬中油滴的粗细程度，表征油 喷嘴雾化性能及质量最主要的指标之一。
6.3 液体燃料的蒸发及燃烧
6.3.1 油滴的蒸发
1. 单个油滴的蒸发
1、油滴温度↑，与周围介质温差↓，传热量↓ 2、油滴温度↑，表面蒸发速度↑， 油滴吸收的蒸发潜热 ↑
某一温度下达到平衡状态，油滴得到 的热量=蒸发所需热量