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《高等燃烧学》习题集与解答

第一章绪论

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、燃烧的本质是什么？它有哪些特征？举例说明这些特征。

答：燃烧的本质是一种氧化还原反应。它的特征是：放热、发光、发烟并伴有火焰。

3、如何正确理解燃烧的条件？根据燃烧条件，可以提出哪些防火和灭火方法？

答：可燃物、助燃物和点火原始燃烧的三要素，要发生燃烧，可燃物和助燃物要有一定的数量和浓度，点火源要有一定的温度和足够的热量。根据燃烧的条件，可以提出一下防火和灭火的方法：

防火方法：a、控制可燃物；b、隔绝空气；c、清除点火源

灭火方法：a、隔离法；b、窒息法；c、冷却法；d、抑制法

4、我国目前能源与环境的现状怎样？电力市场的现状如何？如何看待燃烧科学的发展前景？

答：我国目前能源环境现状：

一、能源丰富而人均消费量少

我国能源虽然丰富，但是分布不均匀，煤炭资源60%以上在华北，水力资源70%以上在西南，而工业和人口集中的南方八省一市能源缺乏。虽然在生产方面，自解放后，能源开发的增长速度也是比较快，但由于我国人口众多，且人口增长快，造成我国人均能源消费量水平低下，仅为每人每年0.9吨标准煤，而1 吨标准煤的能量大概可以把400吨水从常温加热至沸腾。

二、能源构成以煤为主，燃煤严重污染环境

从目前状况看，煤炭仍然在我国一次能源构成中占70%以上，成为我国主要的能源，煤炭在我国城市的能源构成中所占的比例是相当大的。

以煤为主的能源构成以及62％的燃煤在陈旧的设备和炉灶中沿用落后的技术被直接燃烧使用，成为我国大气污染严重的主要根源。据历年的资料估算，燃煤排放的主要大气污染物，如粉尘、二氧化硫、氮氧化物、一硫化碳等，对我国城市的大气污染的危害已十分突出：污染严重、尤其是降尘量大；污染冬天比夏天严重；我国南方烧的高硫煤产生了另一种污染——酸雨；能源的利用率低增加了煤的消耗量。

三、农村能源供应短缺

我国农村的能源消耗，主要包括两方面，即农民生活和农业生产的耗能。我国农村人口多，

能源需求量大，但农村所用电量仅占总发电量的14%左右。而作为农村主要燃料的农作物桔杆，除去饲料和工业原料的消耗，剩下供农民作燃料的就不多了。即使加上供应农民生活用的煤炭，以及砍伐薪柴，拣拾干畜粪等，也还不能满足对能源的需求。

电力市场现状：

2008年10月份，中国电力工业出现4.65％的负增长，为十年来首次出现单月负增长。11月，部分省市用电增幅同比下降超过30％。在煤价大幅上涨和需求下滑的影响下，目前火电企业亏损面超过90％，预计全年火电全行业亏损将超过700亿元。

2009年，走过今年“寒冬”的电力行业将机遇与挑战并存，挑战大于机遇。受整个经济下滑的影响，“过剩”的尴尬将继续显现。

电价矛盾将更加突出。今年以来，国家制定的煤电价格联动政策迟迟无法实施，导致发电企业亏损不断累积，电价矛盾日益尖锐。面对明年经济形势的复杂情况，电力销售价格能否适时调整，具有很大的不确定性。

结构调整有望借势“提速”。明年宽松的用电环境正好为中国电力结构调整腾出了时间和空间。面对今年的大变局，国内发电企业将从跑马圈地式的快速扩张，转向注重效益的发展模式。

燃烧科学的发展前景：

燃烧学是一门正在发展中的学科。能源、航空航天、环境工程和火灾防治等方面都提出了许多有待解决的重大问题，诸如高强度燃烧、低品位燃料燃烧、煤浆(油-煤，水-煤，油-水-煤等)燃烧、流化床燃烧、催化燃烧，渗流燃烧、燃烧污染物排放和控制、火灾起因和防止等。

我国的能源现状也决定了必须大力的发展燃烧学科。燃烧学的进一步发展将与湍流理论、多相流体力学、辐射传热学和复杂反应的化学动力学等学科的发展相互渗透、相互促进。

第二章燃烧化学基础

1、标准生成焓、生成焓的定义？反应焓的定义及计算方法？燃料发热量（热值）与燃烧焓、反应焓的关系？

答：生成焓定义：化合物的构成元素（最稳定的单质）经化合反应生成1mol该化合物的焓的增量。标准生成焓：是化合物的构成元素在标准状态下（298K,0.1MPa），经化合反应生成1mol该化合物的焓的增量。在特定的温度压力下（等温等压）进行的反应，反应物与产物具有相同的t,p，则产物与生成物间的焓值之差为该反应的反应焓。如果化合物不是由元素直接反应的生成物，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。

发热量与反应焓、燃烧焓大小相等，符号相反。

2、什么是热着火？什么是链式着火？其区别是什么？热着火需要满足的条件是什么？化学链着火需要满足的条件是什么？

答：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。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。热着火过程与链式着火过程区别是：热着火通常比链式着火过程强烈得多。热着火过程：温度升高引发的，将使得系统中整体的分子动能增加，超过活化能的活化分子数按指数规律增加。导致 燃烧反应自动加速。链式着火过程：主要是活化中心局部增加并加速繁殖引起的，由于活化中心会被销毁，所以链式着火通常局限在活化中心的繁殖速率大于销毁速率的区域，而不引起整个系统的温度大幅度增加，形成“冷焰”。但是，如果活化中心能够在整个系统内加速繁殖并引起系统能量的整体增加，就形成爆炸。

3、自燃着火和强迫着火的区别是什么？

答：强迫着火和热自燃在本质上没有多大的差别，但在着火方式上则存在较大的差别。热自燃时，整个可燃物质的温度较高，反应和着火在可燃物质的整个空间内进行。而强迫着火时，可燃物质的温度较低，只有很少一部分可燃物质受到高温点火源的加热而反应，而在可燃物质的大部分空间内，其化学反应速率等于零。强迫着火时着火是在局部地区首先发生的，然后火焰向可燃物质所在其他地区传播。

与热自燃过程类似，强迫着火过程也有着火温度、着火孕育期和着火界限。但是强迫过程还有一个更重要的参数，即点火源尺寸。影响强迫着火过程上述参数的因素除了可燃物质的化学性质、浓度、温度和压力外，还有点燃方法、点火能和可燃物质的流动性质等，而且后者的影响更为显著。一般来说，强迫着火温度比热自燃温度高。

4、实现强迫着火的临界条件是什么？

答：强迫着火的临界条件是：图为炽热物体边界层内的温度分布。

W2T 即为临界点燃温度。要实现强迫着火的临界条件为：在炽热物体壁面处可燃物的温度梯度等于零，即：W

0d dT x ??= ??? 当着火发生以后，出现()W /dx 0dT >的情况。

5、什么叫做链式反应？它是怎样分类的？链反应一般可以分为几个阶段？

答：链式反应是一种在反应过程中含有自由原子或自由基等活化物质的特殊反应，如果 通过某一种方式（如光照射等)将其引发，便相继发生一系列的链锁反应，使反应一环扣一环的不断进行下去。

链式反应分为不分支链反应（或直链反应）和分支链反应两类。

链式反应一般分为链的激发（引发）、链的传递和链的断裂（中断）三个阶段。

第三章 燃烧物理学基础

1、自由射流积分（动量守恒）条件、热焓差和浓度差守恒条件的物理意义是什么？

答：自由射流动量守恒是指沿射流的轴线方向，在任意断面上，以射流的速度w 与速度w2之差（w-w2）计算的动量是一个不变的常数。其值恒等于出口断面上的以出口速度w1与射流的速度w2之差计算的射流初始动量。

同动量守恒条件相似可以得出，沿轴线方向上，任意断面上的热焓差和浓度差都是不变的常数，且恒等于出口断面上的射流与伴随流之间的热焓差和浓度差。

2、把热射流射入冷空间中，和把冷射流射入热空间中，射流的轴线速度、温度差和浓度差衰减的情况有何区别？这对工程燃烧的二次风参数的选取有何指导意义？

答：（1）把热射流射入冷空间中时，射流的轴线速度、温度差和浓度差衰减都很快，因为 θ的值较大。而且随θ值增大，三者衰减速度均明显加快。

（2）把冷射流射入热空间时，很明显θ值相对（1）中要小，所以此时射流的轴线速度、 温度差和浓度差衰减都很慢，而且随θ值减小，衰减更慢。

（3）从这个方面讲，组织锅炉内气流流动时，应用θ值低一些的一次风，从而保证较慢 的衰减速度，有足够的扰动范围，以保证气流流动。而从燃烧供氧的角度讲应用θ值高一些的一次风，以加强湍流混合和传质，有利于燃烧。

3、一台燃天然气的工业锅炉，运行时烟气中的氧的摩尔分数为3%。求解运行的空燃比和当量比。天然气按甲烷来处理

解：已知: 03.02=O x ，04.16=fuel W ，85.28=air W ；求: (A/F)、φ

先假定完全燃烧条件下，建立完全燃烧方程来获得空燃比，所谓的完全燃烧

是指所有的碳全部形成二氧化碳，氢形成水：

CH 4+a(O 2+3.76N 2)→CO 2+2H 2O+bO 2+3.76aN 2

其中a 和b 可用氧原子的守恒来建立方程.

2a=2+2+2b →b=a-2

从摩尔分数的定义有：

a

a 76.41203.0+-=

a=2.368

空燃比为：

()3.20176.4/===fuel air fuel air fuel air W W a W W n n F A 当量空燃比为：

()1.1704.1685.28276.4/=??=

st F A 当量比为：

()()84.03.201.17//==

=F A F A st φ 3、一个小型的低污染排放的地面燃气轮机，在满负荷下运行（3950kw ），此时的当量比为0.286，空气流量为15.9kg/s 。等效燃料（天然气）成分为C 1.16H 4.32，求：燃料的质量流率及其运行的空燃比。

解：已知：286.0=φ，

85.28=air W ，s kg m air /9.15=，286.18008.132.401.1216.1=?+?=fuel W 求：fuel m 和（A/F ）

按定义：24.24/32.416.14/=+=+=y x a

()82.16286.1885.2824.276.476.4/=?==fuel air st W W a

F A ()()8.58286

.082.16//===φst

F A F A ()s kg s kg F A m m air fuel /27.08

.58/9.15/=== 4、计算CH 4和空气混合物在化学当量下的定压绝热燃烧温度。压力为1atm ，初始温度为298K 。

a

a a

b b n n x tot O O 76.41276.32122+-=+++==

解：假设：1.反应完全燃烧，燃烧产物仅为CO 2，H 2O ，N 2

2.假设产物的比热为常数，用在1200K ，其中T ad 先估计为2100K

CH 4+2(O 2+3.76N 2)→1CO 2+2H 2O+7.52N 2

12=CO N ，22=O H N ，52.72=N N

查表得生成焓和1200K 时的比热：

m o l k c a l h ch f /8.174,-=，mol kcal h co f /942,-=，mol kcal h o h f /8.572,-=

K m o l c a l

c p c o -=/466.132，K mol cal c o ph -=/444.102，K mol cal c pn -=/060.82 4,4ch f CH reac h N h ?=

())298(2222222,22,2-??+?+?+?+?=ad pn n o ph o h pco co o h f o h co f co prod T c N c N c N h N h N h

令prod reac h h =

得：K T ad 7.2317=

第四章 燃料

1、燃料的化学成分有那些？以及各个成分的性质是什么？

答：无论是固体燃料、液体燃料还是气体燃料，他们的主要组成都是多种碳氢化合物。从元素分析的角度来看，燃料主要组分是C 、H 、O 、N 、S 以及水分和灰分。

碳（C ）。碳是常用燃料中主要的可燃元素，一般占煤成分的20%~70%。碳元素包括煤受热分解时产生的挥发分中的碳和固定碳。碳化程度越深的煤，固定碳的含量也越高。由于固定碳的燃点很高，含碳量越高的煤，其着火燃尽也越困难。

氢（H ）。氢是燃料中热值高且有利于燃烧的元素。约为3%~5%，且均以化合物的状态存在。氢含量的多少，直接影响煤的热值、着火和燃尽。

氧（O ）。氧在各种煤中的含量差别很大。随着煤的地质年龄的增长，煤中的氧不断分解逸出，气含氧量逐渐降低。氧使煤中的可燃碳及可燃氢的含量相对减少，从而降低煤的热值。

氮（N ）。氮是燃料中的惰性元素，一般情况下不参与燃烧过程。燃料发生燃烧反应后，氮以游离状态随着燃烧烟气排出燃烧设备。燃料中的氮含量一般都不高，如煤中的氮含量通常仅为0.5%~2.5%。

硫（S ）。各种燃料中均含有一定量的硫，但不同种类的燃料中硫含量与硫的存在状态差别较大。煤中的硫一般以三种形式存在，即有有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫。

灰分（A ）。灰分是指燃料中所有可燃物质完全燃烧而燃料所含的矿物质在燃烧过程中经历一系列分解、化合等复杂反映后所剩余的残渣。灰分是煤中的有害杂质，煤中的灰分含量高，则可燃质相对减少，这不仅降低了煤的热值，而且影响煤的着火和燃尽程度。

水分（M ）。各种煤的水分含量差别较大。水分是燃料中不可燃的有害组分，它的存在降

低了燃料中的可燃质的含量。

2、燃料气的热扩散系数、燃料的发热量、化学反应速度、气体的密度、气体的压力、可燃气体的初温、锋面形状等因素如何影响层流火焰传播速度的？

答：燃料气的热扩散系数增大、燃料的发热量增大、化学反应速度增大、气体的密度减小、可燃气体初温越大，层流火焰传播速度都会增大。层流火焰传播速度与压力的1/2*(n-2)次方成正比。火焰锋面凹，层流火焰传播速度增大，火焰锋面凸散热增多，层流火焰传播速度减小。

3、煤的种类有那些？分别有什么特点？

答：煤是由植物残骸经过复杂的生物化学作用和物理化学作用转变而成的。根据母体物质碳化程度的不同，可将煤分成泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四大类。

泥炭。在使用性能上，泥炭的挥发分含量高，可燃性好，含硫量低，机械性能差，灰熔点很低，泥炭的工业应用价值不大，也不适宜于远途运输，主要用作小型锅炉燃料或气化原料。

褐煤。褐煤是泥炭在地热和压力作用下进行炭化所生成的煤。与泥炭相比，褐煤的密度较大，含碳量相对增加，水分和挥发分均减少，在使用性能上，褐煤黏性弱，极易氧化和自燃，吸水性较强。在空气中极易风化和破碎，褐煤不适宜于远途运输和长期储存，一般可作为地方性燃料在产区附近使用。

烟煤。烟煤是褐煤进一步碳化而转变成的煤种。与褐煤相比，烟煤的挥发分减少，吸水性较小，含氧量减少，含碳量增高，且具有较强的黏结性。

无烟煤。无烟煤表现上有黑色光泽，均匀而无明显的分层。与烟煤相比，无烟煤密度较大，含碳量更高，而挥发分较少。在使用性能上，无烟煤组织致密而坚硬，吸水性小，适合于远途运输和长期储存。

4、煤热解的试验方法有哪些？

答：煤的热解的试验方法有两大类，静态样品法和连续流动法。前者煤样是静止的，后者煤样为连续进料和出料。

静态样品法包括：固定床法，金属网栅加热法以及热天平法。热天平法由于其精度高，容易规范，目前受到了极大的重视，采用热天平通过计算可以得到热解反应的动力学参数。

连续流动法包括：流化床热解法、机械搅拌法、气体夹带煤粉通过加热的反应器法、自由沉降反应器法、等离子高速加热煤粉法等。

应该指出的是，在研究煤的热解特性时，煤是在各种不同的加热速率、气氛、压力等条件下得到的，热解产物必须和工业分析测定的挥发分含量加以区别，因为后者仅仅是一种简便标准。

第五章 气体燃料燃烧

1、如何定义扩散燃烧和动力燃烧？

答：一般来说，气体燃料燃烧所需的全部时间由两部分组成，即气体燃料与空气混合所需的时间mix τ和燃料氧化的化学反应时间ch τ。如果不考虑这两种过程在时间上的重叠，整个

燃烧过程所需时间为

mix ch τττ=+

燃料与空气的混合有分子扩散及湍流扩散两种方式，因此燃料与空气混合的时间可写成 1

11mix M

T

τττ=+

式中，M τ、T τ是分子扩散、湍流扩散时间。 当mix ch ττ<<时，则整个燃烧时间即可近似地等于氧化反应时间，即ch ττ≈。这种燃烧称为化学动力燃烧或动力燃烧。预混可燃气体的燃烧属于动力燃烧。动力燃烧过程将强烈地受到化学反应动力学因素的控制。反之，当mix ch ττ>>时，则整个燃烧时间近似等于扩散混合时间，即mix ττ≈。这种情况可称为扩散燃烧或燃烧在扩散区进行，此时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

2、什么是扩散火焰？什么是预混火焰？

答：扩散火焰：燃料和氧化剂边混合边燃烧，这时由于扩散作用对燃烧起控制作用，又称 扩散火焰。

预混火焰：燃料和氧化剂预先混合好，这时化学动力学因素对燃烧起控制作用，亦称动力 燃烧。

3、什么是离焰、吹熄、脱火和回火？

答： 离焰：若火焰脱离喷口，悬举在喷口上方，但不熄灭。

吹熄：发生离焰时，火焰虽不立即熄灭，但此时火焰将吸人更多的二次空气，使悬举的火焰中燃气浓度降低。若可燃混合气流速继续增大，火焰则会出现吹熄现象。

脱火：若火焰脱离喷口并熄灭，这种现象称为脱火。显然，脱火主要是由于喷口出口气流速度过高而引起的，故又常称为吹脱。

相反，当w 减小到一定值时，火焰面也无法继续保持稳定。此时，火焰将缩人燃烧器喷口内，在喷口内燃烧，这种现象称为回火。

燃烧器在工作时，不允许发生离焰、吹熄、脱火或回火问题。吹熄和脱火将造成燃气在