【清华大学 燃烧学】燃烧理论_2燃烧与热化学补煤
大学燃烧学第二章燃料课件
§2－1 煤
煤的种类及化学组成 煤的分析 煤的使用性质 煤水桨 煤的气化
煤的类及化学组成
煤的形成与种类
煤是由植物经过物理和化学的演变和沉积 而成的、棕色至黑色的可燃烧的固体。
植物质的 堆积阶段 菌解作 用阶段 碳化作 用阶段
在煤化过程的不同阶段，把煤分成：泥煤、 褐煤、烟煤及无烟煤。
N S
氧和氮都是不可燃成分。氧和碳、氢等结合生成氧化物而使碳、氢失 叫做可燃氢，它可以有效地放出热量。另一种是和氧 S： 氢失去燃烧的可能性。可燃物质中碳含量越高，氧含 去燃烧的可能性。可燃物质中碳含量越高，氧含量越少。氮一般不能参加 结合在一起的，叫化合氢，它不能放出热量，在计算 燃烧，但在高温燃烧区中和氧形成的NOx是一种排气污染物，煤中含氮约 三种存在形式：有机硫，黄铁矿硫，硫酸盐。硫酸盐中 量越少。氮一般不能参加燃烧，但在高温燃烧区中和 发热量和理论空气量时，以有效氢为准。 0.5~2%。 氧形成的NO 是一种排气污染物，煤中含氮约0.5~2%。 的硫不能燃烧，它是灰分的一部分；有机硫和黄铁矿硫
煤的化学组成
煤是由极其复杂的有机化合物组成的。主 要的化学成分有：
C、H、O、N、S、 A （灰分）及W（水分）
可燃质
惰性质
元素 C
描述
可燃元素，煤化程度越高含碳量越大。完全燃烧时生成二氧化碳，此 时每千克纯碳可放出32866 kJ热量；不完全燃烧时生成一氧化碳，此时每 千克纯碳放出的热量仅为9270kJ
煤的种类
泥煤
特点
质地疏松，吸水性强。含氧量最高，含碳、 硫较低。挥发分高，可燃性好，反应性高，灰分 熔点很低 密度较大，含碳量较高，氢、氧含量较少， 挥发性相对低些。粘结性弱，极易氧化和自燃， 吸水性较强，在空气中易风化和破碎
燃烧学理论
一、燃烧素学物质燃烧现象是古代和近代化学的重要研究对象。
古代哲学家把火看作是宇宙的“本原”；炼金家和医药化学家则视火为构成万物的“要素”；化学一度被称为“火术”。
当时已知的化学反应大都周燃烧现象有关。
特别是到了十七世纪中叶以后，随着资本主义生产的发展，金属冶炼、燃烧及其它高温反应都迫切需要对燃烧现象作出理论上的解释，所以建立燃烧理论已成为整个化学发展的中心课题。
在这种形势下，首先出现了错误的燃素学说，并统治化学达百年之久。
随后由于气体化学的成就而被推翻，建立了科学的氧化学说，使化学第一次有了关于化学反应的理论。
至此化学不仅在元素概念和物质组成上，而且在化学反应上确立了科学体系，奠定了近代化学的最后基石。
(一)燃素学说的统治处于十七世纪中叶的化学，虽然波义耳已从理论上阐明了元素的概念，然而在实际上，人们还难以辨别究竟什么是元素；医药化学家的“三要素”说仍在起着作用，并为燃素学说的产生提供了思想基础。
1669年曾经随同波义耳研究过燃烧现象的德国化学家贝歇尔(J．J．Becher，1635—1682)提出了燃素学说的基本思想。
他在《土质物理学》一书中提到，气、水、土虽然都是元素，作用并不相同：气不能参加化学反应，水仅仅表现为一种确定的性质，而土才是造成化合物千差万别的根源。
他认为土有三类：油状土、流质土、石状土，分别相当于硫、汞、盐“三要素”。
他还认为一切可燃物均含有“硫”的“油状土”，并在燃烧过程中放出。
他依此来解释燃烧现象。
1703年，贝歇尔的学生(Scheele)斯塔尔对他的老师的思想加以补充和发展，提出了一个比较完整的燃烧理论，称之为燃素学说。
他认为，“油状土”并非是“硫要素”所代表的可燃性，而是一种实在的物质元素，即“油质元素”或“硫质元素”，他把这种元素命名为“燃素”。
据此他提出：一切可燃物均含有燃素，可燃物是由燃素和灰渣构成的化合物，燃烧时分解，放出燃素，留下灰渣。
燃素和灰渣结合又可复原为可燃物。
燃烧理论基础ppt课件
微波燃烧是一种新型的热工技术，利用微波电磁场与燃料 的相互作用产生热量，实现燃料的快速、高效燃烧。微波 燃烧具有低污染、高效率和节能等优点。
06
未来展望
清洁能源的发展
清洁能源
随着环境保护意识的提高，清洁能源的发展越来越受到重视。未来，化石燃料的使用将逐渐减少，取而代之的是 太阳能、风能、水能等可再生能源。
02
燃烧化学
燃烧反应方程
燃烧反应方程是表示燃烧过程中物质 变化和能量转换的数学表达式。它由 反应物和生成物的化学式及其相应的 反应系数组成，遵循质量守恒和能量 守恒定律。
燃烧反应方程可以用来表示燃料与氧 气或其他氧化剂反应生成二氧化碳、 水蒸气等产物的过程，如C + O2 → CO2 + H2O。
热工仪表
热工仪表用于监测和控制燃烧系统的运行状态，包括温度计、压力计、流量计、氧分析仪 等。这些仪表能够实时监测燃烧过程中的各种参数，如温度、压力、流量和含氧量等。
燃烧控制技术
01
空燃比控制
空燃比是燃料和空气的混合比例，合适的空燃比是保证燃烧效率和经济
性的关键。通过控制燃料和空气的流量，可以调节空燃比，使燃烧过程
燃烧温度
01
燃烧温度是指燃烧过程中火焰或 反应区的温度，它与燃料的种类 、空气的供给、燃烧方式等因素 有关。
02
燃烧温度的高低直接影响到燃烧 产物的组成和燃烧效率，过高或 过低的温度都不利于燃烧过程的 进行。
燃烧产物
燃烧产物是指燃料在燃烧过程中产生 的气体、烟尘和灰渣等物质，它们由 燃料中的可燃元素转化而来。
可持续发展的重要性
资源节约
可持续发展强调资源的合理利用和节约，通过提高能源利用效率和减少浪费，实现经济、 社会和环境的协调发展。
《燃烧学讲义》课件
未来燃烧技术的发展趋势与挑战
发展趋势
未来燃烧技术的发展趋势包括进一步提高燃烧效率、 降低污染物排放、实现可再生能源的利用和智能化控 制等。
挑战
未来燃烧技术的发展面临诸多挑战，如技术瓶颈、经 济成本、政策法规和环保要求等。需要加强科技创新 和政策引导，推动燃烧技术的可持续发展。
感谢您的观看
THANKS
03
燃料电池可应用于汽车、船舶、航空航天、电力系统和备用电
源等领域。
生物质能燃烧技术及应用
生物质燃烧技术
生物质燃烧技术是将生物质转化为热能和电能的一种方式，具有高 效、环保、可再生的特点。
生物质燃烧设备
生物质燃烧设备包括生物质锅炉、生物质焚烧炉和生物质热电机组 等。
生物质燃烧应用
生物质燃烧可用于供热、发电和工业生产等领域，是实现可再生能源 利用的重要途径之一。
02
燃烧的基本原理
燃烧化学反应机理
01
燃烧化学反应机理是研究燃烧过 程中化学反应如何进行的机制。 它涉及到反应物分子间的相互作 用以及反应过程中的能量变化。
02
燃烧化学反应机理对于理解燃烧 过程、优化燃烧效率和减少污染 物排放具有重要意义。
燃烧反应动力学
燃烧反应动力学是研究燃烧过程中化 学反应速率以及影响反应速率的各种 因素的科学。
通过燃烧反应动力学的研究，可以了 解燃烧反应的快慢程度，进而优化燃 烧条件，提高燃烧效率。
燃烧热力学
燃烧热力学主要研究燃烧过程中能量的转化和物质的变化。 它涉及到燃烧过程中能量的释放、转移和利用。
燃烧热力学对于能源利用、环境保护和可持续发展具有重要 意义。
燃烧过程中的物质传递与热力学
燃烧过程中的物质传递与热力学涉及 到燃烧过程中物质和能量的传递与转 化过程。
《燃烧学讲义》课件
能量转化
燃烧反应中的能量转化过程，包 括焓变、内能变化等，解释能量 转化的关键概念。
平衡态与非平衡态
燃烧反应中的平衡态和非平衡态 的概念以及相互转化的条件和特 点。
爆炸理论
深入研究爆炸反应的机理和特性，包括爆轰波的传播、爆炸温度和压力等关键概念的介绍。
1
爆炸理论概述
简要介绍爆炸反应的基本原理和定义，
《燃烧学讲义》PPT课件
燃烧学是研究燃烧及相关现象的学科，涉及热力学、化学动力学、流体力学 等多个领域。本课件将带你深入了解燃烧学的基础知识和应用。
燃烧学介绍
详细介绍燃烧学的概念、研究对象以及与其他学科的关系，帮助大家理解燃烧学的重要性和应用 价值。
研究领域广泛
燃烧学涵盖化学、物理、力学等多个学科领域，与许多实际问题密切相关。
预混火焰
探讨预混火焰的形成和特性， 分析混合气浓度对火焰传播速 度的影响。
燃烧极限
介绍燃烧极限概念和测定方法， 以及燃料和氧气浓度对燃烧的 影响。
火焰传递和统计理论
研究火焰的传递规律和统计性质，探讨火焰在不同条件下的行为和特点。
1 火焰传播机制
解释火焰传播的基本机制和影响因素，从微观和宏观层面进行讨论。
燃烧反应机理
了解不同物质的燃烧反应机理，对于安全控制、能源利用等方面都有重要意义。
燃烧产品分析
通过燃烧产物分析，可以得到有关燃料的详细信息，对环境保护和排放控制有重要作用。
热力学基础知识
介绍燃烧反应过程中涉及的热力学基本概念和定律，为后续的研究和理解提供必要的理论基础。
熵的概念
深入探讨熵的含义和作用，解释 燃烧过程中熵变的重要性。
爆轰波的形成
2
为后续的内容打下基础。
清华大学锅炉燃烧技术介绍
清华大学锅炉燃烧技术介绍清华大学热能工程研究所，以及以本研究所为依托建立的“煤的清洁燃烧技术国家重点实验室”和“煤的清洁燃烧技术国家工程研究中心”，几十年来一直从事煤的清洁、高效燃烧技术的研究、技术开发以及新技术的推广应用工作，积累有丰富的研究成果和实践经验。
我所对煤粉燃烧器的科研与应用工作开始于80年代初，是国内最早开展此项工作、成果最丰富、研究力量最强的单位，因此国家决定将“煤的清洁燃烧技术国家重点实验室”和“煤的清洁燃烧技术国家工程研究中心”两个国家级的机构设在我所。
学术带头人徐旭常院士提出的煤粉燃烧“三高区”原理，在国内外享有非常高的评价，他十几年前发明的船体燃烧器性能优越，获得广泛应用，在国内相关行业内几乎无人不知。
一、低NOx煤粉燃烧器的设计原理按照NOx产生的机理，燃煤锅炉排放的NOx主要来自于三个方面，分别称之为燃料型NOx、热力型NOx和即时型NOx。
对于某一特定的燃煤锅炉，NOx 的实际排放量与煤种、煤的燃烧方式和煤燃烧过程的具体技术参数密切相关，以下简单介绍固态排渣煤粉锅炉低NOx煤粉燃烧器(以旋流为主)的设计原理。
固态排渣煤粉锅炉排放的NOx主要来源是燃料型NOx，其数量通常占锅炉NOx排放总量的90%以上。
热力型NOx是燃料中的氮在高温下与氧气发生化学反应生成的产物，对于一定煤种，其生成量主要取决于煤粉燃烧时的温度和氧量，温度和氧量越高NOx的生成量也就越大。
对于此类锅炉，若能够设法破坏NOx 的生成条件，或者设法将已经生成的NOx“破坏”掉，就可以达到降低NOx的目的，这就是低NOx燃烧器的设计思想。
对于固态排渣煤粉锅炉低NOx燃烧器，国内外已有十多年的研究和应用历史，积累了大量经验，技术已基本成熟，目前正在实际应用中不断完善。
具体实用技术包括空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、烟气再循环技术等。
（一）、早期低NOx燃烧器技术特征：●直流、旋流相结合：直流一次风。
●空气分级燃烧，两级旋流二次风。
煤的燃烧理论ppt课件
强迫对流条件下碳粒燃烧速率 的分析方法
• 在实际的燃烧过程中，煤焦（碳粒）往往是
处于对流的环境之中，此时，碳粒燃烧速率
的计算就无法在球对称条件下进行分析，在
自然对流条件下，球形颗粒燃煤的情形，采
用边界层近似假设及边界层厚设比颗粒半径
小得多的假设，建立方程后采用的是数值的
求解方法，在强迫对流条件下球形颗粒燃烧
2-58
Sn 19-4250 10-825
.
40
.
41
有CO空间反应时碳球燃烧速率 的计算
• 存在有二次反应时碳燃烧速率的计算是 十分复杂的，考虑到二次反应结果是CO2 被C还原成CO，而一次反应本身也会产生 CO，如果我们已能确定所产生CO的总数 量，则对燃烧产生的影响主要是这些CO 在碳球附近空间燃烧形成一个包复火焰 的影响。
.
42
- 0.11
0.2-4 0.132
- 3.016
P2O3 (%)
-
-
褐煤 6-40 4-26 1-34 0.0- 12.4- 2.8- 0.2-28 0.1- 8.3- -
0.8 52 14
1.3 32
.
63
B煤灰中痕量元素的范围（PPm
，以灰分为基础）
元素 无烟煤 Ag 1
高挥发份烟 低挥发份烟煤
• 由于挥发物能够在较低的温度下析出和燃烧，使煤粒周
围温度迅速提高，为煤焦的着火与燃烧创造了极为有利
的条件。在挥发物析出过程。使煤焦膨胀。增大了内部
孔隙及外都反应表面积。有如上述，也有利于提高煤焦
的燃烧速度。挥发物是煤中可燃物的一部分，挥发物的
燃烧也是煤的一部份的燃烧，而这一切都有利于整个燃
料燃烧速度的提高。但是，另一方面，因为挥发物在煤
燃烧基本理论PPT课件
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4．实验室研究情况
分析挥发分含量，它是按我国标准规定，将干燥 的煤样放在有盖坩埚内，在900±10℃的马弗炉中 加热7min，煤样所失去的重量。
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2． 煤粉的着火特性
以煤着火机理研究、煤粉的着火特性实验研究及评 判为主要内容
煤粉着火机理的研究已有长达一个多世纪的历程， 其中一个主要的争论是,煤的着火是均相还是非均 相的。
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
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其他影响因素
燃烧速度不仅与边界层扩散有关，而且与氧在孔 内的扩散有关。
孔内扩散系数与焦的孔隙结构密切相关。 煤中矿物组成及含量对煤焦燃烧反应也具有影响。
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傅维标的研究
原因是：在前人处理数据中，将化学因素及物理因素引起对炭粒着火的 影响都归入E、Ko,c 中。其次，在用着火温度来确定反应动力学参数时， 许多研究者常以观察到火焰出现或者炭粒发光作为着火的标志，但此刻 与理论上定义的着火时刻相距较远，所以导致误差也较大。
E应是颗粒表面温度的函数，由煤焦与氧的化学特性决定，而与煤质无 关；
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三、 煤粒着火过程及着火动力学
1．着火的定义 任何燃料的燃烧过程，都有“着火”及“燃烧”两个
阶段，由缓慢的氧化反应转变为剧烈的氧化反应（即 燃烧）的瞬间叫着火，转变时的最低温度叫着火温度。 Essenhigh指出 临界着火的情况下，有的点 dT dt 0, d 2T d 2t 0 出现
燃烧理论PPT课件
采用粒子图像测速(PIV)、粒子跟踪测速(PTV)技术和激光多普勒 (LDV)技术准确测量缸内气体运动规律。
相位多普勒粒径PDA(PDPA)技术和激光散射粒径(LDSA)测量技术能 测量出喷雾粒径大小和分布规律。
laser induced fluorescence (PLIF)平面激光诱导荧光成像
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（9） 20世纪90年代以来：大型商用模拟计 算程序：Star－CD、KIVA、 Fluent等的出 现， 推动了燃烧理论、排放控制理论的进 一步发展。燃烧学在深度和广度上都有了飞 跃的发展。
出用连续介质力学方法研究燃烧基本现象。
2019/6/27
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（7）计算燃烧学（20世纪70年代）：斯波尔丁(Spalding)系统地 把计算流体力学的方法用于有燃烧现象的边界层流动、回流流动及 旋流流动，建立了燃烧问题的数值计算方法，并逐渐形成了计算燃 烧学。斯波尔丁和哈洛:继承普朗特，雷诺和周培源等的工作，将 “湍流模型方法”引入了燃烧学的研究，提出了湍流燃烧模型。
为相关专业学习提供基础知工程性强涉及面广内容丰富注意理论与实际结合202112738燃烧理论燃烧理论课程内容课程内容燃烧物理学基础燃料多组分气体基本参量分子疏运定律及三传比拟多组分反应流体的守恒方程新型燃烧技术与节能减排设计2021127391717参考书目参考书目3高等燃烧学岑可法等浙江大学出版社2002124燃烧学第2版严传俊范玮等西北工业大学出版社20087
1.1能源的概念与分类
燃烧：燃烧是一种发光发热的剧烈的化学反应。燃烧是一种重要的 能源转化形式。
《燃烧学》习题
《燃烧学》习题第一章燃烧的化学基础习题1.解释下列基本概念:(1)燃烧(2)火灾(3)烟(4)热容(5)生成热(6)标准燃烧热(7)热值(8)低热值2.燃烧的本质是什么?它有哪些特征?举例说明这些特征.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?5.物质浓度、体系温度和反应活化对反应速度速率有何影响?6.燃烧反应速度方程是如何得出的?在该方程中，KOS(KOS’)和ES是否有直接的物理意义?为什么?8.举例说明燃烧产物(包指烟)有哪些毒害作用?其危害性主要体现在哪几个方面?9.试求出在p＝1atm、T=273K下，1公斤苯(C6H6)完全燃烧所需要的理论空气量。
10.已知木材的组成为:C-46%、H-6.0%、O-37.0%、N-2.0%、W-9.0%，问在p＝1atm、T=273K下木材完全燃烧产物体积是多少?11.木材的组成为C-48%、H-5%、O-40%、N-2%、W-5%.试求在1.5atm、30℃的条件下燃烧5kg 这种木材的实际需要空气体积、实际产物体积和产物密度。
(空气消耗系数数取1.5)l2.已知煤气成分为:C2H4-48%、H2-37.2%、CH4-26.7%、C3H6-1.3%、CO-4.6%、CO2-10.7%、N2-12.7%、02-2.0%，假定P=1atm、T=273K、空气处于干燥状态，问燃烧1m3煤气(1)理论空气量是多少m3？(2)各种燃烧产物是多少m3?(3)总燃烧产物是多少m3?l3.焦炉煤气的组成为:CH4-22.5%、H2-57%、C2H2-3.7%、CO–6.8%、CO2-2.3%、N2-4.7%、H20-3.0%，(体积百分数.在1.2atm、25℃的条件下燃烧3m3的这种煤气，实际需要空气体积、实际产物体积和产物密度分别是多少?(空气消耗系数取1.2)14.试求燃烧lkg甲醇、乙醇和丙醇的混合物(混合质量比为56:30:20)的理论需要空气味积.15.什么叫做恒压热容、恒容热容?什么叫做平均热容?16.在常压下1000Kg甲烷由260℃开温至538℃所需的热量QP是多少？17.已知某可燃物燃烧后的产物组成为：CO2-9%、N2-67%、H20-22%、O2-2%.试分别精确计算和粗略计算4m3的这种产物从0℃上升导1727℃所需要的热量.18.试求甲醇在25℃条件下的标准燃烧热.19.试用气相苯乙烯(C6H5C2H6)的标准燃烧热求它的标准生成热。
《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。
燃烧理论及应用PPT课件
一、闪燃与闪点
闪燃意义 ➢ 闪燃是可燃液体发生着火的前奏，从防火的观点来说，
闪燃就是危险的警告，闪点是衡量可燃液体火灾危险性的 重要依据。因此，研究可燃液体火灾危险性时，闪燃现象 是必须掌握的一种燃烧类型。
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一、闪燃与闪点
闪点分级 ➢ 甲类液体：闪点小于28℃的液体。（如原油、汽油等） ➢ 乙类液体：闪点大于或等于28℃但小于60℃的液体。（
➢ 燃烧素学说认为，某种物体之所以能燃烧是因为其 中含有一种燃烧素，燃烧时，燃烧素就从物体内逸出。
➢ 例如，蜡烛的燃烧。 ➢ 燃烧素学说在解释什么是燃烧素时，认为火是由无
数细小活跃的微粒构成的物质实体，由这种火微粒构成 的火的元素就是燃烧素，物质如果不含有燃烧素则不能 燃烧。
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二、燃烧的氧学说
【学习目标】
1、了解着火理论 2、掌握闪燃与闪点、自燃与自燃点、着火与着火点 3、熟悉最小点火能量和消焰距离、物质的燃烧历程、燃烧
产物
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目录
一 着火理论 二 燃烧的类型
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第一节 着火理论
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一、燃烧素学说
基本内容
➢ 18世纪以前，欧洲盛行燃烧素学说(亦称燃素学说)， 对当时化学界的影响很大。
基本内容
➢ 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，其浓度为C(kg/m3)，容器的壁温为T0(K)，
容器内的可燃气体混合物正以速度u(kg/m3﹒s)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
可燃物质或助燃物质先吸收能量而离解为游 离基，与其他分子相互作用发生一系列连锁反应， 将燃烧热释放出来，直至全部物质燃烧完或由于 中途受到抑制而停止燃烧。
【清华大学 燃烧学】燃烧理论_4化学动力学
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反应物与时间：一级反应
• 对一级反应，浓度可 以由的反应中给定的 时间来确定
• 对数函数
• [A]t = 在t时刻组分A的 浓度， M • [A]o =组分A的初始浓 度 (t=0), M • k =一级速度常数, 1/时 间
• t = 时间
综合的速度规律
自然对数形式:
ln
At A
kt
o
以10为底的对数:
4
概述
• 化学反应速率控制燃烧速率 • 化学速率决定污染物的形成与分解. • 点火与熄火与化学过程密切相关 • 基元反应及其化学动力学是物理化学的一个特定的领域. • 从反应物到产物的详细化学路径的定义 • 测量或计算它们相应的速率. • 构建计算机模型来模拟反应系统.
5
•基本化学动力学概念 (本章) •与燃烧相关的重要化学机理 (5) •化学过程与热力学模型的联立 (6) •流体力学、化学、热力学方程(7)
食物变质 药物分解
8
化学反应与时间的联系
• 讨论化学反应的动能学（energetics）.
•2A B
化合反应.
• 这个反应需要多长时间来进行?
9
化学动力学
• 动力学是研究化学反应的速率的，速率是指随时间变化 的过程
Rate change in concentration change in time
Rate B 1 A 1 C
t 2 t 3 t
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瞬时速度的定义
• 反应物的消耗速度是-d[R]/dt • 产物的形成速度是 d[P]/dt
12
平均速度
• 从图中看，平均速度是连接两点的斜率，为正值
[A], M
Disappearance of A With Time
最新burning 高等燃烧学讲义 清华大学课件PPT课件
t( Y s) x j( Y sv j) x j(D Y x s j) w s
ddY st xj (DY xsj)ws
2.4 动量守恒方程
vi
d dV t v i V V S v V V ( p x ijj sF s) iV ddtVviV V[t(vi)xj(vjvi)]V
M/Ms(MsYs/Ms)1
（2）三种速度和三种物质流
• v ——混合气相对于实验室坐标系的速 度
• vS——s组分相对于实验室坐标系的速度 • VS——s组分相对于混合气的运动速度，
即由于分子不规则运动引起的扩散漂移 速度 • VS = vS – v
三种速度和三种物质流（续）
vg svsgs SVsJs
Vxj
(vj)V
V[t xj (vj)]V d d tV S V 0 t x j( v j) S 0
2.2 连续方程
S 0 d d t0
t
x
j
(v
j)
0
x
j
(v
j)
v x
j j
v
j
x j
t
vj
x j
d dt
d dt
v x
j j
0
2.3 组分质量守恒方程(扩散方程) sYs
DI 1 DII 1
反应冻结流 反应平衡
燃烧的两种极限情况
DII 1 DII 1
扩散（控制的）燃 动力（控制的）燃
绝热燃烧温度
TmTQf/[1(L0)cp]
(1)
TmT0.2 3L0Qox/[1(L0)cp] (1)
第二章 多组分有反应流动基本方程
2-1 多组分有反应流体基本性质和关系式 （1）多组分完全气体混合物
燃烧理论第1章补充
第1章绪论1.1 引言火灾是国内外安全工作者特别关心的问题之一。
目前世界上每年都要发生各种情况的火灾，给社会经济、人民生命财产造成无法估量的损失。
燃烧学是研究火灾防治方法及技术的基础。
同时，燃烧在工业部门有着广泛的应用背景。
在世界总体能源结构中，以燃烧方式提供的能源所占比例高达80-85%。
燃烧技术不仅在冶金、电力、机械、化工、轻工、交通、农机等各生产领域得到了广泛的应用，而且还渗透到日常生活的各个方面（如抽烟、烧饭、汽车等等）。
对于航空、航天、兵器这些特殊的技术领域，更是完全建筑在以燃烧技术为核心的综合技术基础之上。
可以说没有燃烧就没有我们的现代文明。
强化燃烧、节约能源、防火灭火、防止污染这四大问题是当今燃烧技术发展最迫切、最热门的课题。
因此，燃烧学是安全工程专业及其它与燃烧过程有关专业的一门重要技术基础课。
学好本课程对知识面的拓宽及综合能力的培养有着极其重要的意义。
从化学观点看，在燃烧过程中，原来物质的分子结构遭到破坏，原子中的外层电子重新组合，经过一系列中间产物的变迁，最后产生了新的物质，即燃烧产物。
在化学反应中，总的位能降低了，即所谓化学能降低了。
这部分能量大都以热能和光能的形式释放出来，表观上形成了火焰。
从物理观点看，燃烧过程总是发生在物质流动系统中，这种流动可能是均相流也可能是多相流，流态可能是层流也可能是湍流；其次，燃烧现象总是在不均匀物质场条件下进行，多种物质组分间的混合、扩散在不断地进行着，甚至外界环境（如电磁场、重力场）对燃烧还会产生显著地影响。
因此燃烧是一种物理和化学的综合变化过程，是一个复杂的不断变化着的动态过程。
它是一门交叉学科。
学习燃烧理论既要求有化学热力学及化学反应动力学的一些基本知识，又需要对流体力学、传热与传质等学科的知识有一定的了解。
由于燃烧的复杂性，人们通常只按照自己的专业需要去研究燃烧中的某一方面的问题，例如：化学家-- 研究燃烧的反应机理、反应速度、反应程度、燃烧产物的生成机理等问题;热能工程师-- 研究锅炉等燃烧设备的设计，煤等燃料的燃烧技术及燃烧中的流体力学、传热、传质等热物理现象，燃烧设备的管理使用，燃烧能量的合理使用等；汽车发动机专家-- 研究内燃机的设计，汽油、柴油等燃料的间隙式燃烧技术及作功效率等；飞机发动机专家-- 研究航空发动机，航空燃料的稳态及非稳态燃烧技术及推进效率等；火箭发动机专家-- 研究火箭发动机，推进剂的稳态及非稳态燃烧技术及推进效率等；安全专家-- 研究火灾的防治，关心的是各种可燃物的着火、燃烧、爆炸及火焰熄灭等。
燃烧理论之燃烧与热化学
燃烧反应
• 燃烧过程中，一些化学键断开， 形成了新的键。
• 由于组分变化，对所有的物质要 定义一下标准参考状态（ standard reference state）
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甲烷燃烧为例
Exothermic
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氮与氧反应形成一氧化 氮的能量图
Endothermic
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一个标准状态的定义
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其他现象的‘解释’
电是两种称为“玻璃体” （vitreous）和 “树脂体” （resinous）的流动 磁是两种称为“ 南的”（austral）和 “北 的”（boreal）的流动
热是一种称为“热量”（caloric）的流 动
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热量
热的物体含有比冷物体更多的热量
加热一个物体涉及从外界向这个物体 的热量的流动
0.0267 C 0.08H 0 . 0 1 S0.01O
燃烧1kg液体燃料需要的理论空气量为：
L0
气体燃料所需的理论空气用量：
1 [0.5yH2 0.5yC O 0.21
1 (0.0267C 0.08H 0.01S 0.01O) 0.23
n (m )yC m H n 1.5yH2S y O2 ] 4
2 燃烧与热化学
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主要内容
• • • • • • • • • • • 总介 状态参数复习 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 一些应用的例子 煤燃烧的例子
4
热化学的重要性
ME：Thermo-fluid part
ChE: Transport Phenomena
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焦耳的实验
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3. 燃料组成对燃烧的影响
• 碳：可燃元素。1 kg纯碳完全燃烧时，放出32860 kJ的热量。当不 完全燃烧生成CO时，放出9268kJ的热量。纯碳起燃温度很高，燃 烧缓慢，火焰也短。煤中的碳不是单质状态存在，而是与氢、氮、 硫等组成有机化合物。煤形成的地质年代越长，其挥发性成分含 量越少，而含碳量则相对增加。例如，无烟煤含碳量约90%~98%， 一般煤的含碳量约50%~95%。
• 氢：是燃料中发热量最高的元素。固体燃料中氢的含量为2%~10%， 以碳氢化合物的形式存在，1 kg氢完全燃烧时能放出120500 kJ的热 量。
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3. 燃料组成对燃烧的影响
• 氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热量 • 氮：燃料中含氮量很少，一般为0.5%~1.5% • 硫：以三种形态存在：有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫。前两种
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4.煤的分类和组成
• 煤的工业分析（续）
• 固定碳 •失去水分和挥发分后的剩余部分（焦炭）放在
800 20 C的环境中灼烧到重量不再变化时，取出冷却。 焦炭所失去的重量为固定碳
• 灰分： • 从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分为固定
碳
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4.煤的分类和组成
• 煤中灰分的组成：
• 我国煤炭的平均灰分含量为25％ • 灰分的存在降低了煤的热值，也增加了烟尘污染和出渣量
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4.煤的分类和组成
• 煤的工业分析
• 水分：
• 一定重量13mm以下粒度的煤样，在干燥箱内318～323K
温度下干燥8h，取出冷却，称重
外部水分
• 将失去外部水分的煤样保持在375～380K下，约2h后， 称重 内部水分
• 挥发分： • 失去水分的试样密封在坩埚内，放在1200K的马弗炉中
加热7min，放入干燥箱中冷却至常温再称重
4.煤的分类和组成
• 煤的成分分析
• 工业分析（ proximate analysis ） • 测定煤中水分、挥发分、灰分和固定碳。估测
硫含量和热值，是评价工业用煤的主要指标。
• 元素分析（ ultimate analysis ） • 用化学分析的方法测定去掉外部水分的煤中主
要组分碳、氢、氮、硫和氧的含量。
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毛主席影响中国最为深远的十句话
1、一条千古不变的真理：“枪杆子里面出政权！” 在蒋介石背信弃义，背叛革命，毛泽东痛定思痛的在血的教训前得出的经验！ 2、最鼓舞人心的一句话：星星之火，可以燎原。 在当时复杂艰苦的环境下，经过科学的分析，这句话对革命来说，无疑是一针兴奋剂！ 3、最豪迈，最傲气的一句话：—切反动派都是纸老虎！ 不管是国民党的百万大军，还是美国的原子弹！或是后来的苏联百万大兵压境。又算得了什么呢？ 4、最谦虚的一句话：这只是万里长征的第一步！ 领导中国人民推翻三座大山，开创中华民族的新纪元。原来还只是万里长征的第一步！ 5、最震憾人心，最震憾世界的一句话：中国人民从此站起来了！ 不管在建国后所犯的错误或多或少，这个由带领无数仁人志士苦苦探索，追求，奋斗，实现的梦想，已足可奠定其在中国历 史上的位置！ 6、最正气凛然的一句话：人不犯我，我不犯人。 我们渴望和平，但我们从不害怕战争！我们不对任何无核国家威胁使用核武器，也不会首先使用核武器。能够并敢于说出这 句话的世界上只有中国。 7、最无奈又最具神秘性的一句话：天要下雨，娘要嫁人，由他去吧！ 8、最充满希望的一句话：你办事，我放心。 9、最有志气的一句话：自己动手，丰衣足食！ 10、令贪官们最为警醒的一句话：为人民服务。（面对大海）
能放出热量，称之为挥发硫。硫燃烧Байду номын сангаас成产物为SO2和SO3， 其中SO2占95%以上。
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3. 燃料组成对燃烧的影响
• 水分：水分的存在使燃料中可燃成分相对地减少。煤中水分 由表面水分（外部水分）和吸附水分（内部水分）组成。外 部水分可以靠自然干燥方法除去。内部水分要放在干燥箱中 加热到102~105 C，保持2h后才能除掉。
煤的计算
1. 试求1kg如下成分燃料燃烧时理论所必需的空气量： Car=37.2%, Har=2.6%, Sar=0.6%, Nar=0.4%, Oar=12%,Mar=40%,Aar=7.2%。还求过量空气系数为 1.2时燃烧产物的容积。
2. 试求40kg煤和60m3发生炉煤气的燃料混合物的燃烧 产物。煤的成分为Car=47.4%, Har=3.2%, Sar=2.5%, Nar=1.3%, Oar=9.7%, Mar=11.0%, Aar=24.9和煤气的成 分为H2S=1.2%, CO2=6.5%, CO=25%, H2=14.0%, CH4=2.2%, CmHn=0.3%, O2=0.2%, N2=50.5%
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第一节 燃料的性质
1. 燃料的分类
按获得方法分 按物态分
天然燃料
人工燃料
固体燃料
木柴、煤、油页岩 木炭、焦炭、煤粉等
液体燃料 气体燃料
石油 天然气
汽油、煤油、柴油、 重油
高炉煤气、发生炉煤 气、焦炉煤气
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2. 燃料的化学组成
典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分
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2. 燃料的化学组成
典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分（续）
3. 试求燃料的收到基成分。若已给出燃料成分为 Cdaf=85%,Hdaf=6%,Sdaf=4%,Odaf=5%,并已知收到基水 分Mar=18.6%,干燥基灰分Ad=30%。还要求这种燃料 的发热量，再求燃烧空气温度为300°C和过量空气 系数为1.25时的理论燃烧温度。
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燃料与燃烧（补充）
1. 燃料的性质 2. 燃料的燃烧过程 3. 烟气体积计算 4. 燃烧过程中硫氧化物的形成 5. 颗粒污染物的形成 6. 其他污染物的形成
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4.煤的分类和组成
• 煤的元素分析 • 碳和氢：通过燃烧后分析尾气中CO2和H2O的生成量测定 • 氮：在催化剂作用下使煤中的氮转化为氨，碱液吸收，
• 灰分：是燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分。
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4.煤的分类和组成
• 煤的基本分类
• 褐煤 • 最低品味的煤，形成年代最短，热值较低 • 烟煤 • 形成年代较褐煤长，碳含量75%~90％。成焦性较强，
适宜工业一般应用 • 无烟煤 • 煤化时间最长，含碳量最高（高于93％），成焦性
差,发热量大
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