燃烧学第三章课件
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南京工业大学燃烧与爆炸理论-第三章--物质的燃烧PPT课件
衡状态时，蒸气所具有的压力叫饱和蒸 气压，简称蒸气压。
（二）蒸气压
• 分子间的力称分子间力，又叫范德华力。 • 分子间力中最重要最普遍的力是色散力。 • 色散力是由于分子在运动中，电子云和原子
核所代表的正负电荷中心发生瞬时相对位移， 产生瞬时偶极而出现的分子间的相互吸引力。
（二）蒸气压
• 分子量越大，分子就越易变形，色散力就越 大。
（二）油罐内油品燃烧火焰的特征
1．火焰的倾斜度 • 油罐内油晶燃烧的火焰呈锥形，锥形底
就等于燃烧油罐的面积； • 当风速等于或大于4.0m／s时。火焰的
倾斜角约为60°—70°； • 在无风时，火焰倾斜角为0°～15°。
2．火焰高度
• 油罐火灾的火焰高度取决于油罐直径和 油罐内储存的油品种类。
• 油罐直径越大，储存的油品越轻，则火 焰高度越高。
• 可燃气含量在一定范围内才能传播，这 是传播法实验测定可燃气爆炸极限的依 据。
图3-8 氢气浓度对火焰传播速度Sl的影响 图3-9 CO浓度对火焰传播速度的影响
（H2 + 空气）
（CO + 空气）
4．惰性气体
• 惰性气体加入量越多，火焰传播速度越小。
5．混气性质
• 主要是指混气的热容CP和导热系数 。
瑞利方程
1Pp p P 1 m2 2U 2p 2Up 2
（一）物理模型与雨果尼特方程
KM 2 P P P1 11 1 P
M称 马赫数，其物理意义是混气速度（它 等于燃烧波速度，只是方向相反）与当地 声速之比。
（二）正常火焰传播与爆轰
1、爆轰区 • （Ⅰ）区是爆轰区。 • ① 燃烧后气体压力要增加。 • ② 燃烧后气体密度要增加。 • ③ 燃烧波以超音速进行传播
（二）蒸气压
• 分子间的力称分子间力，又叫范德华力。 • 分子间力中最重要最普遍的力是色散力。 • 色散力是由于分子在运动中，电子云和原子
核所代表的正负电荷中心发生瞬时相对位移， 产生瞬时偶极而出现的分子间的相互吸引力。
（二）蒸气压
• 分子量越大，分子就越易变形，色散力就越 大。
（二）油罐内油品燃烧火焰的特征
1．火焰的倾斜度 • 油罐内油晶燃烧的火焰呈锥形，锥形底
就等于燃烧油罐的面积； • 当风速等于或大于4.0m／s时。火焰的
倾斜角约为60°—70°； • 在无风时，火焰倾斜角为0°～15°。
2．火焰高度
• 油罐火灾的火焰高度取决于油罐直径和 油罐内储存的油品种类。
• 油罐直径越大，储存的油品越轻，则火 焰高度越高。
• 可燃气含量在一定范围内才能传播，这 是传播法实验测定可燃气爆炸极限的依 据。
图3-8 氢气浓度对火焰传播速度Sl的影响 图3-9 CO浓度对火焰传播速度的影响
（H2 + 空气）
（CO + 空气）
4．惰性气体
• 惰性气体加入量越多，火焰传播速度越小。
5．混气性质
• 主要是指混气的热容CP和导热系数 。
瑞利方程
1Pp p P 1 m2 2U 2p 2Up 2
（一）物理模型与雨果尼特方程
KM 2 P P P1 11 1 P
M称 马赫数，其物理意义是混气速度（它 等于燃烧波速度，只是方向相反）与当地 声速之比。
（二）正常火焰传播与爆轰
1、爆轰区 • （Ⅰ）区是爆轰区。 • ① 燃烧后气体压力要增加。 • ② 燃烧后气体密度要增加。 • ③ 燃烧波以超音速进行传播
《工程燃烧学》
成分体积，可依据燃料成分直接计算
实用文档
16
计算Vn.c产
忽略热分解引起Vn.c产的变化 将燃烧产物分为理论燃烧产物和剩余空气两
部分
Vn.c产 ＝V0.c产+(Ln-L0).c空 ＝V0.c产+(n-1)L0.c空
V0、L0根据燃料的成分计算
注意：右边c产是理论实燃用文档烧产物的比热 17
V0CO2、V0H2O、V0N2由燃料成分计算(如何计算？)
说明：此处忽略掉了S
实用文档
7
理论发热温度的计算
3、确定烟气比热c产，它强烈相关于温度t产
(1比热近似法) 查表3-3得到各温度下的c产值 (2内插值近似) 查表3-3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，c＝A1＋A2t＋A3t2，通过查表得到各
系数
实用文档
8
比热近似法
产物整体比热近似值法(表3－3)
根据具体的燃料成分计算V0 ＝(VCO2＋VH2O＋VN2 ＋…) ，并根据表3-3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
实用文档
9
比热近似法求解过程
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Qt理 低/V0Q ，低 比考QV 虑空 nQ低cQ 产 的燃 影响Q更分符合规律
空气消耗系数n
在n>=1的情况下，n值越大，理论燃烧温度越低。
因此在保证完全燃烧的情况下，尽量减小n
实用文档
18
影响理论燃烧温度的因素
实用文档
14
高温热分解
温 工度业Q 越炉分 高中，， 分只1 2 解考6 越 虑0 0 强 温V ； 度C O 压 ， 力 且1 越 只0 高 有8 0 ，大0 分于V 1解H 82 0较0度弱
实用文档
16
计算Vn.c产
忽略热分解引起Vn.c产的变化 将燃烧产物分为理论燃烧产物和剩余空气两
部分
Vn.c产 ＝V0.c产+(Ln-L0).c空 ＝V0.c产+(n-1)L0.c空
V0、L0根据燃料的成分计算
注意：右边c产是理论实燃用文档烧产物的比热 17
V0CO2、V0H2O、V0N2由燃料成分计算(如何计算？)
说明：此处忽略掉了S
实用文档
7
理论发热温度的计算
3、确定烟气比热c产，它强烈相关于温度t产
(1比热近似法) 查表3-3得到各温度下的c产值 (2内插值近似) 查表3-3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，c＝A1＋A2t＋A3t2，通过查表得到各
系数
实用文档
8
比热近似法
产物整体比热近似值法(表3－3)
根据具体的燃料成分计算V0 ＝(VCO2＋VH2O＋VN2 ＋…) ，并根据表3-3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
实用文档
9
比热近似法求解过程
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Qt理 低/V0Q ，低 比考QV 虑空 nQ低cQ 产 的燃 影响Q更分符合规律
空气消耗系数n
在n>=1的情况下，n值越大，理论燃烧温度越低。
因此在保证完全燃烧的情况下，尽量减小n
实用文档
18
影响理论燃烧温度的因素
实用文档
14
高温热分解
温 工度业Q 越炉分 高中，， 分只1 2 解考6 越 虑0 0 强 温V ； 度C O 压 ， 力 且1 越 只0 高 有8 0 ，大0 分于V 1解H 82 0较0度弱
燃烧学-3.着火的理论基础-PPT精品文档
可燃混合气内的某一处用点火热源点着相 强迫着火 邻一层混合气，尔后燃烧波自动的传播到 （点燃或点火） 混合气的其余部分。 ——局部加热。 Forced ignition
Spark ignition
Local initiation of a flame that will propagate.
自燃和点燃过程统称之为着火过程 。
第三章 着火的理论基础
研究不同着火方式的着火机理。 着火方式与机理 着火过程及方式 着火温度 热自燃过程分析 着火温度求解 着火的热自燃理论 谢苗诺夫公式 热自燃界限 热自燃的延迟期 链反应速度 链反应的发展过程 着火的链式反应理论 链反应的延迟期 烃类－空气混合物着火（自燃）特性 强迫着火过程 常用点火方法 强迫着火 电火花点火 点火的可燃界限
q1与q2 相离：
q1始终大于q2，一定能引起可燃混合气的着火。所以，
这种工况是不稳定的。
q1与q2 相切：
B点是临界状态，也是不 稳定的。只要环境介质温 度略高于T0，则q1和q2就 没有交点了，必然导致反 应混合气的着火。
图中 B点为着火临界点 Tb为着火温度 T0为自燃温度 T0~Tb之间的时间为着火 感应期
影响着火的因素
增加放热量q1
增加燃料浓度 增加燃料压力
增加燃料发热量
增加燃料活性
放热率曲线左移，在相同 温度下，燃料放热量增加， 着火温度降低，着火温度 E v q w Q V k n e x p V Q 降低，着火提前。 1 n 0 T R
可用着火的临界条件来确定活化能。
四、热自燃界限
log
P
T 0
燃烧学—第3章3分析解析
（2）当温度升高时，f增大，g不变， f>g,
随时间增大而趋于某一定值，不着火
>0
随时间增大而指数级增大，着火
w afn af
dn n0 fn gn n0 dt
（2）当f=g， =0
n0
e
t
1
w fan0 t
n n0 t
6 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 随时间增大而线性增大，临界状态
RO O RH ROOH R
O H RCH2OOH RCH2O
单键链能：293～334kJ/mol 过氧化物中－O－O－链较弱（链能只有 125.61－167.48kJ），容易断裂
R HCHO RCH2O
RH RCH OH R RCH 2 O 2
《燃烧学》--第三章
W
w
>0
w W0 τ 图3-9链式自燃示意图 W’
=0
<0
τ1 τ2 τ3 t
t
图 3-10 反应速率与时间关 系
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
7
《燃烧学》--第三章
着火延迟期τ
较大，则 ≈f 当
w
fan0
exp( ) 1
ln
fan0
0.48 0.10 7.90 0.15
19.60 13.15 20.55 32.98 22.71
乙炔
乙炔 乙烯 乙烯 丙烷 丙烷 丙烷 丙烷 1－3丁二烯 异丁烷 二硫化碳
Air
O2 Air O2 Air Ar+air He+air O2 Air Air Air
0.76
0.09 1.25 0.19 2.03 1.04 2.53 0.24 1.25 2.20 0.51
随时间增大而趋于某一定值，不着火
>0
随时间增大而指数级增大，着火
w afn af
dn n0 fn gn n0 dt
（2）当f=g， =0
n0
e
t
1
w fan0 t
n n0 t
6 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 随时间增大而线性增大，临界状态
RO O RH ROOH R
O H RCH2OOH RCH2O
单键链能：293～334kJ/mol 过氧化物中－O－O－链较弱（链能只有 125.61－167.48kJ），容易断裂
R HCHO RCH2O
RH RCH OH R RCH 2 O 2
《燃烧学》--第三章
W
w
>0
w W0 τ 图3-9链式自燃示意图 W’
=0
<0
τ1 τ2 τ3 t
t
图 3-10 反应速率与时间关 系
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
7
《燃烧学》--第三章
着火延迟期τ
较大，则 ≈f 当
w
fan0
exp( ) 1
ln
fan0
0.48 0.10 7.90 0.15
19.60 13.15 20.55 32.98 22.71
乙炔
乙炔 乙烯 乙烯 丙烷 丙烷 丙烷 丙烷 1－3丁二烯 异丁烷 二硫化碳
Air
O2 Air O2 Air Ar+air He+air O2 Air Air Air
0.76
0.09 1.25 0.19 2.03 1.04 2.53 0.24 1.25 2.20 0.51
燃烧学课件_第三章 化学动力学
反应速度常数的理解
可以理解为当反应物浓度都为单位浓度时的反应速率； k'由化学反应本身决定，与反应物的本性有关，是化学反
应在一定温度时的特征常数，不同的反应有不同的k'值；
相同条件下，k'的大小反映了反应的快慢，k'值越大，反
应速率越快；
k'的数值与反应物的浓度无关 同一反应，k'随温度、溶剂和催化而变化。
二、温度对化学反应速率的影响
曲线(a)表示典型的反应速率随温度而增加的情况。（对简单反应和有明确反 应级数的反应） 曲线(b)是燃烧过程中遇到的，化学反应速率达到某一定的温度时会突然上升 ，产生火焰或爆炸 曲线(c)在催化反应中经常遇到 曲线(d)是NO和O2反应中观察到的结果
曲线(b)-(d)通常表示反应是多步骤的复杂反应
不分枝链锁反应（直链反应）
定义：在链锁反应的基元反应中，若消耗活性中心的数量同新
生成的活性中心数量相等，即称为不分枝链锁反应
分枝链锁反应——爆炸反应
定义：反应在生成最终产物的同时，新生成的活性中心多于 起始反应的活性中心，称为分枝链锁反应。
d [ R] ' ' r0 (k1' k 2 )[ R][1 xk1' /(k1' k 2 )] dt
研究应机理的目的之一就是要清楚反应是如何进行的，并有效控制反 应的快慢，以获得期望产物；
合理的反应机理应满足：(1)全部基元反应的加和应为化学计量反应方 程式，（2）由反应机理得出的速率方程组应与实验所得一致
反应机理很难建立，燃烧反应都属于链锁反应
一、链锁反应机理——用于解释燃烧现象
实验证明有很多化学反应速度常常与根据前述分子碰撞 理论所得的速度不相符合。
燃烧条件与灭火原理 ppt课件
降低可燃物着火点
D 森林着火 砍伐出隔离带
移走可燃物
感悟新知
知3－练
解题秘方：解答此类题目应注意根据不同的火灾情景 选择合理的灭火方法，特殊情况下的灭火更应采取相应的 合理方法，否则可能导致“火上浇油”。
感悟新知
知3－练
导引：油锅着火不能用水浇灭，因为油不溶于水且密 度比水小，浮于水面上，达不到灭火的目的，A 错误；液 化气起火，关闭阀门，清除可燃物而灭火，B 错误；住宅 失火用高压水枪灭火，水蒸发吸热，能降低可燃物的温度 到着火点以下，从而达到灭火的目的。可燃物的着火点一 般不变，C错误；森林着火，砍伐出隔离带是利用清除可 燃物的原理灭火，D 正确。
感悟新知
知识点 1 物质燃烧的条件
知1－讲
1. 利用对比法研究燃烧的每一个条件 （1）通过对比蜡烛、煤块、火柴、沙子、石块和水泥砖是否
可燃得出燃烧需要具备的条件是：物质本身是可燃物。
（2）通过对比室温下存放的蜡烛和点燃后的蜡烛及引燃煤块 的方法得出燃烧需要满足温度达到可燃物的着火点，
且不同物质的着火点不同。
感悟新知
题型2 易燃、易爆物的安全使用
知4－练
例7 下列有关易燃、易爆物的说法错误的是（ B ）
A. 在搬运时，要轻拿轻放，不能摔、砸或撞击
B. 生产酒精的车间里，只要不影响工作，个人可以吸烟
C. 煤矿矿井里必须采取通风、严禁烟火等措施
D. 在有易燃物的工作场所，严禁穿化纤类服装
感悟新知
知4－练
感悟新知
教你一招 火灾现场处理方法常有以下几种： 1. 熟悉环境，暗记出口。 2. 通道出口，畅通无阻。 3. 扑灭小火，惠及他人。 4. 保持镇静，明辨方向，迅速撤离。 5. 不入险地，不贪财物。
燃烧学
C
E RT
0
Pc RT
K 0 QVK
EP c x A x B
4 0
2
SRT
e
1
Pc T0
2
两边取对数、整理， 得：
ln Pc T0
ln
2
ln
E 2 RT 0
1 2
ln K 0 QVK
SR
1
Ex A (1 x B )
A T0
1 2
ln
B x A (1 x A )
t
8
《燃烧学》--第三章
着火的临界条件：2条曲线相切于B点。
q1 q 2
E RT
B
dq 1 dT
dq 2 dT
2 B E RT
B
K 0 QV C A C B e
2 式相除，有
S T B T 0
RT E
E 2R 1 4 RT 0 E
2 B
K 0 QV C A C B
a b
E / RT0
QV (C f 0 C fB ) V 0CV (TB T0 )
0CV (TB T0 )
Qk 0C f 0Cox0 e
a b E / RTo 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
13
《燃烧学》--第三章
2. 爆炸极限 爆炸浓度极限 如：甲烷/空气：5～15% 爆炸压力极限 如：甲烷/空气：小于0.065MPa，不爆炸 爆炸温度极限 如：甲烷/空气：小于690℃，不爆炸
：
T0--环境温度； h--对流换热系数； p--预混气压力； d--容器直径； u∞--环境气流速度
燃烧学第3章 燃烧的物理基础
3.1.2 热传导
热传导(heat conduction)又称导热，属于接触传 热，是指在热量传递过程中，物体各部分之间 没有相对位移，仅依靠物质分子、原子及自由 电子等微观粒子的碰撞、转动和振动等热运动 等方式产生热量从高温部分向低温部分传递的 现象。 如果定义热流密度q，则傅里叶定律可以用下式 表达：
3.2.4 烟囱效应
（3-53） （3-54）
3.3 燃烧物理学基本方程
3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4
引言 多组分气体基本参量 基本方程 多组分反应系统的相似准则
3.3.1 引言
燃烧(burning)是固体、液体或气体燃料与氧化剂 之间发生的一种猛烈的发光放热的多组分化学 反应流现象，其反应过程总是全部地或者部分 地在气相中进行，并且总是伴随着火焰传播和 流动，甚至部分燃烧就发生在流动的系统中。
表3 - 4 部分燃料火焰中碳颗粒的辐射特性
3.2 燃烧的物质输运
物质的输运可以通过以下几种方式进行：
((1)分子扩散。这种方式是组分在静止流体中的输运，而组分的浓度梯度则 成为分子扩散的驱动力。 (2)斯忒藩流。在不可透过的相分界面上有组分产生或消耗，而出于维持组分 分布稳定的需要产生了流体整体输运，这中流动即为斯忒藩流。斯忒藩流的 驱动力是除了组分的浓度梯度，还有就是相分界面上组分的产生或消耗源。 (3)对流传质。流体流过壁面或液体界面时，在主流与界面间存在浓度差条件 下，组分边混合边流动的输运，称为对流传质。其驱动力是组分的浓度梯度 和整体流(的驱动力)。 (4)烟囱效应。气体组分温度升高、密度减小时，在空气浮力作用下的向上输 运称为烟囱效应。冷气体的向下输运，则称逆烟囱效应。其驱动力是浮力与 重力共同作用下的体积力。
1.对流传式的形式来表达计算：
燃烧学—第3章3
H O H OH 2 （3） （4） H 2 OH H 2O H
H OH H O H 2 2 （5）
（链传递）
（6） H 器壁破坏
（7） OH 器壁破坏
（8） OH ＋H H 2O
（器壁销毁） （链终止） （气相销毁）
安全工程学院：齐黎明
2
《燃烧学》--第三章
自由基 含有未成对电子的基团 自由基的生成 光解 Cl 热解
H
CH 3
2
2Cl
加热
h
CH3 CH3 2 CH3
安全工程学院：齐黎明
3
《燃烧学》--第三章
自由基反应历程：
H 2 Cl 2 2HCl （总反应）
在第一、二极限之间的爆炸区内有一点P （1）保持系统温度不变而降低压力，P点则
向下垂直移动
自由基器壁消毁速度加快,当压力下降到 某一数值后，f < g, φ < 0 , ----------------------第一极限 提高混合气的温度，可使临界着火压力降
低，谢苗诺夫把这一关系归纳为
Pi Ae
=0
W’
<0
τ1 τ2 τ3 t
t
图3-9链式自燃示意图
图3-10反应速率与时间关系
安全工程学院：齐黎明
11
《燃烧学》--第三章
着火延迟期τ 当 较大，则 ≈f fan0 fan0 exp( ) 1 w exp( ) an0 exp
上式取对数后，得
安全工程学院：齐黎明
8
《燃烧学》--第三章
设t=0，n=0，积分上式得 产物生成速率： w afn af
H OH H O H 2 2 （5）
（链传递）
（6） H 器壁破坏
（7） OH 器壁破坏
（8） OH ＋H H 2O
（器壁销毁） （链终止） （气相销毁）
安全工程学院：齐黎明
2
《燃烧学》--第三章
自由基 含有未成对电子的基团 自由基的生成 光解 Cl 热解
H
CH 3
2
2Cl
加热
h
CH3 CH3 2 CH3
安全工程学院：齐黎明
3
《燃烧学》--第三章
自由基反应历程：
H 2 Cl 2 2HCl （总反应）
在第一、二极限之间的爆炸区内有一点P （1）保持系统温度不变而降低压力，P点则
向下垂直移动
自由基器壁消毁速度加快,当压力下降到 某一数值后，f < g, φ < 0 , ----------------------第一极限 提高混合气的温度，可使临界着火压力降
低，谢苗诺夫把这一关系归纳为
Pi Ae
=0
W’
<0
τ1 τ2 τ3 t
t
图3-9链式自燃示意图
图3-10反应速率与时间关系
安全工程学院：齐黎明
11
《燃烧学》--第三章
着火延迟期τ 当 较大，则 ≈f fan0 fan0 exp( ) 1 w exp( ) an0 exp
上式取对数后，得
安全工程学院：齐黎明
8
《燃烧学》--第三章
设t=0，n=0，积分上式得 产物生成速率： w afn af
燃烧学讲义2015-第三章
9
T
自燃的充分必要条件：
不仅放热量和散热量要相等，而且两者随温度 的变化率也要相等。
q f |T TC qs |T TC
数学描述：
dq f dqS |T TC |T TC dT dT
西安交通大学能源与动力工程学院
10
二、热自燃温度
由 q f |T TC qs |T TC
dq f dqS |T TC |T TC dT dT
25
3.3 链式自燃
一、链式自燃与热自燃
着火的热自燃理论认为热自 燃发生是由于在孕育期内化学 反应的结果使热量不断积累， 从而导致反应速度的自动加速。 热自燃理论可以解释很多着 火现象。如图所示的一氧化碳 着火浓度界限的实验结果从一 个方面说明了热自燃理论的正 确性。
CO着火界限
西安交通大学能源与动力工程学院
f 1 s 1 2 3 2 3
B
α
3
C
A
T0
Tc
T
qf
p1>p2>p3
p1
p2
p3
B C
A
A
T0
Tc
T
T0
Tc
14
T
西安交通大学能源与动力工程学院
特别强调，无论定义TC或T0为着火温度 Tzh，这个Tzh不是一个物理常数，它是随 着着火条件变化而变化的，散热条件增 强，则着火温度上升。
西安交通大学能源与动力工程学院
2
R 2 TC T0 T0 E
R 2 ∴ TC TC T0 T0 E
若E=167.2kJ/mol，T0=1000K，则
TC T0 50 T0
TC T0
表明在着火的情况下，自 燃温度在数量上与给定的 初始环境温度相差不多。
T
自燃的充分必要条件：
不仅放热量和散热量要相等，而且两者随温度 的变化率也要相等。
q f |T TC qs |T TC
数学描述：
dq f dqS |T TC |T TC dT dT
西安交通大学能源与动力工程学院
10
二、热自燃温度
由 q f |T TC qs |T TC
dq f dqS |T TC |T TC dT dT
25
3.3 链式自燃
一、链式自燃与热自燃
着火的热自燃理论认为热自 燃发生是由于在孕育期内化学 反应的结果使热量不断积累， 从而导致反应速度的自动加速。 热自燃理论可以解释很多着 火现象。如图所示的一氧化碳 着火浓度界限的实验结果从一 个方面说明了热自燃理论的正 确性。
CO着火界限
西安交通大学能源与动力工程学院
f 1 s 1 2 3 2 3
B
α
3
C
A
T0
Tc
T
qf
p1>p2>p3
p1
p2
p3
B C
A
A
T0
Tc
T
T0
Tc
14
T
西安交通大学能源与动力工程学院
特别强调，无论定义TC或T0为着火温度 Tzh，这个Tzh不是一个物理常数，它是随 着着火条件变化而变化的，散热条件增 强，则着火温度上升。
西安交通大学能源与动力工程学院
2
R 2 TC T0 T0 E
R 2 ∴ TC TC T0 T0 E
若E=167.2kJ/mol，T0=1000K，则
TC T0 50 T0
TC T0
表明在着火的情况下，自 燃温度在数量上与给定的 初始环境温度相差不多。
燃烧学第三章燃烧过程计算
当量比
燃空比： FAR=L/F
当量比：
F L FV F L0 F V0
可知：
1
影响过剩空气系数的因素 燃料性质 燃烧器的性能 炉体密封性能 加热炉的测控水平 烟囱挡板
过剩空气系数的确定 自然通风式燃烧器 烧油 α=1.30 烧气α=1.25 预混式气体燃烧器 α=1.20 强制通风式燃烧器 烧油 α=1.15～1.20 烧气 α=1.10～1.15
H 2O(14.06)
过剩空气系数
空燃比：ALR=L/F 化学恰当比： ALR0=L0/F
实际入炉空气量与理论空气量之比
表达式
LF V F L0 F V0 F
过剩空气系数大小的影响：过剩空气系数太大，入炉空气 量多，相对降低了炉膛温度和烟气的黑度，影响传热效果。 在加热炉的排烟温度一定时，过剩空气系数大则排烟量大， 使烟气从烟囱带走的热量多，增加了热损失，全炉热效率 降低。过多的空气还会使烟气中含氧量高，加剧炉管表面 的氧化腐蚀，缩短管子的寿命。 减小过剩空气系数虽然有许多好处，但一个重要的 前提是：必须保证燃料完全燃烧。
加热炉热效率与燃烧放出的热 量和燃料、空气及雾化蒸 炉墙散热损失 汽带入的显热。 损失能量包括 排烟带走的热 量和散失的热 量。
综合热效率 供给的能 量中还应包括外界供给体 系的电和功。
热效率
烟气离开炉子带走的热量 入炉介质
全炉热负荷
出炉介质 燃烧热 燃料 空气 显热 雾化剂
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：
V0 1 [0.5yH2 0.5yC O 0.21
1 (0.0267C 0.08H 0.01S 0.01O) 0.23
高等燃烧学讲义第3章(郑洪涛3学时)
第三章 传质引论——
3.1 传质速率定律——扩散的分子基础 • 为了深入理解质量扩散(菲克定律)和热量扩散(傅里叶定 律)宏观定律的分子过程，我们将应用分子动力学的一些 概念。考虑一个固定的单平面层的双组分气体混合物，混 合物由刚性的、互不吸引的分子组成，且A 组分和B 组分 的分子质量完全相等。在x方向上的气体层中存在着浓度 (质量分数〉梯度。这个浓度梯度足够小，这样质量分数 在几个分子平均自由程儿的距离内呈线性分布，如图3. 1 所示。 • 有了这些假 设，就可以 从动力学理 论来定义下 面的平均分 子特性:
第三章 传质引论——3.4 液-气界面的边界条件
• 有些情况下，界面温度可以给定或已知。但一般来说，界 面温度可以通过写出液体和气体的能量平衡方程，给出合 适的边界条件(包括界面的边界条件)来获得。 • 在液-气界面上，维持温度的连续性，则:
• 在界面上能量守恒，气相传给液相表面的热为 ，其中 一部分能量来加热液体，这部分热量为 ，剩余的部分 用于引起相变。能量平衡可以表示为：
• 因此导热系数就与温度的平方根成正比，这与 对于实际气体，与温度的相关性还要大一些。
相同。
第三章 传质引论——3.2 组分守恒
• 首先应用组分输运速率定律(菲克定律)来导出最基本的质 量守恒表达式。如图所示的一维控制体，其水平厚度为 ， 组分A由宏观流动和扩散的联合作用流入或流出控制体。 组分A也可以由于化学反应产生或消耗。在控制体内A的质 量净增加率与质量流量和反应速率的关系为
第三章 传质引论——3.3 斯蒂芬问题
• 如图所示，考虑液体A，在玻璃圆筒内保 持一个固定的高度。气体 A 和气体 B 的混 合物流过圆筒的顶部。如果混合物中A的 浓度低于液体自蒸发表面上A的浓度，就 存在传质的驱动力，则组分 A 会从液 - 气 界面向圆筒的开口端 A 和 B 的气体流动扩 散。如果假设处于稳态(也就是说，液体 以一定的速度补充以保持液面高度不变， 或者界面下降的速度很慢以致它的移动 可以忽略)，且假设B在液体A中不可溶， 则在管内液体中不存在B的净输运，在圆 柱中就产生了一个B的滞止层。 • 这一系统的总的质量守恒可以表达为
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（2）混合煤气的发热量计算
Q
net ,ar
=
xQ
1
+
(1 −
x )Q
2
KJ m
3
按各成分气体发热量之和计算
查表获得各成分气体的发热量 燃料发热量的测试 实验测定：容克式量热计
第三节 高炉煤气
组成成分 炼铁炉的副产品，在冶炼过程中主要生成CO，其 体积百分含量约为20%~30%。气体中含有大量 N2和CO2，其体积百分含量占63-70%左右，含尘 也很高60-80g/m3，使用前要除尘。 是一种无色无味、无臭的气体，主要可燃成分是 CO，所以毒性极大。注意：使用中特别要防止 煤气中毒。
H 2 O 湿 = 100 ×
பைடு நூலகம்
干 0.00124 g H 2 O 干 1 + 0.00124 g H 2 O
H O
2
湿
= 0 . 124 g
干
H O
2
100 100 + 0 . 124 g
g H O
2
很多数据表只有各温度下水蒸汽的饱和蒸 汽压，而没有直接的水蒸汽含量数据，此 时如何确定水蒸汽的含量
气体的过程。 发生炉煤气的热值一般为3780-11340KJ/m3。工业炉 中最常用的是混合发生炉煤气。发生炉煤气的成分主 要是CO、H2、CH4、N2等。
第六节 天然气
种类 干天然气：气田 伴生天然气或油性天然气：油田，含石油蒸汽 组成 CH4等碳氢化合物占90％以上、少量H2S、N2 、CO2 、 CO等。 发热量： 很高，33440-41800kg/m3 用途 工业燃料、化工原料、生活煤气、动力煤气、液化天然气
63680
10750
12630
乙烯 (C2H4)
硫化氢 (H2S)
二氧化碳 氧气 (CO2) (O2)
颜色气味 无色窒息 无色浓厚 无色略有 无色无味 性乙醚味 臭鸡蛋味 气味 爆炸极限 2.75~35 ％ 着火温度 540~547
oC
4.3~45.5 364 23670
----------
----------
第一节 单一气体的物理化学性质
气体燃料的组成 • 任何一种可燃气体燃料都是由一些单一气体混合 而成 • 可燃性气体成分：CO、H2、CH4、H2S、 其他气态碳氢化合物（碳原子数n<=4）乙烷、乙烯 等 • 不可燃气体成分：CO2、N2、少量O2 其他：水蒸气、焦油蒸汽、粉尘等固体颗粒
单一气体的物理性质
甲烷 (CH4) 颜色气味 爆炸极限 % 着火温度oC 低位发热量 kJ/m3 530~750 510~630 510~590 610~658 无色微有 葱香 2.5~15 2.5~15 4~80 12.5~80 乙烷 (C2H6) 无色无味 氢气 (H2) 无色无味 一氧化碳 (CO) 无色无味
35670
低位发热 59000 量kJ/m3
气体的腐蚀性和毒性
气体的毒性 • 具有毒性的气体成分（按毒性由大到小）有： – 硫化氢(H2S)、氰化氢(氰氢酸HCN)、二氧化硫 (SO2)、一氧化碳(CO)、氨气(NH3)、苯(C6H6) • 硫化氢(H2S)体积百分数达0.1~0.2可短时间内置人 死亡，达0.05~0.07使人有危险 • 一氧化碳(CO)体积百分数达0.5~1.0可短时间内置人 死亡，达0.2~0.3使人有危险
天然气是优质的气体燃料，其主要成分为CH4，其次 为乙烷等饱和碳氢化合物，各种碳氢化合物在天然 气中的含量占90%以上，因此发热量很高。 天然气用途广泛，除了可以作为工业燃料外，还可 以应用在冶金工业和化工行业，经过调质后也可以 作为民用燃料。
天然气中含有少量的N2和H2S等杂质，燃烧时对环 境污染较煤、油明显减少。天然气除可沿管道输 送外，在不宜铺设管道的地方，或作为生活燃气 和动力燃气使用时，还可以进行加压处理使之在 常温下变为液化天然气（LNG）储存于高压罐中。
第七节 重油裂化气
将高分子液体碳氢化合物在800-900°C下通过水 蒸气发生分解，以得到分子量较小的气态碳氢化 合物和H2、CO等可燃气体。 C-C链发生断裂: CnH2n+2→ CmH2m+2 + Cm’H2m’ C-H链发生断裂： CnH2n+2→ CnH2n+H2 转化反应 结合反应 蒸汽重整：反应产物与水蒸气作用生成H2、CO
0 0
X ＝X
湿
干
100－ H 2O 100
湿
H2O湿：为100m3气体燃料中所含饱和水蒸气的含量％
湿成分与干成分之间可以相互换算，换算的原则与固(液) 体燃料相同。其步骤是：先由附表查出
干 H 2O
g
1m3干气体所吸收的水蒸气的质量（g/m3)， ；
标准状态下每1mol水蒸气的体积为22.4升，即重量 为18g，1g水蒸气体积即为22.4/18＝1.24升＝ 0.00124m3
第五节 发生炉煤气
固体燃料在煤气发生炉中进行气化得到的人造气体燃 料 分类：根据气化剂不同 空气发生炉煤气：空气， 水煤气：水蒸气， 3780-4620kg/m3 10080-11340kg/m3
混合发生炉煤气：空气+水蒸气，5040-6720kg/m3
固体燃料的气化是在一定的温度下，借助于空气、水 蒸气 等气化剂的化学作用将固体燃料转化为可燃
第二节 煤气成分的表示方法及发热量
发热量 1. 公式计算
（1）气体燃料发热量的计算(门捷列夫计算公式)
Q
net，ar
用湿成 分体积 百分比
= 128 CO
+ 108 H
+ 360 CH
4
+ 599 C H
2 4
+ 231 H S
2
KJ m
3
Qg＝128CO＋128H 2＋399CH 4＋638C 2 H 4＋251H 2S KJ/m3
H2S置死的重庆开县 井喷
2003年12月23日21时 55分，重庆开县，中石 油川东北气田罗家寨16 号井发生井喷事故，剧 毒硫化氢夺走了243条 人命(其中包括两名矿 井工人)，4000多人中 毒就医，10万人疏散。
使人致死的火灾烟气
• 火灾中死亡的人70％以上是死于烟气中毒，只有 少部分人是直接被烧死 • 有毒烟气一般是由以CO为主，氰化氢等多 种成分组成的复杂混合物 • 一般的中毒顺序：身体不适（胸闷头胀） 行动迟缓、无力，意识模糊，昏迷，死亡
溶水腐蚀性
氨气：碱性、 硫化氢、二氧化碳、氢氰酸：酸性 氧气：氧化性
第二节 煤气成分的表示方法及发热量
气体燃料的化学组成
是指用所含单一气体的体积百分数来表示
湿成分：包括水蒸气在内 干成分：不包括水蒸气 气体燃料中所含的水蒸气在常温下都等于该温度下饱和 蒸气量，当温度变化时，气体中饱和蒸气量也随之变 化，因而气体燃料的湿成分也出现变化。用气体燃料的 干成分来表示其化学组成则可排除这种影响。 进行燃烧计算时要用气态燃料的湿成分来算（这是真正 投入燃烧的），这时应依据当时的温度，根据该温度下 饱和水蒸气含量由干成分换算成湿成分。
气体燃料干湿成分换算关系
气体燃料成分的表示方法有两种：即湿成分和干成分。
CO
湿
+ H
湿 2
+ CH
湿 4
+ C H
n
湿 m
+ H S
2
湿
+ SO
湿 2
+ O
湿 2
+ N
湿 2
+ H O
2
湿
= 100
0 0
CO
干
+ H
干 2
+ CH
干 4
+ C H
n
干
m
+ H S
2
干
+ SO
干
2
O
干
2
+ N
干
2
= 100
第三章 气体燃料
天然的气体燃料有天然气和石油气 天然气 • 化学工业的宝贵原料 • 居民生活用燃气——13亿人非常庞大的需求 • 工业燃料 • 人造气体燃料有发生炉煤气、高炉煤气、焦炉煤气 • 发生炉煤气，将煤进行气化得到的气体燃料 • 重油裂化气，重油裂解造气得到的气体燃料 • 高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气，对应是高炉炼 铁炼焦炼钢所得副产品
气体燃料的优点
①燃烧简便，容易完全燃烧； ②调节控制方便，易于实现自动控制； ③燃烧后无固体灰渣，清洁方便； ④对设备磨损小，可以长距离管道输送； ⑤容易净化，以减少环境污染； ⑥可以高温预热，提高燃烧温度，节约燃料； ⑦只要避开爆炸范围，可任意调节热负荷，控制炉内气氛和 压力。
第一节 单一气体的物理化学性质 第二节 煤气成分的表示方法及发热量 第三节 高炉煤气 第四节 焦炉煤气 第五节 发生炉煤气 第六节 天然气 第七节 重油裂化气 第八节 转炉气
发热量
较低 ，只有3762-4180kJ/m3
理论燃烧温度
1400-1500°C，需预热空气和煤气
用途
产量大，3800-4000m3/t焦炭； 用于焦炉、或与焦炉煤气混合用于平炉
第四节 焦炉煤气
炼焦副产品 1t煤炼焦时可得到730-780kg焦炭，300-350m3焦炉煤气、 25-45kg焦油 成分－是无色有臭味的气体 可燃成分：H2、CH4、CO 惰性气体少： N2+CO2 8-16% 焦油蒸气、水蒸气：送入管网前（荒焦炉煤气－含焦油和 水蒸气）先冷凝 发热量 高，15890-17140kJ/m3 用途 与高炉煤气或发生炉煤气配成热量为836kg/m3的混合煤气 用于平炉
第八节 转炉气
转炉炼钢过程中的副产品
70m3/t钢
成分
CO，45-65%
发热量
Q
net ,ar
=
xQ
1
+
(1 −
x )Q
2
KJ m
3
按各成分气体发热量之和计算
查表获得各成分气体的发热量 燃料发热量的测试 实验测定：容克式量热计
第三节 高炉煤气
组成成分 炼铁炉的副产品，在冶炼过程中主要生成CO，其 体积百分含量约为20%~30%。气体中含有大量 N2和CO2，其体积百分含量占63-70%左右，含尘 也很高60-80g/m3，使用前要除尘。 是一种无色无味、无臭的气体，主要可燃成分是 CO，所以毒性极大。注意：使用中特别要防止 煤气中毒。
H 2 O 湿 = 100 ×
பைடு நூலகம்
干 0.00124 g H 2 O 干 1 + 0.00124 g H 2 O
H O
2
湿
= 0 . 124 g
干
H O
2
100 100 + 0 . 124 g
g H O
2
很多数据表只有各温度下水蒸汽的饱和蒸 汽压，而没有直接的水蒸汽含量数据，此 时如何确定水蒸汽的含量
气体的过程。 发生炉煤气的热值一般为3780-11340KJ/m3。工业炉 中最常用的是混合发生炉煤气。发生炉煤气的成分主 要是CO、H2、CH4、N2等。
第六节 天然气
种类 干天然气：气田 伴生天然气或油性天然气：油田，含石油蒸汽 组成 CH4等碳氢化合物占90％以上、少量H2S、N2 、CO2 、 CO等。 发热量： 很高，33440-41800kg/m3 用途 工业燃料、化工原料、生活煤气、动力煤气、液化天然气
63680
10750
12630
乙烯 (C2H4)
硫化氢 (H2S)
二氧化碳 氧气 (CO2) (O2)
颜色气味 无色窒息 无色浓厚 无色略有 无色无味 性乙醚味 臭鸡蛋味 气味 爆炸极限 2.75~35 ％ 着火温度 540~547
oC
4.3~45.5 364 23670
----------
----------
第一节 单一气体的物理化学性质
气体燃料的组成 • 任何一种可燃气体燃料都是由一些单一气体混合 而成 • 可燃性气体成分：CO、H2、CH4、H2S、 其他气态碳氢化合物（碳原子数n<=4）乙烷、乙烯 等 • 不可燃气体成分：CO2、N2、少量O2 其他：水蒸气、焦油蒸汽、粉尘等固体颗粒
单一气体的物理性质
甲烷 (CH4) 颜色气味 爆炸极限 % 着火温度oC 低位发热量 kJ/m3 530~750 510~630 510~590 610~658 无色微有 葱香 2.5~15 2.5~15 4~80 12.5~80 乙烷 (C2H6) 无色无味 氢气 (H2) 无色无味 一氧化碳 (CO) 无色无味
35670
低位发热 59000 量kJ/m3
气体的腐蚀性和毒性
气体的毒性 • 具有毒性的气体成分（按毒性由大到小）有： – 硫化氢(H2S)、氰化氢(氰氢酸HCN)、二氧化硫 (SO2)、一氧化碳(CO)、氨气(NH3)、苯(C6H6) • 硫化氢(H2S)体积百分数达0.1~0.2可短时间内置人 死亡，达0.05~0.07使人有危险 • 一氧化碳(CO)体积百分数达0.5~1.0可短时间内置人 死亡，达0.2~0.3使人有危险
天然气是优质的气体燃料，其主要成分为CH4，其次 为乙烷等饱和碳氢化合物，各种碳氢化合物在天然 气中的含量占90%以上，因此发热量很高。 天然气用途广泛，除了可以作为工业燃料外，还可 以应用在冶金工业和化工行业，经过调质后也可以 作为民用燃料。
天然气中含有少量的N2和H2S等杂质，燃烧时对环 境污染较煤、油明显减少。天然气除可沿管道输 送外，在不宜铺设管道的地方，或作为生活燃气 和动力燃气使用时，还可以进行加压处理使之在 常温下变为液化天然气（LNG）储存于高压罐中。
第七节 重油裂化气
将高分子液体碳氢化合物在800-900°C下通过水 蒸气发生分解，以得到分子量较小的气态碳氢化 合物和H2、CO等可燃气体。 C-C链发生断裂: CnH2n+2→ CmH2m+2 + Cm’H2m’ C-H链发生断裂： CnH2n+2→ CnH2n+H2 转化反应 结合反应 蒸汽重整：反应产物与水蒸气作用生成H2、CO
0 0
X ＝X
湿
干
100－ H 2O 100
湿
H2O湿：为100m3气体燃料中所含饱和水蒸气的含量％
湿成分与干成分之间可以相互换算，换算的原则与固(液) 体燃料相同。其步骤是：先由附表查出
干 H 2O
g
1m3干气体所吸收的水蒸气的质量（g/m3)， ；
标准状态下每1mol水蒸气的体积为22.4升，即重量 为18g，1g水蒸气体积即为22.4/18＝1.24升＝ 0.00124m3
第五节 发生炉煤气
固体燃料在煤气发生炉中进行气化得到的人造气体燃 料 分类：根据气化剂不同 空气发生炉煤气：空气， 水煤气：水蒸气， 3780-4620kg/m3 10080-11340kg/m3
混合发生炉煤气：空气+水蒸气，5040-6720kg/m3
固体燃料的气化是在一定的温度下，借助于空气、水 蒸气 等气化剂的化学作用将固体燃料转化为可燃
第二节 煤气成分的表示方法及发热量
发热量 1. 公式计算
（1）气体燃料发热量的计算(门捷列夫计算公式)
Q
net，ar
用湿成 分体积 百分比
= 128 CO
+ 108 H
+ 360 CH
4
+ 599 C H
2 4
+ 231 H S
2
KJ m
3
Qg＝128CO＋128H 2＋399CH 4＋638C 2 H 4＋251H 2S KJ/m3
H2S置死的重庆开县 井喷
2003年12月23日21时 55分，重庆开县，中石 油川东北气田罗家寨16 号井发生井喷事故，剧 毒硫化氢夺走了243条 人命(其中包括两名矿 井工人)，4000多人中 毒就医，10万人疏散。
使人致死的火灾烟气
• 火灾中死亡的人70％以上是死于烟气中毒，只有 少部分人是直接被烧死 • 有毒烟气一般是由以CO为主，氰化氢等多 种成分组成的复杂混合物 • 一般的中毒顺序：身体不适（胸闷头胀） 行动迟缓、无力，意识模糊，昏迷，死亡
溶水腐蚀性
氨气：碱性、 硫化氢、二氧化碳、氢氰酸：酸性 氧气：氧化性
第二节 煤气成分的表示方法及发热量
气体燃料的化学组成
是指用所含单一气体的体积百分数来表示
湿成分：包括水蒸气在内 干成分：不包括水蒸气 气体燃料中所含的水蒸气在常温下都等于该温度下饱和 蒸气量，当温度变化时，气体中饱和蒸气量也随之变 化，因而气体燃料的湿成分也出现变化。用气体燃料的 干成分来表示其化学组成则可排除这种影响。 进行燃烧计算时要用气态燃料的湿成分来算（这是真正 投入燃烧的），这时应依据当时的温度，根据该温度下 饱和水蒸气含量由干成分换算成湿成分。
气体燃料干湿成分换算关系
气体燃料成分的表示方法有两种：即湿成分和干成分。
CO
湿
+ H
湿 2
+ CH
湿 4
+ C H
n
湿 m
+ H S
2
湿
+ SO
湿 2
+ O
湿 2
+ N
湿 2
+ H O
2
湿
= 100
0 0
CO
干
+ H
干 2
+ CH
干 4
+ C H
n
干
m
+ H S
2
干
+ SO
干
2
O
干
2
+ N
干
2
= 100
第三章 气体燃料
天然的气体燃料有天然气和石油气 天然气 • 化学工业的宝贵原料 • 居民生活用燃气——13亿人非常庞大的需求 • 工业燃料 • 人造气体燃料有发生炉煤气、高炉煤气、焦炉煤气 • 发生炉煤气，将煤进行气化得到的气体燃料 • 重油裂化气，重油裂解造气得到的气体燃料 • 高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气，对应是高炉炼 铁炼焦炼钢所得副产品
气体燃料的优点
①燃烧简便，容易完全燃烧； ②调节控制方便，易于实现自动控制； ③燃烧后无固体灰渣，清洁方便； ④对设备磨损小，可以长距离管道输送； ⑤容易净化，以减少环境污染； ⑥可以高温预热，提高燃烧温度，节约燃料； ⑦只要避开爆炸范围，可任意调节热负荷，控制炉内气氛和 压力。
第一节 单一气体的物理化学性质 第二节 煤气成分的表示方法及发热量 第三节 高炉煤气 第四节 焦炉煤气 第五节 发生炉煤气 第六节 天然气 第七节 重油裂化气 第八节 转炉气
发热量
较低 ，只有3762-4180kJ/m3
理论燃烧温度
1400-1500°C，需预热空气和煤气
用途
产量大，3800-4000m3/t焦炭； 用于焦炉、或与焦炉煤气混合用于平炉
第四节 焦炉煤气
炼焦副产品 1t煤炼焦时可得到730-780kg焦炭，300-350m3焦炉煤气、 25-45kg焦油 成分－是无色有臭味的气体 可燃成分：H2、CH4、CO 惰性气体少： N2+CO2 8-16% 焦油蒸气、水蒸气：送入管网前（荒焦炉煤气－含焦油和 水蒸气）先冷凝 发热量 高，15890-17140kJ/m3 用途 与高炉煤气或发生炉煤气配成热量为836kg/m3的混合煤气 用于平炉
第八节 转炉气
转炉炼钢过程中的副产品
70m3/t钢
成分
CO，45-65%
发热量