燃烧理论与技术
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燃烧理论与设备
考核方式
• 总分＝100 ％ ＝平时成绩30％+期末考试70％
• 平时成绩 ＝ 30％
＝作业10％+实验10％ +考勤10％
人类用火的历史
燃烧工程的产业背景
人类的能源动力系统全景
2013年全国能源消费37.6亿吨标煤, 其中非化石能源比重9.8%
2013年全国发电量52451亿千瓦时， 折合标准煤6.6亿吨
汽车尾气污染物：微粒 (PM)
微粒富集了各种污染元素, 如多环芳烃、苯并 芘等都是至癌物质。 • 微粒对人类健康的危害性与微粒大小及其组成 有关。微粒愈小，停滞于人体肺部、支气管的 比例愈大，对人体的危害就愈大。较大的微粒 ( 例如大于 5 μm)，不能深入呼吸道，常到鼻、 喉处便被阻住。由于柴油车排气微粒粒径分布 的峰值通常在 0 ． 1 μm 左右，故处于能在大气 中长期悬浮的尺寸范围内，因而对人体健康有 很大威胁。
能源视角下的三类企业
能源生产企业：供应商品能源（电力、热力、商品燃料） 能源消费企业：采购并使用商品能源 能源消费兼生产：使用商品能源并副产另一种能源产品
能源生产
将一次能源加工为商品能源
—— 产出：商品燃料、电力、热力
商品燃料生产与供应
电力生产与供应 热力生产与供应
能源消费：生活消费
采购商品能源，用于日常生活
热能消费：
用作工艺热源
机械驱动系统全景
电网 配电系统
电动机 变速箱 使用机械能的设备
无灰燃料 发动机
商品燃料
锅炉 蒸汽机
热源系统全景
电网 配电系统
电热装置 热泵 热媒系统 热用户
商品燃料 燃烧器
换热器
热网
典型的工厂供热系统
锅炉（煤、气、油、电）
热媒管网 蓄热器 热媒 导 蒸 热 热 热 汽 水 风 油
用热设备 余热回收
工厂动力系统分类
只消费机械能的企业 消费热能为主的企业 同时消费热能与机械能的企业
减排背景下的工厂动力系统
SOX、NOX、颗粒物等排放指标越来越苛刻
消费商品燃料的企业，生产成本急剧上升
商品能源的相对购入比价
商品能源
煤 锯末、稻壳、蔗渣 秸秆压块 木炭、木质颗粒 重油 天然气 电
电网 配电系统 发电机
厂内供电
无灰燃料 发动机
商品燃料
锅炉 燃烧器
蒸汽机
使用热能的设备
余热回收
新型工厂动力系统的主要内容
新型发动机 新型燃烧器 清洁燃料
低排放锅炉与窑炉 小型热电联产系统 余热回收系统
有机废弃物能源利用 动力系统联产副产品
新型换热器
新型压缩机 大容量蓄热器
新型热媒
燃烧技术的工业应用领域
汽车尾气污染物：碳氢化合物（HC）
• 碳氢化合物，包括未燃和未完全燃烧的燃油、 润滑油及其裂解产物和部分氧化物，如苯、醛、 稀和多环芳香族碳氢化合物等200多种复杂成 分。饱和烃危害不大，不饱和烃危害性很大， 甲烷气体无毒性。当甲醛、丙稀醛等醛类气体 浓度超过1×10-6时，就会对眼、呼吸道和皮肤 有强烈的刺激作用，浓度超过25×10-6时，就 会引起头晕、恶心、红血球减少、贫血，进一 步增大浓度时会急性中毒。苯是无色气体，但 有特殊气味。应当引起注意的是带多环的多芳 香烃，如苯比芘及硝基烯，是强烈致癌物质。
窑炉（ 燃烧器 + 炉膛） 机械热泵 （ 压缩机 + 换热器 + 热媒系统 ）
高效系统—— 热电联产、余热回收
廉价清洁燃料—— 生物质、洁净煤
企业的对策
燃料成本占比低、高附加值产业
——煤改气、煤改油、煤改电
燃料成本占比高、附加值低的产业
出路之一：大幅度提高系统能效
出路之二：改用廉价的清洁燃料
热电联产与余热回收系统全景
——采购并使用商品燃料、电力、热力 终端能源消费的能量形式：机械能、热能、光
光能消费：用于照明等
机械能消费：用于机械驱动
热能消费：
用作生活热源
能源消费：工厂动力
使用商品能源，用于动力系统
——采购并使用商品燃料、电力、热力 终端能源消费的能量形式：机械能、热能、光
光能消费：用于照明等
机械能消费：用于机械驱动
• 煤烟型污染 • 石油型污染
排烟：燃煤
SOx、NOx、PM • 燃煤是雾霾的重要成因 • 燃煤是酸雨的基本成因
排烟：汽车尾气
• 机动车的有害成份分担率： CO 86％ 60％ HC 90％ 86.8％ NOx 56％ 54.7％
• 上海 • 北京
内燃机排放的毒性
• HC、CO、NOx、PM、醛类化合物等
现代燃烧技术使命
• 揭示燃烧现象的物理化学过程及其机理 • 达到对燃烧过程的精确控制 • 达到高效、清洁能量转换
化学能向热能的转换
燃烧过程涉及复杂的物理与化学变化 •形成浓度合适的可燃混合物。 •形成具有连续传播火焰能力的火焰核心。 •急速的燃烧化学反应，释放热量。 •火焰的传播。 •燃烧产物的生成。
课程的主要内容
燃烧理论：
• 化学热力学 • 化学动力学 • 传递过程
着火机理 火焰传播 热量传递（温度分布）
传递过程
质量传递（浓度分布） 动量传递（速度分布）
燃烧设备：燃烧计算，火床、火室、流化床设计
我国的煤炭消费
• • • • • 火力发电 冶金 工业动力与热力消费 日常生活热力消费 工业原料
我国的成品油消费 动力机械大量消耗成品油
货车、轿车、 客车 (46%) 农业机械和工程机械(44%) 铁路、海运、渔业、石油机械(8%) 其他用途 (2%) 内燃机 (61%) 其他 (39%)
大气环境现状
• 内燃机
• 燃气轮机 • 锅炉
• 工业炉 • 消防
能源危机下的燃烧科学与技术
燃烧技术给人类文明带来巨大进步。 目前人类消费的热力、电力和动力绝大 部分由化石燃料转换而来（转换过程通 常都要经历燃烧过程），化石燃料的储 存量有限的。 —— 能源危机
燃烧科学与技术的新挑战
• 燃料燃烧过程会产生有害的排放物质： SOx、NOx、CO、HC、PM • 燃料燃烧过程会产生温室气体CO2。 —— 环境压力
汽车尾气Fra Baidu bibliotek染物：氮氧化物（NOX）
• 氮氧化物是燃烧过程中形成的。氮氧化物有 NO、NO2、N2O3、N2O5等，总称NOx。NO是 无色无味气体，只有轻度刺激性，高浓度时会 造成中枢神经系统轻度障碍，NO可以被氧化 成NO2。NO2是一种棕红色强烈刺激性的有毒 气体，1×10-6就感到恶臭，它对人体健康毒害 较大。NO2吸入人体后，和血液中的血红素蛋 白（Hb）结合，使血液输氧能力下降，对心、 肝、肾都会有影响，还会使植物枯黄。
光化学烟雾，刺激眼睛和喉咙，毒害植物
• 微粒物
可入肺，含有致癌物
汽车尾气污染物：一氧化碳（CO）
• 一氧化碳是燃油在空气不足情况下的燃 烧产物，是汽油车排放中浓度最大的有 害物质。一般说来，汽油车排放中的一 氧化碳浓度约在3~4％范围之内；一氧化 碳是一种无色、无味、无臭的窒息性有 毒气体。人体吸入一氧化碳以后，因为 一氧化碳比氧气与血红素结合的亲合力 要大210倍，就会使人感到头痛、头晕， 出现中毒现象；
单价（￥/MJ） ~ 0.030 ~ 0.027 ~ 0.033 ~ 0.062 ~ 0.072 ~ 0.11 ~ 0.17 ~ 0.19
相对值 1.0 0.9 1.1 2.1 2.4 3.7 5.7 6.3
柴油
工厂动力系统的核心设备
发动机、燃烧器、换热器、压缩机、蓄热器
组合装备
锅炉 （ 燃烧器 + 换热器 + 热媒系统 ）
考核方式
• 总分＝100 ％ ＝平时成绩30％+期末考试70％
• 平时成绩 ＝ 30％
＝作业10％+实验10％ +考勤10％
人类用火的历史
燃烧工程的产业背景
人类的能源动力系统全景
2013年全国能源消费37.6亿吨标煤, 其中非化石能源比重9.8%
2013年全国发电量52451亿千瓦时， 折合标准煤6.6亿吨
汽车尾气污染物：微粒 (PM)
微粒富集了各种污染元素, 如多环芳烃、苯并 芘等都是至癌物质。 • 微粒对人类健康的危害性与微粒大小及其组成 有关。微粒愈小，停滞于人体肺部、支气管的 比例愈大，对人体的危害就愈大。较大的微粒 ( 例如大于 5 μm)，不能深入呼吸道，常到鼻、 喉处便被阻住。由于柴油车排气微粒粒径分布 的峰值通常在 0 ． 1 μm 左右，故处于能在大气 中长期悬浮的尺寸范围内，因而对人体健康有 很大威胁。
能源视角下的三类企业
能源生产企业：供应商品能源（电力、热力、商品燃料） 能源消费企业：采购并使用商品能源 能源消费兼生产：使用商品能源并副产另一种能源产品
能源生产
将一次能源加工为商品能源
—— 产出：商品燃料、电力、热力
商品燃料生产与供应
电力生产与供应 热力生产与供应
能源消费：生活消费
采购商品能源，用于日常生活
热能消费：
用作工艺热源
机械驱动系统全景
电网 配电系统
电动机 变速箱 使用机械能的设备
无灰燃料 发动机
商品燃料
锅炉 蒸汽机
热源系统全景
电网 配电系统
电热装置 热泵 热媒系统 热用户
商品燃料 燃烧器
换热器
热网
典型的工厂供热系统
锅炉（煤、气、油、电）
热媒管网 蓄热器 热媒 导 蒸 热 热 热 汽 水 风 油
用热设备 余热回收
工厂动力系统分类
只消费机械能的企业 消费热能为主的企业 同时消费热能与机械能的企业
减排背景下的工厂动力系统
SOX、NOX、颗粒物等排放指标越来越苛刻
消费商品燃料的企业，生产成本急剧上升
商品能源的相对购入比价
商品能源
煤 锯末、稻壳、蔗渣 秸秆压块 木炭、木质颗粒 重油 天然气 电
电网 配电系统 发电机
厂内供电
无灰燃料 发动机
商品燃料
锅炉 燃烧器
蒸汽机
使用热能的设备
余热回收
新型工厂动力系统的主要内容
新型发动机 新型燃烧器 清洁燃料
低排放锅炉与窑炉 小型热电联产系统 余热回收系统
有机废弃物能源利用 动力系统联产副产品
新型换热器
新型压缩机 大容量蓄热器
新型热媒
燃烧技术的工业应用领域
汽车尾气污染物：碳氢化合物（HC）
• 碳氢化合物，包括未燃和未完全燃烧的燃油、 润滑油及其裂解产物和部分氧化物，如苯、醛、 稀和多环芳香族碳氢化合物等200多种复杂成 分。饱和烃危害不大，不饱和烃危害性很大， 甲烷气体无毒性。当甲醛、丙稀醛等醛类气体 浓度超过1×10-6时，就会对眼、呼吸道和皮肤 有强烈的刺激作用，浓度超过25×10-6时，就 会引起头晕、恶心、红血球减少、贫血，进一 步增大浓度时会急性中毒。苯是无色气体，但 有特殊气味。应当引起注意的是带多环的多芳 香烃，如苯比芘及硝基烯，是强烈致癌物质。
窑炉（ 燃烧器 + 炉膛） 机械热泵 （ 压缩机 + 换热器 + 热媒系统 ）
高效系统—— 热电联产、余热回收
廉价清洁燃料—— 生物质、洁净煤
企业的对策
燃料成本占比低、高附加值产业
——煤改气、煤改油、煤改电
燃料成本占比高、附加值低的产业
出路之一：大幅度提高系统能效
出路之二：改用廉价的清洁燃料
热电联产与余热回收系统全景
——采购并使用商品燃料、电力、热力 终端能源消费的能量形式：机械能、热能、光
光能消费：用于照明等
机械能消费：用于机械驱动
热能消费：
用作生活热源
能源消费：工厂动力
使用商品能源，用于动力系统
——采购并使用商品燃料、电力、热力 终端能源消费的能量形式：机械能、热能、光
光能消费：用于照明等
机械能消费：用于机械驱动
• 煤烟型污染 • 石油型污染
排烟：燃煤
SOx、NOx、PM • 燃煤是雾霾的重要成因 • 燃煤是酸雨的基本成因
排烟：汽车尾气
• 机动车的有害成份分担率： CO 86％ 60％ HC 90％ 86.8％ NOx 56％ 54.7％
• 上海 • 北京
内燃机排放的毒性
• HC、CO、NOx、PM、醛类化合物等
现代燃烧技术使命
• 揭示燃烧现象的物理化学过程及其机理 • 达到对燃烧过程的精确控制 • 达到高效、清洁能量转换
化学能向热能的转换
燃烧过程涉及复杂的物理与化学变化 •形成浓度合适的可燃混合物。 •形成具有连续传播火焰能力的火焰核心。 •急速的燃烧化学反应，释放热量。 •火焰的传播。 •燃烧产物的生成。
课程的主要内容
燃烧理论：
• 化学热力学 • 化学动力学 • 传递过程
着火机理 火焰传播 热量传递（温度分布）
传递过程
质量传递（浓度分布） 动量传递（速度分布）
燃烧设备：燃烧计算，火床、火室、流化床设计
我国的煤炭消费
• • • • • 火力发电 冶金 工业动力与热力消费 日常生活热力消费 工业原料
我国的成品油消费 动力机械大量消耗成品油
货车、轿车、 客车 (46%) 农业机械和工程机械(44%) 铁路、海运、渔业、石油机械(8%) 其他用途 (2%) 内燃机 (61%) 其他 (39%)
大气环境现状
• 内燃机
• 燃气轮机 • 锅炉
• 工业炉 • 消防
能源危机下的燃烧科学与技术
燃烧技术给人类文明带来巨大进步。 目前人类消费的热力、电力和动力绝大 部分由化石燃料转换而来（转换过程通 常都要经历燃烧过程），化石燃料的储 存量有限的。 —— 能源危机
燃烧科学与技术的新挑战
• 燃料燃烧过程会产生有害的排放物质： SOx、NOx、CO、HC、PM • 燃料燃烧过程会产生温室气体CO2。 —— 环境压力
汽车尾气Fra Baidu bibliotek染物：氮氧化物（NOX）
• 氮氧化物是燃烧过程中形成的。氮氧化物有 NO、NO2、N2O3、N2O5等，总称NOx。NO是 无色无味气体，只有轻度刺激性，高浓度时会 造成中枢神经系统轻度障碍，NO可以被氧化 成NO2。NO2是一种棕红色强烈刺激性的有毒 气体，1×10-6就感到恶臭，它对人体健康毒害 较大。NO2吸入人体后，和血液中的血红素蛋 白（Hb）结合，使血液输氧能力下降，对心、 肝、肾都会有影响，还会使植物枯黄。
光化学烟雾，刺激眼睛和喉咙，毒害植物
• 微粒物
可入肺，含有致癌物
汽车尾气污染物：一氧化碳（CO）
• 一氧化碳是燃油在空气不足情况下的燃 烧产物，是汽油车排放中浓度最大的有 害物质。一般说来，汽油车排放中的一 氧化碳浓度约在3~4％范围之内；一氧化 碳是一种无色、无味、无臭的窒息性有 毒气体。人体吸入一氧化碳以后，因为 一氧化碳比氧气与血红素结合的亲合力 要大210倍，就会使人感到头痛、头晕， 出现中毒现象；
单价（￥/MJ） ~ 0.030 ~ 0.027 ~ 0.033 ~ 0.062 ~ 0.072 ~ 0.11 ~ 0.17 ~ 0.19
相对值 1.0 0.9 1.1 2.1 2.4 3.7 5.7 6.3
柴油
工厂动力系统的核心设备
发动机、燃烧器、换热器、压缩机、蓄热器
组合装备
锅炉 （ 燃烧器 + 换热器 + 热媒系统 ）