燃烧理论

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。 能源： “能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”。——《科学 技术百科全书》 “能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适 当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”。——《大英百科 全书》 “在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来 作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能 源”。——《日本大百科全书》 “能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一 形式能量的载能体资源”。——中国《能源百科全书》
C +O2 →CO2；4Na + O2 →2Na2O；4P +5O2 →2P2O5 (2) 化合物先分解后化合（碳氢化物）


CH4 + 2O2 →CO2 + 2H2O；2C2H2 + 5O2 →4CO2 + 2H2O (3) 复杂的分解反应和复分解反应（指含氧物）
4C3H5(ONO2)3 (硝化甘油)→12CO2 +10H2O +6N2； 2NH4NO3 →2N2 +4H2O +O2
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氮氧化物
粉尘
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1.3燃烧及其设备

燃烧薪柴、煤炭、石油和天然气等矿物质燃料将化学能转化为热能， 一直是人类获取大量热能和电能的主要途径。 燃烧是物质发生激烈的化学反应而发热和发光的现象。 燃烧的三种基本现象：化学反应、传热和传质。 化学反应是燃烧过程中最主要的基本现象，同时发生许多化学反应。 热量传递是燃烧过程中必然发生的物理现象，包括导热、辐射、对流。 传质广泛存在于燃烧过程中。传质过程包括：形成火焰的部分或所有 气体的对流传质；火焰中某些组分相对于其他组分的分子扩散或湍流 扩散。火焰中气体流动：火焰本身流动，也可由于浮力作用产生。 扩散现象是由于火焰中气体组分浓度的显著差异而引起的。 分子扩散：因分子无规则热运动使火焰中气体组分由浓度高处传递至 浓度较低处的现象。 湍流扩散：湍流火焰中，凭借气体质点的湍流来进行质量传递的现象。 区别于化学反应工程中的“三传一反”的特点：三传是指传质、传热、 动量传递，一反指化学反应过程。
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燃烧应用领域及发展需求



能源动力：煤炭发电、石油、天然气 … 工业生产：钢铁、玻璃、陶瓷、塑料、纳米粒子 … 日常生活：火锅、壁炉、生日蜡烛 、焰火… 安全防范：森林火灾、建筑物火灾、煤矿爆炸 … 环境与气候：氮氧化物、一氧化碳、硫氧化物、炭 黑… 能源动力：世界总能源的 80％来自于燃烧矿物燃料 环境污染：绝大部分大气污染物和CO2也源自于燃 烧 推进技术：高超声速飞行器发动机(如超燃冲压发动 机、脉冲爆震发动机等) 、大功率舰船用燃气轮机 开发替代燃料、研制高性能燃烧器、防火防爆、娱 乐产品开发…
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燃烧的本质


人类对火的认识，已经有几十万年的历史了。从钻木取火，到 后来发现热可以从各种能量转换， 是人类长期用火实践和大量 的科学实验证明，燃烧的本质表现在： 1、燃烧是一种化学反应 燃烧中化学反应类型大致有三种： (1) 简单组成的可燃物直接与氧化合（单质化合）
燃烧和能源利用是怎样的关系？ 燃烧在人类发展史中的地位怎样？ 燃烧的本质是什么？ 燃烧与“节能减排”战略关系大吗？ 燃烧设备有哪些特点？ 燃烧中蕴涵的节能减排的思想和方法？

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1绪论
1.1能源的概念与分类 1.2燃烧学的发展历程 1.3燃烧及其设备 1.4工程燃烧设备的性能特点 1.5燃烧学研究内容 1.6课程任务、特点 1.7参考书目

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1.2燃烧学的发展与需求

远古时代燧人氏钻木取火，50万年以前北京猿人已经学 会使用火。 希腊神话中，火是普罗米修斯从宙斯手中偷得赠送给人 类的礼物。 无论是西方的圣火，还是中国的“火文化”，都体现了 对人类进步的尊重与渴望。 （1）火是人类第一次支配的自然力，并逐步成为人类改 造自然的强大手段；汉代（公元前200年）已经开始使用 煤；魏晋时期（公元300年）开始用煤冶铁。但对燃烧现 象的本质可以说一无所知。

中国能源人均占有量为世界人均资源量的1/2，为美国人均资源量 的1/10。 2009年全国发电量达36812亿千瓦时，其中水电、火电、核电和风 电发电量占全部发电量的比重分别为15.53%、81.81%、1.90%和 0.75%。 2010年全国能源消费总量超过32亿吨标煤，远高于27亿吨标煤的 规划值。据分析“即使按照每5年单位GDP能耗下降20%计算，同 时保持9%的增速，到2020年也需要70亿吨标煤。”
燃烧理论
教材：工程燃烧学，汪军，中国电力出版社，2008.7
燃烧：社会发展与科技进步的推动力
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北京奥运会火炬、 火种送上海拔 8844．43米的珠穆 朗玛峰峰顶。火炬 克服低温、低压、 缺氧、大风等极端 不利条件，在珠峰 之巅漂亮地燃烧， 举世为之惊叹。在 这史无前例的壮举 背后，凝聚着中国 航天人的智慧与辛 劳。

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2000年世界能源结构
煤 40%
石油 25%
其它 2% 核能 17%
煤 37% 石油 11% 天然气 15%
其它 5%
核能 8%
天然气 22%
水力 18%
世界能源消费结构（2000年）
世界电力能源结构（2000年）
化石能源占总能源的87％
化石能源占总电力能源的63％。
中国能源现状
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1774年，普利斯特列发现了氧，拉瓦锡很快在实验中 证明，这种物质在空气中的比例为1/5，并命名这一物 质为“氧”(原义为酸之源)。拉瓦锡正确的燃烧学说得 到确立，并因此而引起了化学界的一大革新，开始揭 开燃烧的本质。 （4）化学热力学（19世纪）：将燃烧装臵作为热力学 体系，研究其初态和终态之间的关系，阐明了燃烧热 、产物平衡组分及绝热火焰温度的概念。 （5）化学动力学（20世纪30年代）：阐明了燃烧的链 式反应机理，提出了火焰传播及最小点火能等概念， 之后又逐步认识到限制燃烧过程的因素不是反应动力 学而是传热传质。 （6）反应流体力学、燃烧空气动力学 （20世纪50～60 年代）:用经典力学方法来研究燃烧过程。冯卡门(Von Karman)、钱学森建立了化学流体力学，首先提出用连 续介质力学方法研究燃烧基本现象。
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Physical measurement principle of Doppler Global Velocimetry
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particle image velocimetry (PIV)粒子成像测速场仪；the imaging of scalars planar laser induced fluorescence (PLIF)平面激光诱导荧光成像
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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。 （8）燃烧测试技术（20世纪60年代）：燃烧测量技术进展主要反 映在喷雾测量、流场测量、火焰测量和燃烧过程产物测量等方面。 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。 利用高速摄影和纹影技术能测量出火焰发展和火焰面形状，采用两 色法能获得清晰的火焰图像。 激光诱导荧光(LIF)技术可获取混合气浓度场、燃烧过程NO和OH分 布。 红外测温系统可获取火焰的温度分布，根据光谱信息检测缸内NO 浓度。 利用激光诱导荧光法两维成像技术，通过对火焰前锋面中间基OH 、CH和C2的发光光谱分析，较好地认识了火焰前锋面处的化学反 应过程。
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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。 关于燃烧模拟的目的： 模拟燃烧过程、帮助解释和理解观察到的燃 烧现象；代替困难或高造价的实验；指导燃 烧实验的设计；帮助确定各种参数对燃烧过 程的影响。 例如 锅炉运行中常见的问题：

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按人类开始利用能源的历史划分：
常规能源：在现有经济和技术条件下,已经大规 模生产和广泛使用的能源。 新能源：虽然已得到利用，或已引起人们重视， 但尚未被人类大规模利用，或在利用技术方面有 待进一步研究和开发的能源。 按照能源利用对环境的影响划分： 清洁能源：天然气、风能、水能、太阳能、地热 能、可燃冰、核能。 非清洁能源：煤炭、石油。 按能源的性质和利用方式： 燃料能源：矿物燃料、生物质燃料、化工燃料、 核燃料。 非燃料能源：风能、太阳能、地热能、潮汐能等。
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（2）燃素说（16～17世纪）：火是由无数细小而活 泼的微粒构成的物质实体。这种微粒既能同其他元素 化合而成化合物，也能以游离形式存在。他弥散于大 气之中，给人以温暖的感觉。由这种火的微粒构成的 元素就是“燃素”。按照燃素说解释燃烧现象，认为 一切于燃烧有关的化学变化都可以归结为物质吸收燃 素与释放燃素的过程。 （3）燃烧的氧学说（1756～1777）：法国化学家拉 瓦锡（Lavoisier）首先提出燃烧是物质的氧化这一概 念，这被认为是创建燃烧理论的萌芽。 1772年11月1日法国科学家拉瓦锡关于燃烧的第一篇 论文发表了，其要点是由燃烧而引起的重量增加。这 种“重量的增加”是由于可燃物同空气中的一部分物 质化合的结果。燃烧是一种化合现象。拉瓦锡尚未完 全弄清楚这空气的一部分是什么物质。



燃烧效率低，表现在能耗高、烟气中的可燃 气体含量高、飞灰及炉渣 中的可燃物含量 高、锅炉负荷达不到要求；燃烧不稳定、热 负荷分布不均匀；水冷壁及对流受热面超温 、结渣；污染物（粉尘、NOx、SOx）排放 高；所有这些问题都与锅炉内部气体的流动 、燃料的燃烧、热量的传递这三种基本现象 密切相关，可以通过计算机模拟来解决。
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教学与考察方式

课堂授课34学时、实验来自百度文库学时
成绩评定（暂定） 期末考试：满分100分，占60%，笔试 日常考核：满分100分，占40%，包括 作业成绩，平时出勤，阅读文献报告， 与燃烧案例相关的新颖设计（额外加分）
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本节针对的问题
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能的形式 机械能、热能、电磁能、化学能、核能（原子能）、辐射 能等。 能源分类 按转换和利用层次划分： 一次能源：从自然界取得的未经加工或转换的能源。 二次能源：一次能源经过加工或者转换得到的电能、油类、 煤气、焦炭、热水、蒸汽等能源。 终端能源：能源经输送和分配，终端用能设备入口得到的 能源。 按能源可否再生划分： 可再生能源：能重复再生的自然能源。 非再生能源：不能重复产生的自然能源。短期内不会重复 产生，最终会枯竭。



国家能源局发展规划司司长江冰表示，按照中国国情和“十二五” 国际国内的经济社会发展趋势测算，2015年中国一次能源消费总 量可控制在40-42亿吨标准煤，2030年总量可能接近和超过70亿吨 标准煤。
21世纪上半叶我国一次能源生产和消费结构仍以煤炭为主，电力 能源结构以火电为主。实现我国政府提出的到2020年单位GDP二 氧化碳排放比2005年下降40%-45% 的目标，需要付出艰苦努力。 2018/12/12