燃烧基本理论
《燃烧基本理论》课件
燃烧的化学特性
放热反应
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1பைடு நூலகம்
燃烧是一种放热反应，释放出大量的热量，可以用于加热物体或驱动机械。
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2
化学键断裂
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3
燃烧过程中，可燃物质中的化学键发生断裂，释放出能量。
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4
新物质生成
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5
燃烧过程中，可燃物质与氧化剂反应生成新的物质，这些物质通常是稳定的化合物。
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6
燃烧的物理特性
含硫燃料燃烧时会产生二氧化硫等硫氧化物。
二氧化碳
氮氧化物
颗粒物
燃烧过程中，碳与氧结合生成二氧化碳。
高温下氮气与氧气反应生成氮氧化物。
燃烧过程中产生的固体颗粒物，如灰尘等。
温室效应
二氧化硫、氮氧化物等气体与水蒸气反应形成酸雨。
酸雨
空气污染
生态破坏
01
02
04
03
燃烧产生的污染物对生态系统造成破坏，影响生物多样性。
01
燃烧效率优化
通过调整燃料与空气的混合比例、燃烧温度和时间等参数，提高燃烧效率，减少不完全燃烧损失。
02
污染物排放控制
采用尾气处理、除尘、脱硫脱硝等技术，降低燃烧过程中产生的污染物排放。
燃烧的控制技术与方法
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长期接触污染物可能导致免疫系统功能下降，增加感染和疾病的风险。
燃烧产物对人体的影响
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燃烧的应用与控制
05
燃烧化石燃料（如煤、石油、天然气）产生高温高压蒸汽，驱动发电机发电。
火力发电
利用燃气燃烧产生高速气流，驱动涡轮旋转，从而发电或提供动力。
燃气轮机
第7章 燃气燃烧的基本理论
tth 是燃气燃烧过程控制的一个重要指标，它表明某种 燃气在一定条件下燃烧，其烟气所能达到的最高温度。
4、实际燃烧温度tact：
实际燃烧温度与理论燃烧温度的差值随工艺过程 和炉窑结构的不同而不同，很难精确计算出来。经验 公式为：
tact tth
μ—高温系数。对一般工业炉窑可取0.65～0.85，无 焰燃烧器的火道可取0.9。
§7-1 燃气的燃烧计算
3、燃烧反应计量方程式： 是进行燃烧计算的依据。它可以表示出燃烧前后， 燃气中的各可燃物质与其燃烧产物间的量值比例关系。 如： CH 2O CO 2H O H 4 2 2 2 任何一种形式的碳氢化合物 Cm H n 的燃烧反应方程 式都可用以下通式表示：
n n Cm H n (m )O2 mCO 2 H 2O H 4 2
2、燃烧热量温度tther：
Q2=0，Q3=0，Q4=0；不计由燃气和空气带入的物 理热（Ig=Ia=0）；且假设α =1。
tther
Hl
0 VRO2 cRO2 V H0 O cH O VN c 2 N2
2 2
tther 只与燃气组成有关，即只取决于燃气性质，是燃 气的热工特性之一，是从燃烧温度的角度评价燃气性 质的一个指标。
1、三原子气体体积：
VRO2 VCO2 VSO2 CO2 CO mCm Hn H2 S
2、水蒸气体积：
V
0 H 2O
n H 2 H 2 S Cm H n 1.20(d g V0 d a ) 2
3、氮气体积：
V 0.79V0 N2
0 N2
4、理论烟气量总体积：
干空气中N 2与O2 的容积比为：
燃烧理论基础
三、链式反应旳分类
新旳活化中心旳数目等于或不小于原有旳活化中心旳数目
链式反应分为
不分支反应 分支反应
四、氢气与空气旳反应——分支链式
爆炸反应
2H 2 O2 2H 2 0
反 H原应子开为始活化中心，H 2M为M任何2活H化分M子
中间反应
H O2 0H O （慢）
O H 2 H OH
第一节、燃烧反应速度及其影响原因
燃烧反应和化学反应一样，根据参加反应旳物质不同分为：
均相燃烧—气体燃料在空气中燃烧 异相燃烧—固体燃料在空气中燃烧，煤粉燃烧
一、反应速度旳定义
根据质量作用定律，反应速度有不同旳定义方式：
第一种定义：单位时间内和单位体积内燃烧掉旳燃料量或 消耗旳氧量
aA bB gG hH
kzC0
ks
k
ks k
ks k
不同反应区域分析 —动力与扩散燃烧理论
（1）动力区（化学动力控制区）
温度较低：碳表面化学反应速度远不大于氧气向 表面旳扩散速度，氧气供给充分，足够反应所需。 燃烧速度取决于化学反应速度，反应处于动力区。
K很小（温度很低），1/k很大，所以
1 1
k ks
w kC0
对于异相反应－煤粉与空气混合物
w kf ACBn
f A —单位容积可燃混合物内煤粉的表面积； CB —氧气的浓度。
二、影响化学反应速度旳主要原因
1，浓度 从前面反应速度旳定义式，可知：浓度越大，反应速度越
快。 原因：燃烧反应属双分子反应，只有当两个分子发生碰撞
时，反应才干发生。浓度越大，即分子数目越多，分子间 发生碰撞旳几率越大。
第二种定义：
在一定旳温度下，化学反应速度和各反应物旳浓度成正比 1867年由Guldberg和Wage提出 对均相反应：
火焰燃烧学的理论及实验研究
火焰燃烧学的理论及实验研究火焰燃烧学是研究燃烧现象和相关物理化学机理的学科，它对于人类的生产和生活至关重要。
在很多领域中，如能源开发、化学加工、火灾防控等，都需要对火焰燃烧学有深入的了解。
因此，火焰燃烧学的理论研究和实验研究都具有重要意义。
一、火焰燃烧学的基本理论火焰燃烧学最基本的理论是燃烧三要素：燃料、氧气和点火源。
只有这三要素同时齐备，才能实现可燃物质的燃烧。
除此之外，温度和压力也对燃烧过程有重要作用。
例如，燃料的温度越高，点火源越强，燃烧过程就越容易发生；而在高压环境中，燃烧速度也会显著提高。
另一个基本理论是火焰传播机制。
火焰是一种复杂的化学反应，它是由一系列连续的化学反应组成的。
当火焰开始燃烧时，它会向周围传播，同时产生大量的热和光。
火焰传播速度受多种因素影响，如燃料种类、浓度、形态、氧气浓度等。
同时，氧气是火焰传播的关键因素，因为它是维持燃烧反应的必要物质。
火焰燃烧学还研究了反应动力学和反应过程的热力学特性。
反应动力学研究焰前化学反应的速率和机理，不仅可以预测火焰传播速度和火焰形态，还可以为实际应用提供指导。
反应过程的热力学特性包括反应热、生成物温度、比容、比热等，这些参数对于火焰燃烧的能量转换和溢出有重要影响。
二、火焰燃烧学的实验研究在火焰燃烧学的实验研究中，最重要的是建立适合的实验模型和测试方法。
为此，每个实验应该有明确的目的和设计方案，并且能够记录和分析数据。
根据实验的不同目的和方法，可以划分为以下几种类型。
1. 基础实验：探究火焰的基本特性，如火焰传播速度、热释放速率、燃料浓度、形态和燃料组成对燃烧性能的影响等。
该实验经常采用闭式压力容器，通过变化燃烧条件来模拟火灾现场，同时记录关键参数变化。
2. 热解实验：研究物质在不同温度和热流密度下的分解特性和气相产物的形成机制。
这种实验通常通过热解装置进行，利用不同的升温和降温速率模拟物质在火焰中的分解过程。
3. 火场实验：研究火灾场景中的火焰燃烧现象，如烟气产生、热量释放等。
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。
燃烧过程的理论基础
烟煤Vdaf=40%
650
烟煤Vdaf=30%
750
烟煤Vdaf=20%
840
贫煤Vdaf=14%
900
无烟煤Vdaf=4%
1000
挥发分越高的煤，着火温度越低，即越容易着火； 挥发分越低的煤，着火温度越高，越不容易着火。
着火热
一次风：现代大中容量锅炉广泛燃用煤粉，为了使煤粉气流被更快加热到煤粉颗粒的着火温度，总是不把煤粉燃烧所需的全部空气都与煤粉混合来输送煤粉，而只是用其中一部分来输送煤粉，这部分空气称为一次风。
只有粗煤粉在炉膛高温区才可能处于扩散。
其他区域为动力或过渡区，故提高炉膛温度可强化煤粉燃烧。
一次反应：式3-26；一次产物
燃烧机理：在碳粒的吸附表面进行的多相燃烧反应。
二次反应：式3-27；二次产物
碳粒的燃烧
02
不同温度下的碳粒燃烧过程：
图3-6 低于1200℃； 高于1200℃；
气流速度影响：
影响煤粉气流着火的因素
煤粉空气混合物经燃烧器喷入炉膛后，通过湍流扩散和回流，卷吸周围的高温烟气，同时又受到炉膛四壁及高温火焰的辐射，被迅速加热，热量达到一定温度后就开始着火。
1．燃料的性质 挥发分：含量低，煤粉气流的着火温度高，着火热增大，着火所需时间长，着火点离燃烧器喷口的距离也增大。 水分：水分大，着火热也随之增大，炉内温度水平降低，从而使煤粉气流卷吸的烟气温度以及火焰对煤粉汽流的辐射热也相应降低，对着火不利。 灰分：灰分在燃烧过程中不能放热还要吸热，灰分在着火和燃烧过程中使得炉内烟气温度降低，同样使煤粉气流的着火推迟，并进一步影响了着火的稳定性。 煤粉细度： 煤粉愈细，着火愈容易。（这是因为在同样的煤粉浓度下，煤粉愈细，进行燃烧反应的表面积就会越大，而煤粉本身的热阻却减小，在加热时，细煤粉的温升速度就比粗煤粉要快，这样就可以加快化学反应速度，更快地着火。）
燃烧的原理是什么
燃烧的原理是什么
燃烧的原理是指物质在氧气存在下，释放化学能量的过程。
燃烧通常涉及三个基本要素：燃料、氧气和燃烧温度。
燃料可以是固体、液体或气体，它与氧气发生反应，产生二氧化碳、水和能量。
燃烧的反应可以用简化的化学方程式表示：
燃料 + 氧气→ 二氧化碳 + 水 + 能量
在燃烧过程中，热能和光能被释放出来。
其中，热能是由于化学反应释放出的能量，导致气体和周围物质的温度升高。
光能则表现为火焰的亮度和颜色。
燃烧是一种氧化反应，也称为氧化燃烧。
燃料内部的化学键被氧气断裂，然后形成新的键以产生二氧化碳和水。
化学反应中，能量被吸收和释放。
在燃烧过程中，燃料的化学能转化为热能和光能。
燃料的燃烧需要满足三个条件：燃料、氧气和燃烧温度必须同时存在。
缺一不可。
燃烧过程可以是自然的，也可以通过外部提供燃烧物质和氧气来创造、控制。
燃烧在日常生活中具有广泛的应用，如烹饪、取暖、交通工具驱动等。
然而，燃烧也会产生烟雾、废气和温室气体等污染物。
因此，在燃烧过程中要采取控制措施，以减少对环境和健康的影响。
燃烧基本理论
内容：燃烧基本理论一、燃烧的本质和条件（一）燃烧的本质燃烧是一种放热发光的化学反应。
燃烧同时具备三个特征，即化学反应、放热和发光，具备一个或两个特征不能称为燃烧。
（二）燃烧的条件1.必要条件：任何物质发生燃烧必须具备三个条件，即可燃物、助燃物（氧化剂）和着火源。
2.充分条件：一定的可燃物浓度，一定的氧气含量，一定的着火能量，三者相互作用。
二、燃烧类型燃烧类型主要有闪燃、自燃、着火、爆炸。
（一）闪燃在一定温度下，易燃、可燃液体表面上产生足够的可燃蒸汽，与空气混合遇着火源产生一闪即灭的燃烧现象叫作闪燃。
（二）自燃可燃物质在没有外部明火等火源的作用下，因受热或自身发热并蓄热所产生的自行燃烧现象称为自燃。
自燃包括受热自燃和本身自燃。
1、受热自燃。
可燃物质在空气中，连续均匀地加热到一定温度，在没有外部火源的作用下，发生自行燃烧的现象叫作受热自燃。
2、本身自燃。
可燃物质在空气中，自然发热经一定时间的积蓄使物质达到自燃点而燃烧的现象，叫作本身自燃。
（三）着火可燃物质与空气（氧化剂）共存，达到某一温度时与火源接触即发生燃烧，当火源移去后，仍能继续燃烧，直到可燃物燃尽为止，这种持续燃烧的现象叫作着火。
（四）爆炸物质从一种状态迅速转变成另一种状态，并在瞬间放出大量能量，同时产生声响的现象叫爆炸。
爆炸浓度极限：可燃气体、蒸气或粉尘与空气的混合物，遇火源能够发生爆炸的浓度。
遇火源能够发生爆炸的最低浓度叫作爆炸浓度下限（也称为爆炸下限）；遇火源能发生爆炸的最高浓度叫作爆炸浓度上限（也称为爆炸上限）。
在火场上，常见的爆炸主要有以下三种：1. 气体爆炸：可燃气体与空气混合后遇到明火或电火花等火源时发生爆炸的现象。
气体爆炸必须具备三个条件：气体本身具有可燃性；气体必须与空气混合达到一定的浓度；有点火源的存在。
2、粉尘爆炸：悬浮于空气中的可燃粉尘遇到明火或电火花等火源时发生爆炸的现象。
粉尘爆炸必须具备三个条件：粉尘本身具有可燃性；粉尘必须悬浮在空气中并与气混合达到爆炸浓度；有足以引起粉尘爆炸的点火能量。
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一般，对于>100μm的大 颗粒，且挥发分含量较多 的煤，在慢速加热的条件 下（<100℃/s），煤中的 挥发分有可能在颗粒周围 达到着火条件而首先发生 均相着火。对于较小煤粒 及快速加热条件下，则可 能是煤表面首先着火，这 就是非均相着火。
1）非均相着火
经典理论是热爆炸理论（Thermal Explosion Theory）即TET理论。
1967年Ｅssenhign将煤粒通过一个平面火焰来考察 煤粒的着火情况。实验表明，挥发分在平面火焰前 后几乎是保持不变，而火焰前后混合物中的ＣＯ２ 和的着Ｏ火２都是发非生均了相显的著（的焦变炭化首，先着据火此）认。为煤在火焰中
Ｅssenhigh[19]认为，大多数情况下煤粒着火是非均 相的，他的理由是煤粒着火温度与相同煤粒脱去挥 发分之后的煤焦着火温度基本相同，煤粒着火温度 与热解温度基本没有关系。
通常所谈到的煤的热解特性仅指挥发分 的析出特性。
实验证明
在400℃之前，基本上只有CO2析出 在400~~600℃，C2H4、C2H6、CO、CH4和H2相继
达到最大值，同时焦油也在形成；
在600℃以后主要是H2和CO析出，并达到最大值。 通常工业生产中所用到的挥发分含量是煤的工业
爆炸性燃烧，系靠压力波将冷的可燃气体混合物加热至着 火 温 度 以 上 而 燃 烧 ， 火 焰 传 播 速 度 大 ， 约 为 1000— 4000m/s。通常是在高压、高温下进行。
一般窑炉中燃料的燃烧，属于普通的（正常的）燃烧。
二、煤粉的燃烧研究
对燃烧领域来说，主要关心的是煤的燃烧特性 和污染特性
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。
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。
２）均相着火
煤的均相着火涉及到热解、挥发分的组成和析出速 度、以及挥发分的气相反应机理等，而人们对这些 了解还很不够，因此发展缓慢。
Ａnnamalai和Durbetaki[23] 在不考虑多相反应时分析 了煤颗粒的均相着火，提出了火焰薄层（Ｆlame Sheet）模型，其着火判据称为绝热着火准则，即 气相反应放热正好可以满足煤的热解吸热和将热解 产物加热到着火温度。
1989年，Ｗ.Print[18]等人对煤粒在二维流化床中的着火及 热解作了系统性的实验研究。结果表明，在较高的温度 下（>８００℃）确实是挥发分先析出并着火，在低温 下（<４５０℃）则是整个煤粒或煤粒表面某处着火。
对极慢的加热速度情况，1985年Ｔognott[22]利用普通热 天平对褐煤的着火特性进行了研究，他们发现，因挥发 分的慢慢析出，且逐渐扩散到空气中，这样挥发分浓度 始终很低，因而不可能着火，此时必定是非均相着火。
总的燃烧速度常数K
K=1/（1/Ks+1/Kd）
焦的化学反应速度常数Ks一般认为满足Arrheniu 气流的扩散速度可由下式确定[55]
Kd=2.3ФD/（d RTa）
煤粉燃烧特性的研究主要集中在四个方面：煤 粉的热解特性，煤粉的着火特性、煤焦的燃尽 特性及煤的结渣特性。
由于焦的燃烧及燃尽需要更长的时间，故在燃 烧过程中更为重要。
1. 煤粉的热解特性
煤的热解是指煤在加热过程中释放出气 体（挥发分）的过程。
热解研究应包括两个方面：气态成分的 生成过程和固态成分的孔隙结构及形态 变化。
张军和付维标[27][28]在较准确的数值计算基础上，提出 了带化学反应的分区简化模型来描述煤粒的均相着火。
3．煤粉的燃尽特性
焦炭的非均相燃烧过程控制着煤粉燃烧的总速度， 为国内外学者所关注。
研究内容：碳与氧的反应机理和燃烧反应速度。 对于碳与氧的反应机理，一般认为碳与氧反应时
一氧化碳和二氧化碳都是其主要产物，两种产物 之比随温度上升而增加，并与碳的种类有关。 煤焦的燃烧速度取决于焦的化学反应速度和气流 的扩散速度
均相着火:一般是指煤中的挥发分热解、聚积到一 定程度发生的着火。
非均相着火:是指氧气扩散到焦炭表面，直接与颗 粒发生反应而着火。
Essenhigh在其综述文章[15]中给出了着火区域划分图, 指 出煤粒着火不仅有均相着火与非均相着火，而且还有一 个称为非均相—均相的联合着火区（hcterohomgencous）
一、基本概念
从燃烧的角度来看，各种不同燃料均可归纳为两种基本 组成:
可燃气体如H2、CO及CmHn等 固态炭
燃烧是指燃料中的可燃物与空气产生剧烈的氧化反应， 产生大量的热量并伴随着有强烈的发光现象。 燃烧有两种类型: 普通的燃烧，亦即正常的燃烧观象 爆炸性燃烧
普通的燃烧，亦即正常的燃烧观象，靠燃烧层的热气体传 质传热给邻近的冷可燃气体混合物层而进行火焰的传播。 通常燃烧的火焰传播速度较小，仅每秒几米，燃烧时压力 变化较小，一般可视为等压过程。
Gururajan[25]既考虑颗粒表面的氧化反应，又考虑空间 挥发分的气相氧化，建立了单颗粒稳态燃烧的详细模 型。
模型中着火的判据是：当燃烧状态由低温燃烧或动力 燃烧转变为高温燃烧或扩散燃烧时着火发生。模型成 功地预报了着火温度随粒径、氧浓度等因素的变化规 律，结果与实验相吻合。
章明川[26]利用可燃气体浓度极限建立了煤粉均相着火 的模型
Ｋimber[21]等认为在快速热解时，煤中的固定炭将随着挥 发分的析出而被夹带出，因此Ｏ２与CＯ２的变化并不说 明焦炭一定着火。
1968年，G．K．Thomas[17]等利用高速摄影技术，对直 径为１mm的褐煤颗粒在500℃空气中的燃烧过程进行了 研究，发现着火发生在煤粒表面某处，然后煤粒温度升 高，直到煤中挥发分析出才见到火焰变大。