哈工大燃烧学试题2007试题及答案

哈工大 2007 年 春 季学期

燃烧学 试 题

题号 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 总分 分数

学号 姓名

一．名词解释（18分，每小题3分） 1．燃料的低位发热量

当不计入燃烧产生的水蒸汽汽化潜热时，1kg 燃料完全燃烧所释放出的热量

2．过量空气系数

实际空气量与理论燃烧所需空气量的比值

3．层流火焰传播速度

层流火焰锋面在其法线方向上相对于未燃混合气体的速度

4．预混火焰和扩散火焰

预混火焰是燃料和氧化剂充分混合后的燃烧火焰。火焰温度很高，没有黑烟，火焰短而强。

扩散火焰是燃料燃烧所需的空气全部由外界提供，靠可燃气体与空气中的氧相互扩散来完成燃烧过程的火焰。燃烧过程较长，火焰温度低，燃料不易燃尽，有很烟，火焰很长。 5．质量作用定律

基元反应的速率与反应物浓度（带有相应的指数）的乘积成正比，其中个浓度的指数就是反应式中各相应物质的化学计量系数。

6．斯蒂芬流

多组分流体在一定的条件下在表面处将形成一定的浓度梯度，因而可能形成各组分法向的扩散物质流。另外如果相分界面上有物理或化学过程存在，这种物理或化学过程也会产生或消耗一定的质量流，于是在物理或化学过程作用下，表面处又会产生一个与扩散物质流有关的法向总物质流。这个总物质流是由表面本身因素造成的。这一现象是斯蒂芬在研究水面蒸发时首先发现的，因此称为斯蒂芬流。

二、填空题（20分，每空2分）

1．列举两种复杂化学反应类型对峙反应、平行反应、连续反应（任选两个）2．设某一反应温度由400℃增至410℃时，反应速率将增加至原来的(e=2.718)倍，该反应的活化能等于381939J/mol。

3．煤粉燃烧过程中NOx的生成类型主要是燃料型NOx和热力型NOx，

其主要成分是NO和NO2。

4．列举两种煤的特种分析方法热重分析，着火指数分析，沉降炉实验，一维燃烧炉实验，热显微镜法，重力筛分法，比表面积法（任选两个）

5．一种动力用煤的工业分析成分如下，请判断这种煤的分类

中挥发分烟煤（V daf=28.6%）。

Mar Aar Var FCar

10% 20% 20% 50%

三、简答题（25分，每小题5分）

1．简述液体燃料燃烧的过程分为哪几步？

液体燃料首先蒸发汽化，再扩散到空气中与空气混合后燃烧（扩散燃烧）。2．归纳分支链锁反应的反应步骤。

链激发（链的开始）：由起始分子借热、光等外因生成自由基的反应。

链传递（链的增长）：有自由原字或自由基与饱和分子作用生成新的分子和新的自由基，不断交替，若不受阻，反应一直进行下去直至反应物被耗尽。链中断（链的销毁）：当自由基被消除时，链就中止。

3．列举5种工程上常用的火焰稳定方法。

用小型点火火焰稳定主火焰

用钝体稳定火焰

用旋转射流稳定火焰

扩散火焰的稳定

用多孔板形成回流区稳定火焰 / 采用射流喷入突然扩大的燃烧室使在射流外侧形成回流区稳定火焰 / 使射流刚喷入燃烧室中就急剧拐弯，在拐弯处形成回流区稳定火焰

4．简述湍流预混火焰的分类和特点。

小尺度湍流火焰：湍流中的微团的平均尺寸小于可燃混合气体在层流下的火焰锋面厚度，能够保持较规则的火焰锋面，其燃烧区的厚度只是略大于层流火焰锋面厚度；

大尺度弱湍流火焰：微团平均尺寸大于可燃混合气体在层流下的火焰锋面厚度，微团脉动速度小于层流火焰传播速度，火焰锋面扭动，微团不能冲破火焰锋面

大尺度强湍流火焰：微团平均尺寸大于可燃混合气体在层流下的火焰锋面厚度，微团脉动速度大于层流火焰传播速度，不存在连续的火焰面。

5．说明煤粉燃烧过程中一次风的作用。

输送煤粉进入燃烧室；

供给着火初期所需要的氧气

四．假定：1）油滴为均匀对称的球体；2）油滴随风飘动，与空气没有相对运动；3）燃烧进行得很快，火焰面很薄；4）油滴表面温度为饱和温度；5）忽略对流与辐射换热；6）忽略油滴周围的温度场不均匀对热导率、扩散系数的影响；7）忽略斯蒂芬流。试计算火焰锋面的直径、油耗量，以及油滴直径与时间的关系。（9分）

对半径为r 的球面，通过球面向油滴传导的热量等于燃油气化所需热量和使油气温度由T 0升高到T 所需的热量，则

()204p dT

r m L C T T dr

πλ

??=+??? （1） L m λ??-导热系数；燃油气化潜热；油滴表面的燃油气化量，即油耗量；Cp-燃油蒸汽的比热容。

将上式从油滴表面（r 0和T 0）到火焰锋面（r f 和T f ）积分：

()()()0

2

2

04//f

f

T r p T r r L C T T dT m r dr πλ+?=∫

∫

（2） 得

114/ln 1-00C

p m C T T p f r r L

f πλ????

??????=++??????

???

?

?? （3） 假设火焰前锋之外有一半经r 的球面，氧气从远处通过这个球面向内扩散的数量必然等于火焰前锋所消耗的氧气量， 即 24dC

r D

m dr

πβ= （4） D C β???氧的分子扩散系数；氧的浓度； 氧与燃油的化学当量比，从离油滴很远

处和火焰锋面之间积分，得

()11

404f f m

D C m r r DC βπβπ∞∞???=??

?=????∞?

?

（5） 代入（3）得

04ln 1-02r f C

Kd

DC p m r T T f C L p πρλπβ∞

??????????=++=??????????????

（6） 令 8ln 1-0r C DC p K T T f C L p λρβ∞??

????=++????????

（7） r ρ?油的密度，

()22

f f

r d d d m d πρτ=? （8）

（7），（8）联立：

2f d d Kd τ????

??

=? （9） 对（9）积分

()

2

22

00

f

f d f d

d d Kd d d K τ

ττ=??=?∫∫ （10）

五．应用谢苗诺夫的非稳态着火理论分析，如果燃料和空气均匀混合，对于存在散热的系统，燃料的发热量对着火条件的影响（9分）

当有散热时，热量的损失速率为：()0/q S T T V α=? 单位时间，单位容积的释放热量为：0exp n g E q Qk C RT

??=?

????

g p

dT

q q c d ρτ

?= g q α??0可燃混合物反应的释热率；-反应物向外界的放热系数；S-容器壁面面积；T 周围介质温度或壁面温度，一般为可燃混合物的初始温度；V-容器体积

如图，假定T 03< T 02< T 01。当T 0q g 如果取出外部扰动，系统的温度就会降低，从而回到a 点，当混合温度处于T 0时，q

Ta 。当系统温度达到Tb 时，系统若有扰动使系统温度上升，此时qq g ,系统温度将会逐渐冷却到Ta 。

当T 0=T 02时，q 与q g 曲线相切于c 点,此时q=q g ，当系统温度向上扰动时，

dT d τ>0,系统温度会上升；当系统温度向下扰动时，dT d τ>0，系统温度还

是会回到Tc 。称Tc 围着火温度。

当T 0=T 01时，q 与q g 曲线没有相交，q

六．根据碳的燃烧速度特点，可以把碳的燃烧过程分为哪几个控制区，请分析每个控制区的特点。（9分）

答案要点：

1、按照碳的燃烧速度公式

∞+=

C k G d c s βα1

可见碳的燃烧速度受氧气扩散过程和碳氧化合反应的动力学因素双重作用，燃烧速度的控制因素取决于扩散过程和化学反应动力学过程的相对强弱。

如果扩散系数远小于化学反应速度常数，则反应处于扩散燃烧控制区；如果扩散系数远大于化学反应速度常数，则反应处于动力燃烧控制区；如果扩散系数和化学反应速度常数的数量级相当，则反应处于过渡燃烧控制区。

2、每个控制区的特点

（1）扩散控制燃烧区：燃烧时扩散速度远大于化学反应速度，发生在燃烧温度很高时，使得所有扩散到碳表面的氧立即全部反应掉，整个碳的的燃烧速率取决于氧扩散到炭表面的速率。

此时，燃烧速度可以认为与温度无关，而只取决于氧浓度和氧向碳表面的扩散能力。

（2）动力控制燃烧区：燃烧时化学反应速度远小于扩散速度，发生在燃烧温度不高时，使得碳表面的氧浓度等于周围环境中的氧浓度，燃烧速率取决于化学反应动力学因素。

此时，燃烧速度可以认为与氧浓度无关，而只取决于燃烧温度。 （3）过渡燃烧区：燃烧时扩散和化学反应因素均不可忽略。碳表面的的氧浓度介于扩散和动力燃烧之间。

此时，燃烧速度与氧浓度及其扩散能力，和燃烧温度均有密切关系。

七．试分析旋流煤粉燃烧器出口煤粉气流的着火过程，并说明强化煤粉气流着火的主要措施。（10分）

答案要点：

1、煤粉着火过程

（1）旋流煤粉燃烧器的特点是一次风在中心，以直流射流或者旋转射流的型式进入燃烧室；二次风在一次风的周围，分为一股或者多股送入燃烧室，二次风通过叶片或者涡壳产生旋转射流。

（2）如果旋转射流的旋流强度足够大，在一次风中心区域会产生回流区，回流区的压力低于其下游的高温烟气的压力，由此会卷吸下游处的的高温烟气进入回流区，与出于低温状态的没有着火的煤粉气流（一次风）混合，对一次风煤粉气流进行加热。

（3）煤粉气流在回流区高温烟气以及周围高温烟气和炉壁的辐射和对流换热作用下迅速升温，达到着火条件，析出挥发分实现着火。

（4）挥发分着火后会迅速加热焦炭，使焦炭达到着火温度，如果此时二次风适时混入，则焦炭着火，完成了煤粉的着火。

2、强化煤粉着火的主要措施

（1）将煤粉磨得更细一些，比表面积的增加有利于煤粉颗粒迅速获得着火热；

（2）提高一次风和二次风温，有利于减小煤粉的着火热；

（3）在保证煤粉输送安全和挥发分着火所需氧气的前提下，尽量减小一次风率；

（4）燃烧器附近布置卫燃带，提高着火区域的炉壁温度；

（5）选择合适的旋流强度，形成合适尺寸和位置的回流区；

（5）组织良好的炉内高温烟气的合理流动，保证后期二次风和焦炭的适时混合。