燃烧理论之燃烧与热化学补煤
燃烧理论 第二章燃烧与热化学
伴有化学反应的热交换。 放热反应Exothermic: Heat flows out of the system (to the surroundings). 吸热反应Endothermic: Heat flows into the system (from the surroundings).
解 已知: =0.286, MWair=28.85,
mair=15.9 kg/s, MWfuel=1.16(12.01)+4.32(1.008)=18.286 求: mfuel and (A/F)
先求 (A/F) 然后求 mfuel .按定义：
其中 a=x+y/4=1.16+4.32/4=2.24. 有,
V=mv;U=mu;H=mh 状态函数
只与系统当时的状态有关，与如何达到这个状态无关Depends only on the present state of the system - not how it arrived there.
与路径无关It is independent of pathway. 状态方程
定压比热Constant-pressure specific heats 对于理想气体状态下：
温度与热
• 温度 表示颗粒的随机运动，与系统的动能有关
• 热 包括两个有温度差的物体之间的能量传递
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
组分 i的摩尔分数,xi
理想气体混合物
组分 i的质量分数, Yi
对于理想气体:
根据定义有 xi 和 Yi的关系 混合物分子量 MWmix 第 i组分的分压Pi
MWair=28.85. 求 : (A/F)和 . 先假定完全燃烧条件下，建立完全燃烧方程来获得空燃比，所谓的完全燃烧是指所有的碳全部
燃烧理论第4章
第4章着火（自燃与引燃）本章内容：着火的概念谢苗诺夫的热着火理论（热）自燃的着火延迟链着火理论强制着火着火范围4.1 着火的概念燃烧过程一般可分为两个阶段，第一阶段为着火阶段，第二阶段为着火后的燃烧阶段。
在第一阶段中，燃料和氧化剂进行缓慢的氧化作用，氧化反应所释放的热量只是提高可燃混合物的温度和累积活化分子，并没有形成火焰。
在第二阶段中，反应进行得很快，并发出强烈的光和热，形成火焰。
与连续、稳定的燃烧阶段不同，着火是一个从不燃烧到燃烧的自身演变或外界引发的过渡过程，是可燃混合物的氧化反应逐渐加速、形成火焰或爆炸的过程。
在这个过渡过程中，反应物的消耗及产物的生成尚不明显，它们之间的相互扩散的量级不大，扩散速度对此过渡过程的化学反应影响极微。
因此，着火是一个化学动力学控制的过程。
火焰的熄火过程也是一个化学反应速度控制的过程。
但与着火过程相反，它是一个从极快的燃烧化学反应到反应速度极慢，以至不能维持火焰或几乎停止化学反应的过程。
4.1.1 两种着火类型有两种使可燃混合物着火的方式：自发着火及强制着火。
自发着火有时又叫自动着火或自燃(以后统称为自燃)。
它是依靠可燃混合物自身的缓慢氧化反应逐渐累积热量和活化分子，从而自行加速反应，最后导致燃烧。
自燃有两个条件：1）可燃混合物应有一定的能量储蓄过程。
2）在可燃混合物的温度不断升高，以及活化分子的数量不断积累后，从不显著的反应自动转变到剧烈的反应。
有许多燃料与氧化剂在高温下迅速混合并导致自燃的例子。
例如，柴油喷到高温的压缩空气中在极短的时间内，部分地蒸发并与空气混合，在经历一定的延迟后反应便进行得非常快而着火燃烧；在冲压式喷气发动机及涡轮喷气发动机中燃料喷雾在加力燃烧器中的着火；汽油机中的爆震等。
强制着火是靠外加的热源（外部点火源）向混合物中的局部地方加入能量，使之提高温度和增加活化分子的数量，迫使局部地方的可燃混合物完成着火过程而达到燃烧阶段，然后火焰向可燃混合物的其他部分传播，导致全部可燃混合物燃烧。
燃烧理论基础-化学动力学
pN AV
2 AB
[
8kBT
]1/ 2
exp[ EA
/
RuT ]
4.17
• 不幸的是,碰撞理论没有给出确定活化能和空间因子的方 法.
• 更先进的理论， 具有破碎和形成键的分子结构的假设， 活样化的络讨合论物不理在论本，讲的就范可围以，从有基兴本趣原可理参来考计算Rekfbsim.[o2le]ca。nd这[3]. （第141页)
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1. 总包反应与基元反应
反应机制可以只包括几步 (基元反应）或可以达到几百个。 如何选择最少的基元小步骤来描述一个特定的反应是一个活跃的研究领域
（寻找主要反应途径）。
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1. 总包反应与基元反应
包含194种反应物和1459个 基元反应的 H2/CO/C1-C12 动力学模型。
JetSurF网站首页 （/JetSurF/）
反应的速度与以下的参数有关:
– 反应物浓度 – 温度 – 催化剂的存在与浓度 – 固体、液体或催化剂的表面积
反应速度随浓度变化一般用实验速度规律来表示。
为什么不用理论推导？
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2.反应速率和反应级数
aA总包+ 反bB应 C 速度 = -[A]/t = k[A]m[B]n
• [A] & [B] = 反应物浓度 (M) • m, n =指数 [与化学反应中的系数(a和b）无关，一般是实验测量值]
A2(g) + B2(g)
2AB(g)
反应将会如何发生?
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3. 基元反应速度
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3. 基元反应速度 一个有效的碰撞
活化复合体-假设
分离
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3. 基元反应速度
• 例 直如观,感在觉O，H希和望HH反要应撞形在成羟H基2O的的O反一应侧中要， 比在H一侧更容易反应,因为产物是形成 H-O-H这样的键。一般地，空间因子要远 小于1；但也有例外。
燃烧学理论
一、燃烧素学物质燃烧现象是古代和近代化学的重要研究对象。
古代哲学家把火看作是宇宙的“本原”；炼金家和医药化学家则视火为构成万物的“要素”；化学一度被称为“火术”。
当时已知的化学反应大都周燃烧现象有关。
特别是到了十七世纪中叶以后，随着资本主义生产的发展，金属冶炼、燃烧及其它高温反应都迫切需要对燃烧现象作出理论上的解释，所以建立燃烧理论已成为整个化学发展的中心课题。
在这种形势下，首先出现了错误的燃素学说，并统治化学达百年之久。
随后由于气体化学的成就而被推翻，建立了科学的氧化学说，使化学第一次有了关于化学反应的理论。
至此化学不仅在元素概念和物质组成上，而且在化学反应上确立了科学体系，奠定了近代化学的最后基石。
(一)燃素学说的统治处于十七世纪中叶的化学，虽然波义耳已从理论上阐明了元素的概念，然而在实际上，人们还难以辨别究竟什么是元素；医药化学家的“三要素”说仍在起着作用，并为燃素学说的产生提供了思想基础。
1669年曾经随同波义耳研究过燃烧现象的德国化学家贝歇尔(J．J．Becher，1635—1682)提出了燃素学说的基本思想。
他在《土质物理学》一书中提到，气、水、土虽然都是元素，作用并不相同：气不能参加化学反应，水仅仅表现为一种确定的性质，而土才是造成化合物千差万别的根源。
他认为土有三类：油状土、流质土、石状土，分别相当于硫、汞、盐“三要素”。
他还认为一切可燃物均含有“硫”的“油状土”，并在燃烧过程中放出。
他依此来解释燃烧现象。
1703年，贝歇尔的学生(Scheele)斯塔尔对他的老师的思想加以补充和发展，提出了一个比较完整的燃烧理论，称之为燃素学说。
他认为，“油状土”并非是“硫要素”所代表的可燃性，而是一种实在的物质元素，即“油质元素”或“硫质元素”，他把这种元素命名为“燃素”。
据此他提出：一切可燃物均含有燃素，可燃物是由燃素和灰渣构成的化合物，燃烧时分解，放出燃素，留下灰渣。
燃素和灰渣结合又可复原为可燃物。
燃烧理论
aA bB gG hH
(燃料)(氧化剂) (燃烧产物) 化学反应速度可用正向反应速度表示，也可用逆 向反应速度来表示。即
dC A WA = — dt
dCG WG = dt
dC B WB = — dt
dC H WH = dt
CA 、CB 、CG、、CH为摩尔组分浓度，kg/m3 或mol/m3。
过程所占的时间很长，约为90％，燃尽时间为1～2.8
秒。从燃烧放热量来看，焦碳占煤粉总放热量的 60～ 95％。 三、煤粉燃烧的主要特征 煤粉着火燃烧过程的细节十分复杂，只能说明几个 阶段的主要特征。
煤粉颗粒必须首先吸热升温，热源来自炉内1300～ 1600℃的高温烟气，燃煤得到干燥，随着水分的蒸发， 燃煤温度不断升高。挥发分析出后，剩余的固态物形成 焦碳。 可燃挥发分气体的着火温度比较低，450～550℃以 上就可着火、燃烧，同时释放热量，加热焦碳。焦碳温 度升高到着火温度时，即着火燃烧，并放出大量热量。 当焦碳大半烧掉之后，内部灰分将对燃尽过程产生 影响。其原因是：外层的灰分裹在内层焦碳上，形
3．正常燃烧向爆炸性燃烧的转变 当火焰正常燃烧时，有时会发生响声。此时，如 果绝热压缩很弱，不会引起爆炸性燃烧。但当未燃混 合物数量增多时，绝热压缩将逐渐增强，缓慢的火焰 传播过程就可能自动加速，转变为爆炸性燃烧。 四、煤粉气流火焰传播速度的影响因素 一般情况下，挥发分大的煤，火焰传播速度快；灰 分大的煤火焰传播速度小；水分增大时，火焰传播速度 降低。
k ko e
E RT
k0：频率因子； E：活化能； R：通用气体常数； T：热力学温度； 活化能E、频率因子k0都与温度无关；
什么是燃料的“活性”呢？
燃料的“活性”表示燃料着火与燃尽的难易程度。 例如，气体燃料比固体燃料容易着火，也容易燃尽。 而不同的固体燃料，“活性”也不同，燃料的“活 性”也表现为燃料燃烧时的反应能力。各种燃料所 具有的“活性”程度可用“活化能”的概念来描述。
含能材料的燃烧工作原理与热力学分析
含能材料的燃烧工作原理与热力学分析含能材料（Explosive）是指在适当的条件下能够快速分解、放出大量能量的物质。
其燃烧过程涉及热力学和动力学两个方面，本文将分析含能材料的工作原理以及与之相关的热力学性质。
一、含能材料的燃烧工作原理含能材料的燃烧是指其分解反应过程中释放出大量的热能，通常伴随着火焰、爆炸、气体体积急剧增大等现象。
燃烧的工作原理可以通过以下几个关键步骤来描述：1. 起始能量：含能材料在燃烧前需要具备一定的起始能量，可以是焰火、电火花、冲击等外界条件给予的能量。
这一能量的输入将激发材料内部的分子或离子，使其跃迁到高能级态。
2. 过渡态形成：在高能级态下，原子、分子、离子之间开始进行化学反应。
通常，含能材料中的氧化剂和还原剂分子之间会发生碰撞，使反应进行到过渡态。
3. 势能释放：含能材料分子在高能级态时，经历了化学键的断裂和新键的形成，随之释放出大量的化学势能。
这些化学势能以热能的形式散布给周围环境。
4. 其他反应过程：燃烧反应可能伴随其他反应过程，如生成气体、挥发物的释放等。
这些过程进一步增加了燃烧反应的复杂性。
二、热力学分析热力学是研究能量转化和能量流动规律的学科。
对含能材料燃烧过程进行热力学分析可以揭示其能量转化和反应性能。
1. 热力学基础：以爆炸反应为例，爆炸冲击波的产生源于含能材料中的化学能转化为热能，使介质气化扩张形成高温高压气体。
热力学第一定律描述了能量守恒原则，即系统得到的热释放等于材料内部的热能增加以及周围介质的热态增加。
而热力学第二定律则描述了能量转化的方向性，包括熵的变化和能量的流动。
2. 爆炸反应的特征：爆炸反应包含了内能变化、生成物的物质组成变化、体积急剧增大以及压力增加等特征。
通过热力学分析，可以计算爆炸反应的热效应（焓变）、熵变、生成物的热力学性质等。
3. 爆炸热力学参数的计算：爆炸热力学参数包括反应热（ΔH）、熵变（ΔS）和自由能变（ΔG）。
这些参数可以通过实验测定或者理论计算得到。
【清华大学 燃烧学】燃烧理论_2燃烧与热化学补煤
3. 燃料组成对燃烧的影响
• 碳：可燃元素。1 kg纯碳完全燃烧时，放出32860 kJ的热量。当不 完全燃烧生成CO时，放出9268kJ的热量。纯碳起燃温度很高，燃 烧缓慢，火焰也短。煤中的碳不是单质状态存在，而是与氢、氮、 硫等组成有机化合物。煤形成的地质年代越长，其挥发性成分含 量越少，而含碳量则相对增加。例如，无烟煤含碳量约90%~98%， 一般煤的含碳量约50%~95%。
• 氢：是燃料中发热量最高的元素。固体燃料中氢的含量为2%~10%， 以碳氢化合物的形式存在，1 kg氢完全燃烧时能放出120500 kJ的热 量。
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3. 燃料组成对燃烧的影响
• 氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热量 • 氮：燃料中含氮量很少，一般为0.5%~1.5% • 硫：以三种形态存在：有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫。前两种
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4.煤的分类和组成
• 煤的工业分析（续）
• 固定碳 •失去水分和挥发分后的剩余部分（焦炭）放在
800 20 C的环境中灼烧到重量不再变化时，取出冷却。 焦炭所失去的重量为固定碳
• 灰分： • 从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分为固定
碳
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4.煤的分类和组成
• 煤中灰分的组成：
• 我国煤炭的平均灰分含量为25％ • 灰分的存在降低了煤的热值，也增加了烟尘污染和出渣量
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4.煤的分类和组成
• 煤的工业分析
• 水分：
• 一定重量13mm以下粒度的煤样，在干燥箱内318～323K
温度下干燥8h，取出冷却，称重
外部水分
• 将失去外部水分的煤样保持在375～380K下，约2h后， 称重 内部水分
• 挥发分： • 失去水分的试样密封在坩埚内，放在1200K的马弗炉中
燃烧理论基础简介
燃烧理论基础简介一、碳粒燃烧的动力区、扩散区、过渡区1．动力区：温度低于900～1000℃时，化学反应速度小于氧气向碳粒表面的扩散速度，氧气的供应十分充足，提高扩散速度对燃烧速度影响不大，燃烧速度取决于温度。
2．扩散区：温度高于1200℃时，化学反应速度大于氧气向碳粒表面的扩散速度，以至于扩散到碳粒表面的氧气立刻被消耗掉，碳粒表面处的氧浓度接近于0，提高温度对燃烧速度影响不大，燃烧速度取决于氧气向碳粒表面的扩散速度。
3．过渡区：介于动力区和扩散区之间，提高温度和提高扩散速度都可以提高燃烧速度。
若扩散速度不变，只提高温度，燃烧过程向扩散区转化；若温度不变，只提高扩散速度，燃烧过程向动力区转化。
二、直流煤粉燃烧器1、煤粉燃烧器的作用煤粉燃烧器是燃煤锅炉燃烧设备的主要部件。
其作用是：(1) 向炉内输送燃料和空气；(2) 组织燃料和空气及时、充分的混合；(3) 保证燃料进入炉膛后尽快、稳定的着火，迅速、完全的燃尽。
在煤粉燃烧时，为了减少着火所需的热量，迅速加热煤粉，使煤粉尽快达到着火温度，以实现尽快着火。
故将煤粉燃烧所需的空气量分为一次风和二次风。
一次风的作用是将煤粉送进炉膛，并供给煤粉初始着火阶段中挥发分燃烧所需的氧量。
二次风在煤粉气流着火后混入，供给煤中焦炭和残留挥发分燃尽所需的氧量，以保证煤粉完全燃烧。
直流燃烧器通常由一列矩形喷口组成。
煤粉气流和热空气从喷口射出后，形成直流射流。
（二）、直流煤粉燃烧器的类型直流煤粉燃烧器的一、二次风喷口的布置方式大致上有两种类型。
一类适用于燃烧容易着火的煤，如烟煤、挥发分较高的贫煤以及褐煤。
这类燃烧器的一、二次风喷口通常交替间隔排列，相邻两个喷口的中心间距较小。
我们称为均等配风方式，这种方式适合烟煤的燃烧。
因一次风携带的煤粉比较容易着火，故希望在一次风中煤粉着火后及时、迅速地和相邻二次风喷口射出的热空气混合。
这样，在火焰根部不会因为缺乏空气而燃烧不完全，或导致燃烧速度降低。
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褐煤
• 最低品味的煤，形成年代最短，热值较低
烟煤
• 形成年代较褐煤长，碳含量75%~90％。成焦性较强，适 宜工业一般应用
无烟煤
• 煤化时间最长，含碳量最高（高于93％），成焦性差,发 热量大
4.煤的分类和组成
• 煤的成分分析
✓ 工业分析（ proximate analysis ）
第一节 燃料的性质
1. 燃料的分类
按获得方法分 按物态分
天然燃料
人工燃料
固体燃料
木柴、煤、油页岩 木炭、焦炭、煤粉等
液体燃料 气体燃料
石油 天然气
汽油、煤油、柴油、 重油
高炉煤气、发生炉煤 气、焦炉煤气
2. 燃料的化学组成
典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分
2. 燃料的化学组成
典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分（续）
测定煤中水分、挥发分、灰分和固定碳。估测硫含量和热 值，是评价工业用煤的主要指标。
✓ 元素分析（ ultimate analysis ）
用化学分析的方法测定去掉外部水分的煤中主要组分碳、氢、 氮、硫和氧的含量。
4.煤的分类和组成
• 煤的工业分析 ✓ 水分：
• 一定重量13mm以下粒度的煤样，在干燥箱内318～323K温 度下干燥8h，取出冷却，称重 外部水分
煤的计算
1. 试求1kg如下成分燃料燃烧时理论所必需的空气量： Car=37.2%, Har=2.6%, Sar=0.6%, Nar=0.4%, Oar=12%,Mar=40%,Aar=7.2%。还求过量空气系数 为1.2时燃烧产物的容积。
2. 试求40kg煤和60m3发生炉煤气的燃料混合物的燃 烧产物。煤的成分为Car=47.4%, Har=3.2%, Sar=2.5%, Nar=1.3%, Oar=9.7%, Mar=11.0%, Aar=24.9和煤气的成分为H2S=1.2%, CO2=6.5%, CO=25%, H2=14.0%, CH4=2.2%, CmHn=0.3%, O2=0.2%, N2=50.5%
• 将失去外部水分的煤样保持在375～380K下，约2h后，称 重 内部水分
✓ 挥发分：
• 失去水分的试样密封在坩埚内，放在1200K的马弗炉中加 热7min，放入干燥箱中冷却至常温再称重
4.煤的分类和组成
• 煤的工业分析（续）
✓ 固定碳
• 失去水分和挥发分后的剩余部分（焦炭）放在80020C的 环境中灼烧到重量不再变化时，取出冷却。焦炭所失去的 重量为固定碳
• 氢：是燃料中发热量最高的元素。固体燃料中氢的含量为 2%~10%，以碳氢化合物的形式存在，1 kg氢完全燃烧时能放出 120500 kJ的热量。
3. 燃料组成对燃烧的影响
• 氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热量 • 氮：燃料中含氮量很少，一般为0.5%~1.5%
• 硫：以三种形态存在：有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫。前两 种能放出热量，称之为挥发硫。硫燃烧生成产物为SO2和SO3， 其中SO2占95%以上。
3. 燃料组成对燃烧的影响
• 水分：水分的存在使燃料中可燃成分相对地减少。煤中水 分由表面水分（外部水分）和吸附水分（内部水分）组成。 外部水分可以靠自然干燥方法除去。内部水分要放在干燥 箱中加热到102~105C，保持2h后才能除掉。
• 灰分：是燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分。
4.煤的分类和组成
3. 燃料组成对燃烧的影响
• 碳：可燃元素。1 kg纯碳完全燃烧时，放出32860 kJ的热量。当 不完全燃烧生成CO时，放出9268kJ的热量。纯碳起燃温度很高， 燃烧缓慢，火焰也短。煤中的碳不是单质状态存在，而是与氢、 氮、硫等组成有机化合物。煤形成的地质年代越长，其挥发性成 分含量越少，而含碳量则相对增加。例如，无烟煤含碳量约 90%~98%，一般煤的含碳量约50%~95%。
3. 试求燃料的收到基成分。若已给出燃料成分为 Cdaf=85%,Hdaf=6%,Sdaf=4%,Odaf=5%,并已知收 到基水分Mar=18.6%,干燥基灰分Ad=30%。还要求 这种燃料的发热量，再求燃烧空气温度为300°C和 过量空气系数为1.25时的理论燃烧温度。
燃料与燃烧（补充）
1. 燃料的性质 2. 燃料的燃烧过程 3. 烟气体积计算 4. 燃烧过程中硫氧化物的形成 5. 颗粒污染物的形成 发分后剩余的部分为固定碳
4.煤的分类和组成
• 煤中灰分的组成：
• 我国煤炭的平均灰分含量为25％ • 灰分的存在降低了煤的热值，也增加了烟尘污染和出渣量
4.煤的分类和组成
• 煤的元素分析
✓ 碳和氢：通过燃烧后分析尾气中CO2和H2O的生成量测定 ✓ 氮：在催化剂作用下使煤中的氮转化为氨，碱液吸收，
毛主席影响中国最为深远的十句话
1、一条千古不变的真理：“枪杆子里面出政权！” 在蒋介石背信弃义，背叛革命，毛泽东痛定思痛的在血的教训前得出的经验！ 2、最鼓舞人心的一句话：星星之火，可以燎原。 在当时复杂艰苦的环境下，经过科学的分析，这句话对革命来说，无疑是一针兴奋剂！ 3、最豪迈，最傲气的一句话：—切反动派都是纸老虎！ 不管是国民党的百万大军，还是美国的原子弹！或是后来的苏联百万大兵压境。又算得了什 么呢？ 4、最谦虚的一句话：这只是万里长征的第一步！ 领导中国人民推翻三座大山，开创中华民族的新纪元。原来还只是万里长征的第一步！ 5、最震憾人心，最震憾世界的一句话：中国人民从此站起来了！ 不管在建国后所犯的错误或多或少，这个由带领无数仁人志士苦苦探索，追求，奋斗，实现 的梦想，已足可奠定其在中国历史上的位置！ 6、最正气凛然的一句话：人不犯我，我不犯人。 我们渴望和平，但我们从不害怕战争！我们不对任何无核国家威胁使用核武器，也不会首先 使用核武器。能够并敢于说出这句话的世界上只有中国。 7、最无奈又最具神秘性的一句话：天要下雨，娘要嫁人，由他去吧！ 8、最充满希望的一句话：你办事，我放心。 9、最有志气的一句话：自己动手，丰衣足食！ 10、令贪官们最为警醒的一句话：为人民服务。（面对大海）