4.4燃烧过程基本理论
《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
添加标题
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
添加标题
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。
添加标题
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
THANKS
感谢观看
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
CATALOGUE
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
燃烧学—第4章2
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
6
《燃烧学》--第四章
图4-21 不同压力下甲烷爆炸极限 1．火焰向下传播，圆筒容器尺寸为 37×8cm；2．端部或中心点，球形 容器；3．火焰向下传播，圆筒容器
图4-22 不同压力下氢气爆炸极限 1．火焰向下传播，圆筒容器尺寸为 37×8cm；2．端部或中心点，球形 容器；3．火焰向下传播，圆筒容器
图4-19 温度对甲烷爆炸极限的影响
图4-20 温度对氢气爆炸极限的影响
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
5
《燃烧学》--第四章
温度对丙酮爆炸极限的影响
混合物温度，℃ 0 50 100 爆炸下限，％ 4.2 4.0 3.2 爆炸上限，％ 8.0 9.8 10.0
（2）初始压力
一般压力增大，爆炸极限扩大 压力降低，则爆炸极限范围缩小 待压力降至某值时，其下限与上限重合，将此时的最低压力称为 爆炸的临界压力。若压力降至临界压力以下，系统便成为不爆炸
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
7
《燃烧学》--第四章
（3）惰性介质即杂质
若混合物中含惰性气体的百分数增加，爆炸极限的范围缩小，惰 性气体的浓度提高到某一数值，可使混合物不爆炸
加入惰性气体， 爆炸上限显著下降 爆炸下限略有上升 最终合为一点 ——爆炸临界点
惰化能力：
CCl4 > CO2 > H2O > N2 > He > Ar
气体混合 物 CO2 O2 CO H2 CH4 N2
下限 ％
上限 ％
下 限 ％
上 限 ％
水煤气
6.2
0.3
39.2
49.2
2.3
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
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：
【2019年整理】燃烧基本理论
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
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
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。
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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。
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）
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。
燃烧过程的基本理论
煤粉着火的主要加热源
• 要使煤粉着火。必须要有热源将煤粉加热到足够 高的温度。这个热源主要包括：煤粉气流卷吸回 流的高温烟气；火焰、炉墙等对煤粉的辐射；燃 料进行化学反应释放的热量 • 建模，研究结果表明：煤粉气流中，只有表面一 层煤粉可以接受辐射加热，考虑到这一影响，说 明煤粉气流的着火主要靠高温烟气回流 • 为了使煤粉气流更快加热到煤粉颗粒着火温度， 不能把燃烧所需要的空气全部用来输送煤粉，而 是用一部分输送煤粉，这部分为一次风，其余的 为二次风和三次风
活化能 E 破坏原有化学键并建立新化学键所必须消耗的能量，具有活化能 的分子为活化分子。活化能 E与反应物种类有关，挥发分含量小的煤，E大 在一定的温度下，活化能 E越大，则反应速度常数 k值越小，反应速率越小； 而在一定的活化能 E下，温度越高，则反应速度常数k值越大，反应速率越 大 不同反应活化能不同，而且正反应和逆反应的活化能也不同。（见书119页）
§6-2煤、焦炭和煤粉的燃烧
一、煤粉燃烧燃烧的四个阶段 预热、干燥(吸热) 挥发分析出(热解),并着火 燃烧(挥发分、焦炭)(保证O2、足够温度 ) 燃尽（残余焦炭→灰渣）影响q4 着火是前提、燃尽是目的 如何强化着火→第四节 如何强化燃烧、燃尽→第五节 煤粉的燃烧，四个阶段往往交错进行，挥发分析出几乎延续 到煤粉燃烧的最后阶段，甚至是更小的粒子先着火
M M ar M mf 2510 cq T0 100 (6 45) Br ar 2510 cq Tzh 100 100 M 100 mf
第一项为加热煤粉和一次风所需热量 第二项为煤粉中水分蒸发、过热所需热量 请问第二项中两个水分的意思？为什么要减？ 着火热大，着火所需时间长，着火点离开燃烧器喷口的距离大，着火困难
发动机化学知识点总结
发动机化学知识点总结一、燃烧原理燃烧是发动机内燃过程的基本工作原理，其核心是化学反应。
在发动机中，燃料和氧气在一定的温度和压力下进行化学反应，产生能量，推动活塞做功，从而驱动发动机工作。
1.1 燃烧反应发动机常用的燃料有汽油、柴油、天然气等。
燃料在氧气的作用下发生化学反应，产生CO2、H2O和能量。
汽油燃烧反应：C8H18 + 12.5O2 → 8CO2 + 9H2O + 能量柴油燃烧反应：C12H26 + 18.5O2 → 12CO2 + 13H2O + 能量天然气燃烧反应：CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + 能量1.2 燃烧过程燃料进入燃烧室后，与空气混合后被点火，发生燃烧反应。
燃烧过程分为点火延迟期、自燃期和燃烧后期。
点火延迟期：点火后，燃料混合气体要经过一段时间的预混合燃烧，使燃烧速度迅速提高。
自燃期：燃料混合气体在燃烧室内产生自由基，加速燃烧速度，产生高温高压气体。
燃烧后期：燃料混合气体逐渐燃尽，燃烧速度减慢，直至燃料完全燃尽。
1.3 燃烧参数燃烧过程中，有一些重要的参数可以描述燃烧效果，包括点火提前角、燃烧速度、燃烧效率等。
点火提前角：即点火正时提前角，是发动机点火时机相对顶死中心提前的角度，是影响燃烧速度和效率的重要参数。
燃烧速度：指燃料混合气体在燃烧室内燃烧的速度，影响发动机功率和扭矩输出。
燃烧效率：指燃料混合气体完全燃烧产生的能量与燃料燃烧产生的热值之比，是评价燃料利用率的重要指标。
二、化学反应动力学化学反应动力学是研究化学反应速率与影响因素的学科。
在发动机燃烧中，燃料和氧气的化学反应速率对发动机的工作效率和性能有重要影响。
2.1 反应速率化学反应速率是化学反应的速率和快慢程度。
在燃烧过程中，影响燃料燃烧速率的因素有温度、压力、燃料混合比等。
温度：燃烧室温度对燃料燃烧速率有显著影响。
温度越高，分子速度越快，反应速率越快。
压力：燃烧室内部压力影响燃料混合气体的浓度分布，从而影响反应速率。
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氢气和水气所产生的刺激物H、OH可加速一 氧化碳的燃烧
3.3.4.3 气态烃的燃烧
CH4的连锁反应过程
O
CH4 + O
CH4O + O2
CH4O2
H2O HCHO + O2
HCOOH O
总反应：O活性原子为链锁反应的刺激物
H2O CO + O CO2
O+ CH4+2O2 →2 H2O +CO2+O 气体燃烧特点：
• E、回火与脱火
几种可燃气体组成的可燃气体，其最大法向火焰传播速度
wn, f
Xi Ci
wi
Xi
Ci
例
发生炉煤气的温度为50℃，其体积百分组成（%）为：
CO
H2 CH4 CO2
N2 O2
30.6 13.2 4.0 3.4
48.6 0.2
求管径为50mm时该煤气燃烧时的最大法向火焰传播
速度
解:
低温时，化学反应速度系数小，
Vc
m
CO2' 1 1
k d
Vc
mk
C' O2
此时燃烧速度决定于化学反应速度系数k，燃烧 速度随温度升高而急剧增加，与气流速度无关：动 力燃烧区
温度较高时，化学反应速度系数>>扩散速度系数，
Vc
m
d
C' O2
此时燃烧速度决定于扩散能力，燃烧速度与气
流速度有关：扩散燃烧区
C的燃烧过程：
氧向碳表 面扩散
——
碳与氧反 应的化学
——
反应产物 向外扩散
4.4.3.2 固态碳的燃烧速度
炭的燃烧时氧化过程与扩散过程的结合，其燃 烧速度与化学反应速度和扩散速度有关。
化学反应速度
Vg k CO2
扩散速度
Vd d (CO' 2 CO2 )
平衡时
Vg Vd V
V
C' O2
• 可燃气体的含量与火焰传播速度之间的关系
• A、H2的火焰传播速度比甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）大的很多， 因H2的导温系数远大于后者；
• B、存在着火焰传播的极限值； • C、空气过剩系数α接近于1而略小于1时，速度最大； • D、提高气体混合物的温度、增加燃烧管的尺寸、减少燃烧的热
损失，均能使邻近的可燃气体较快地达到着火温度而燃烧，从而 提高火焰传播的速度。
内，才能着火燃烧，这一范围称为着火浓度范围或着火极限 (爆炸极限)。
影响因素：
混合物温度↑，着火浓度范围↑ 气体燃料组成：着火浓度范围随燃料组成
变化而变化
4.4.3 固态炭的燃烧 4.4.3.1 固态碳的燃烧机理
反应机理一 C + O2 = CO2 （一次反应） CO2 + C = 2CO （二次反应）
反应机理二 2C + O2 = 2CO （一次反应） 2CO + O2 = 2CO2 （二次反应）
反应机理三：
xC +(1/2)yO2 = CxOy
CxOy CxOy + O2
= mCO + nCO2
m、n与温度有关
900~1200℃： 4C +3O2 = 2CO + 2CO2
1450℃以上： 3C +2O2 =2过程有所不同
液体燃料： 加热时，由闪点燃点着火点 要想稳定燃烧，t ＞着火点
固体燃料：受热后，先析出挥发分，然后在 一定温度下挥发分先燃着，固定碳（即焦炭） 后燃着。Vdaf着火点
气体燃料：着火温度取决于燃料的组成、触 媒、加热条件等。
4.4.2 着火浓度范围 概念：气体燃料与空气混合后，体积比必须在一定的范围
发生炉煤气的可燃物含量为： 30.6+13.2+4.0=47.8%
可燃物的体积百分含量为：
CO：30.6÷47.8=64% H2 : 13.2÷47.8=27.6% CH4：4÷47.8=8.4% 不考虑惰性气体，煤气温度在0℃时，在25.4mm管中 的最大法向火焰传播速度ωn,f
wn, f
Xi Ci
按连锁反应进行——混合并加热到着火温度之后，要经过
—— 一定的感应期，才能迅速燃烧
延迟着火现象
3.3.5 火焰传播速度
概念 火焰传播——燃烧焰面不断向未燃气体移动的现象称为
火焰的传播（扩散）现象 火焰传播速度 ——燃烧焰面向未燃气体移动的速度ωf或：
单位时间内，在火焰单位面积上所烧掉的气体体积。 获得稳定火焰的条件：流速与火焰传播速度大小相 等、方向相反 影响火焰传播速度的因素：混合物的组成、温度、压力、 水分及燃烧管道的尺寸等
dT T Tc dT T Tc
Q
Q2 Q1Q2’Q2’’ Q2’’’• 初始温度为T0'3 时，
• Q1＞Q2
• 这种工况下，尽管可
以发生自燃着火，但
C
所对应初始条件却并
非自然着火的临界条
T01T02 T03TC T03’ T
件。
初始温度的增加有利于自燃着火的发生
• 加强系统的散热，即
Q
Q1 Q2 Q2’ Q2’’ 增大 K' ，将使原有自
1 1
k d
C' O2
1
K
总的燃烧速度 系数
燃烧速度常用单位时间内单位表面积燃烧的炭 量表示（Vc）,而炭的消耗量与氧的消耗量之比决定 于燃烧产物中CO及CO2的数量。
Vc m V
Vc
m
CO2' 1 1
k d
m取值在0.375~0.75内变化
当燃烧产物中只有CO时，m=0.75 当燃烧产物中只有CO2时，m=0.375
4.4 燃烧过程的基本理论
概念
燃烧:燃料中的可燃物与空气产生剧烈的氧化反应，产生 大量的热量并伴随有强烈的发光现象。
可燃物质组成：可燃气体、固定碳 燃烧条件：燃料、空气、着火温度
4.4.1 着火温度
燃烧过程两个阶段：“着火”及“燃烧” 着火温度 着火、燃烧过程： 热源——燃料局部被加热、引燃——传热给周围的燃 料——温度升高到着火温度——周围燃料持续燃烧 影响着火温度的因素：燃料性质、散热条件
w'n, f
273
t
2
273
1.29m / s
管径为50mm时火焰传播速度：
wd n, f mw'n, f 查图4 - 7，得m 1.3，则 wd n, f 1.31.29 1.68m / s
T01T1 T1’
T
反应放热量与系统散热量之间发生平衡 不是 热自 燃着火的充分条件
Q
Q2 Q1 Q2’ • 1-2之间Q2＞Q1，1点过
2
高温不稳定点
渡到2点必须有外界热量 加入
1 1
T01T02
T2’’ T2T2’ T
• 2点，Q1=Q2， • 当过程稍向左，系统被
冷却到1点
• 稍向右，系统能着火
直线与曲线有一个交点和两个交点均不能发生自燃
Q
Q2 Q1 Q2’Q2’’
2
C
T01T02 T03 TC
T
• C点处Q1=Q2; • C点左边， Q1＞Q2 ; • C点右边， Q1＞Q2 ; • C点为热自然着火发生
的临界点，称为着火 点，TC称为着火温度。
着火临界条件： Q1=Q2；
dQ1
dQ2
然着火条件被破坏。
• 例如：易燃、易爆物 品仓库加强通风
K'
T01
T
改变散热条件
Q
Q1’ Q1’Q1
• 提高系统的压力，或
Q2 者浓度，将有利于发
生自然着火；
P
• 例如：柴油机气缸内
预混可燃气高压下自
然着火。
T
影响临界着火条件因素
化学动力学因素：燃料性质、混气成分、环境温度 流体力学因素：气流速度、燃烧室结构尺寸
Q散
K
exp
E RT
Q放 K 'T T0
Q
Q放 Q散
T01T1
T
• 点1之前，Q1＞Q2 ，系统被 加热，温度逐渐升高；
Q
Q2
Q1
• 点1处Q1=Q2，过程稳定下来； • 点1后， Q2＞Q1 ，系统受
到冷却重新回到1点
1
低温稳定点
• 点1处温度不高，不能自动 加速到自然着火。例：处于 储存期的燃料。
4.4.4.1 氢的燃烧
链锁反应过程 （产生三个刺激物H原子） H
O+H2
H2O
H +O2
OH+H2
H2
OH+H2
H2O H
H
H
总反应 H+3H2+O2→2H2O+3H
4.4.4.2 一氧化碳的燃烧
H和OH为链锁刺激物
连锁反应过程
H + O2
O + CO OH +CO
CO2
CO2 H
总反应 2CO+O2 +H→2C2O+H
燃烧速度的影响因素
碳的氧化 反应速度
空气燃烧产 物扩散速度
碳粒的 形状
燃料与空气 的混合程度
表面温度<800℃， 为动力燃烧
表面温度>1000℃时， 为扩散燃烧
4.4.4 可燃气体的燃烧
可燃气体的燃烧按链锁反应的方式进行的。 H、O、OH等为连锁反应刺激物，是反应进行
的必要条件 生成连锁刺激物的反应如下： • H2→2H • O2→2O • H+O2→OH+O • O+H2→OH+H
wi
Xi
64 1.25 27.6 4.83 8.4 0.67