燃气燃烧反应动力学
燃气燃烧理论基础
混 化
燃烧热加热新鲜混合气，维持不断燃烧。
第四章 燃气燃烧措施
一、燃气燃烧措施旳分类：
按照混合时间与化学反应时间两者比较 （一）扩散式燃烧（有焰燃烧）
扩散混合控制： 混 化
燃气、空气分别喷入，混合速度控制燃烧；火焰长，稳定性好；燃烧时 间长；煤气与空气可分别预热以提升温度。
H s
(m3 / h)
如有 n个喷嘴 热负荷：Q = nLg Hl /3600 （kW）
喷嘴直径：
H — 燃气压力(Pa ) μ— 流量系数 d — 喷嘴直径(mm) s —相对密度 Hl — 燃气低热值kJ/m3 n—喷嘴数量
d
1.03106 Q 4
s
n Hl
H
(mm)
第五章 大气式燃烧器
喷嘴出口截面至喉部旳距离对一次空气系数旳影响
3. 燃烧器出口直径小散热大，火 焰温度下降， Sn 变小易脱火， 不易回火；
4. 周围空气旳含氧量低时，火焰 传播速度Sn减慢，易脱火。
四、 全预混式燃烧（无焰燃烧）
特点
1. 燃烧速度快，火焰很短甚至看不出 2. 容积热强度高 100-200×106kJ/m3·h
（3-6×104kW/m3） 2. 空气过剩系数小（α=1.05-1.10），
----扩压管----头部火孔流出燃烧
燃气灶： α′ α
收缩管 混合管 扩压管
（1）风门 （2）一次空气口 （3）引射器喉部 （4）喷嘴 （5）火孔
（一）引射器
第五章 大气式燃烧器
引射器旳作用
（1）以高能量旳燃气引射空气，并使均匀混合； （2）引射器末端形成剩余压力，以克服气流在头部旳阻力损失，使燃
燃气课件-第二章
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d. 电火花点火的阶段性
用电火花点火，从点燃到燃烬可分为两个阶段: ① 电火花使局部着火，并形成初始火焰中心； 初始火焰中心取决于电极间隙混合物中的燃气浓 度、压力、初始温度、流动状态、混合物性质及电火 花提供的能量等。 混合物压力高，温度高，活化能小，容易形成初 始火焰中心。
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链化学反应是通过链反应方式进行的，即反应一旦开始，便 能相继产生一系列的连续反应，使反应不断发展，直到反应 物消耗殆尽。 链反应过程中，由于不稳定分子的存在，(如H2，O2)，使其 在碰撞过程中不断变成化学性质活跃的自由原子和游离基(如 O，H，OH)，这些自由原子和游离基称为活化中心或链载 体。 例如： H2+O2→H2O （总反应式） H2→H+H H+O2→OH+O OH+H2→H2O+H O+H2→OH+H
E RT
k1和k2或相等或只是相差一个系数。
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3. 炉膛容积热强度: 单位时间内，在单位体积中燃烧掉的燃 料所释放出的热量。用qV表示。
qV
BH l V
B:单位时间耗气量，m3/h
燃烧技术中qV 常用表征燃烧反应速度。
4. 影响反应速度的因素 浓度，温度，压力，活化能，催化剂 ● 反应物浓度高，反应速度快； ● 反应速度与压力的n次方成正比，(即W∝Pn),对于一级反 应,化学反应速度与压力成正比。 a A +b B =c C +d D n= a + b n为反应总级数 ● 温度越高,反应速度越快,二者成指数关系变化, W∝ef(t)。 一般温度每增加10℃，反应速度增加2～4倍
燃气燃烧与应用 知识点
第一章燃气的燃烧计算燃烧：气体燃料中的可燃成分（H2、 C m H n、CO 、 H2S 等）在一定条件下与氧发生激烈的氧化作用，并产生大量的热和光的物理化学反应过程称为燃烧。
燃烧必须具备的条件：比例混合、具备一定的能量、具备反应时间热值:1Nm3燃气完全燃烧所放出的热量称为该燃气的热值，单位是kJ/Nm3。
对于液化石油气也可用kJ/kg。
高热值是指1m3燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量。
低热值是指1m3燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸汽状态时所放出的热量。
一般焦炉煤气的低热值大约为16000—17000KJ/m3天然气的低热值是36000—46000 KJ/m3液化石油气的低热值是88000—120000KJ/m3按1KCAL=4.1868KJ 计算：焦炉煤气的低热值约为3800—4060KCal/m3天然气的低热值是8600—11000KCal/m3液化石油气的低热值是21000—286000KCal/m3热值的计算热值可以直接用热量计测定，也可以由各单一气体的热值根据混合法则按下式进行计算：理论空气需要量每立方米(或公斤)燃气按燃烧反应计量方程式完全燃烧所需的空气量，单位为m3/m3或m3/kg。
它是燃气完全燃烧所需的最小空气量。
过剩空气系数:实际供给的空气量v与理论空气需要量v0之比称为过剩空气系数。
α值的确定α值的大小取决于燃气燃烧方法及燃烧设备的运行工况。
工业设备α——1.05-1.20民用燃具α——1.30-1.80α值对热效率的影响α过大，炉膛温度降低，排烟热损失增加，热效率降低；α过小，燃料的化学热不能够充分发挥，热效率降低。
应该保证完全燃烧的条件下α接近于1.烟气量含有1m3干燃气的湿燃气完全燃烧后的产物运行时过剩空气系数的确定计算目的：在控制燃烧过程中，需要检测燃烧过程中的过剩空气系数，防止过剩空气变化而引起的燃烧效率与热效率的降低。
燃烧气体动力学中的化学反应机理研究
燃烧气体动力学中的化学反应机理研究近年来，燃烧气体动力学中的化学反应机理研究成为了科技领域的重要研究方向。
化学反应机理是描述燃烧反应中吸热、放热以及化学反应速率等特征的一种重要的模型。
在燃烧领域如发动机、火箭等应用中，精确的化学反应机理能够为燃烧的优化提供准确的预测和解释，从而提高能源利用率并减少污染物的排放。
化学反应机理是由许多基本的反应步骤组成的。
这些步骤中包括了化学键的断裂、新键的形成、摩尔计量比例以及能量改变等重要的物理和化学参数。
要建立一个可靠的化学反应机理模型，需要对所有可能发生的反应进行严谨的分类研究。
当前，建立化学反应模型的主要方法包括实验验证和计算模拟。
其中，实验验证是建立合理机理的基础，而计算模拟则更多地用于在实验数据基础上对新理论进行检验与改进。
在实验研究中，化学反应机理的研究需要以混合气体的物理变化和化学反应等为基础。
一下涉及的实验主要是瞬态反应和稳态反应，这是两种不同形式的实验方法。
在瞬态反应中，实验研究关注于化学反应速率的瞬时变化；而在稳态反应中，实验则关注于反应达到平衡时的状态另一方面，计算模拟是化学反应研究的另一种重要手段。
普通计算机可以通过计算燃料和空气之间燃烧的化学反应过程来生成很多的燃料燃烧图像。
计算机使用燃烧数学模型，对各个化学步骤和能量转移进行计算，预测化学反应的过程和结果。
在计算模拟中，优秀的化学反应机理是保证计算结果的精确性的关键。
在实验和计算模拟的基础上，燃烧气体动力学中的化学反应机理研究包括以下几个关键领域。
第一，单子体反应机理的确定。
当存在单独分子质量糖元时，设计燃烧器并建立最合理的反应机理就是一项复杂的任务。
单体反应机理包括氧化、脱氢、脱硫和水合等反应，对于纯物质或复杂混合物都带有重要的指导意义。
第二，燃烧过程的机理研究。
在燃烧过程的气相反应中，燃料和氧化剂之间的反应会产生多个氧化远和热量释放。
燃料燃烧的机理用于设计燃烧器、评估环境影响以及诊断和优化火灾过程。
燃烧动力学PPT课件
一般地说，反应物的物理性质(k0)对反应速度的影 响非常有限,不是主要影响因素,它涉及到分子碰撞 理论, 我在这里不多讲了。
而活化能E对反应速度的影响十分显著，活化能 愈小，活化分子数越多，k值越大，则反应速度就 越大。 ➢什么是活化分子？能发生反应的高能量分子。 ➢什么是活化能？活化分子的平均能量比普通分子
3
一般地说，表示化学反应速度的大小，主要是用浓 度的变化（反应物浓度减少或生成物浓度增加）来 表示。 根据不同的浓度单位，有不同的表达形式：
用摩尔浓度单位：kmol/m3 .s
Vm=±dCi／dt 用分子浓度单位: 1/m3 .s
Vm=±dNi／dt Ni──单位容积中某物质的分子数 用质量浓度单位: kg/m3 .s
负荷qv可以表示燃烧速度的大小,qv(KJ/m3.s)是在单
位时间单位体积内烧掉些燃料所释放出来的热量。 这是燃烧化学反应速度的表示方法，下面简单介绍 一下影响化学反应速度的因素：
5
二 影响反应速度的因素 (1)浓度影响: 浓度增大，分子碰撞次数增加，反应速率增大。 质量作用定律: Vm=k·Cin n──反应级数,根据实验测定,它能直接反映出Vm与C 的具体关系,而且对进一步研究反应机理也有用处。 具体测定方法属于《物理化学》的内容。 k──反应常数 , 由实验测出：它反映了燃料燃烧能力 的大小，如k(炔) > k(烯) > k(烷) 炔烃燃烧能力最大,烯烃次之,烷烃最弱。
化学动力学在燃烧理论中占有重要的地位，尤 其是燃烧反应速度已成为衡量燃烧过程特性的一个 主要参数，由于物理化学是一门复杂的学科，我仅 在这里粗略地介绍一个与燃烧现象有关的一些概念 和知识。其它内容主要靠自学。
2
第一节 化学反应速度
第2章 燃气燃烧反应动力学
29
二、热力着火
1.热力着火的概念
在一定条件下(压力、容器形状、尺寸）, 参与反应的可燃气体混合物的温度迅速增加， 使反应由稳定的氧化反应过程转变为不稳定的 氧化反应过程而引起自燃的瞬间，称为热力着 火。
2015/10/14
31
链着火的条件
ϕ =0
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30
2.热力着火的条件
CA
V,T,
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26
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链着火的条件
τ
28
7
（1） ϕ > 0 时：反应自动加速，能自燃（链着
火）；
（2） ϕ < 0 时：反应趋于一个极限值，反应速
度极其缓慢，进行稳定的氧化反应，不能着火；
（3） ϕ = 0 时：这一工况参数合乎稳定工况和
不稳定工况的边界状态。
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Nu 2λ(Tis
H ⋅ k0 f
) − T0
E
e RTis
( )c
结论: 1.金属球直径 d 增大时，Tis要变低，即易 点燃；
2.当流过金属球的气流速度增大（即α增 大）时，Tis要增大，即难点燃。
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点燃的临界条件为:
Q1 = Q2
δ 2 = λ(Tis − T0 )（点燃的临界判别式）
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3.支链着火与压力、温度的关系 着火半岛
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注意：活化中心的生成与消亡是并存的。活化中 心消亡的速度与活化中心本身浓度成正比。
下面分析活化中心浓度在单位时间内的变化情况：
假设：W0--为外界能量的作用（分子热运动）而生 成的初始活化中心浓度；（与活化中心浓度无关）
燃气燃烧反应动力学
Q1 f A W H
Q2 A (Tf T0 )
Q1 Q2
f
f
(Tf T0 ) WH
1 2
二、热球或热棒点火
点燃条件：
4πr 2HW 4πr 2 即 Tw T0 Tw T0
不同情况讨论： ① 0， 即f g
这时有
若 ， 则 e 0 fW 0 W const.
dCa ＝0，C a 0 W0 Ca W0 ② 0， 则 d 这时有 W fW 0
③ 0，即f g fW0 fW0 i 这时有 W (e 1) W e
一、支链着火 一、支链反应速度与压力、温度的关系
压力下限与可燃混合物的组成（惰性气体、杂质）及 容器形状有关，与温度关系不大； 压力上限对惰性气体、杂质敏感，与温度关系很大， 与容器形状无关。
二、支链着火机理
假设：反应在等温下进行。 活化中心的产生速度：
dCa dC f g W0 fC a gC a 令 a W0 C a d d
式中，Ca，活化中心的浓度；W0，分子活化产生活 化中心的速度；f，由支链反应使活化中心增加的速度 系数；g，活化中心销毁的速度系数。
当 0时, Ca 0， 解 得 Ca W0
(e 1)
反应物生成的速度 链 反 应 的 速 度 ， 故 W fC a
fW0 (e 1)
P
1 2
rmin
3R 2T02 E a ck c P 2 y 2 e RTm 0 P
ch2 燃气燃烧反应动力学
2.1 化学反应速度
三、温度对反应速度的影响： 根据麦克斯韦尔 气体分子运动的速度分布公式，有
2.1 化学反应速度
三、温度对反应速度的影响： 能量分布曲线的函数关系式：
气体各分子间能量分布如图：
2.1 化学反应速度
三、温度对反应速度的影响：
气体各分子间能量分布如图：
上式是一迅速收敛的积分 方程式，略去小项，得：
O2+O2 O3+O
产生活化中心；
所需的活化能是最大的；
H+O2 O+OH E=58000kJ/kmol 2 链传递
O+H2 H+OH E=20000kJ/kmol OH+H2 H2O+H E=33000kJ/kmol
一个活化中心消失， 生成一个或多个活 化中心。
2.2 链反应Chain Reaction
2H+MH2+M H+OH+M H2O+M
3 链终止： 活化中心在气相或在器壁上销毁； (活化中心互相碰撞，能量被带走)
链反应的三步——链引发、链传递、链终止过程时同时存 在的。在相互碰撞中不断产生新的活化中心，同时又不断 的销毁。
CO的链反应
干燥的CO与O2/空气的混合物，加热到700oC，不反应；
看其中的一个链环
H
H+O2
O+H2
OH+H2
H OH+H2
H2O
综合起来，H+O2+3H2 3H+2H2O
H
H2O
一个H原子在链环结束时，生成 了三个H
直链反应：
一个活化中心的 销毁只产生一个 活化中心。
支链反应：
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链的终止
支链反应举例：2H2+O2=2H2O
链的开始：最初的活化中心可能按下列方式得到
H2+O2→ 2OH H2+M→ 2H+M O2+O2→ O3+O 链的传递：
H+O2→ O+OH O+H2→ H+OH OH+H2→ H+H2O 课本上还给出了CO和CH4的燃烧机理。
燃气燃烧反应都是支链反应。
V1
)n
情况二：温度不变情况下，改变容器的体积为V2，对应
的压力为pW2，2 则(反ddC应)2 速 k度C2n为
k
N ( V2
)n
W1 (V2 )n pV const. W1 ( p1 )n W pn
W2 V1
W2 p2
三、温度对反应速度的影响
Arrhenius 方程：
Ea
k k0e RT
第二章 燃气燃烧反应动力学
第一节 化学反应速度及其影响因素 第二节 燃气燃烧反应的机理 第三节 燃气的着火 第四节 燃气的点火
第一节 化学反应速度及其影响因素
一、化学反应速度的表征
化学反应速度：一般用单位时间内单位体积中反应物消 耗的摩尔数来衡量。
W dC
d
二、影响化学反速度的因素——浓度、压力和温度
链的终止： 2H+M→ H2+M H+OH+M→ H2O+M
第三节 燃气的着火
任何可燃气体在一定条件下与氧接触，都要发生氧 化反应。 1、稳定的氧化反应 ① 活化中心浓度增加的数量正好补偿其销毁的数量 ； ② 生成的热量等于散失的热量。 2、不稳定的氧化反应 ① 活化中心浓度增加的数量大于其销毁的数量； ② 生成的热量大于散失的热量。
W
fCa
fW0 (e
1)
不同情况讨论：
① 0， 即f g 若 ， 则 e 0
这时有
W fW0 const.
②
0，则dCa
d
W0
＝0，Ca0 Ca
W0
这时有
W fW0
0，即f g
③ 这时有
W fW0 (e 1) i W fW0 e
说明： 1、支链反应着火前存在感应期，感应期的
由稳定的氧化反应转变为不稳定的氧化反应而引起 燃烧的一瞬间，称为着火。根据起因不同分为支链着 火和热力着火。
一、支链着火 一、支链反应速度与压力、温度的关系
压力下限与可燃混合物的组成（惰性气体、杂质）及 容器形状有关，与温度关系不大；
压力上限对惰性气体、杂质敏感，与温度关系很大， 与容器形状无关。
１、浓度对化学反应速度的影响
aA bB gG hH
W
ห้องสมุดไป่ตู้
dC
d
kCAa CBb
n=a+b称为该化学反应的总级数，一般由实验确定，简 单反应的级数常常与反应分子数相同。
二、压力对化学反应速度的影响
情况一：有Nmol气体充满体积为V1的容器，压力为p1， 则反应速度为
W1
( dC
d
)1
kC1n
N k(
该方程是一经验公式。也可以从气体反应动力学推 导而来。
设气体dd的NE 总 分2π子N0数(R为T )N230e，R则ET E其12 能量分布关系式为
式中：E，分子动能，J/mol。设μ摩尔质量，则
E 1 v 2
2
活化能Ea：分子活化而发生化学反应具有的最小能量 。
能量超Na 过 EEaadd的NE 分dE子 数Ea N2πa（N0活(R化T )分23 e子RET数E 12）dE为
令
A k0CAa CBb HV，则
Ea
Q1 Ae RT
单位时间内混合物通过容器向外的散热为
Q2 F (T T0 ) B(T T0 )
着火点温度下有：
Q1 Q2 dQ1 dQ2 dT dT
Ea
Ae RT B(T
AEa RT 2
Ea
e RT
B
T0
)
Ti与T0的关系：
Ti和T0
1 Ti
1 4RT0 Ea
R
4RT0 1，
略去三Ea阶以上 无穷 小Ti
1 [1 1 4RT0 1 ( 4RT0 )2 ]
2 Ea 2 4 Ea
R
2
2
Ea
Ea
T
Ti
T0
RT02 Ea
16 ~
Ea R
1 T
作图lnW-1/T，得到一条直线，用最小二乘法求出直线的斜率，进而求得活化能Ea。
R 8.3144J/mol K
第二节 燃气燃烧反应的机理——链反应
链反应：由大量反复循环的连串反应组成。 链反应特性：一旦被引发，就会相继发生系列基元
反应，直至反应物消耗殆尽或通过外加 因素使链环中断为止。 链反应由三个步骤组成： 1) 链的开始（或链的引发）：产生自由原子或 自由基（称为活化中心）。 2) 链的传递：活化中心与一般分子反应，在生成 产物的同时，能再生新的活化中心， 使反应不断进行下去。 3) 链的终止：某一活化中心一旦变为一般分子， 则由原始传递物引发的这条链就被中断。
令 RT ，E
不 断 进 行 分 步 积 分 得 到一 迅 速 收 敛 的 级 数 ， 保留 第 一 项 的 结 果 为
Ea
Na N 0e RT
Ea
W W0e RT
W0 k0C n
W0，假定所有分子碰撞均有效时的反应速度。
附：活化能Ea的实验测试
W
Ea
W0e RT
ln W
ln W0
链 反 应支直链链反反应应：：某每个个链链环环中只有产两生个一或个多新个的活活化化中中心心。
可 以 引 出 新 的 链 环 的 反应
直链反应举例：H2+Cl2=2HCl
1) Cl2+M→ 2Cl+M
链的开始
2) Cl+H2→ HCl+H 3) H+Cl2→ HCl+Cl
……
链的传递
4) 2Cl+M→Cl2+M
长短取决于初始的活化中心浓度。 2、压力决定W0和
P ，W0 。
P P下限时 ， 0。且 P ， 。 P下限 P P上限时 ， 0。 P P上限， 0。
二、热力着火
1、热力着火机理
设容器体积V，壁面面积F，壁面温度T0，反应物的
温度T，反应物的浓度CA、CB，那么
单位Q时1 间W内H容V器 中k0e化R学ETa C反Aa应CB产b H生V的热量为
二、支链着火机理
假设：反应在等温下进行。 活化中心的产生速度：
dCa
d
W0
fCa
gCa
令 fg dCa
d
W0
Ca
式中，Ca，活化中心的浓度；W0，分子活化产生活
化中心的速度；f，由支链反应使活化中心增加的速度
系数；g，活化中心销毁的速度系数。
当 0时,Ca 0，解得
Ca
W0
(e
1)
反应物生成的速度 链反应的速度，故