第六章 固体燃料的燃烧(20161118)
《燃料的燃烧》 讲义
《燃料的燃烧》讲义一、引言燃料的燃烧是我们日常生活和工业生产中不可或缺的一部分。
从家庭取暖、烹饪到汽车驱动、发电，燃料的燃烧为我们提供了能源和动力。
然而，燃烧过程并非简单的化学反应，它涉及到众多的物理和化学原理，以及对环境和能源利用的重要影响。
二、燃料的种类1、固体燃料常见的固体燃料包括煤炭、木材和生物质等。
煤炭是一种重要的化石燃料，其种类繁多，如无烟煤、烟煤和褐煤等。
不同种类的煤炭在热值、含碳量和杂质含量等方面存在差异。
木材作为一种传统的燃料，在一些地区仍然被广泛使用，但燃烧效率相对较低，且会产生较多的烟尘。
生物质燃料如秸秆、木屑等，具有可再生的特点，但也需要合适的燃烧技术来提高效率和减少污染。
2、液体燃料液体燃料主要有石油及其衍生品，如汽油、柴油和煤油等。
石油是一种复杂的混合物，通过精炼可以得到不同用途的液体燃料。
汽油通常用于轻型车辆，柴油则适用于重型车辆和工业设备。
此外，还有一些生物液体燃料，如生物柴油和乙醇，它们来自可再生资源，对环境相对友好。
3、气体燃料气体燃料包括天然气、液化石油气（LPG）和煤气等。
天然气是一种清洁高效的燃料，主要成分是甲烷。
LPG 通常由丙烷和丁烷组成，易于储存和运输。
煤气则是通过煤炭的气化过程产生的，但其使用范围相对较窄。
三、燃烧的基本原理1、燃烧的化学方程式燃烧是燃料与氧气发生的剧烈氧化反应。
以甲烷（CH₄）的燃烧为例，其化学方程式为：CH₄＋ 2O₂ → CO₂＋ 2H₂O ＋热量。
在这个过程中，燃料中的碳和氢与氧气结合，生成二氧化碳和水，并释放出大量的热能。
2、燃烧的条件燃烧需要同时满足三个条件：可燃物、助燃物（通常是氧气）和达到着火点的温度。
只有当这三个条件都具备时，燃烧才能发生。
例如，纸张是可燃物，在空气中（含有氧气），当受到足够高的温度（着火点）时，就会燃烧起来。
3、完全燃烧与不完全燃烧完全燃烧是指燃料中的碳和氢完全与氧气反应，生成二氧化碳和水，此时释放的热量最多，对环境的污染也相对较小。
燃烧理论第6章补充
第6章扩散火焰与液体燃料燃烧6.1 扩散火焰与预混合火焰的区别研究燃烧的火焰现象，通常以反应物形成的方式分成预混合火焰和扩散火焰两种。
在预混合火焰中，反应物在进入火焰以前就完全混合好。
在多数预混合火焰中，燃烧过程同时受控于化学动力学及传热与扩散作用，燃烧速度极快。
在扩散火焰中，燃料和氧化剂在燃烧开始前还没有完全混合好，或者完全没有混合;而是在燃烧过程中，靠燃料与氧化剂的相互扩散、混合而成为反应混合物，因而反应物的混合和燃烧是同时进行的。
由于化学反应速度远远大于气流速度、扩散速度和混合速度，因此在扩散燃烧过程中，控制燃烧速度的主要因素是燃料和氧化剂的扩散速度而不是化学反应速度。
燃料和氧化剂在火焰阵面上是按化学当量比混合的，这是扩散火焰的共性。
液体燃料的着火温度远远高于它的沸点温度，而且燃烧反应所需的活化能也远远大于燃料的汽化热，因此可以推论，液体燃料不能在液相进行燃烧，只有在汽化后的燃料蒸气与氧化剂混合后才能进行燃烧。
例如汽油的汽化热为335kJ/kg。
而活化能约为1281kJ/kg。
液体燃料总是先蒸发后着火的，所以燃烧总是在气态下进行的。
6.2 液体燃料的喷雾特性在油管破裂泄漏引起的火灾事故中，液体燃料可被喷射成微粒云，雾化后再燃烧。
在燃烧技术中，为了强化燃烧，希望将液体燃料制作成均匀分布的微粒喷雾。
这样可以大大增加燃料蒸发面积，增加燃料与空气接触机会，以迅速达到混合、蒸发、燃烧的目的。
例如若1ml的燃油是球形的，其表面积为484mm2，若雾化成40μm的粒子，油滴总数是2.99×107个，其表面积为1.5×105(mm2)，面积增加近310倍。
在柴油发动机中，燃油自喷油器孔中以很高的压力(Pinj,max=180～200MPa)和很高的速度(可高达300m/s)喷出，在高速流动中所产生的内部扰动及气缸中空气阻力的作用下，被粉碎成细小的油粒，其直径为5～250 μm 。
喷雾特性是燃油喷射的空间特性。
大学课件燃料与燃烧
内在水分inherent moisture 又称固有水分，需要在较高温度 下才能从煤中除掉。
挥发分V
特点：并不是以固有的形态存在于煤 中，而是煤在加热过程中分解后析出的 产物。 组成：主要由各碳氢化合物、氢、 一氧化碳、硫化氢等可燃气以及少量 氧、二氧化碳、氮气等不可然气组成 坩埚 马弗炉
第一篇 第二篇 第三篇 第四篇
燃料概论 燃烧反应 燃烧基本原理 煤的气化 燃烧方法与燃烧装置
固体燃料
内容概要
液体燃料
16
固体燃料的燃烧 15
液体燃料的燃烧 14
1
2 3
气体燃料
空气需要量和 4 燃烧产物生成量
气体燃料的燃烧
13 12
燃料及燃烧
5 燃烧温度
6 10 9
着火过程
火焰的结构及稳定
11
异相燃烧
含量低于100ppm的，称之为痕量元素，多指重金属
在100~1000ppm之间的，称为次量元素，常指矿物质
高于1000ppm的，为主量元素，即指碳、氢、氧、氮、硫 重金属：铅、铬、铜、锌等 矿物质：钙、硅、铝、铁、镁等
煤的元素分析(Ultimate analysis of coal)是指对煤中的碳
•C（固定 碳和挥发 分中的C） •H •S（可燃 硫 和硫酸 盐硫）
外部杂质 M（内、外）、A
煤的元素分析，工作量大，复杂，工程上多应用工业分析 成分。此外，还需要了解发热量、灰熔点等其他煤质特性
工业分析成分构成(Proximate analysis)：水分、灰分、
挥发分和固定碳；其中灰分和固定碳合称为焦炭
第一章 固体燃料
煤是古代植物埋藏在 地下经历了复杂的生 物化学（缺氧、厌氧 细菌分解）和物理化 学（温度、高压、地 壳运动），变化逐渐 形成的固体可燃性矿 物 我国能源资源中煤炭 在一次能源消费结构 中约占70%，是世界 上为数不多的以煤为 主要能源的国家。
6.2固体废物的燃烧课件
学习交流PPT
1
焚烧产物
可燃的固体废物基本是有机物，由大量的碳、氢、氧及 少量氮、硫、磷和卤素等元素，焚烧过程中与空气中氧反 应，生成各种氧化物或部分元素的氢化物。主要有：
有机碳——CO2 H——H2O，有F或Cl存在时可能有HF、HCl 有机硫和有机磷——SO2、SO3、P2O5 有机氮——N2为主，少量氮氧化物 有机氟化物——HF，氢不足会出现CF4、COF2（需添加 助燃料） 有机氯——氯化氢（氢气不足有游离氯气产生） 有机溴化物、碘化物——HBr、Br2、I2 金属——卤化物、硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、氢氧化物 和氧化物
m A A0
式中：A0-理论空气量； A－实际供应空气量。
②过剩空气率
（6-9）
过剩空气率（EA）定义为： EA (m 1)100%
（6-10）
学习交流PPT
11
6.2.4 燃烧方式分类
固体物质的燃烧过程复杂，除发生热分解、熔融、蒸发 及化学反应外还伴随有传热、传质过程。根据可燃物质 的性质，燃烧方式有蒸发燃烧、表面燃烧和分解燃烧。
焚烧炉热解发生原因：由于物料组分的复杂性和其它因 素的影响，即使炉膛内具有过剩的空气量，在燃烧过程 中仍会有不少物料没有机会与氧充分接触，从而形成无 氧或缺氧条件。这部分物料在高温条件下就会发生热解。
热解过程中，有机物会析出大量的气态可燃气体成分， 如CO，CH4、H2或者分子量较小的CmHn等。然后，这些析 出的小分子气态可燃成分再与氧接触，发生氧化反应， 从而完成燃烧过程。
学习交流PPT
25
温度太低（低于700℃），会发生不完全燃烧，产生有毒 副产物。因此当燃烧室的温度足够高时，要加强对燃烧速 度的控制；当燃烧室的温度较低时，须提高燃烧速度。
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
燃烧学—第6章3
铅柱压缩实验
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
19
《燃烧学》--第六章
炸药的氧平衡
绝大多数炸药是由C、H、O、N等元素组成的有机化合物 通式 CaHbOcNd b c 2 a 爆炸时的需要的氧原子数 2
（1）正氧平衡 （2）零氧平衡 （3）负氧平衡
炸药的猛度
猛度炸药爆炸时粉碎与其直接接触物体或介质的能力。 猛度与爆速有关。 用炸药爆炸时铅柱被压缩的高度表示炸药的猛度
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
17
《燃烧学》--第六章
炸药的
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
18
《燃烧学》--第六章
炸药的猛度测定
24
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
《燃烧学》--第六章
炸药的安全
在炸药的保管和储存过程中应着重注意如下特性 ：
1）炸药的感度 2）炸药的不稳定性 3）炸药的殉爆 安全距离（RⅠ）：
炸药爆炸时，对人作用的最小允许的距离
RI 5
Q W QTNT
安全距离（RⅡ）
10
《燃烧学》--第六章
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
11
《燃烧学》--第六章
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
12
《燃烧学》--第六章
产生轰燃（回火）的室内火灾发展示意图
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
13
《燃烧学》--第六章
6.5炸药爆炸
炸药的爆炸特点
（1）化学反应速度极快
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
31
《燃烧学》--第六章
（四）粉尘的爆炸环境条件
燃料及燃烧-第四章至第六章
2、计算Vn.C产 （燃烧产物的比热按近似比热计算）
t 量 = （Q低 + Q空 + Q燃 ）/ Vn.C产
–燃料理论发热温度： n = 1，完全燃烧，燃料与空气都不预热，绝热，忽略热分解 t 热 = Q低 / V0.C产
燃料理论发热温度是从燃烧温度的角度评价燃料性质的一个指标。
第一节 燃料理论发热温度的计算
展开
但各气体的平均比热与温度有关。故式t热和c产都是未知数。
1800ºC以上时，一般工业炉只考虑如下两种热分解： CO2 = CO + 1/2 O2 – 12600 kJ /m3 H2O = H2 + 1/2 O2 – 10800 kJ / m3 热分解吸热量： Q分 = 12600 VCO + 10800 VH2 由于热分解的结果，燃烧产物的组成和生成量都将发生变化。因为分解 程度与温度有关，所以估计到热分解时，燃烧产物的组成和生成量都是温度 的函数。前面已指出，燃烧产物的平均比热也是温度的函数。这样一来，为 了计算理论燃烧温度，除了需知平均比热与温度的关系外、还应列出产物成 分与温度的关系。显然，这样计算将是十分繁杂的，必须借助于计算机。对 于一般的工业炉热工计算可采用近似方法： 一、忽略热分解所引起Vn．c产的变化 由燃烧反应可知，不论是CO2的热分解还是H2O的热分解，都将引起燃烧 产物生成量的增加。但是另一方面．分解后的双原子气体的平均比热比原来 三原子气体的平均比热将要减小，根据计算分析可知，在一般的[业炉热工的 温度和压力条件下，热分解引起Vn的增加和c产的减小，而Vn．c产的乘积却变 化不大。
第二篇
第二篇学习重点
燃烧反应计算
1.燃烧反应计算的基本原理和方法 2. 完全燃烧时的空气需要量、烟气量及其组成、密度 3. 理论燃烧温度 / 燃料理论发热温度的定义及其计算 4. 不完全燃烧计算中4个参量（ RO2 max 、ß 、 q化、 K）的意义及其计算 5. 在干空气、n<1、O2 =0 的条件下不完全燃烧产物量 及其组成的计算
固体的燃烧过程及燃烧形式
燃烧学
➢ 高熔点混合物固体的燃烧过程
高熔点混合物固体（煤炭）组成和结构复杂，可能包含 上述类型特性的所有可燃物。其燃烧过程为：
① 固体受热在其表面逸出可燃气体进行有焰燃烧。 ② 低熔点固体融化、汽化进行有焰燃烧。
燃烧学
③ 高熔点固体受热分解、碳化 产生可燃气体进行有焰燃烧。
④ 不能再分解的高熔点固体 （一般是碳质）进行表面燃烧。
燃烧学
四
火灾发展阶段和猛烈阶段
分解燃烧
火灾发展阶段和猛烈阶段
表面燃烧
火灾熄灭阶段
燃烧学
【例】木炭的燃烧
结构稳定、熔点较高的可燃性 固体燃烧时，氧气不断扩散到高温 表面被吸附，固体表面呈高温炽热 发光而无火焰的状态，反应产物带 着热量从表面逸出。
燃烧学
➢ 分解燃烧
是指固体受热分解产生可燃气体而后发生的有焰燃烧。 组分复杂或分子结构较大的固体，受热不发生相变，而是分 解析出可燃气体，当固体完全分解不再析出可燃气体后，留下的 炭质固体残渣开始进行无焰的表面燃焼。例如：木材、煤、合成 塑料等。
燃烧学
➢ 高熔点纯净物固体的燃烧过程
高熔点纯净物固体不需经过物理相变或化学分解过程， 可燃物与空气在固体表面直接接触并进行燃烧，如焦炭和木 材等。
燃烧学
➢ 低熔点纯净物和低熔点混合物固体的燃烧过程
低熔点纯净物固体（白磷、钠）和低熔点混合物固体（石 蜡、沥青）受热首先经过熔化和汽化，产生的蒸气与空气混合 燃烧。
燃烧学
➢ 阴燃
是指在氧气不足、湿度 较大的条件下，固体物质发 生的只冒烟而无火焰的燃烧。 例如：纸张、锯末、纤维织 物、橡胶等。
燃烧学
阴燃与有焰燃烧在一定条件下可以互相转化
阴燃