第四章液体燃料的燃烧理论

第一章燃烧化学反应动力学基础1、什么叫燃烧？2、浓度和化学反应速度正确的表达方法？化学反应速度如何计量？3、什么是单相反应、多相反应、简单反应、复杂反应、总包反应？4、质量作用定律的适用范围？如何从微观的分子运动论的观点来理解质量作用定律？试用质量作用定律讨论物质浓度对反应速度的影响。

5、什么是反应级数？反应级数与反应物浓度（半衰期）之间的关系如何？6、常用的固体、液体和气体燃料的反应级数值的范围是多少？7、试用反应级数的概念，讨论燃尽时间与压力之间的关系。

8、惰性组分如何影响化学反应速率？9、Arrhenius定律的内容是什么？适用范围？如何从微观的分子运动论的观点来理解Arrhenius定律？10、什么是活化能？什么是活化分子？它们在燃烧过程中的作用？11、图解吸热反应和放热反应的活化能与反应放热（吸热）之间的关系。

12、什么叫链式反应？它是怎样分类的？链反应一般可以分为几个阶段？13、描述氢原子燃烧的链式反应过程。

14、试用活化中心繁殖速率和销毁速率的数学模型，结合编程技术，绘制氢原子浓度随时间变化的图线，解释氢燃烧的几种反应的情况。

并讨论：分支链反应为什么能极大地增加化学反应的速度？15、烃类燃烧的基本过程是什么，什么情况下会发生析碳反应？如何进行解释？什么样的烃类燃烧时更容易发生析碳反应？如何防止烃类燃烧析碳？16、图解催化剂对化学反应的作用。

17、什么叫化学平衡？平衡常数的计算方法？吕·查德里反抗规则的内容是什么？18、什么是燃料的低位发热量和高位发热量？19、试用本章的知识解释，从燃烧学的角度来看，涡轮增压装置对汽车发动机的作用是什么？20、过量空气系数（a）与当量比（b）的概念？21、燃烧过程中，有几种NOx的生成机理？第二章燃烧空气动力学基础——混合与传质1．为什么说混合与传质对燃烧过程很重要？2．什么是传质？传质的两种基本形式是什么？3．什么是“三传”？分子传输定律是怎样表述的？它们的表达式如何？（牛顿粘性定律、傅立叶导热定律、费克扩散定律）4．湍流中，决定“三传”的因素是什么？湍流中，动量交换过程和热量、质量交换的强烈程度如何？怎么用无量纲准则数的数值来说明这一点？5．试推导一个静止圆球在无限大空间之中，没有相对运动的情况下，和周围气体换热的Nu数，以及和周围气体进行传质的Nu zl数。

《燃烧学》课程笔记第一章燃料与燃烧概述一、燃烧学发展简史1. 古代时期- 早期人类通过摩擦、打击等方法产生火，火的使用标志着人类文明的开始。

- 古埃及、古希腊和古罗马时期，人们开始使用火进行冶炼、烹饪和取暖。

2. 中世纪时期- 炼金术的兴起，炼金术士们试图通过燃烧和其他化学反应来转化金属。

- 罗杰·培根（Roger Bacon）在13世纪对火进行了研究，提出了火的三要素理论：燃料、空气和热。

3. 17世纪- 法国化学家安托万·洛朗·拉瓦锡（Antoine Lavoisier）通过实验证明了燃烧是物质与氧气的化学反应，推翻了燃素说。

- 拉瓦锡的氧化学说为现代燃烧理论奠定了基础。

4. 18世纪- 约瑟夫·普利斯特里（Joseph Priestley）和卡尔·威廉·舍勒（Carl Wilhelm Scheele）分别独立发现了氧气。

- 拉瓦锡和普利斯特里的实验揭示了氧气在燃烧过程中的作用。

5. 19世纪- 热力学第一定律和第二定律的发展，为理解燃烧过程中的能量转换提供了理论基础。

- 化学反应动力学的发展，科学家们开始研究燃烧反应的速率和机理。

6. 20世纪- 燃烧学作为一门独立学科得到发展，研究内容包括火焰结构、燃烧污染物生成与控制等。

- 计算流体力学（CFD）的应用，使得燃烧过程的模拟和优化成为可能。

- 环保意识的提高，促进了清洁燃烧技术和低污染燃烧技术的发展。

二、常见的燃烧设备1. 炉子- 锅炉：用于发电和工业生产中的蒸汽供应。

- 炉灶：家用烹饪设备，使用天然气、液化石油气等作为燃料。

- 热水器：利用燃料燃烧产生的热量加热水。

2. 发动机- 内燃机：汽车、摩托车等交通工具的动力来源。

- 燃气轮机：用于飞机、发电厂等，具有较高的热效率。

3. 焚烧炉- 医疗废物焚烧炉：用于医院废物的无害化处理。

- 城市生活垃圾焚烧炉：用于垃圾减量和资源回收。

第二部分：热工计算(4-6章)第一次课课题： 4. 燃料及燃烧计算§4.1燃料的通性一、本课的基本要求：1.掌握燃料的化学组成及各种成分之间的相互转换。

2.燃料发热量的计算。

3.标准燃料的概念。

二、本课的重点、难点：1. 重点：燃料的化学组成。

2. 难点:：燃料成分之间的相互转换。

三、作业：第4章燃料及燃烧计算1.燃料的定义：凡是在燃烧时(剧烈地氧化)能够放出大量的热，并且此热量能有效地被利用在工业或其他方面的物质称为燃料。

. 所谓有效地利用是指利用这些热源在技术上是可能的在经济上是合理的。

2.对燃料的要求：(1)在当今技术条件下，单位质量(体积)燃料燃烧时所放出的热可以有效地利用。

(2)燃烧生成物是气体状态，燃烧后的热量绝大部分含欲其气体生成物之中，而且可以在放热地点以外利用生成物中所含的热量。

(3)燃烧产物的性质时熔炼(加热)设备不起破坏作用，无毒、无腐蚀作用。

(4)燃烧过程易于控制。

(5)有足够多的蕴藏量，便于开采。

§4.1 燃料的通性一、燃料的化学组成1.固(液)体燃料的化学组成(1)固(液)体燃料的基本组成固液体燃料的基本组成有C、H、O、N、S、W(水分)及A(灰分)，其中C、H、S 能燃烧放热构成可燃成分，但S燃烧后生成的而氧化硫为有毒气体。

所以视硫为有害成分；氧和氮的存在相对降低了可燃成分的含量，属于有害物质；水分(W)的存在不仅相对降低了可燃成分含量，而且水分在蒸发时要吸收大量的热，所以视水为有害物质；灰分的存在不仅降低了可燃成分的含量，而且影响燃烧过程的进行，在燃烧过程中易溶结成块，阻碍通讯，造成燃料浪费和增加排灰的困难。

(2)固(液)体燃料的成分分析固(液)体燃料的成分分析方法有元素分析法和工业分析法两种。

元素分析法是确定燃料中C、H、O、N、S的重量百分含量,它不能说明燃料由那些化合物组成及这些化合物的形式。

只能进行燃料的近似评价,但元素分析法的结果是燃料计算的重要原始数据。

CH11.何谓燃烧？燃烧是一种急速、剧烈的发光发热的氧化反应过程。

2. 化合物的标准生成焓: 化合物的构成元素在标准状态下（25oC，0.1MPa）定温—定容或者定温定压；经化合反应生成一个mol的该化合物的焓的增量（kJ/mol）。

所有元素在标准状态下的标准生成焓均为零。

3. 反应焓: 在定温-定容或定温-定压条件下，反应物与产物之间的焓差，为该反应物的反应焓（kJ）。

4. 反应焓的计算??5. 燃烧焓: 单位质量的燃料（不包括氧化剂）在定温—定容或定温—定压条件下，燃烧反应时的反应焓之值（kJ/kg）。

6.燃料热值: 燃料热值有高热值与低热值之分，相差一个燃烧产物中的水的气化潜热。

7.化学反应速度、正向反应速度、逆向反应速度、反应速度常数??8.平衡常数的三种表达方式和相互间的关系??按浓度定义的反应平衡常数,以分压定义的反应平衡常数,以体积百分比定义的平衡常数??平衡常数越大，反应进行得越彻底9.反应度λ: 表示系统达到平衡时反应物能有效变为产物的程度反应式: aA+bB→（1-λ）*（aA+bB）+λ（cC+dD）10. Gibbs函数的定义: 自由焓，为状态参数。

g=h-Ts11. Helmholtz函数自由能f f=u-Ts12.焓与生成焓仅是温度的单一函数，而自由焓与P、T有关。

13.标准反应自由焓14.平衡常数kp与反应自由焓的关系15.过量空气系数: 燃烧1kg燃料，实际提供空气量/ 理论所需空气量。

16.当量比(φ)C－实际浓度，Cst－理论浓度17.浓度（燃空比）: 一定体积混合气中的燃料重量/ 空气重量18. 化学计量浓度时的浓度时的浓度19. 绝热燃烧火焰温度的求解方法，尤其是考虑化学平衡时的计算方法首先分别根据平衡常数kp和能量守恒方程得到反应度λ和绝热火焰温度Tf 的关系，然后采用迭代法计算得到Tf 。

20.绝热燃烧火焰温度计算程序及数据处理CH21. 化学反应动力学是研究化学反应机理和化学反应速率的科学。

第四章燃烧和爆炸与防火防爆安全技术第一节燃烧要素和燃烧类别一、燃烧概述燃烧是可燃物质与助燃物质(氧或其他助燃物质)发生的一种发光发热的氧化反应。

在化学反应中，失掉电子的物质被氧化，获得电子的物质被还原。

所以，氧化反应并不限于同氧的反应。

例如，氢在氯中燃烧生成氯化氢。

氢原子失掉一个电子被氧化，氯原子获得一个电子被还原。

类似地，金属钠在氯气中燃烧，炽热的铁在氯气中燃烧，都是激烈的氧化反应，并伴有光和热的发生。

金属和酸反应生成盐也是氧化反应，但没有同时发光发热，所以不能称做燃烧。

灯泡中的灯丝通电后同时发光发热，但并非氧化反应，所以也不能称做燃烧。

只有同时发光发热的氧化反应才被界定为燃烧。

可燃物质(一切可氧化的物质)、助燃物质(氧化剂)和火源(能够提供一定的温度或热量)，是可燃物质燃烧的三个基本要素。

缺少三个要素中的任何一个，燃烧便不会发生。

对于正在进行的燃烧，只要充分控制三个要素中的任何一个，燃烧就会终止。

所以，防火防爆安全技术可以归结为这三个要素的控制问题。

例如，在无惰性气体覆盖的条件下加工处理一种如丙酮之类的易燃物质，一开始便具备了燃烧三要素中的前两个要素，即可燃物质和氧化气氛。

可以查出，丙酮的闪点是－10℃。

这意味着在高于－10℃的任何温度，丙酮都可以释放出足够量的蒸气，与空气形成易燃混合物，一旦遭遇火花、火焰或其他火源就会引发燃烧。

为了达到防火的目的，至少要实现下列四个条件中的一个条件：(1)环境温度保持在－10℃以下；(2)切断大气氧的供应；(3)在区域内清除任何形式的火源；(4)在区域内安装良好的通风设施。

丙酮蒸气一旦释放出来，排气装置就迅速将其排离区域，使丙酮蒸气和空气的混合物不至于达到危险的浓度。

条件(1)和(2)在工业规模上很难达到，而条件(3)和(4)则不难实现。

固然，完全清除燃烧三要素中的任何一个，都可以杜绝燃烧的发生。

然而，对工业操作施加如此严格的限制在经济上很少是可行的。

工业物料安全加工研究的一个重要目的是，确定在兼顾杜绝燃烧和操作经济上的可行性方面还留有多大余地。

化学动力学Contents •概述•总包反应和基元反应•基元反应速率–双分子反应和碰撞理论–其他基元反应•多步机理的反应速率–净生成率–简洁形式–速率系数和平衡常数的关系•稳态近似方法–单分子反应机理–链式和链式分支反应•链式反应•链式分支反应•化学反应时间尺寸–单分子反应–双分子反应•局部平衡方法•小结概述•化学反应速率控制燃烧速率•化学速率决定污染物的形成与分解.•点火与熄火与化学过程密切相关•基元反应及其化学动力学是物理化学的一个特定的领域. •从反应物到产物的详细化学路径的定义•测量或计算它们相应的速率.•构建计算机模型来模拟反应系统.•基本化学动力学概念(本章)•与燃烧相关的重要化学机理(5)•化学过程与热力学模型的联立(6)•流体力学、化学、热力学方程(7)化学动力学•热力学: 反应是偏向产物还是反应物？•没有给出反应过程进行的速度的信息•动力学—是反应速度速率及相应反应进行的进程的关系的研究：机理.反应的实例!H2(g) + ½O2→H2O (l) 很慢N2O(g) → N2 (g) + ½O2 (g) 慢燃烧反应⇒快速过程TNT 爆炸⇒非常快的反应食物变质药物分解化学反应与时间的联系•讨论化学反应的动能学（energetics）.2 A → B 化合反应.•这个反应需要多长时间来进行?化学动力学•动力学是研究化学反应的速率的，速率是指随时间变化的过程•速率的单位是单位时间的浓度, M/s•随时间，浓度可以增加（产物）也可以减少（反应物）A +B → C化学动力学•当对一个化学反应的浓度与时间变化曲线作图，图上任意一点的切线(过浓度点) 定义了反应的瞬时速度•某个反应在一段时间内的平均速度可以用浓度图上的三角形来确定(直角三角形的斜边的斜率)•反应速度减少表示反应物是被消耗•速率表达式必须与化学计量数一致2A + B 3C瞬时速度的定义•反应物的消耗速度是-d[R]/dt•产物的形成速度是d[P]/dt平均速度•从图中看，平均速度是连接两点的斜率，为正值化学动力学•某个反应的速度与反应物的浓度相关•当反应物的浓度减少时，反应速度也减少•某个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在数学上用实验速度规律来表示•反应物浓度以指数率上升，其乘积等于反应速度实验速度规律aA + bB →产物速度= -∆[A]/ t = k[A]m[B]n[C]p •[A] & [B] = 反应物浓度(M)•[C] = 催化剂浓度(M)•m, n, & p =指数(与化学反应中的系数无关）实验速度规律•由于化学计量方程没有给出反应机理的信息，指数就必须依靠实验来确定•分别来改变反应物的浓度来观察速度的变化•应用初始速度的方法; 观察随时间线性变化时的反应速度(瞬时速度= 平均速度); 通常在反应开始时•总的反应级数= 反应速度方程中指数之和Rxn级数可能的指数实验规律1 k[A]2 k[A]2 or k[A][B]3 k[A]2[B] or k[A][B][C]反应物与时间：一级反应•对一级反应，浓度可以由反应中给定的时间来确定•对数函数[A]t= 在t时刻组分A的浓度，M[A]o =组分A的初始浓度(t=0), Mk =一级速度常数, 1/时间t = 时间浓度与时间: 二级反应•对二级反应，反应中浓度随时间的变化•逆函数[A]t = 时刻t时组分A的浓度, M[A]o = 组分A的初始浓度，(t=0), Mk = 二级速度常数, 1/(M x t)t =时间总包反应与基元反应•一摩尔的燃料与a摩尔的氧化剂反应形成b摩尔的燃烧产物可用总包的反应机理来表示: •燃料消耗的速度可以表示为•式中, K G称为总包反应系数（g l o b a l r a t e c o e f f i c i e n t）, 是温度的强函数. •n和m 与反应级数相关，对于总包反应，n 和m 不一定是整数.•对基元反应，反应级数一定是整数。

燃料的燃烧燃料的燃烧是可燃成分与氧气{主要是助燃空气中的氧气}所进行的一种激烈的氧化反应。

燃烧三要素：可燃物、着火温度。

氧气。

燃料的燃烧可分为完全燃烧与不完全燃烧。

完全燃烧：燃烧中的可燃物和氧化进行了充分的燃烧反应，燃烧产物中已不存在可燃成分，成为完全燃烧。

不全然冷却：燃料经过冷却后在冷却产物中存有着易燃成分，称作不全然冷却，他又分成化学不全然冷却和机械不全然冷却两种情况。

化学不全然冷却：冷却中的易燃成分由于空气中严重不足或燃料与空气混合不好，而没获得充份反应的冷却，称作化学不全然冷却。

机械不全然冷却：燃料中部分易燃成分没出席冷却反应就损失的冷却过程，称作机械不全然冷却。

可燃成分发生不完全燃烧的发热量远低于完全燃烧的发热量，因此在加热操作中应尽量避免不完全燃烧。

理论空气需要量：冷却中的易燃成分全然冷却须要存有一定量的空气，这种空气量叫作理论空气需要量。

空气消耗系数：燃烧在实际燃烧过程中，为了实现燃料的完全燃烧，实际空气需要量必须大于理论空气需要量，该实际空气需要量与理论空气需要量的比值就叫做空气消耗系数，一般用n表示。

空气消耗系数的大小与燃料的种类、燃烧方式、燃烧装置结构及工况好坏等有直接关系。

在实际加热操作中，应在保证完全燃烧的基础上使n越接近1越好。

各种燃料的空气消耗系数经验数据如下：固体燃料：n=1.20~1.50液体燃料：n=1.15~1.25气体燃料：n=1.05~1.15蓄热式加热炉由于可以实现贫氧燃烧（氮的氧化少，需要空气少），理论空气需要量可以笑与常规燃烧的理论空气需要量，具体数值依不同燃烧和不同燃烧方式而有所不同。

蓄热式加热炉空气消耗系数和常规燃烧的基本相同，及实际空气空气量与理论空气需要量的比值，前者大于后者主要保证完全燃烧。

冷却温度：冷却产物所能够达至的温度叫做燃料的冷却温度，又叫作火焰温度。

在全然冷却状态下午热损失的冷却温度及理论冷却温度。

提升加热炉冷却温度的途径存有：（1）提高燃烧的发热量（2）实现燃烧的完全燃烧（3）降低炉体热损失（4）预热空气和燃料（5）尽量减少烟气量。

思考题第一章绪论1、燃烧的定义（氧化学说）：燃烧一般是指某些物质在较高的温度下与氧气化合而发生激烈的氧化反应并释放大量热量的现象.2、化石燃料燃烧的主要污染排放物？烟尘,硫氧化物，氮氧化物其次还有CO,CO2等其他污染物。

3、燃素学说；燃素学说认为火是火是由无数细小且活泼的微粒构成的物质实体，这种火的微粒即可愿意与其他元素结合而形成化合物也可以以游离的方式存在，大量游离的火的微粒聚集在一起就形成了明显的火焰,它弥散于大气之中变给人以热的感觉，由这种火微粒构成的火的元素便是燃素。

第二章燃料1.什么叫燃料?它应具备哪些基本要求？是指在燃烧过程中能释放出大量热量,该热量又能经济、有效地应用于生产和生活中的物质.物质作为燃料的条件:（1）能在燃烧时释放出大量热量；(2）能方便且很好的燃烧；（3）自然界蕴藏量丰富，易于开采且价格低廉；（4）燃烧产物对人类、自然界、环境危害小2.化石燃料主要包括那些燃料？（煤,石油，天然气）3.燃料分类方法？燃料按物态分类及其典型代表燃料（1 固体燃料（煤炭）2 液体燃料（石油、酒精）2气体燃料（天然气、氢气）4.燃料的组成，固液体燃料的元素组成都有那些？固体燃料是各种有机化合物的混合物。

混合物的元素组成为:C、H、O、N、S、A、M 液体燃料是由多种碳氢化合物混合而成的。

其元素组成亦为：C、H、O、N、S、A、M5.气体燃料的主要组成成分有哪些？气体燃料是由若干单一可燃与不可燃气体组成的混合物:CO、H2、CH4、CnHm、CO2、N2、H2O、 O2等。

6.燃料分析有几种，分别是什么？(1）工业分析组成（测定燃料中水分（M)、挥发分（V)灰分（A）和固定碳（FC)等4种组分的含量）。

;（2）元素分析组成（用化学分析的方法测定燃料中主要化学元素组分碳（C）、氢（H）、氮（N）、硫（S)和氧(O）以及灰分（A）和水分(M）的含量）； (3）成分分析组成（化学分析方法测定气体燃料各组分的体积或质量百分比)7.燃料的可燃与不可燃部分各包含哪些主要成分？可燃成分：(碳(最主要的可燃元素，氢（发热值最高的可燃元素）硫（有机硫、黄铁矿硫:可燃烧释放出热量,合称为可燃硫或挥发硫。