燃烧理论之燃烧与热化学补煤

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。

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。

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。

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。

燃烧热的化学理论教案解析一、教学目标1.掌握燃烧热的概念和计算方法；2.理解燃烧热的重要性及其在化学反应中的应用；3.能够利用热力学定律和燃烧热计算反应的热效应；4.培养学生分析问题和解决问题的能力。

二、教学内容1.燃烧热的定义及计算方法；2.燃烧热与化学反应热效应的关系；3.燃烧热在实际生产和生活中的应用。

三、教学重点与难点1.燃烧热的概念和计算方法；2.燃烧热与化学反应热效应的关系；3.燃烧热的应用。

四、教学方法1.讲解法：通过讲解，使学生掌握燃烧热的定义、计算方法、化学反应热效应和实际应用；2.示范法：透过案例分析，展示燃烧热在实际生产和生活中的应用；3.实验法：通过实验，让学生亲身体验燃烧热的变化。

五、教学过程1.燃烧热的定义及计算方法（1）燃烧热的定义：燃烧热是指在标准条件下，1mol燃料完全燃烧时所放出的热量。

（2）燃烧热的计算方法：以燃烧乙醇为例，计算其燃烧热的方法如下：C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l) ΔH=-1366.8kJ/mol其中，ΔH表示反应的热效应，其单位为kJ/mol。

2.燃烧热与化学反应热效应的关系（1）化学反应热效应的定义：化学反应热效应指在恒压下，单位物质参与化学反应所放出或吸收的热量。

（2）化学反应热效应与燃烧热的关系：化学反应热效应可以使用燃烧热计算得出，若以化学反应物质为单位计算燃烧热，则需要做出如下修改：C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l) ΔH=-1366.8 kJ/mol就可以将燃烧热计算出来。

而对于其他反应，可以采用燃烧热计算法来求出其反应热效应。

3.燃烧热在实际生产和生活中的应用（1）应用于工业化生产：由于燃烧热是指在标准条件下，1mol燃料完全燃烧时所放出的热量，因此可以通过燃烧热计算能源的转化效率，选择经济效益最大的能源类型。

（2）应用于生活领域：对于任何物质的燃烧，都存在着燃烧热的释放，例如燃烧木材所产生的热量用于取暖或炊事；六、教学反思通过本次教学，学生们对于燃烧热、化学反应热效应以及燃烧热在实际生产和生活中的应用有了更加深入的理解和认识。

绪论1、燃烧的定义：燃烧是一种激烈的氧化还原反应过程，放出大量的热和气体，同时伴有发热、发光的或者火焰。

本质：氧化还原反应做功物质：热和气体现象：发热、发光的或者火焰2、燃烧三要素：可燃物、氧、达到一定的发火温度（着火点）3、燃烧形式、区别与联系：三种化学反应形式：热分解、燃烧、爆轰主要不同点：(1) 过程传播机理不同(2) 过程传播速度不同(3) 受外界影响不同(4)产物质点运动方向不同本质特征：化学键断裂的程度不同联系：在一定条件下，三种形式可发生相互转化4、燃烧与国民经济、国防建设的关系①燃料燃烧是主要能源大多数国家90％以上的能源来自于燃料的燃烧。

②国防热兵器的发射能源主要来自于火药的燃烧（发射药）。

③其他日常生活燃烧与安全（火灾防止等）燃烧与环境（温室效应、保护臭氧层）5、研究燃烧理论的意义①从理论上讲，研究理论用于指导实践。

揭示燃烧现象的本质和规律。

用于研究燃烧过程。

（工业，武器中）②提高能量利用率。

（柴油添加剂）③安全生产④环境保护（作为理论基础）⑤特殊燃烧规律的应用6、燃烧学的研究方法①实验研究研究燃烧的现象和规律，获得经验公式反复观察—总结规律—经验公式②理论研究（模型化）推导—结论—验证—修正—（反复多次）—理论③综合研究实验研究和理论研究结论历史资料，经验和亲自实践的经验不同学科，专业的知识，理论的综合第一章1、热力学第一定律:体系吸收的热量dQ分别用于增加体系的内能dU和对外界做功dW本质：能量守恒2|、热力学第二定律本质：不可能从单一热源吸热而不引起其他变化。

（高温到低温）在化学反应中的本质：表明化学反应的方向。

（表征：熵S）3、化学反应类型简单反应：经过一步反应完成的复杂反应：经过许多中间阶段完成的典型复杂反应：连续反应：由许多基元反应组成，前一反应生成物是后一反应的反应物反应连续进行。

平行反应：一个反应进行的同时还进行着其它反应。

共轭反应：一个反应仅当另一个反应存在时才能发生，而两个反应的反应物又是不同的，其中一个反应是另一个反应发生的条件。

燃烧理论与火焰动力学研究燃烧，作为一个普遍的自然现象，一直以来都是人类关注的焦点之一。

对于燃烧的理解和认识，直接关系到人类工业生产、能源利用甚至自然灾害的预测与防控。

而燃烧理论与火焰动力学研究则是为了更好地解析和应用燃烧现象而产生的一门学科。

燃烧理论是以化学动力学为基础，探索燃烧过程中各种反应及其动力学行为的学科。

火焰动力学则更注重于揭示火焰的结构与其运动的内在联系。

这两个学科相辅相成，共同推动着燃烧科学的发展与进步。

燃烧的本质是一种氧化反应，即燃料与氧气在一定条件下发生快速且自持续的反应过程。

这个过程是在燃烧剂（通常是氧气）的同化作用下，被燃料自身的反应释放出来的热量和可燃物质为推动力，通过正反馈效应不断加强并维持下去的。

燃料在燃烧过程中被不断转化为其他物质，同时释放出大量的能量和废气。

燃烧理论的核心是化学动力学反应。

化学反应速率决定燃烧的快慢，而化学反应速率则由温度、压力、反应物浓度和催化剂等因素来调控。

燃烧剂中的温度和压力越高，就越能提供更多的活化能，从而使燃料分子更容易发生反应。

除此之外，化学反应速率还和反应物浓度相关，浓度越高，碰撞频率就越高，从而加速反应的进行。

催化剂则是通过提供表面活性位点，降低反应活化能，从而加速反应速率的。

从宏观的角度看，燃烧是通过火焰传热来完成的。

火焰是燃烧后所产生的可见光的发射，也是燃烧过程中释放出来的热能以及未燃尽物质释放出来的活跃成分在氧气中的共同作用结果。

火焰在燃烧过程中可以分为预混合燃烧和非预混合燃烧两种形式。

预混合燃烧是指燃料和氧化剂事先相互混合形成混合物，其燃烧火焰沿着混合物的扩散方向前进；非预混合燃烧则是燃料和氧化剂分别进入燃烧区域，然后经过反应发生燃烧，此时产生的火焰呈现出自由火焰形态。

火焰动力学是对火焰结构与运动进行研究的领域。

火焰具有自持续传播和发热等特性，其内部结构可以分为预混合区、反应区和燃烧区。

预混合区是指燃料和氧化剂在混合物中最早接触并发生反应的区域；反应区是指燃烧反应最活跃的区域；燃烧区是指燃烧反应逐渐减弱的区域，同时也是火焰的边界。

燃烧的三大理论一、活化能理论activation energy theory 物质分子间发生化学反应首先的条件是相互碰撞。

在标准状态下，单位时间、单位体积内气体分子相互碰撞约1023次。

但相互碰撞的分子不一定发生反应，只有少数具有一定能量的分子相互碰撞才会发生反应，这种分子称为活化分子。

活化分子所具有的能量比普通分子高，使普通分子变为活化分子所必须的能量称为活化能，如图3—2所示。

图中系统由状态Ⅰ变为状态Ⅱ，即由高能状态变为低能状态的能级差，该过程是放热过程。

状态K的能级大小相当于使反应发生所必需的能量，故状态K的能级与状态Ⅰ的能级之差等于正向反应的活化能△E1，状态K与状态Ⅱ的能级之差等于逆向反应的活化能△E2，△E2与△E1之差等于反应热效应。

图3—2 活化能示意图二、链式反应理论有焰燃烧都存在链式反应。

当某种可燃物受热，它不仅会汽化，而且该可燃物的分子会发生热解作用从而产生自由基。

自由基是一种高度活泼的化学形态，能与其他的自由基和分三、过氧化物理论peroxide theory 气体分子在热能、辐射能、电能、化学反应能等各种能量作用下可被活化。

在燃烧反应中，首先是氧分子在热能作用下活化，被活化的氧分子形成过氧键—O—O —，这种基团加在被氧化分子上而成为过氧化物。

此种过氧化物是强氧化剂，不仅能氧化形成过氧化物的物质，而且也能氧化其他较难氧化的物质。

例如在氢和氧的反应中，先生成过氧化氢，而后是过氧化氢再与氢反应生成H2O，其反应式如下：H2+O2+H2O2→H2O2+H2→2H2O有机过氧化物通常可看作是过氧化氢H—O—O—H的衍生物被烷基取代而生成R—O—O—H 或R—O—O—。

烃类氧化时是以破坏氧的一个键而不是破坏氧的两个键而进行的。

由于自由基的产生使反应具有链反应性质，因而可以自动延续，并且由于出现分支而自动加速。

整个燃烧前的氧化过程是一连串有自由基参加的链反应。

燃气燃烧理论基础燃气燃烧理论基础-V1燃气燃烧理论基础在现代社会中，燃气燃烧是极为普遍的现象，涉及的应用领域也十分广泛。

在此背景下，燃气燃烧理论成为了热力学、化学等学科中的一部分，其基础理论涉及到气体的热力学性质和化学反应动力学等方面。

本文将介绍燃气燃烧的基础理论。

第一部分：燃气的热力学性质1.1 燃气的物理性质燃气的物理性质包括密度、粘度、导热性等。

其中，密度与燃气的压力和温度密切相关。

随着温度的升高，燃气分子的平均动能增加，分子的有效半径增大，从而使密度降低。

同时，压力的升高会使得燃气分子之间的相互作用增强，引起分子的回旋运动增加，这也会导致燃气密度的增加。

粘度是指流体内部分子之间相互作用的抵抗。

在燃气中，粘度与温度密切相关，随着温度的升高，燃气分子的运动增快，分子间碰撞的三维弹性碰撞增加，分子间距离的均方根速度添加增加，从而导致粘度的下降。

导热性是指流体内部传递热量的物理性质。

在燃气中，热传递的速度与燃气的温度、密度和压力有关，燃气的导热性与热传导方式、燃气分子内部运动等因素也有关。

1.2 燃气的热力学性质燃气的热力学性质包括热容、热传导系数、等焓热容、等压热容等。

其中，热容是指物质在受到一定热量输入后产生的温度变化。

燃气的热容与气体的组成、温度密切相关。

温度升高，燃气分子的运动速度增加，热容度跟着增加；而在低温、高压下，燃气分子之间的相互作用增大，产生相互作用引起的热能变化趋势加强，燃气的热容度也相应提高。

热传导系数是指单位长度内热量传递的量。

燃气中的热传导系数主要受到温度和燃气分子间碰撞的影响。

在低温、高压下，燃气分子间的相互作用越强，热传导系数也会越小。

第二部分：燃气燃烧的基础理论2.1 燃烧反应的定义燃烧反应是指物质与氧气在一定温度和压力条件下进行的氧化性反应。

在燃烧反应中，氧气会与燃料反应，放出热能，同时产生焦炭、一氧化碳、二氧化碳、三氧化硫等化合物。

燃烧反应是现代工业生产和生活中不可缺少的反应类型之一。

第1章绪论1.1 引言火灾是国内外安全工作者特别关心的问题之一。

目前世界上每年都要发生各种情况的火灾，给社会经济、人民生命财产造成无法估量的损失。

燃烧学是研究火灾防治方法及技术的基础。

同时，燃烧在工业部门有着广泛的应用背景。

在世界总体能源结构中，以燃烧方式提供的能源所占比例高达80-85%。

燃烧技术不仅在冶金、电力、机械、化工、轻工、交通、农机等各生产领域得到了广泛的应用，而且还渗透到日常生活的各个方面（如抽烟、烧饭、汽车等等）。

对于航空、航天、兵器这些特殊的技术领域，更是完全建筑在以燃烧技术为核心的综合技术基础之上。

可以说没有燃烧就没有我们的现代文明。

强化燃烧、节约能源、防火灭火、防止污染这四大问题是当今燃烧技术发展最迫切、最热门的课题。

因此，燃烧学是安全工程专业及其它与燃烧过程有关专业的一门重要技术基础课。

学好本课程对知识面的拓宽及综合能力的培养有着极其重要的意义。

从化学观点看，在燃烧过程中，原来物质的分子结构遭到破坏，原子中的外层电子重新组合，经过一系列中间产物的变迁，最后产生了新的物质，即燃烧产物。

在化学反应中，总的位能降低了，即所谓化学能降低了。

这部分能量大都以热能和光能的形式释放出来，表观上形成了火焰。

从物理观点看，燃烧过程总是发生在物质流动系统中，这种流动可能是均相流也可能是多相流，流态可能是层流也可能是湍流；其次，燃烧现象总是在不均匀物质场条件下进行，多种物质组分间的混合、扩散在不断地进行着，甚至外界环境（如电磁场、重力场）对燃烧还会产生显著地影响。

因此燃烧是一种物理和化学的综合变化过程，是一个复杂的不断变化着的动态过程。

它是一门交叉学科。

学习燃烧理论既要求有化学热力学及化学反应动力学的一些基本知识，又需要对流体力学、传热与传质等学科的知识有一定的了解。

由于燃烧的复杂性，人们通常只按照自己的专业需要去研究燃烧中的某一方面的问题，例如：化学家-- 研究燃烧的反应机理、反应速度、反应程度、燃烧产物的生成机理等问题;热能工程师-- 研究锅炉等燃烧设备的设计，煤等燃料的燃烧技术及燃烧中的流体力学、传热、传质等热物理现象，燃烧设备的管理使用，燃烧能量的合理使用等；汽车发动机专家-- 研究内燃机的设计，汽油、柴油等燃料的间隙式燃烧技术及作功效率等；飞机发动机专家-- 研究航空发动机，航空燃料的稳态及非稳态燃烧技术及推进效率等；火箭发动机专家-- 研究火箭发动机，推进剂的稳态及非稳态燃烧技术及推进效率等；安全专家-- 研究火灾的防治，关心的是各种可燃物的着火、燃烧、爆炸及火焰熄灭等。