燃烧理论基础第五章概述

燃烧器设计技术手册第一章：燃烧器概述1.1 燃烧器的作用和应用领域燃烧器是一种用于将一种或多种燃料燃烧产生热能的装置，广泛应用于工业生产中的锅炉、热风炉、焚烧炉等设备中。

燃烧器的设计和性能直接影响到燃烧效率和环保性能。

1.2 燃烧器的分类依据燃烧器的工作原理和结构特点，可将燃烧器分为压力喷嘴燃烧器、旋风燃烧器、流化床燃烧器、多孔燃烧器等类型。

1.3 燃烧器的主要组成部分燃烧器主要包括燃烧器本体、点火装置、燃料输送系统、空气输送系统、调节系统和安全控制系统。

第二章：燃烧器设计原理2.1 燃烧理论基础介绍燃烧的化学过程和热力学原理，包括燃料与氧气的反应、燃烧传热等基础知识。

2.2 燃烧器设计参数讨论燃烧器设计中的主要参数，包括燃烧器功率、燃烧器效率、热效率、燃烧器稳定性等。

第三章：燃料选择与燃烧器匹配3.1 燃料物性及选择介绍各种常见的工业燃料的物理性质和燃烧特性，包括液体燃料、固体燃料和气体燃料。

3.2 燃烧器与燃料的匹配讨论燃烧器设计时需要考虑燃料的选择和燃烧器的适配性，使燃料能够充分燃烧，提高燃烧效率。

第四章：燃烧器结构设计4.1 燃烧器形式与结构介绍不同类型燃烧器的结构特点和设计原则，包括压力喷嘴燃烧器、旋风燃烧器、多孔燃烧器等。

4.2 燃烧器材料选择讨论燃烧器材料的选择原则和材料特性，包括耐热材料、耐腐蚀材料等。

第五章：燃烧器性能测试与调试5.1 燃烧器性能测试介绍燃烧器性能测试的方法和技术，包括燃烧效率测试、热效率测试、排放测试等。

5.2 燃烧器调试与优化讨论燃烧器在实际应用中的调试方法，包括点火调试、燃烧参数优化等。

第六章：燃烧器运行维护与安全管理6.1 燃烧器运行维护介绍燃烧器的日常运行维护方法，包括清洗、保养、损坏检修等。

6.2 燃烧器安全管理介绍燃烧器在运行过程中的安全管理知识，包括防火、防爆、泄漏处理等。

结语燃烧器设计技术手册涵盖了燃烧器的基本原理、设计流程、性能测试、调试与维护等方面的知识，对于燃烧器设计人员和生产运营人员具有重要的参考价值。

燃烧器设计技术手册第一章概述燃烧器是工业生产中常见的设备，其作用是将燃料和空气混合并点燃，产生热量。

燃烧器的设计和选型对于工业生产过程的能源利用效率、环境保护和安全性都有着重要的影响。

本手册旨在介绍燃烧器设计的基本原理、技术要点和实际应用，以便工程师和技术人员在燃烧器选择、设计和优化方面能够有所指导和帮助。

第二章燃烧器原理1. 燃烧理论基础介绍燃烧过程的基本原理，包括燃烧的化学反应、燃烧的热力学过程、燃料燃烧与空气混合的理论模型等。

2. 燃烧器分类介绍不同类型的燃烧器，包括锅炉燃烧器、工业燃烧器、热风炉燃烧器等，以及它们的特点和应用场景。

第三章燃烧器设计要点1. 燃料选择介绍不同种类的燃料的特点、适用范围和燃烧特性，以及在燃烧器选择和设计中的考虑因素。

2. 空气与燃料的混合讨论如何在燃烧器设计中实现燃料与空气的合理混合，以确保燃烧效率和节能。

3. 燃烧稳定性介绍燃烧器设计中保证燃烧稳定的技术手段和方法，以防止燃烧不稳定带来的问题。

4. 燃烧器热负荷计算介绍燃烧器设计中的热负荷计算方法，以确定燃烧器的适用范围和技术参数。

第四章燃烧器材料与结构设计1. 材料选择探讨在燃烧器设计中选择合适的材料的依据和方法，并介绍常用材料的特点和适用范围。

2. 结构设计介绍燃烧器的结构设计原则，包括外观结构、燃烧室设计、燃烧器头设计等方面的要点和技术注意事项。

第五章燃烧器安全与环保1. 安全防护措施探讨燃烧器设计与使用中的安全防护措施，包括防爆、防火、防失火等方面的技术要点和注意事项。

2. 环保要求介绍燃烧器设计中需要考虑的环保要求，包括排放控制、烟气净化、能源利用效率等方面的设计原则和技术措施。

第六章燃烧器性能测定与优化1. 性能测定方法介绍燃烧器性能测定的基本方法和技术手段，包括静态特性测试、动态特性测试、耐久性测试等方面的内容。

2. 优化方法探讨燃烧器优化设计的方法和技术手段，包括结构优化、燃烧参数优化、控制系统优化等方面的内容。

燃烧理论与技术》课程教学大纲课程编号：08211011课程类别：专业基础课程授课对象：能源与动力工程、热能工程、工程热物理、建筑环境等专业开课学期：第6学期学分：3学分主讲教师：王俊琪等指定教材：同济大学、重庆建筑大学等编，《燃气燃烧与应用（第三版）》，中国建筑工业出版社，2005年教学目的：通过对该课程的学习，使学生掌握有关燃气燃烧的基本知识，学会相应的燃气燃烧的计算方法，能够利用化学反应动力学原理解释相关的燃烧现象及燃烧的速度，理解不同气流的混合原理和燃气燃烧火焰的传播机理及传播速度的测定方法，深刻认识燃气各种燃烧的方法，并能利用流体力学、化学反应动力学原理分析各种燃烧方法的机理。

在此基础上，进一步掌握各种不同种类的燃烧器原理、构造及其设计原理与方法，深入理解有关民用燃气用具、燃气工业炉窑的类型、结构，并能进行有关设计计算和热力计算。

第一章燃气的燃烧计算课时：1周，共3课时教学内容第一节燃气的热值一、燃烧及燃烧反应计量方程式燃烧的定义与条件；不同燃烧反应的计量方程式。

二、燃气热值的确定燃气低热值和高热值的定义及其计算方法；混合气体热值的计算。

第二节燃烧所需空气量一、理论空气需要量理论空气量的概念；理论空气量的精确计算方法和近似计算方法。

二、实际空气需要量实际空气量和过剩空气系数的概念；常用设备的过剩空气系数。

第三节完全燃烧产物的计算一、烟气量烟气的主要成分；按烟气组分计算的理论及实际烟气量；根据燃气的热值近似计算不同燃气的烟气量。

二、烟气的密度烟气密度的计算。

第四节运行时烟气中的CO含量和过剩空气系数一、烟气中CO含量的确定烟气中CO含量确定的方法及公式；燃气是否完全燃烧的判别式；工业中常用的RO2的计算方法。

二、过剩空气系数的确定完全燃烧和不完全燃烧时过剩空气系数的确定方法。

第五节燃气燃烧温度及焓温图一、燃烧温度的确定热量计温度和理论燃烧温度的概念及计算公式；影响理论燃烧温度的具体因素分析。

《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。

GIVEN: The H 2-O 2 reaction mechanismDISCUSS: the process that result in the three explosion limits.a) First explosion limit: mean-free path becomes short enough for O, H and OH radicals to react with other speciesbefore being destroyed at chamber walls.In the H 2-O 2 system at low pressures the molecular mean-free path is long enough for the O, H and OH radicals to reach, and be destroyed by the quenching of the chain-propagating reactions and no explosion occurs. As the chamber pressure increases, the molecular mean-free path decreases and the O, H and OH radicals begin to react with other species. At same chamber pressure the chain-propagating reactions prevail over wall radical destruction and the mixture can explode.b) Second explosion limit: HO 2 destruction at chamber wall.As the chamber pressure is increased past the first explosion limit the M HO M O H +→++22 reaction begins to compete with the O OH O H +→+2reaction for H atoms. The hydroperoxy radical (HO 2) is relatively inactive and can reach the chamber walls and be destroyed, effectively quenching the H radicals and terminating the reaction process.c) third explosion limit: mean-free path becomes short enough for HO 2 radical to react with other species beforebeing destroyed at walls.As in the first explosion limit, increasing the chamber pressure causes the molecular mean-free path to decrease. Eventually, The mean-free path becomes short enough for the HO 2 radicals to react with other species before wall destruction can occur and the mixture can once again explore.Atp5-4GIVEN: the CO oxidation mechanismFIND: the primary reaction step in which CO is converted into CO 2.ASSUMPTIONS: hydrogen-containing species (H 2, H 2O) are presentAPPROACH: The CO oxidation mechanism is as follows:O CO O CO +→+221 OH OH O H O +→+22 H CO OH CO +→+23 primary reaction step O OH O H +→+24 H OH H O +→+25 H O H H OH +→+226 OH CO HO CO +→+227 The three reactions in which CO is converted into CO 2 are reactions 1,3 and 7. Reaction 1 is slow and does not significantly contribute to the CO oxidation. Reaction 1 does, however, serve as the chain-sequence initiator if hydrogen containing species are present. Reaction 7 occurs if HO 2 is present but is not as important as reaction 3, which is the primary oxidation step (H CO OH CO +→+2).The remaining reactions (2,4,5,6) are only chain propagating or chain branching steps involving radical formation and destruction and do not directly contribute to CO oxidation.GIVEN: the oxidation of higher paraffinsDESCRIBE: The 3 major steps and the key features of each stepStep 1: fuel molecule is broken at a C-C bond:The fuel molecule is broken at a C-C bond by O, H, and OH attack, resulting in the formation of hydrocarbon radicals. These hydrocarbon radicals break down further to form olefins (alkenes) and hydrogen atoms. The hydrogen atoms react with oxygen to form H 2O.Step 2: olefin oxidation is initiated by O-atom attack:Olefin oxidation is initiated by O-atom attack resulting in the formation of formyl radicals, formaldehyde, and other hydrocarbon species. These radicals and species further oxidize to form CO and H 2. The H 2 reacts with oxygen to form H 2O.Step 3: CO oxidation:CO oxidation to form CO 2 through the moist CO mechanism in which the reactionO CO O CO +→+22 serves as the chain initiator and the H CO OH CO +→+2reaction serves as the primary means of CO oxidation.COMMENTS: Although the above 3 steps outline the higher paraffin oxidation mechanism, the actual mechanism is quite complex, involving a great number of species, radicals and other reaction mechanisms (i.e., H 2-O 2, CO, etc.)Atp5-6GIVEN: the following hydrocarbon radicalsa) n-butyl radical b) sec-butyl radical----∙C C C C ||||||||-----∙C C C C ||||||| FIND: how the scission -βrule would apply to the breaking of C-C bond in each radicalAPPROACH: The scission -βrule states that the C-C or C-H bond broken is one site removed from the radical site.a) n-butyl radicalb) sec-butyl radical----∙C C C C ||||||||-----∙C C C C |||||||COMMENTS: Note that the scission -βrule can also apply to C-H bongs (see Figure 5.3), but that the break generally occurs at an appropriate C-C bond if possible due to the lower C-C bond strength.Atp5-7GIVEN: the eight semi-detailed steps (P.1 through P.7 and other steps) for the oxidation of C 3H 8.FIND: the first 5 steps in the oxidation of butane (C 4H 10)ASSUMPTIONS: butane oxidation follows a similar path to propane oxidation APPROACH:Breaking PointBreaking PointStep 1: butane molecule is broken by collision with third-bodyM H C H C M H C ++→+5252104M CH H C M H C ++→+373104Step 2: H atom abstractiuon due to third-body collision.M H H C M H C ++→+4252M H H C M H C ++→+6373M H CH M CH ++→+23Step 3: The H atoms created in step 2 react with O 2 to form radicals.O OH O H +→+2Step 4: H atom abstractiuon due to third-body collision.O H H C OH H C 294104+→+OH H C O H C +→+94104294104H H C H H C +→+step 5: hydrocarbon radical C 4H 9 decay following scission -β( Prob.5-6)M H C H C ++5242M H C +94M CH H C ++363Atp5-8GIVEN: the single-step global mechanism of equations 5.1 and 5.2 for hydrocarbon combustion with airFIND: the rates of fuel carbon conversion to CO 2 for 1=Φ, P=1 atm, T=1600 K fora) methane CH 4b) propane C 3H 8c) octane C 8H 18ASSUMPTIONS: ideal gas behaviorAPPROACH: determine the mole fractions and concentrations of fuel and oxygen, including the N 2 in the air. Then determine the fuel oxidation rate and convert this to a carbon oxidation rate.a) CH 4 : 22222476.3276.3aN O H CO aN aO CH ++→++at 1=Φ, a=x+y/4=1+4/4=2095.052.721144=++==TOTCH CH N N x 190.052.721222=++==TOT O O N N x transforming to concentrations using:33/10616.7)1600(315.8325.101m kmol T R P -⨯==393634/105.723/105.723)10616.7(095.0][4m gmol m kmol TR Px CH CH ---⨯=⨯=⨯==363332/10447.1/10447.1)10616.7(190.0][2m gmol m kmol TR Px O O ---⨯=⨯=⨯==n mu aO CH TR E A dt CH d ][]][exp[][244--= using Table 5.1scm gm ol O CH T dtCH d -⨯-=⨯⨯-⨯-=-⨯-=-----363.163.0983.123.0484/1064.56]10447.1[]105.723][160024358exp[103.1][]][24358exp[103.1][fuel carbon:s cm gmol dt H C d x dt C d yx -⨯-=⨯-==--366/1064.56)1064.56(1][][b) C 3H 8 : 222228376.34376.3aN O H CO aN aO H C ++→++at 1=Φ, a=x+y/4=3+8/4=5040.08.185118383=++==TOTH C H C N N x207.052.721522=++==TOTO O N N x transforming to concentrations using: 33/10616.7)1600(315.8325.101m kmol T R P -⨯==3936383/106.304/106.304)10616.7(04.0][83m gmol m kmol T R Px H C H C ---⨯=⨯=⨯==363332/10577.1/10577.1)10616.7(207.0][2m gmol m kmol T R Px O O ---⨯=⨯=⨯==n mu a O H C TR E A dt H C d ][]][exp[][28383--= using Table 5.1scm gm ol O CH T dtH C d -⨯-=⨯⨯-⨯-=-⨯-=-----3365.161.091165.121.041183/1008.4]10577.1[]106.304][160015098exp[106.8][]][15098exp[106.8][fuel carbon:s cm gmol dt H C d x dt C d y x --=⨯-==-33/012.0)1008.4(3][][c) C 8H 18 : 2222218876.39876.3aN O H CO aN aO H C ++→++at 1=Φ, a=x+y/4=8+18/4=12.50165.0475.1211188188=++==TOT H C N H NC x207.0475.1215.1222=++==TOT O O N N x transforming to concentrations using:33/10616.7)1600(315.8325.101m kmol T R P -⨯== 39363188/107.125/107.125)10616.7(0165.0][188m gmol m kmol T R P x H C H C ---⨯=⨯=⨯==363332/10577.1/10577.1)10616.7(207.0][2m gmol m kmol TR P x O O ---⨯=⨯=⨯==n m u a O H C TR E A dt H C d ][]][exp[][28383--= using Table 5.1s cm gm ol O H C Tdt H C d -⨯-=⨯⨯-⨯-=-⨯-=---335.1625.09115.1225.018811188/1036.1]10577.1[]107.125][160015098exp[106.4][]][15098exp[106.4][fuel carbon:s cm gmol dtH C d x dt C d y x --=⨯-==-33/011.0)1036.1(8][][COMMENTS: Note that the carbon conversion rate for CH 4 is much slower than either C 3H 8 or C 8H 18.Atp5-11GIVEN: That experiments show rapid NO formation within flame zone and that this formed NO is called prompt NO. DISCUSS: the two ways in which the prompt NO can be formedMETHOD 1: Thermal mechanism:In flame zones chemical equilibrium may not exist. In particular, super equilibrium concentrations of O-atoms may exist and can lead to rapid NO formation rates.METHOD 2: Prompt or Fenimore mechanism:The Prompt mechanism is linked to the hydrocarbon oxidation chemistry in the flame zone. Hydrocarbon radicals react with molecular N 2 to form amines and cyano compounds plus a free N radical which react with OH to form NO ( see problem 5-10).Atp5-12GIVEN: the conversion of NO to NO 2 in post-flame gases.IDENTITY: The key radicals involved in NO to NO 2 conversion and explain why NO 2 does not appear in high-temperature regions.The following mechanism is responsible for the conversion of NO to NO 2 in the combustion products:OH NO HO NO +→+22NO 2 formation OH NO H NO +→+2NO 2 formation 22O NO O NO +→+ NO 2 formationFrom these reaction steps it is apparent that the HO 2 radical is the key radical in the conversion process. NO 2 does not appear in high-temperature regions since HO 2 only forms in low-temperature regions, meaning NO 2 is not formed in high-temperature regions, and the NO 2 destruction reactions are more active at high temperatures, resulting in the destruction of any NO 2 that is transferred to the high-temperature regions.。

第五章气体燃烧本章知识要点预混燃烧和扩散燃烧的概念；预混气的热自燃理论和点燃理论；层流预混火焰和扩散火焰的传播理论；湍流预混火焰和扩散火焰的经典理论；火焰稳定性理论。

重点1.预混可燃气的着火和自燃理论：绝热条件下预混可燃气着火自燃理论，非绝热条件下谢苗诺夫非稳态着火自燃理论。

2.预混可燃气体的点燃理论：无穷大平板点燃理论——零值梯度理论3.层流预混火焰传播理论：层流火焰传播的综合性理论4.层流扩散火焰：扩散火焰的本生灯试验，脱火、回火，扩散火焰特点5.湍流预混和扩散火焰传播：湍流火焰传播的经典模型简介6.射流火焰：自由射流、旋转射流和直流交叉射流火焰的特点7.火焰的稳定性：火焰稳定的基本原理和方法复习思考题1.绝热条件下自燃过程的温度、浓度随时间的变化特征。

2.用谢苗诺夫的非稳态热力着火理论分析热力着火中的自燃现象。

3.用点燃条件下的零值梯度理论分析无限大平板上燃气点燃现象。

4.着火感应期，着火过程的时间特征。

5.燃料的可燃界限，影响燃料可燃界限的因素有哪些？6.层流和湍流的火焰传播速度，火焰锋面厚度。

7.层流火焰传播速度求解的热理论和综合性理论。

8.影响层流火焰传播速度的因素有哪些，影响规律如何？9.运用层流火焰传播理论分析层流火焰传播的稳定性。

10.湍流火焰的分类和湍流火焰的特点。

11.影响湍流火焰传播速度的因素。

12.应用火焰稳定的均匀搅混热平衡原理和传热原理分析湍流火焰的稳定性。

13.预混火焰和扩散火焰的各自特点。

14.工程上稳定火焰的措施。

作业题1.煤堆自燃导致能源的浪费和设备受损伤，因此必须防止。

现有下列现象，请用自燃热力着火理论加以解释：（1）褐煤和高挥发分烟煤容易自燃；（2）煤堆在煤场上日久后容易自燃；（3）在煤堆上装上通风竖井深入煤层深处，可防止自燃；（4）如果用压路机碾压煤堆，使之密实，可防止自燃。

2.热自燃或热爆炸和链式爆炸有什么区别？请分析原因。

3.请解释为什么发动机在高原、冬季难发动？4.试讨论影响层流火焰传播速度的因素，如果预混可燃气由甲烷+氧气（摩尔比1：1）换成乙烷+氧气（摩尔比1：1），层流火焰传播速度会有什么变化？如果预混可燃气甲烷+氧气的摩尔比由1：1变为1：2，层流火焰传播速度有什么变化？5.请全面比较预混火焰和扩散火焰的优缺点，并说明为什么工程上燃用气体或液体燃料时一般不用一次空气为零的纯扩散火焰？6.点燃煤气时一定要先放明火后开气阀，这是“火等气”的操作方式。

第五章 煤粉燃烧的理论基础和燃烧设备（一）教学要求1.掌握炭粒的三个燃烧区域，理解影响燃烧反应的化学因素和物理因素2.掌握煤粉气流着火的影响因素和完全燃烧的条件3.了解直流射流的特性，理解直流燃烧器的结构型式及其布置情况4.了解旋流射流的特性，理解旋流燃烧器的结构型式及其布置情况5.了解W 型火焰燃烧技术（二）重点和难点重点：1.炭粒燃烧的动力燃烧区、扩散燃烧区、过渡燃烧器三个区域2.煤粉气流着火的影响因素3.煤粉完全燃烧的条件难点：1.直流燃烧器的结构型式及其布置情况2. 旋流燃烧器的结构型式及其布置情况（三）教学方式课堂讲授、多媒体教学结合课堂讨论及现场模型讲授(四)教学内容第一节 燃烧的基本理论复习几种热损失。

为了减小热损失，锅炉燃烧需要作到：稳定着火、快速燃尽。

为实现该目的，需寻找强化燃烧的方法，这就要认识燃烧过程的本质。

从而，需要学习基础燃烧理论。

燃烧是气体、液体或固体燃料与氧化剂之间发生的一种强烈的化学反应；同时伴随各种物理过程燃烧反应根据参加反应的物质不同分为：一、化学反应速度某一反应物浓度的减少速度或生成物浓度的增加速度表示。

1.浓度浓度越大，反应速度越快。

质量作用定律：对于均相反应，在一定温度下化学反应速度与参加反应的各反应物的浓度乘积成正比，而各反应物浓度项的方次等于化学反应式中相应的反应系数。

对于异相反应：化学反应在炭粒表面进行，认为碳粒浓度不变，化学反应速度指单位时间内碳粒表面上氧浓度的变化。

质量作用定律说明：在温度不变的情况下，反应物的浓度越高，分子的碰撞hH gG bB aA +→+b B a A C kC w =b B B kC w =机会越多，化学反应速度就越快。

2.温度阿累尼乌斯定律：温度增加，反应速度近似成指数关系增加，体现在反应速度常数。

反应物浓度不变时，反应速度常数k 随温度变化的关系3.压力在反应容积不变的情况下，反应系统压力增高，就意味着反应物浓度增加，化学反应速度增加。