三篇燃燒基本理論課件

1、第三篇燃燒基本理論第1頁，共47頁。概述燃燒過程燃燒過程是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程完成燃燒過程不僅需要一定的濃度和溫度，還需要一定的時間和空間燃燒過程所需要的時間包括三個方面：混合、升溫和反應(yīng)反應(yīng)所需時間受化學(xué)動力學(xué)因素的影響，而混合所需的時間則受擴(kuò)散因素的影響燃燒過程主要受化學(xué)動力學(xué)因素和擴(kuò)散因素的影響第2頁，共47頁。概述燃燒過程分類影響因素動力燃燒：燃燒過程受可燃混合物加熱和化學(xué)反應(yīng)速率的限制，而不受混合速度的限制擴(kuò)散燃燒：燃燒過程主要受擴(kuò)散速度的限制中間燃燒：介于上述兩者之間的燃燒氣體流動性質(zhì)層流燃燒：燃燒室中煤氣、空氣和火焰都是以層流流動紊流燃燒：火焰氣體以紊流流動介于二者之間的過渡性

2、質(zhì)的燃燒參加反應(yīng)物質(zhì)的物態(tài)同相燃燒：燃料和氧化劑的物態(tài)相同異相燃燒：燃料和氧化劑的物態(tài)不同第3頁，共47頁。概述學(xué)習(xí)本篇的方法本篇著重介紹有關(guān)燃燒的基本理論，學(xué)習(xí)時，應(yīng)著重從基本概念出發(fā)，理解現(xiàn)象的本質(zhì)、變化規(guī)律及影響因素，以便能夠運(yùn)用燃燒的基本原理正確地組織爐內(nèi)的燃燒過程第4頁，共47頁。第七章 射流混合過程研究射流混合過程的原因工業(yè)爐燃燒過程中氣體的混合與加熱對整個燃燒過程起著極為重要的作用在工業(yè)爐燃燒技術(shù)中，火焰的長度、寬度以及它的溫度分布等特性主要取決于煤氣與空氣的混合氣流的噴出速度、煤氣與空氣的相對速度、氣流的交角以及旋流強(qiáng)度等都會對燃燒過程產(chǎn)生明顯的影響第5頁，共47頁。工業(yè)爐燃燒

3、技術(shù)主要研究的混合規(guī)律紊流射流混合規(guī)律常用到的射流類型：圓形斷面的自由射流、同心射流、交叉射流及旋轉(zhuǎn)射流等射流混合過程研究的主要內(nèi)容射流初始條件：噴口尺寸、流量、溫度、壓力、密度、濃度、出流速度等射流邊界條件：外圍流體流速、壓力、溫度、濃度等研究射流混合過程的目的根據(jù)射流的初始條件和邊界條件，配合有關(guān)的物理參數(shù)，求出射流流場的速度分布、溫度分布、濃度分布、卷吸氣量比、射流擴(kuò)展率以及射流張角，供研制和設(shè)計燃燒裝置或組織火焰時參考第6頁，共47頁。靜止氣體中的自由射流煤氣噴射到大氣中的燃燒情況即屬于靜止氣體中的自由射流，其燃燒裝置稱為大氣燒嘴靜止氣體中的自由射流分為初階段、過渡段和自模段初始段：射

4、流離開噴口，產(chǎn)生紊流旋渦層，與外圍流體進(jìn)行動量和質(zhì)量交換，形成勢流核心，核內(nèi)各截面仍保持噴口截面上的初始速度、濃度及溫度過渡段：外圍氣體跨流擴(kuò)散與主流混合，發(fā)生動量、質(zhì)量及能量的交換，隨著混合區(qū)的逐漸擴(kuò)大，勢流核心逐漸縮小并消失。射流沿程各截面速度分布不斷變化，速度分布日趨相似自模段：射流沿程各斷面軸向流速都呈正態(tài)相似分布第7頁，共47頁。同向平行流中的自由射流當(dāng)射流出流于同向平行氣流中時，射流的擴(kuò)展、軸心速度的衰減、勢核的長度等，都和射流與外圍氣流之間的速度梯度有關(guān)隨著外圍氣流速度的逐漸增大，射流與外圍氣流之間的速度差越來越小，因而混合速度逐漸減慢當(dāng)兩者速度相等時，混合速度很慢當(dāng)外圍速度超過

5、射流速度時，速度梯度又開始增大，混合速度又隨之變快。速度梯度越小，射流擴(kuò)展及軸心速度衰減就越慢，勢核的長度也越大，當(dāng)外圍流與射流的流速相等時，勢流核心將貫穿整個流場。第8頁，共47頁。交叉射流交叉射流：以某一角度與主流相交的射流。向火焰中噴射二次助燃空氣或稀釋空氣時經(jīng)常采用交叉射流掌握交叉射流的走向交叉射流在主流中的穿透深度交叉射流和主流的混合情況第9頁，共47頁。環(huán)狀射流和同心射流對于環(huán)狀射流和同心射流而言：在充分發(fā)展區(qū)，流動情況與軸對稱的圓射流相似在靠近噴口附近，環(huán)狀射流形成低壓回流區(qū)；而同心射流則形成環(huán)狀回流區(qū)噴嘴的幾何形狀對鄰近噴嘴的射流狀態(tài)有很大影響回流區(qū)的存在能改善火焰的穩(wěn)定性第1

6、0頁，共47頁。旋渦射流旋渦射流：射流離開噴口前先強(qiáng)迫流體做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，當(dāng)流體從噴口出流后，除了具有一般射流的徑向與軸向速度分量外，還具有一定分布的圓周向速度分量，這就是旋轉(zhuǎn)射流流場特征：旋轉(zhuǎn)射流兼有旋轉(zhuǎn)紊流運(yùn)動、自由射流及尾流的特點，是這三種運(yùn)動的組合作用：是強(qiáng)化燃燒和組織火焰的有效措施，能提高火焰穩(wěn)定性和燃燒強(qiáng)度。第11頁，共47頁。影響燃燒過程中火焰長度的因素及研究方法氣體動力學(xué)因素煤氣的物理化學(xué)性質(zhì)燒嘴出口直徑燃燒空間的幾何特性空氣過剩系數(shù)通過實驗來確定不同條件下火焰長度的變化規(guī)律和半經(jīng)驗性計算公式第12頁，共47頁。第八章燃燒反應(yīng)速度和反應(yīng)機(jī)理第13頁，共47頁?；瘜W(xué)反應(yīng)速率化學(xué)反應(yīng)速

7、度（速率）單位時間內(nèi)反應(yīng)物（或生成物）濃度的變化由于參加反應(yīng)各物質(zhì)在達(dá)到平衡時，平衡系統(tǒng)中各組分之間存在一定的計量關(guān)系，因此，可以只研究某一種物質(zhì)的濃度隨時間的變化第14頁，共47頁。影響化學(xué)反應(yīng)速度的因素濃度溫度壓力第15頁，共47頁。濃度對化學(xué)反應(yīng)速度的影響符合質(zhì)量作用定律K反應(yīng)速度常數(shù)； n 反應(yīng)級數(shù) 分別表示A、B的濃度（mol/m3）所以：第16頁，共47頁。溫度對反應(yīng)速度的影響即速度常數(shù)K與溫度T之間的函數(shù)關(guān)系范特霍夫規(guī)則 ，該式表明溫度每升高10K反應(yīng)速度大約要變?yōu)樵瓉硭俣鹊?-4倍。阿倫尼烏斯定律阿倫尼烏斯認(rèn)為： 也就是式中：E阿倫尼烏斯活化能，通常稱為活化能。單位：Jmol-

8、1R通用氣體常數(shù)，8.314 J/(molK)K0常數(shù)，頻率因子第17頁，共47頁。隨著溫度的升高，反應(yīng)速度在一定范圍內(nèi)是急劇增加的。大約達(dá)到10000K后，反應(yīng)速度常數(shù)的增加趨勢才趨于緩慢而逐漸接近常數(shù)K。第18頁，共47頁。反應(yīng)速度可以表示為溫度和濃度的函數(shù)，即只適用于簡單反應(yīng)，對于復(fù)雜反應(yīng)，表達(dá)式將不同燃燒反應(yīng)屬于鏈鎖反應(yīng)，活性中間產(chǎn)物（活化中心）起著重要作用。燃燒反應(yīng)速度不僅與原始物質(zhì)濃度有關(guān)，而且與活化中心的濃度有關(guān)，其表達(dá)式要由實驗確定。第19頁，共47頁。壓力對反應(yīng)速度的影響對于工業(yè)爐燃燒過程而言，壓力對燃燒反應(yīng)速度的影響常予以忽略因為工業(yè)爐燃燒室中的壓力接近于常壓且變化范圍不大

9、第20頁，共47頁?？扇?xì)怏w的燃燒反應(yīng)機(jī)理燃燒反應(yīng)屬于鏈鎖反應(yīng)中的支鏈反應(yīng)在鏈鎖反應(yīng)中，參加反應(yīng)的中間活性產(chǎn)物或活性中心，一般是自由態(tài)原子或基團(tuán)。每一次活化作用能引起很多基本反應(yīng)，這類反應(yīng)很容易開始并繼續(xù)下去。支鏈反應(yīng)：參加反應(yīng)的一個活化中心可以產(chǎn)生兩個或更多的活化中心，其反應(yīng)速度是極快的，以致可以導(dǎo)致爆炸。氫的燃燒反應(yīng)機(jī)理一氧化碳的燃燒反應(yīng)機(jī)理甲烷的燃燒反應(yīng)機(jī)理第21頁，共47頁。氫的燃燒反應(yīng)機(jī)理典型的支鏈反應(yīng)，反應(yīng)過程如下鏈的產(chǎn)生鏈的繼續(xù)與支化器壁斷鏈空間斷鏈第22頁，共47頁。鏈的產(chǎn)生第23頁，共47頁。鏈的繼續(xù)與支化第24頁，共47頁。器壁斷鏈第25頁，共47頁?？臻g斷鏈第26頁，共4

10、7頁。主要的基本反應(yīng)是自由基和自由原子的反應(yīng)，而且?guī)缀趺恳粋€環(huán)節(jié)都發(fā)生鏈的支化反應(yīng)的循環(huán)進(jìn)行，引起H原子數(shù)的不斷增加一個氫原子產(chǎn)生三個氫原子，三個將產(chǎn)生九個，從而反應(yīng)速度越來越快。第27頁，共47頁。鏈鎖反應(yīng)的反應(yīng)速度隨時間的變化有一個重要的特點：初期有一個“感應(yīng)期”（i）第28頁，共47頁。在感應(yīng)期中，反應(yīng)的能量只要用來產(chǎn)生活化中心。由于感應(yīng)期中活化中心濃度小，觀察不到反應(yīng)在以一定速度進(jìn)行。超過感應(yīng)期，由于鏈的支化，反應(yīng)速度迅速增大，直至最大值。反應(yīng)在一定容器中，隨著反應(yīng)物質(zhì)的消耗，活化中心的濃度逐漸減小，反應(yīng)最終停止。第29頁，共47頁。對于燃燒反應(yīng)，熱效應(yīng)很大，若反應(yīng)體系熱損失較小，則體

11、系應(yīng)看作絕熱體系絕熱體系在反應(yīng)過程中不僅活化中心在積累，而且體系溫度逐漸升高，所以感應(yīng)期內(nèi)速度便開始增加超過感應(yīng)期，反應(yīng)速率急劇增加，并在一定容器內(nèi)隨著反應(yīng)物的耗盡活性中心逐漸減少，最終反應(yīng)停止。第30頁，共47頁。氫的反應(yīng)速度取決于鏈反應(yīng)中的鏈的繼續(xù)與支化:因 的活化能最大，故總體而言，反應(yīng)速度取決于 即 WKCHCO2考慮到溫度的影響，氫的反應(yīng)速度為由該式可見溫度對燃燒反應(yīng)速度的影響是極為顯著的第31頁，共47頁。一氧化碳的燃燒反應(yīng)機(jī)理一氧化碳的燃燒反應(yīng)也具有象氫那樣的支鏈反應(yīng)的特征，而且只有在H2O存在的情況下才有可能開始快速的燃燒反應(yīng)，反應(yīng)機(jī)理如下：鏈的產(chǎn)生鏈的繼續(xù)鏈的支化斷鏈第32頁

12、，共47頁。鏈的產(chǎn)生第33頁，共47頁。鏈的繼續(xù)鏈的支化第34頁，共47頁。斷鏈第35頁，共47頁。一氧化碳的反應(yīng)速率式中：mco,mo2為CO和O的相對濃度；PK0為與水含量成正比的系數(shù)一定的水的濃度有利于CO的燃燒反應(yīng)，但如果水分過多，會使燃燒溫度降低而減慢反應(yīng)速度第36頁，共47頁。甲烷的燃燒反應(yīng)機(jī)理各類碳?xì)浠衔镌谳^低溫度下即開始氧化，溫度區(qū)域不同，反應(yīng)機(jī)理也不同高溫下，碳?xì)浠衔锍搜趸磻?yīng)，因其不穩(wěn)定性還會發(fā)生分解和裂化反應(yīng)。碳?xì)浠衔锏难趸磻?yīng)機(jī)理屬于退化支鏈反應(yīng)，感應(yīng)期比較長，反應(yīng)速度也較支鏈反應(yīng)慢。第37頁，共47頁。甲烷的燃燒反應(yīng)機(jī)理甲烷在低溫下（900K以下）反應(yīng)機(jī)理鏈的

13、產(chǎn)生：鏈的繼續(xù)：退化分支：第38頁，共47頁。鏈的繼續(xù)：斷鏈：這組反應(yīng)機(jī)理的特點是生成產(chǎn)物甲醛，它又生成新的活化中心第39頁，共47頁。在高溫下，除了氧化物的鏈鎖反應(yīng)外，還伴隨著甲烷的分解?；痉磻?yīng)式包括甲烷的不完全燃燒反應(yīng)：甲醛的進(jìn)一步完全燃燒：甲烷的反應(yīng)速度和氧及甲烷的濃度有關(guān)，并和溫度及壓力有關(guān)根據(jù)實驗研究，甲烷氧化的最大反應(yīng)速度：式中：比例常數(shù)；p系統(tǒng)的總壓力；m、n、t實驗常數(shù)，其值與溫度有關(guān)。第40頁，共47頁。碳的結(jié)晶形態(tài)碳有兩種結(jié)晶形態(tài)：石墨（燃燒中認(rèn)為碳的結(jié)晶形態(tài)）、金剛石石墨碳的燃燒機(jī)理石墨炭的燃燒反應(yīng)屬于異相反應(yīng)，包括擴(kuò)散、吸附和化學(xué)反應(yīng)碳的化學(xué)反應(yīng)有三種反應(yīng)碳與氧反應(yīng)初

14、次反應(yīng)碳與CO2反應(yīng)：一氧化碳的氧化反應(yīng)：碳的燃燒機(jī)理第41頁，共47頁。碳與CO2的反應(yīng)及一氧化碳的氧化反應(yīng)為二次反應(yīng)分析生成CO和CO2是初次反應(yīng)還是二次反應(yīng)存在三種觀點認(rèn)為初次反應(yīng)生成物是CO2，而燃燒產(chǎn)物中的CO是由于CO2和C的還原反應(yīng)而生成的。初次生成物是CO，CO2是由于CO的氧化反應(yīng)而生成的。初次生成物同時有CO和CO2。多數(shù)學(xué)者傾向此見解。第42頁，共47頁。初次生成CO和CO2的原因吸附對燃燒過程的影響:氧對碳的吸附不僅在其表面，還溶解于石墨晶格內(nèi)，二者結(jié)合成一種結(jié)構(gòu)不定的質(zhì)點CxOy。在氧的撞擊下分解：或熱力分解：當(dāng)溫度低于1200-1300，分兩個階段進(jìn)行。首先，氧在石墨內(nèi)迅速溶解：然后，溶液在氧分子撞擊下緩慢分解：第43頁，共47頁?？偡磻?yīng)式為：所以低溫下炭的燃燒反應(yīng)速率方程為E1為活化能：84126kJ/mol高溫下的：其中：E2活化能：290-370kJ/mol第44頁，共47頁。燃燒過程中氧化氮的生成機(jī)理NOX的主要成分：N2O、NO、NO2、N2O3、NO3、N2O4、N2O5等，主要是NO和N2O。NOX的生成機(jī)理在O2N2NO系統(tǒng)中存在下列反應(yīng)：它的機(jī)理設(shè)想