燃燒原理與設(shè)備課件-緒論

緒論燃燒學(xué)在熱能工程學(xué)科中的位置——專業(yè)骨干課燃燒理論與技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位——小康生活的保證燃燒對(duì)人類發(fā)展起的作用課堂提問：談?wù)剬?duì)熱能工程的認(rèn)識(shí)？燃燒的定義：是通過燃料和氧化劑在一定條件下，所進(jìn)行的具有發(fā)光和發(fā)熱特點(diǎn)的劇烈的氧化反應(yīng)。燃燒學(xué)的定義：是研究燃燒過程基本規(guī)律及其應(yīng)用技術(shù)的科學(xué)。它包括兩方面的內(nèi)容：燃燒理論和燃燒技術(shù)。燃燒理論著重研究燃燒過程所包含的各個(gè)基本現(xiàn)象，主要運(yùn)用化學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)和流體力學(xué)的有關(guān)理論，對(duì)基本現(xiàn)象的物理化學(xué)本質(zhì)進(jìn)行闡述。熱能領(lǐng)域主要研究燃料的燃燒速度、燃燒穩(wěn)定性、火焰的流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)、燃燒污染物生成機(jī)理和燃燒過程的數(shù)學(xué)模型的建立等等。燃燒技術(shù)主要是把燃燒理論中所闡述的物理概念和基本規(guī)律與世紀(jì)工程中的燃燒問題聯(lián)系起來，對(duì)現(xiàn)有的燃燒方法進(jìn)行分析和改進(jìn)，探討新的研究方法，提高燃料利用率和燃燒設(shè)備的水平。燃燒理論的發(fā)展十八世紀(jì)中葉以前：中國(guó)有五行說。西方有燃素說。1756年俄國(guó)科學(xué)家羅蒙諾索夫，1777年法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫，他們根據(jù)試驗(yàn)提出了可燃物質(zhì)氧化的學(xué)說，才真正揭開了火之謎。十九世紀(jì)由于化學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展，人們開始把燃燒過程作為熱力學(xué)平衡體系來研究，得到燃燒過程的一些重要靜態(tài)特性參數(shù)：燃燒反應(yīng)熱、燃燒溫度、燃燒產(chǎn)物組成等。但形而上學(xué)地把某些特性看成孤立不變的參數(shù)，把熱力學(xué)的特點(diǎn)看成是燃燒現(xiàn)象的唯一特點(diǎn)。二十世紀(jì)初美國(guó)化學(xué)家劉易斯和蘇聯(lián)化學(xué)家謝苗諾夫等人研究了燃燒的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，認(rèn)為燃燒的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是影響燃燒速率的重要因素，并發(fā)現(xiàn)燃燒反應(yīng)具有鏈鎖反應(yīng)的特點(diǎn)，這才初步奠定了燃燒理論的基礎(chǔ)。人們逐漸認(rèn)識(shí)到控制燃燒過程不僅僅是化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素，而且還有傳熱、傳質(zhì)和氣體流動(dòng)等物理因素綜合作用的結(jié)果。二十世紀(jì)五十年代后期美國(guó)力學(xué)家馮·卡門和我國(guó)科學(xué)家錢學(xué)森首先倡議用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法來研究燃燒基本現(xiàn)象，建立了“化學(xué)流體力學(xué)”。許多學(xué)者根據(jù)這一方法來研究燃燒問題，如層流燃燒、湍流燃燒、火焰穩(wěn)定等，取得了廣泛的研究成果。二十世紀(jì)七十年代，以英國(guó)科學(xué)家斯波爾丁(spalding)為首的學(xué)派比較系統(tǒng)地把計(jì)算流體力學(xué)的方法用于有燃燒現(xiàn)象的邊界層流動(dòng)、回流流動(dòng)和旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，建立了“計(jì)算燃燒學(xué)”。能很好地定量預(yù)測(cè)燃燒過程和燃燒設(shè)備性能，使燃燒理論及其應(yīng)用達(dá)到了新的高度。同時(shí)燃燒測(cè)試技術(shù)的發(fā)展改進(jìn)了試驗(yàn)方法和測(cè)試精度，使人們有可能更深入、更全面和更精確地研究和掌握燃燒機(jī)理。課程特點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法特點(diǎn)：古老又年輕，發(fā)展不完善，理論多，綜合性強(qiáng)，難度大，公式多，概念多，應(yīng)用性強(qiáng)。方法：注意總結(jié)歸納，筆記，注重概念的理解。推薦參考書《工程燃燒學(xué)》張松壽《燃燒理論》F.A.威廉斯《實(shí)用燃燒技術(shù)》趙易成《燃料與燃燒》常弘哲《有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)》第一篇燃料燃料的定義：是在空氣中容易燃燒，并能夠比較經(jīng)濟(jì)地利用其燃燒熱的物質(zhì)的總稱。燃料的供給應(yīng)該比較容易，價(jià)格低廉，儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用等即便利又安全。按其狀態(tài)可分為：氣體燃料、液體燃料和固體燃料。課堂提問：列舉家鄉(xiāng)所用燃料？第一章固體燃料天然的固體燃料有各種煤、油頁(yè)巖、木材和各種植物的莖葉等。人造固體燃料主要是煤和木材經(jīng)加工后制得的焦碳和木炭。工業(yè)應(yīng)用中主要是煤和焦碳第一節(jié)煤的種類及其化學(xué)組成煤的種類

1、根據(jù)古代植物埋藏于地下的年代和碳化程度劃分為：泥煤，褐煤，煙煤和無(wú)煙煤四大類。

2、動(dòng)力用煤根據(jù)煤的揮發(fā)分高低，并參考其水分與灰分含量，把煤分為石煤，褐煤，煙煤（包括貧煤和劣質(zhì)煙煤）和無(wú)煙煤四大類，將無(wú)煙煤、煙煤和石煤各再分為三類。

3、冶金工業(yè)根據(jù)煤的結(jié)焦性強(qiáng)弱和揮發(fā)分高低進(jìn)行分類，對(duì)煙煤進(jìn)一步分類為：長(zhǎng)焰煤、氣煤、弱還原煤、半煉焦煤、焦煤、肥煤、瘦煤和貧煤等化學(xué)組成煤是極其復(fù)雜的化合物，主要有C、H、O、N、S五種可燃元素構(gòu)成煤的可燃基，此外煤中含有不可燃成分——灰分(A)和水分(W)。C

主要的可燃元素H

主要的可燃元素，有益O

有害元素N

惰性元素，有害、污染S

可燃元素，污染，三種形態(tài)有機(jī)硫、黃鐵礦硫和硫酸鹽硫A

有害成分，①直接關(guān)系到焦碳的灰分從而影響冶煉的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。②降低煤的發(fā)熱量。③灰分結(jié)渣，容易造成不完全燃燒，給設(shè)備的維護(hù)和操作帶來困難。W

有害成分，包括外部水分和內(nèi)部水分成分表示方法及其換算應(yīng)用成分：C、H、O、N、S、A和W在包括全部七種組分在內(nèi)的煤的的應(yīng)用基中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)稱為~。即C用%+H用%+O用%+N用%+S用%+A用%+W用%=100%

或Cy%+Hy%+Oy%+Ny%+Sy%+Ay%+Wy%=100%干燥成分：考慮到燃料中的水分波動(dòng)而不能反映燃料的固有本質(zhì)，常以不含水分的干燥基中的各組成的百分含量來表示燃料的成分稱為干燥成分。即C干%+H干%+O干%+N干%+S干%+A干%=100%

或Cg%+Hg%+Og%+Ng%+Sg%+Ag%=100%可燃成分：對(duì)燃燒來說可燃成分更能說明煤的組成特點(diǎn)。只用C、H、O、N、S五種元素在可燃基中的百分含量來表示的燃料成分稱為可燃成分。即C燃%+H燃%+O燃%+N燃%+S燃%=100%或Cr%+Hr%+Or%+Nr%+Sr%=100%例題1試將下列煤的成分換算成應(yīng)用成分：CrHrOrNrSrAgWy72.05.020.02.01.012.520.0解：將干燥成分轉(zhuǎn)換為應(yīng)用成分①Cg%+Hg%+Og%+Ng%+Sg%+Ag%=100%②Cy%+Hy%+Oy%+Ny%+Sy%+Ay%+Wy%=100%Cy%+Hy%+Oy%+Ny%+Sy%+Ay%=100%－Wy%(Cy%+Hy%+Oy%+Ny%+Sy%+Ay%)=100%和①式比較得：Rg=Ry

或Ry=Rg同理得：Rr=Ry

或Ry=Rr下面轉(zhuǎn)換為應(yīng)用成分Ay=Ag=12.5(100-20.0)/100=10.0Hy=Hg=5.0(100-20.0-10.0)/100=3.5Oy=14.0Ny=1.4Sy=0.7Cy=50.4Cy%+Hy%+Oy%+Ny%+Sy%+Ay%+Wy%=100%計(jì)算正確。第二節(jié)煤的使用性能煤的工業(yè)分析煤在隔絕空氣的條件下發(fā)生一系列的變化。見p8試驗(yàn)方法見GB/T212煤樣的采取見GB/T473得到成分的煤的工業(yè)分析成分，即：F%+V%+A%+W%=100%煤的工業(yè)分析成分與元素分析成分的關(guān)系可燃成分灰分水分CHONSrSlyAWnWw固定碳揮發(fā)分灰分水分煤的發(fā)熱量calorificvalue——重要指標(biāo)1kg煤完全燃燒后所放出的燃燒熱叫做煤的發(fā)熱量，單位kJ·kg-1。有兩種表示方法：高發(fā)熱量Q高和低發(fā)熱量Q低。gross/highcalorificvaluenet/lowercalorificvalue高發(fā)熱量Q高:燃料完全燃燒后燃燒產(chǎn)物冷卻到使其中的水蒸氣凝結(jié)成0℃的水時(shí)所放出的熱量。低發(fā)熱量Q低:燃料完全燃燒后燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣冷卻到20℃時(shí)放出的熱量。測(cè)定方法見GB/T213，也可通過成分計(jì)算得出見p9。其中門捷列夫公式重要。門捷列夫公式Q高=4.187[81C+300H+26(S－O)]kJ·kg-1Q低=4.187[81C+246H+26(S－O)－6W]kJ·kg-1Q低=Q高－25.12(9H+W)1、如何記憶2、何種成分練習(xí)1試計(jì)算下列成分煤的應(yīng)用基高、低發(fā)熱量：CrHrOrNrSrAgWy72.05.020.02.01.012.520.0Q高用（QGWy）=20041.4942kJ·kg-1Q低用（QDWy）=18747.7112kJ·kg-1Q高用（QGWy）=20041.5kJ·kg-1Q低用（QDWy）=18747.7kJ·kg-1例題2已知煤的QDWr，Ay，Wy求QDWy解：QDWr=QGWr－25.12×9HrQDWy=QGWy－25.12×9Hy－25.12WyQGWr=4.187[81Cr+300Hr+26(Sr－Or)]QGWy=4.187[81Cy+300Hy+26(Sy－Oy)]令m=得：QGWy=mQGWr故：QDWy=mQGWr－25.12×9Hy－25.12Wy=mQDWr＋m×25.12×9Hr

－25.12×9Hy－25.12Wy=mQDWr＋25.12×9Hy

－25.12×9Hy－25.12Wy=mQDWr－25.12Wy比熱0.84~1.67kJ·kg-1·K-1導(dǎo)熱系數(shù)0.232~0.348W·m-1·K-1黏結(jié)性和結(jié)焦性反應(yīng)性和可燃性耐熱性標(biāo)準(zhǔn)煤equivalentofcoal第二章液體燃料液體燃料包括天然液體燃料和人造液體燃料，天然液體燃料指石油及其加工產(chǎn)品，人造液體燃料指從煤中提煉出的各種燃料油。第一節(jié)石油的加工及其產(chǎn)品原油分餾法常壓分餾石油氣、汽油（航空汽油、汽車汽油）、揮發(fā)油、煤油、柴油減壓分餾粗柴油、輕質(zhì)潤(rùn)滑油裂解法第二節(jié)重油重油分類20、60、100和200號(hào)重油四種牌號(hào)重油的化學(xué)組成和使用性能元素成分C、H、O、N、S、A、W閃點(diǎn)、燃點(diǎn)、著火點(diǎn)黏度（運(yùn)動(dòng)黏度、恩氏黏度）密度0.92~0.98t·m-3比熱1.30~1.70kJ·kg-1·K-1發(fā)熱量39900~42000kJ·kg-1第三章氣體燃料天然的氣體燃料有天然氣和石油氣，人造氣體燃料有發(fā)生爐煤氣、高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣等。氣體燃料是一種非常理想的燃料，具有許多優(yōu)點(diǎn)：①燃燒簡(jiǎn)便，容易完全燃燒；②調(diào)節(jié)控制方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；③燃燒后無(wú)固體灰渣，清潔方便；④對(duì)設(shè)備磨損小，可以長(zhǎng)距離管道輸送；⑤容易凈化，以減少環(huán)境污染；⑥可以高溫預(yù)熱，提高燃燒溫度，節(jié)約燃料；⑦只要避開爆炸范圍，可任意調(diào)節(jié)熱負(fù)荷，控制爐內(nèi)氣氛和壓力。第一節(jié)氣體燃料成分的表示方法與發(fā)熱量計(jì)算氣體燃料成分氣體燃料都是單一氣體混合而成，其組成化學(xué)分析較方便，一般氣體燃料的化學(xué)組成是用所含各種單一氣體的體積百分?jǐn)?shù)表示。包括水蒸汽在內(nèi)，稱為濕成分，即：CO濕+H2濕+CH4濕+……+CO2濕+N2濕+O2濕+H2O濕=100

不包括水蒸汽在內(nèi)，稱為干成分，即：CO干+H2干+CH4干+……+CO2干+N2干+O2干=100其中H2O濕的物理意義是100m3濕氣體中水蒸汽的體積數(shù)。可直接查表得出，也可查到1m3干氣體所吸收的水蒸汽的重量gH2O干（克/每立方米干氣體）再換算：氣體燃料的發(fā)熱量根據(jù)化學(xué)成分計(jì)算p20主要?dú)怏w燃料①高爐煤氣②焦?fàn)t煤氣③天然氣④轉(zhuǎn)爐煤氣練習(xí)21、已知山西陽(yáng)泉煤成分：下雨使煤含水量增大至Wy=15.0，計(jì)算此時(shí)的應(yīng)用成分。CrHrOrNrSrAgWy91.73.82.21.31.026.05.0CyHyOyNySyAyWy57.72.41.40.80.622.115.02、工廠儲(chǔ)存有Wy=12.4，QDWy=20000kJ/kg煤100t，存放時(shí)間長(zhǎng)，含水量降低為Wy=7.0，試問煤的質(zhì)量變?yōu)槎嗌?，QDWy變?yōu)槎嗌伲?/p>