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工程燃烧学 2010 主讲 陈良勇 能源学院 Email lych059032 TechnologyisoneoftheGovernment stoolstoensureasustainable secure andaffordableenergyfuture 第一讲绪论 燃烧概念与燃烧现象 燃烧的分类 燃烧科学与技术的发展 燃烧科学与技术的重要性 燃烧科学与技术的研究方法 燃烧科学与技术的发展方向 我国燃烧研究的重要机构 本课程内容和学习目标 什么是燃烧 燃烧概念 1 有强烈放热和发光的氧化反应过程 火焰 放热燃烧现象是流动 传热 传质和化学反应同时发生又相互作用的复杂物理化学现象 燃烧广义概念 固液气燃料氧化 煤 非金属的碳 硅 硼 金属如钨钼钛锆 钾钠钙镁 固体推进剂 石油产品和液态烃 天然气和气态烃 类氧化 氮化 氯化分解 联氨分解为氮和氢代替反应 钠加水成为氢和氧化钠的反应 有放热和发光的化学反应过程 燃烧的分类 1 1 化学反应传播的特性和方式分 缓燃 普通燃烧 deflagration combustion特点 产生的能量通过热传导 热扩散及热辐射作用传入未燃混合物 逐层加热 逐层燃烧 强烈热分解特点 化学反应在整个物质内部展开 反应速度与环境温度有关 爆震detonation特点 冲击波对可爆震混合物一层层强烈冲击压缩作用使其发生高速化学反应 燃烧的分类 2 有火焰举例 航空发动机 燃气轮机 无火焰特点 容积释热举例 CLC 2 是否有火焰 燃烧的分类 3 3 燃料和氧化剂是否预先混合 预混燃烧 非预混 扩散燃烧 层流预混火焰湍流预混火焰 层流非预混火焰湍流非预混火焰 预混 非预混复合火焰 基于流动 扩散燃烧 预混燃烧 预混 非预混复合火焰 中心给粉旋流煤粉燃烧器 燃烧的分类 4 气体燃料燃烧 燃烧相对简单 液体燃料燃烧 存在燃料雾化 蒸发 混合和燃烧 固体燃料燃烧 以煤为例 燃烧过程由预热 干燥 挥发分析出和焦碳生成 挥发分燃烧与焦碳燃烧等一系列阶段构成 是复杂的多相燃烧 4 按燃料相态 燃烧科学与技术的发展 1 技术的发展 我国传说 燧人氏钻木取火希腊传说 普罗米休斯把火带给人间 至少50万年前人类学会用火 恩格斯 火 使人类脱离野蛮进入文明 庄子 木与木相摩则燃 战国齐国田单 火牛阵晋代张华 博物志 四川用天然气煮盐火药和火箭 我国首先发明 至少在宋代 燃烧技术的三次大发展 蒸汽机和内燃机 产业革命 航空航天技术 二次世界大战 能源危机 70年代末 燃烧科学与技术的发展 1 近代技术的发展 燃烧的强化 高能 高压 高温 高速燃烧 节能 高效率 低品位燃料燃烧 环保 低污染 低NOx SOx CO2 粉尘 噪音 有毒气体 燃烧 火灾防治 森林 建筑和仓库火灾 矿井防爆 几种近代燃烧技术 氢氧燃烧 超音燃烧 高推重比燃烧 旋流 风 燃烧 流化床燃烧 磁控燃烧 脉动燃烧 催化燃烧 自蔓延燃烧 燃烧科学与技术的发展 2 理论的发展 燃素论 十七世纪末叶斯嗒尔 G E Stahl 提出 一切物质之所以能够燃烧 都是由于其中含有着被称为燃素的物质 被证明完全错误 燃素的本质是什么 为什么物质燃烧重量反而增加 为什么燃烧使空气体积减少 注意观察和理论总结的研究方法 却为后代科学家提供一个范例 也正是这种精神 使后来正确的燃烧学说得到很快的发现 燃烧科学与技术的发展 2 理论的发展 氧化论 Lavosier Lomonosov 1756 1771 1772年 法国科学家拉瓦锡发表了关于燃烧的第一篇论文 其要点是燃烧引起重量的增加 这种 重量的增加 是由于可燃物同空气中的一部分物质化合的结果 1774年 普利斯特列发现了氧 由俄国科学家罗蒙诺索夫和法国的拉瓦锡提出了可燃物质氧化的学说 才真正揭开了燃烧的秘密 A L Lavosier 燃烧科学与技术的发展 2 理论的发展 燃烧热力学 Kirshoff Hess 19世纪 19世纪 由于热力学和热化学的发展 燃烧过程开始被作为热力学平衡体系来研究 阐明了燃烧过程中一些最重要的平衡热力学特性 如燃烧反应的热效应 燃烧产物平衡组成 绝热燃烧温度 着火温度等 燃烧科学与技术的发展 2 理论的发展 20世纪的30年代 美国化学家刘易斯 B Lewis 和俄国化学家谢苗诺夫等人将化学动力学的机理引入燃烧的研究 并确认燃烧的化学反应动力学是影响燃烧速率的重要因素 且发现燃烧反应具有链锁反应的特点 燃烧理论的基础 燃烧反应动力学 Simonov Lewis 20世纪初 燃烧科学与技术的发展 2 理论的发展 在30年代和50年代之间 人们开始认识到影响和控制燃烧过程的因素不仅仅是化学反应动力学因素 还有气体流动 传热 传质等物理因素 燃烧则是这些因素的综合作用的结果 从而建立了着火 火焰传播 湍流燃烧的规律 燃烧学 Zeldovich Frank Kamenetsky Spalding Predvoditelev Khitrin 20世纪30到50年代 Williams 燃烧科学与技术的发展 2 理论的发展 美国力学家冯 卡门 Vol Karman 和我国力学家钱学森首先倡议用连续介质力学来研究燃烧基本过程 并逐渐建立了所谓的 反应流体力学 化学 反应 流体力学 VonKarmen 钱学森 20世纪60年代 Williams Karman涡街湍流的力学相似原理 TheodorevonKarman 1881 1963 燃烧科学与技术的发展 2 理论的发展 燃烧的计算流体力学 Spalding Gosman Smoot Swithenbank 斯波尔丁 D B Spalding 在六十年代后期首先得到了层流边界层燃烧过程控制微分方程的数值解 并成功地接受了实验的检验 遇到了湍流问题的困难 斯波尔丁和哈洛 继承普朗特 雷诺和周培源的工作 将 湍流模型方法 引入了燃烧学的研究 提出了湍流燃烧模型 80年代 英 美 俄 日 德 中 法 计算燃烧学 燃烧学的研究进入从定性到定量 从宏观到微观的新阶段 燃烧科学与技术的发展 2 理论的发展 燃烧科学与技术的发展 2 理论的发展 燃烧科学与技术的重要性 1 人类的物质文明史与燃烧技术的发展不可分割 火的历史也就是人类社会进步的历史 Engles 是火和燃烧的应用促进了人类和世界走向文明 燃烧科学与技术的重要性 2 health pollution climate energy fuels space defense safety 燃烧科学与技术的重要性 3 大约85 的世界能量供应都是由燃烧生成的 地位非常重要 无处不在 各行各业 电力 动力 冶金 建材 化工 交通 乃至日常生活均离不开能源 任何生产过程不投入必要的能源 都无法进行 所以它是国民经济的 基础 龙头 在今后一个相当长的时间里 燃料燃烧仍然是动力生产的主要来源 燃烧科学与技术的重要性 4 燃料燃烧主要温室气体来源 GlacierNationalPark Montana 1911 2000 燃烧科学与技术的发展方向 TechnologyisoneoftheGovernment stoolstoensureasustainable secure andaffordableenergyfuture 走向何方环境动力洁净燃料 能源领域燃烧技术发展重点 燃料电池 能源领域燃烧技术发展重点 燃煤CO2减排 CLC 富氧燃烧 能源领域燃烧技术发展重点 煤气化 液化 能源领域燃烧技术发展重点 生物柴油 能源领域燃烧技术发展重点 超临界 超超临界电厂 上海外高桥电厂2 900MWe超临界和2 1000MWe超超临界机组 山东邹县电厂2 600MWe超临界机组和2 1000MWe超超临界机组 中国第一套国产化超超临界2 1000MWe华能玉环电厂于2006年投入运行 中国第一套国产化超超临界2 1000MWe华能玉环电厂于2006年投入运行 燃烧科学与技术的研究方法 燃烧科学正在从一门传统的经验科学成为涉及热力学 流体力学 化学动力学 传热传质学 物理学的以数学为基础的综合理论体系 研究仍以实验研究为主 理论和数学模型的方法正变得越来越重要 理论方面的研究 以燃烧过程涉及的基本过程为对象 计算技术的发展提供了一套在一般条件下用数值方法求出各种理论数学模型的解 通过把该解与相应的实验研究结果对比 检验 发展和优化的理论模型 从而深入认识现有燃烧过程 预示新的燃烧现象 进一步揭示燃烧规律 我国燃烧研究的重要机构 中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验