燃烧学第01章_绪论

1 燃烧学第1章绪论 中国科学技术大学热科学和能源工程系2005年2月 2 1 1燃烧与火焰燃烧 燃料与氧化剂两种组分在空间激烈地发生放热化学反应的过程 它伴有发热 发光过程 即所谓火的现象反应物燃料 被氧化剂氧化的物质 如煤炭 石油 天然气 木材 化工产品等氧化剂 含有活泼氧原子 或类似于氧原子的组分 常指空气中的氧可燃混合气 能够进行燃烧的燃料和氧化剂的气态混合物燃烧产物 化学反应所生成的物质化学反应 一般是氧化反应放热过程是燃烧的必要条件之一 例如磷火 荧光等不是燃烧激烈地放热反应 激烈地放热也是必要条件 例如焰前的冷焰与热焰过程也不是燃烧注意的是 燃烧强调的是过程 3 火焰 气相状态下发生的燃烧的外部表现火焰的三个特征 发热 发光特征 热和辐射的现象热辐射 H2O CO2 碳氢化合物等化学性能稳定的燃烧产物的光谱带 波长0 75 m 0 1mm之间 在红外区最强化学发光辐射 CH OH CC等处于电子激发态的各种自由基组分 是由化学反应产生的光辐射 不连续光谱带 在反应瞬时产生炽热固态烟粒和碳粒辐射连续光谱 能够使火焰辐射增强燃烧气体 液体或固体燃料的炉膛中 完全燃烧产物的辐射主要来自H2O CO2 烟粒和飞灰颗粒电离特征碳氢化合物燃料和空气的燃烧火焰中 特别是层流火焰中的气体具有较高的电离度 在电场中火焰发生变形 弯曲 着火 熄火条件发生变化自传播特征火焰一旦产生 就不断向周围传播 直到反应系统燃料耗尽火灾是火焰自传播的例子 没有自传播特性 就没有火灾发生注意 火焰强调的是外部表现 4 1 2现代燃烧学的发展17世纪末 德国的斯嗒尔 G E Stahl 燃素论 努力使燃烧成为一门科学1772年 法国拉瓦锡在论文中提出许多物质 金属铝 铁 锡 硫 磷等 燃烧后重量增加1774 普利斯特列 发现氧接着拉瓦锡很快证明这种物质在空气中含有20 确立了燃烧的氧化学说 揭开了燃烧的本质19世纪热力学成为认识燃烧现象的唯一基础20世纪30年代 美国化学家刘易斯 俄国化学家谢苗诺夫将化学动力学机理引入燃烧研究发现燃烧反应具有链锁反应的特点化学反应动力学是影响燃烧速率的重要因素 燧人氏钻木取火 无法考证 把人和动物分开 摩擦生火普罗米修斯 古希腊神话 为拯救人类从天上偷来火种 5 20世纪50年代 认识到 控制燃烧过程的因素不仅是化学动力学因素 还有流动 传热 传质等物理因素燃烧过程是这些因素综合作用的结果建立了着火 火焰传播 湍流燃烧的理论20世纪50 60年代 冯卡门 钱学森 用连续介质力学来研究燃烧现象20世纪60年代后期 D B Spalding 首次得到层流边界层燃烧过程控制微分方程的数值解在普朗特 雷诺 周培源等人工作基础上 将湍流模型引入燃烧学的研究 提出一系列湍流输运模型和湍流燃烧模型对一大批燃烧现象和实际燃烧过程进行了数值求解20世纪80年代 美 英 俄 日 德 中 法等国 形成了 计算燃烧学 学科 能够定量预测燃烧过程 6 1 3燃烧的应用用火是促进人类文明发展的重要因素之一人类文明程度随着可控燃烧强度的提高而提高人类最早使用火有140 150万年的历史 考古学的证据 周口店北京人的证据 至少有50万年新石器时代 制造陶器 10000年前青铜器时代 公元前2000年使用煤炭 公元前200年铁器时代 公元300年利用石油 1800年以前火药发明 1000年前燃烧学在现代工业 国防 生产 生活中的应用 人类文明的发展 7 1 能量和动力装置替代能源 主要包括 核能 太阳能 风能 水 地热 海洋能等优点 他们是无污染 洁净的能源存在的主要问题 在安全 能量密度 易获取性等方面存在不足燃烧燃料获取热能和动力的优势 优势 高效 经济 能量密度大通过燃烧矿物燃料获取化学能 在世界能源消费份额中 在一个相当长的历史时期 将仍然占有较大的比重 8 燃烧燃料主要用来获取热能和动力动力装置的操作和设计与燃烧密切相关家庭加热工业锅炉发动机透平火箭发动机 9 汽车石油的主要消费者也是污染的主要制造者70年代开始 要求汽车发动机的燃烧高效 目前能源利用不到10 洁净 汽油机HC CO排放太高柴油机可以部分解决问题 柴油机 10 柴油机相同的压缩比 汽油机效率高于柴油机柴油机压缩比远远大于汽油机 因此柴油机效率更高对燃料的要求较汽油机宽在炼油阶段就比汽油机更节省能源可以利用非传统燃料或劣质燃料酒精 煤 油浆 重油 柴油机存在的问题 需从燃烧角度解决噪音 SOOT 烟粒排放 11 现代发动机燃烧发展趋势最近发动机研究强调 贫燃料混合气分层燃烧高压缩比直接喷射火花辅助点火贫燃混合气 可以减少大部分污染物NOX的形成提高压缩比 增加燃烧效率分层燃烧 通过预混可燃气分层 相对浓处点火 再将火焰传播到过稀部分处直接喷射 控制燃料蒸发与分层火花辅助点火 控制着火时刻 当量比小于1最小点火能增加 12 2 燃料燃料是燃烧的三要素之一发动机和加热装置对燃料的兼容性很重要汽油 挥发性好防暴性能好 辛烷值辛烷值 异辛烷 正庚烷燃料中 异辛烷的含量百分数柴油 着火性能好 16烷值16烷值 正16烷和 甲基奈混合燃料中 正16烷的含量百分数家用煤气很窄的组分范围 防止回火和吹脱 13 能源危机 燃料危机人类利用能源的历史 18世纪以前 木材占据首位 19世纪下半叶 煤炭取代木材成为主要能源 1965年 石油首次取代煤炭在世界能源消费结构中占据首位 开始了 石油时代 2050年 煤炭可能取代石油再次成为主要的一次能源2150年 生物质可能取代煤炭再次成为主要一次能源生物质能源取代化石燃料 不是简单的重复 是对生物质能源更高效 洁净的应用 将对燃烧提出新的要求 14 我们国家能源结构以煤炭为主煤炭在总能源份额中占70 以上 以后在一个相当长的时期内仍然如此燃烧煤炭的方法 煤 油浆 70 煤粉 30 油的混合物可在柴油机中燃烧仍然有许多问题需要解决水煤浆 40 50微米煤粉 同水混合可以通过喷射方式在锅炉中燃烧优点 破碎与混合都是物理过程 能耗小可通过管道运输可直接在传统燃烧设备上使用 15 燃烧煤炭的方法流化床与空气充分接触 燃烧速率大加入石灰石中和SOX通过流动速度控制NOX煤的液化液化煤燃料的特点 高沸点 宽的沸点范围 高的N O 灰分含量液化煤燃烧 SOOT NOX排放较石油高 16 其他代用燃料和混合燃料甲醇 乙醇可以从天然气和煤合成热值小用于汽油机时压升率高SOOT NOX排放小生物质液化燃料许多问题仍然没有搞清楚混合燃料10 乙醇 90 汽油替代汽油 已经进入市场 丰源玉米项目 甲醇和汽油 或柴油 混合物也可以取代汽油 或柴油 在实验室内模拟自然界石油 天然气的形成过程 是我们学校朱清石校长的实验室正在进行的工作 17 3 污染和健康主要污染物 Soot 燃烧煤炭时最严重的污染物之一碳粒的结合物黑烟 致癌物质SOX 主要是燃烧煤炭形成的 我国煤炭多为高硫煤 一般含硫量在1 3 SOX遇大气中的水形成硫酸 随降雨形成酸雨危害水生物 腐蚀土壤 使植物枯死 土壤酸化 18 NOXNOX源于大气中的N2和燃料中的N原子NOX的形成方式 热力NOX 高温使空气中的N2链断开快速NOX 空气中的N2同燃烧的中间产物作用 使N2链断开 再与O2结合 形成NOX燃料NOX 与温度无关 主要是燃料中N原子 主要是由煤生成的燃料含N原子较多 燃烧过程中与O2结合形成NOXNOX与未燃烧的碳氢 UHC 和臭氧在阳光的作用下可以形成光化学烟雾 19 室内污染主要设备 加热装置 壁炉 火炉 家用锅炉 炉子 炉灶 煤气灶 煤油加热器 专用加热装置 污染物 CO NOX UHC浓度积累到一定程度 就会危害人类健康 20 焚烧Incineration城市废弃物MunicipalWaste军用武器 化学武器化学废物医疗垃圾电池焚烧 仍然是一个难题特点 有毒的中间产物和最终产物是不确定的卤素元素可能会阻止 抑制 燃烧 21 全球变暖问题 温室气体温室效应 塑料大棚 养花的玻璃房子太阳短波辐射可透过含有CO2等温室气体的大气地表红外长波辐射被CO2等温室气体拦截工业革命前全球CO2浓度180ppm预计2050年全球CO2浓度将达350 360ppm 是工业革命前的两倍所谓双倍CO2效应 可以使全球气温升高3 5度结果 气温持续升高 细菌繁殖环境变化 SARS 禽流感 病毒变异极地冰山消融 海平面上升 岛国淹没 22 CO2平衡产生 人类 动物排放 植物腐烂 100亿吨 年燃烧化石燃料约 100亿吨 年消耗 森林等植物光合作用 海洋吸收 100亿吨 年CO2的平衡 留在大气中的CO2约100亿吨 年使得空气中的CO2浓度增加1 2ppm 年 23 CO2的控制燃烧H2从哪里获得H2 制取成本高 储存困难燃烧CH4甲烷C与H之比为1 4 石油几乎为1 2 燃烧甲烷在获取同样能量时 可以大大减少CO2排放 30 使用天然气水合物在海洋中有大量的储量代用能源 核能 核聚变也许能够彻底解决问题地球上每年所产生的全部生物质能可满足人类需求 京都议定书 生效 24 京都议定书 1998年在日本京都召开的 联合国气候变化框架公约 缔约国大会上 通过的 京都宣言 中 欧共体 美国 日本等发达国家均承诺 到2010年左右的温室气体限控指标 其中欧共体 美国 日本到2008 2012年的排放量 分别比1990年减少8 7 和6 发达国家 包括东欧 整体上将减少5 2 从而使全球减缓温室气体排放的目标迈出了实质性的一步 京都宣言 表明 在人类对于气候变化问题的认识逐步加深的情况下 发达国家不得不率先承担减排义务 但是 会议其间我国和其他一些发展中国家也承受了比以前更大的压力 25 除了发达国家国家利用国际环境问题向我国施加政治压力之外 我国CO2排放的基本国情也是我国不能不充分认识到的 首先 我国CO2排放的总量占全世界CO2排放量的比重已经比较高 并呈明显的增长趋势 根据中国国家研究报告的估计 我国1990年的CO2排放量约为560Mt c 占全球人类活动引起的CO2排放量的10 居全世界的第二位 如图1所示 根据我国 九五 计划和2010年规划 国民经济仍将保持高速增长的势头 到2010年我国GDP按不变价格计将达1990年的5倍 即使采取比80年代更大的节能力度 能源消费弹性低于0 5 到2010年的一次能源消费总量 也要超过20亿吨标煤 根据我们的估计 到2010年 我国CO2排放量将达1300Mt c左右 为1990年CO2排放量的2 3倍 在2010 2020年期间我国CO2排放量将可能超过美国1990年的CO2排放量 成为世界上第 个CO2排放大国 26 图2人均CO2排放的国家对比 在全球气候变化方面 我国在很早就面临明显的压力 1998年京都会议之后 这种压力更加明显化 也更加强大 图1世界上1990年CO2排放量的国家构成 图2人均CO2排放的国家对比 kg C 人 27 另一方面 1990年西欧 美国 日本的CO2排放量分别为1306 883和272Mt C 按其减排承诺 2010年与1990年相比 其减排量分别为53 0Mt C 91 4Mt C和16 3Mt C 总计160 7Mt C 而中国2010年将比1990年增加740Mt C 中国增加的排放量将是上述三者减排量的4 6倍 也就是说 其减排的效果将为我国的增长所湮没 随着我国经济实力的增长 发达国家要求中国控制排放和承担减排温室气体义务的呼声和压力 将使我国面临越来越严峻的局面 28 其次 如果按照世界的平均水平来估计 我国CO2排放的增长余地也已经不大 在CO2排放限额指标问题上 我国坚持人均的原则 我国1990年人均CO2排放量为504kg C 大约为世界平均水平的一半 美国的l 10 日本的1 4 如图2所示 到20l0年我国的人均CO2排放将接近l000kg c 人 虽然仍大大低于发达国家 但己和届时的世界平均水平接近 因此 即使按人均原则进行碳排放权分配 我国届时的增长余地也己不大 29 与发展中国家提出的人均原则相对应 发达国家则提出效率原则 以GDP的CO2排放强度作为碳排放松分配的另一个基难 我国是世界上单位GDP能源消费强度最高的国家之一 1990年GDP的CO2排放强度为1 56kg C 美元 为世界平均水平0 24kg C 美元的6 5倍 是美国的6倍 日本的16倍 如图3所示 尽管我国单位GDP的CO2排放强度高有多种原因 能源技术与先进国家的差距也远没有象上述数字反映的那样大 但在未来国际补会考虑不同类型国家承担限控义务时 效率的观点得到某种程度上的反映是完全可能的 这对我国未来的能源消费会带来相当大的限制 30 图3单位GDP活动的排放量的国家对比 图3单位GDP活动的排放量的国家对比 kg C US 图4能源活动是我国排放CO2的主要领域 31 全球气候变化背景下的21世纪我国能源发展战略因此 基于我国CO2排放的上述两个方面的基本国情 我国必须尽早考虑减缓CO2排放增长的国家战略 对未来可能要承担减排CO2的义务早作难备 我们建议采取两类行动 第一 从现在开始采用一些 不后悔的策略 不后悔的策略 的提出是由丁气候变化问题至今仍然是具有很大的不确定性的问题 也就是说 人们现在关于气候变化问题还没有完全认识清楚 所谓 不后悔的策略 指的是 即使末来人们发现气候变化不会产生不利的影响 或者说人类活动不是引起气候变化的主要原因 那么那时我们也不会对于我们现在所采用的行动后悔 第二 加强与气候变化有关的政策问题和科学问题的研究 这两方面的行动都与21世纪我国能源发展战略有密切关系 32 首先 在我国 CO2排放的主要来源足能源系统 如图4所示 根据现在科学水平 减排能源活动引起的CO2排放的技术对策主要有两个方面其一是提高能源的转换和利用效率 节约能源 其二是以非化石燃料和含碳低的燃料 例如天然气 代替煤炭 改善能源品种构成 提高能源的转换和利用效率 节约能源是能够减少温室气体排放的 也是我国的经济和社会发展目标相一致的 另一方面 发展节能将可能是一种新的商业机会 33 燃烧与健康 吸烟 Smoldering烟的燃烧是一种阴燃过程 Smoldering 阴燃是在固体燃料表面及内孔中进行氧化反应的现象吸烟过程中的阴燃是正向阴燃 气流方向和阴燃传播方向一致吸烟对人们健康的影响 我们目前的知识无法彻底解决这个问题阴燃产物的形成过程比较复杂污染物的成分也比较复杂 34 4 燃烧与安全问题火灾建筑火灾 森林火灾 煤田 煤堆火灾 危害 生命 财产研究内容 探测 控制 传播动力学机理爆炸矿井坑道瓦斯爆炸 粉尘爆炸LNG LPG市区泄露 积累到一定浓度发生爆炸核反应堆的爆炸 放射性污染材料一旦发生火灾 装饰材料燃烧过程中所释放的物质多是有毒的 火灾中多数是吸入有害气体死亡选择装饰 结构材料是控制火灾损失总体战略的一部分 35 5 国防与空间科学国防科学武器 枪 炮 火箭 导弹要求能量密度高 推进技术与控制 超燃发动机喷气发动机燃烧过程的稳定性研究延长发动机寿命超音速飞机已经达到25M防止燃料柜 弹药库的爆炸 阻燃 防爆当子弹穿过燃料柜时 不会发生着火炸药在需要时能够及时可靠引爆在贮存过程中又不会轻易发生爆炸 36 空间科学空间站 一旦发生火灾 无法挽回的损失微重力环境 载人 与地面重力环境不同 有新的燃烧现象需要我们去发现微重燃烧的机理 微重燃烧的防火措施姿态控制火箭发动机 调整姿态登月飞船 返回火箭微推进微型航天器 需要非常小的力 调整卫星的姿态 微达因量级的力微动力系统 37 空间燃烧研究进展微重燃烧无羽流火焰传播与风向的关系在空间站创造安全的火灾防护环境基于对火灾的认识 我们知道 当氧体积浓度低于15 时 任何燃料都很难着火 一般不会发生火灾 因此 可以把航天器内的氧浓度减少到大气氧浓度的一半 即10 5 把航天器内部的压力提高一倍 对于人的生存 人对氧环境的感觉是相同的 同时不会发生火灾目前 国外一些燃烧机构相继开展了微重燃烧的研究 并计划在空间站中进行燃烧实验 如Princeton的工作 38 1 4燃烧学的构成燃烧学是一个跨学科的科学分支燃烧学主要研究带有快速高强度放热化学反应的流动问题燃烧学主要有以下学科构成热力学化学反应动力学流体力学传递现象各学科在燃烧学中的作用如下 39 1 热力学在燃烧学中的作用热力学是一个成熟的学科燃烧过程中 反应物 产物 Q需要知道多少化学能转换成热能研究燃烧过程中 当达到平衡时平衡时的状态估计产生的热量计算平衡时的组分 40 2 化学动力学在燃烧学中的作用热力学考虑过程的开始和结束 混合气的状态化学动力学告诉我们化学反应的路径和快慢例如 一个在1小时完成的化学反应 在一个发动机循环中无法达到平衡 没有办法用热力学进行描述 则必须考虑动力学过程再如 计算NOX是基于有限的反应速度 NOX的排放量是以发动机排气中的实际含量为准所有燃烧过程都具有一定的速度反应时间与特定燃烧时间之间的比较非常重要 41 燃烧过程中 化学反应动力学是一个复杂的问题燃烧系统有无数的组分各组分之间有相互反应对一些简单的燃料其机理仍然不清楚例如甲烷的燃烧过程 仅能预测层流火焰的整体燃烧特性仍然没有完全了解其复杂的燃烧机理 42 3 流体力学在燃烧学中的作用流体力学是了解燃烧现象的基础燃烧往往发生在流动的介质中燃烧不同于流体力学 燃烧系统是多组分的燃烧过程中有化学反应 密度 i发生变化伴随着能量的释放 T温度升高燃烧系统中存在温度 浓度梯度 有能量与组分的扩散 43 4 传递现象在燃烧学中的作用化学反应发生在很薄的区域化学反应区域的特征是 温度T升高燃烧产物不断生成 浓度增加反应物不断被消耗 浓度减少温度T 浓度梯度的存在 导致 组分扩散能量扩散 44 1 5基本燃烧现象分类预混火焰与非预混火焰燃烧系统常常有两种反应物组成 燃料和氧化剂 在化学反应能够进行之前 两种反应物必须在分子水平上进行混合 然而混合机制是影响燃烧的基本要素由于混合的需要 也就是说至少一种反应物应该是气态或液态 因此他们的分子能够分散到另一种反应物之中由于分子水平混合的重要性 燃烧系统的差别主要以在燃烧开始时反应物是混合好的或分开的预混火焰 在发生化学反应之前 反应物已经均匀地混合非预混火焰 或扩散火焰 在发生化学反应之前 燃料和氧化剂是分开的 依靠分子扩散和整体对流运动使反应物分子在某一个区域相遇 接着进行燃烧反应 45 预混火焰与非预混火焰非预混火焰也叫做扩散火焰 是因为反应物在分子水平的混合主要是依靠分子扩散过程进行的注意的是 预混火焰中也存在扩散过程扩散火焰只是说 需要 扩散 这个输运机理 把反应物混合在一起时预混火焰仍然需要将可燃预混合气扩散到反应区 将燃烧产物和热能从反应区输运出去因为反应区是在不断消耗反应物 和不断产生燃烧产物和释放出燃烧产生的能量 46 例如用本生灯火焰解释预混火焰和扩散火焰出口气体当量比大于一 靠近喷口一侧最亮处为预混火焰多余燃料和燃烧产物一起向上扩散 在火焰上部最亮处进行燃烧反应 形成扩散火焰火焰外部是燃烧产物和氧气 空气 火焰内部是预混可燃气 没有燃烧产物 47 Fig 1本生灯火焰 1 48 层流和湍流燃烧由流动性质决定火焰类型层流中 可以清楚地看到流线的存在湍流不存在这样的流线 在任何一点 流量随时间任意波动湍流促进混合过程 因此对非预混火焰 扩散火焰 的影响更强因为在非预混火焰中 反应物的混合是重要的不管流动是层流或者是湍流 在燃烧反应能够发生之前 最终的混合仍然需要通过分子扩散 49 超音速和亚音速燃烧根据流动速度是超音速或者是亚音速亚音速燃烧分子扩散过程站支配地位有更多的时间进行化学反应日常生活在遇到的 蜡烛 引燃火焰超音速燃烧比扩散过