燃烧理论PPT课件

-,1,燃烧理论教材：工程燃烧学，汪军，中国电力出版社，2008.7,2020/5/1,-,2,燃烧：社会发展与科技进步的推动力,2020/5/1,-,3,北京奥运会火炬、火种送上海拔884443米的珠穆朗玛峰峰顶。火炬克服低温、低压、缺氧、大风等极端不利条件，在珠峰之巅漂亮地燃烧，举世为之惊叹。在这史无前例的壮举背后，凝聚着中国航天人的智慧与辛劳。,2020/5/1,-,4,燃烧应用领域及发展需求,能源动力：煤炭发电、石油、天然气工业生产：钢铁、玻璃、陶瓷、塑料、纳米粒子日常生活：火锅、壁炉、生日蜡烛、焰火安全防范：森林火灾、建筑物火灾、煤矿爆炸环境与气候：氮氧化物、一氧化碳、硫氧化物、炭黑能源动力：世界总能源的80来自于燃烧矿物燃料环境污染：绝大部分大气污染物和CO2也源自于燃烧推进技术：高超声速飞行器发动机(如超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机等)、大功率舰船用燃气轮机开发替代燃料、研制高性能燃烧器、防火防爆、娱乐产品开发,2020/5/1,-,5,教学与考察方式,课堂授课34学时、实验2学时成绩评定（暂定）期末考试：满分100分，占60%，笔试日常考核：满分100分，占40%，包括作业成绩，平时出勤，阅读文献报告，与燃烧案例相关的新颖设计（额外加分）,2020/5/1,-,6,本节针对的问题,燃烧和能源利用是怎样的关系？燃烧在人类发展史中的地位怎样？燃烧的本质是什么？燃烧与“节能减排”战略关系大吗？燃烧设备有哪些特点？燃烧中蕴涵的节能减排的思想和方法？,-,7,1绪论,1.1能源的概念与分类1.2燃烧学的发展历程1.3燃烧及其设备1.4工程燃烧设备的性能特点1.5燃烧学研究内容1.6课程任务、特点1.7参考书目,2020/5/1,-,8,1.1能源的概念与分类,燃烧：燃烧是一种发光发热的剧烈的化学反应。燃烧是一种重要的能源转化形式。能源：“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”。科学技术百科全书“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”。大英百科全书“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”。日本大百科全书“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源”。中国能源百科全书,2020/5/1,-,9,能的形式,机械能、热能、电磁能、化学能、核能（原子能）、辐射能等。能源分类按转换和利用层次划分：一次能源：从自然界取得的未经加工或转换的能源。二次能源：一次能源经过加工或者转换得到的电能、油类、煤气、焦炭、热水、蒸汽等能源。终端能源：能源经输送和分配，终端用能设备入口得到的能源。按能源可否再生划分：可再生能源：能重复再生的自然能源。非再生能源：不能重复产生的自然能源。短期内不会重复产生，最终会枯竭。,2020/5/1,-,10,按人类开始利用能源的历史划分：,常规能源：在现有经济和技术条件下,已经大规模生产和广泛使用的能源。新能源：虽然已得到利用，或已引起人们重视，但尚未被人类大规模利用，或在利用技术方面有待进一步研究和开发的能源。按照能源利用对环境的影响划分：清洁能源：天然气、风能、水能、太阳能、地热能、可燃冰、核能。非清洁能源：煤炭、石油。按能源的性质和利用方式：燃料能源：矿物燃料、生物质燃料、化工燃料、核燃料。非燃料能源：风能、太阳能、地热能、潮汐能等。,-,11,2000年世界能源结构,化石能源占总能源的87,化石能源占总电力能源的63。,2020/5/1,-,12,中国能源现状,中国能源人均占有量为世界人均资源量的1/2，为美国人均资源量的1/10。2009年全国发电量达36812亿千瓦时，其中水电、火电、核电和风电发电量占全部发电量的比重分别为15.53%、81.81%、1.90%和0.75%。2010年全国能源消费总量超过32亿吨标煤，远高于27亿吨标煤的规划值。据分析“即使按照每5年单位GDP能耗下降20%计算，同时保持9%的增速，到2020年也需要70亿吨标煤。”国家能源局发展规划司司长江冰表示，按照中国国情和“十二五”国际国内的经济社会发展趋势测算，2015年中国一次能源消费总量可控制在40-42亿吨标准煤，2030年总量可能接近和超过70亿吨标准煤。21世纪上半叶我国一次能源生产和消费结构仍以煤炭为主，电力能源结构以火电为主。实现我国政府提出的到2020年单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%-45%的目标，需要付出艰苦努力。,2020/5/1,-,13,1.2燃烧学的发展与需求,远古时代燧人氏钻木取火，50万年以前北京猿人已经学会使用火。希腊神话中，火是普罗米修斯从宙斯手中偷得赠送给人类的礼物。无论是西方的圣火，还是中国的“火文化”，都体现了对人类进步的尊重与渴望。（1）火是人类第一次支配的自然力，并逐步成为人类改造自然的强大手段；汉代（公元前200年）已经开始使用煤；魏晋时期（公元300年）开始用煤冶铁。但对燃烧现象的本质可以说一无所知。,2020/5/1,-,14,（2）燃素说（1617世纪）：火是由无数细小而活泼的微粒构成的物质实体。这种微粒既能同其他元素化合而成化合物，也能以游离形式存在。他弥散于大气之中，给人以温暖的感觉。由这种火的微粒构成的元素就是“燃素”。按照燃素说解释燃烧现象，认为一切于燃烧有关的化学变化都可以归结为物质吸收燃素与释放燃素的过程。（3）燃烧的氧学说（17561777）：法国化学家拉瓦锡（Lavoisier）首先提出燃烧是物质的氧化这一概念，这被认为是创建燃烧理论的萌芽。1772年11月1日法国科学家拉瓦锡关于燃烧的第一篇论文发表了，其要点是由燃烧而引起的重量增加。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。燃烧是一种化合现象。拉瓦锡尚未完全弄清楚这空气的一部分是什么物质。,2020/5/1,-,15,1774年，普利斯特列发现了氧，拉瓦锡很快在实验中证明，这种物质在空气中的比例为1/5，并命名这一物质为“氧”(原义为酸之源)。拉瓦锡正确的燃烧学说得到确立，并因此而引起了化学界的一大革新，开始揭开燃烧的本质。（4）化学热力学（19世纪）：将燃烧装置作为热力学体系，研究其初态和终态之间的关系，阐明了燃烧热、产物平衡组分及绝热火焰温度的概念。（5）化学动力学（20世纪30年代）：阐明了燃烧的链式反应机理，提出了火焰传播及最小点火能等概念，之后又逐步认识到限制燃烧过程的因素不是反应动力学而是传热传质。（6）反应流体力学、燃烧空气动力学（20世纪5060年代）:用经典力学方法来研究燃烧过程。冯卡门(VonKarman)、钱学森建立了化学流体力学，首先提出用连续介质力学方法研究燃烧基本现象。,2020/5/1,-,16,（7）计算燃烧学（20世纪70年代）：斯波尔丁(Spalding)系统地把计算流体力学的方法用于有燃烧现象的边界层流动、回流流动及旋流流动，建立了燃烧问题的数值计算方法，并逐渐形成了计算燃烧学。斯波尔丁和哈洛:继承普朗特，雷诺和周培源等的工作，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。（8）燃烧测试技术（20世纪60年代）：燃烧测量技术进展主要反映在喷雾测量、流场测量、火焰测量和燃烧过程产物测量等方面。采用粒子图像测速(PIV)、粒子跟踪测速(PTV)技术和激光多普勒(LDV)技术准确测量缸内气体运动规律。相位多普勒粒径PDA(PDPA)技术和激光散射粒径(LDSA)测量技术能测量出喷雾粒径大小和分布规律。利用高速摄影和纹影技术能测量出火焰发展和火焰面形状，采用两色法能获得清晰的火焰图像。激光诱导荧光(LIF)技术可获取混合气浓度场、燃烧过程NO和OH分布。红外测温系统可获取火焰的温度分布，根据光谱信息检测缸内NO浓度。利用激光诱导荧光法两维成像技术，通过对火焰前锋面中间基OH、CH和C2的发光光谱分析，较好地认识了火焰前锋面处的化学反应过程。,2020/5/1,-,17,2020/5/1,-,18,PhysicalmeasurementprincipleofDopplerGlobalVelocimetry,2020/5/1,-,19,particleimagevelocimetry(PIV)粒子成像测速场仪；theimagingofscalarsplanarlaserinduceduorescence(PLIF)平面激光诱导荧光成像,2020/5/1,-,20,（9）20世纪90年代以来：大型商用模拟计算程序：StarCD、KIVA、Fluent等的出现，推动了燃烧理论、排放控制理论的进一步发展。燃烧学在深度和广度上都有了飞跃的发展。关于燃烧模拟的目的：模拟燃烧过程、帮助解释和理解观察到的燃烧现象；代替困难或高造价的实验；指导燃烧实验的设计；帮助确定各种参数对燃烧过程的影响。例如锅炉运行中常见的问题：燃烧效率低，表现在能耗高、烟气中的可燃气体含量高、飞灰及炉渣中的可燃物含量高、锅炉负荷达不到要求；燃烧不稳定、热负荷分布不均匀；水冷壁及对流受热面超温、结渣；污染物（粉尘、NOx、SOx）排放高；所有这些问题都与锅炉内部气体的流动、燃料的燃烧、热量的传递这三种基本现象密切相关，可以通过计算机模拟来解决。,氮氧化物粉尘,2020/5/1,-,21,1.3燃烧及其设备,燃烧薪柴、煤炭、石油和天然气等矿物质燃料将化学能转化为热能，一直是人类获取大量热能和电能的主要途径。燃烧是物质发生激烈的化学反应而发热和发光的现象。燃烧的三种基本现象：化学反应、传热和传质。化学反应是燃烧过程中最主要的基本现象，同时发生许多化学反应。热量传递是燃烧过程中必然发生的物理现象，包括导热、辐射、对流。传质广泛存在于燃烧过程中。传质过程包括：形成火焰的部分或所有气体的对流传质；火焰中某些组分相对于其他组分的分子扩散或湍流扩散。火焰中气体流动：火焰本身流动，也可由于浮力作用产生。扩散现象是由于火焰中气体组分浓度的显著差异而引起的。分子扩散：因分子无规则热运动使火焰中气体组分由浓度高处传递至浓度较低处的现象。湍流扩散：湍流火焰中，凭借气体质点的湍流来进行质量传递的现象。区别于化学反应工程中的“三传一反”的特点：三传是指传质、传热、动量传递，一反指化学反应过程。,2020/5/1,-,22,燃烧的本质,人类对火的认识，已经有几十万年的历史了。从钻木取火，到后来发现热可以从各种能量转换，是人类长期用火实践和大量的科学实验证明，燃烧的本质表现在：1、燃烧是一种化学反应燃烧中化学反应类型大致有三种：(1)简单组成的可燃物直接与氧化合（单质化合）C+O2CO2；4Na+O22Na2O；4P+5O22P2O5(2)化合物先分解后化合（碳氢化物）CH4+2O2CO2+2H2O；2C2H2+5O24CO2+2H2O(3)复杂的分解反应和复分解反应（指含氧物）4C3H5(ONO2)3(硝化甘油)12CO2+10H2O+6N2；2NH4NO32N2+4H2O+O2,2020/5/1,-,23,2、燃烧必须有放热、发光,(1)光：燃烧区域的温度较高，使其中高热的固体粒子和某些不稳定（或受激发）的中间分子内电子发生能级跃迁，从而发出各种波长的光；(2)热：一切化学反应都伴随有能量变化，表现在反应中或是吸热，或是放热。燃烧大部分是氧化反应，在化学反应时有旧键的断裂和新键的生成。断键时要吸收能量（活化能），成键时又放出能量。在燃烧反应中，断键时吸收的能量要比成键时放出的能量少，所以都是放热反应；(3)火焰：发光的气相燃烧区域就是火焰，它的存在是燃烧过程中最明显的标志；(4)烟：由于燃烧不完全等原因，会使产物中混有一些微小颗粒，这样就形成了烟。,2020/5/1,-,24,3、燃烧三要素,(1)燃料：固体燃料、液体燃料、气体燃料(2)助燃物(氧化剂)：凡是能与可燃物发生反应并引起燃烧的物质称为助燃物。如空气、高锰酸钾、氧、氯、溴、过氧化钠等都是助燃物。(3)着火源：是指能引起可燃物燃烧的热能源。常见的：火焰、火星、电火花、高温物体等。不易被注意的：静电放电、化学反应放热、光线照射、撞击与摩擦等，是间接转化为热能的着火源。着火源可以引起易燃易爆物品燃烧或爆炸，在生产生活实践中，必须加以控制，以免发生火灾或爆炸事故。例如，在高楼上安装避雷针可防雷击；油罐车尾部的金属链条应直拖地面，防止静电积聚，引发燃烧；在火灾、爆炸易发场所（如加油站、液化气站），应禁止吸烟，不穿带钉子的鞋以防止产生火花，引燃可燃物；生活中，电吹风、电熨斗等电热器具用完后，应及时切断电源，切不可用电灯烘烤可燃物等。,2020/5/1,-,25,蜡烛燃烧,石蜡C22H46/C28H58、硬脂酸C17H35COOH常温固态，150以上液化和气化蒸气分解、燃烧生成物为CO2和H2OCH原子团形成蓝色火焰炽热的烟炱颗粒燃烧形成黄色火焰热传递：光和热辐射伴有液化、蒸发相变现象蜡烛芯中发生的导热、毛细抽吸作用蜡烛火焰由内至外可分为三层：第一层焰心（淡蓝色，温度最低，也最暗），未燃烧的蜡蒸气及其产物碳氢自由基。第二层内焰（金黄色，最亮）在焰心的外围，焰心的蜡蒸气及碳氢自由基扩散到内焰，在这里开始燃烧。第三层外焰（暗红色），受外界空气影响较大，而且和外界空气的能量交换剧烈，火焰的温度受到很大的影响，易形成烟炱。,2020/5/1,-,26,在地球上燃烧的蜡烛，火焰细长明亮。在国际空间站上点燃的蜡烛会是什么样子呢？圆球形的蓝色火苗虽然漂亮，但照明效果不甚理想。重力越小燃烧越不剧烈，在国际空间站这种环境下，空气在所有方向密度是相同的，因此可燃气体向四周均匀地扩散并且燃烧，所以产生的火焰是圆球形。扩散火焰：通过扩散的燃料和氧化剂在反应区中相遇后燃烧所形成的火焰。化学反应区将包含氧化性气体的气态介质与包含还原性气体混合物分割开来，形成扩散火焰。蜡烛在氧气中的燃烧状态？蜡烛火焰温度是怎样的？火焰颜色与温度有关系吗？制造工艺相同的两支蜡烛在地球上和空间站上的燃烧时间相同吗？（假设燃烧气氛相同）,2020/5/1,-,27,甲烷空气预混可燃气体燃烧,蓝色火焰表明CH原子团存在火焰锋面，并向瓶底方向传播通过导热加热火焰前方可燃混合物并点燃燃烧产物在传热的同时并向锋面前方可燃混合物扩散，加热气体体积膨胀，瓶内气体加速喷出瓶口预混火焰/燃烧：参与燃烧的氧化剂（空气）和还原剂（燃料）在到达反应区之前已完成混合过程。预混和扩散燃烧过程中化学反应、传热传质三种基本现象之间的相互作用差别较大。将图1-2中装有预混可燃气体的瓶子瓶口向上，火焰传播方向会怎样变化，传播速度会变化吗？把瓶子立在90的水中传播速度会变化吗？,2020/5/1,-,28,燃烧设备,火焰和燃烧应用领域：能源、电力、航空、航天、化工、冶金、建材工业领域，以及民用照明、餐饮、取暖、娱乐等。根据燃料类型和性质组织燃烧和设备。如固体燃料、液体燃料、气体燃料。燃料燃烧产生热能，两种利用方式：热机（将热能转化为机械能），另者为燃烧炉（将热能转化为蒸汽、热水，推动汽轮机输出机械功或用于供暖；直接利用燃烧产物加热物料。锅炉分类按用途：电站锅炉、工业锅炉、供暖锅炉、舰船锅炉按燃料：燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉锅炉受热面内工质循环方式：自然循环、多次强制循环、直流锅炉和复合循环锅炉。按燃烧方式：层燃炉、流化床炉和室燃炉现有超超临界燃煤发电机组：27.46Mpa/605/603700超超临界燃煤发电机组：35Mpa/700/720,2020/5/1,-,29,工业窑炉对物料进行加热的设备，以改变物料物理、化学和机械性质，使物料便于加工成所需的产品。,工业炉：用于金属加热、熔化、熔炼和热处理的设备称为工业炉炉窑：用于水泥、玻璃陶瓷等硅酸盐材料加热、熔化烧成、烧结的设备称为炉窑。按用途：加热炉（轧制加热炉、锻造加热炉、热处理炉、焙烧炉、炼焦炉、煤气发生炉、裂解炉、干燥炉）和熔炼炉（高炉、转炉、冲天炉、玻璃熔窑）。按工业领域和被加热物料类型：金属熔炼熔化炉、金属加热炉、化学工业炉、水泥炉、玻璃窑和陶瓷窑。按照热源不同：燃料炉和电加热炉。燃料炉燃料类型：固体燃料、液体燃料、气体燃料。燃料炉按加热方式：直接加热：燃烧生成物直接与被加热物料相接触。间接加热：燃烧生成物不接触被加热物料，借助间壁式原件实现热量传递。,2020/5/1,-,30,燃气轮机,由压气机、加热工质的设备(如燃烧室)、透平、控制系统和辅助设备组成，将气体压缩、加热后送入透平中膨胀做功，把一部分热能转变为机械能的旋转原动机。燃气轮机的工作过程是，压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀作功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的作功能力显著提高，因而燃气涡轮在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机脱开。用于电力、机械驱动、车辆动力、舰船动力和航空航天动力。,轻型燃气轮机,MT30型船舶用燃气轮机,2020/5/1,-,31,内燃机,通过燃料在气缸中燃烧产生高温燃气，并依靠燃气膨胀推动活塞往复运送而将燃料燃烧释放出来的热能转换为机械功的活塞式动力机械，是热效率最高的一种热机。按燃料分：汽油机、柴油机、天然气（CNG）、LPG发动机、乙醇发动机等。按缸内着火方式分：点燃式、压燃式按冲程数分：二冲程、四冲程按活塞运动方式分：往复式、旋转式按气缸冷却方式分：水冷式、风冷式按气缸数目分：单缸机、多缸机按内燃机转速分：低速(1000r/min)按进气充量压力分：自然吸气式、增压式根据气缸排列分：立式、卧式直列、V型、对置X型、星型用于农业、交通运输、电力、国防。,2020/5/1,-,32,民用燃烧装置,省油灯：省油灯灯体瓷质圆形如坦口碗状，为上下夹层。面上一层为盛油的油盏，油盏下腹部中空，且在其腰部开出一小孔。古人利用注水冷却的省油灯，具有降温、光稳、少烟、省油的功效。之所以如此，是因表层上灯油在燃烧发热的时候，由于受下面夹层中低温冷水的作用。并且水在受热时的蒸发速度相对比灯油（菜籽油或桐油）要快，而在蒸发的过程当中，还要不断地吸收热量，由此可使其避免灯火在加热过程中油温过高，盏体干燥，而导致灯油急速蒸发，从而达到一定省油的效果。省油灯的这种冷却方法，在现代工业中称之为水套冷却法。1100多年前的唐代应用，西方却是十九世纪中叶才被普遍认识其中原理。燃气灶：是指以液化石油气、人工煤气、天然气等气体燃料进行直火加热的厨房用具。炊暖炉燃气取暖器燃气热水器火锅、烧烤炉,2020/5/1,-,33,1.4工程燃烧设备的性能特点,燃烧热强度高反映炉膛燃烧室结构紧凑性的指标。过大则导致不完全燃烧热损失增大。容积热强度：单位炉膛/燃烧室容积在单位时间内燃烧燃料所释放出来的热量；面积热强度：单位炉膛/燃烧室横截面积在单位时间内燃烧燃料所释放出来的热量。燃烧效率高燃烧过程释放出可用于热力过程的实际热量占燃料完全燃烧所释放出的理论热量的百分比。反映燃料燃烧完全程度，以及燃烧设备的经济性。燃烧稳定性好安全性好，使用寿命长燃烧污染物排放低管理维护方便,2020/5/1,-,34,1.5燃烧学研究内容,燃烧学是由热力学、化学动力学、流体力学和传热传质学、数学等有机组成的一门科学。多学科交叉性：热力学、化学反应动力学、流体力学、传热传质、物理化学燃烧涉及的物理过程：质量迁移、气流运动、组分扩散、能量传递、相变、压力变化燃烧涉及的化学过程：反应机理、反应速度、反应程度、燃烧产物的生成与控制研究方法：理论分析、实验测量、数值模拟燃烧科学发展的最重要的形式是理论的发展，而理论的发展正是科学实践的结果，也就是研究方法的发展。燃烧理论的建立是实验研究和理论总结的结合。由于燃烧过程的复杂性，到目前为止，燃烧科学的研究，仍然以实验研究为主。但理论和数学模型的方法正显得越来越重要。,2020/5/1,-,35,燃烧学的研究主要从燃烧理论与技术两方面进行：燃烧理论的研究研究燃烧过程所涉及的各种基本现象的机理如燃烧化学反应动力学机理，点火和着火机理、熄机理火、火焰传播及火焰稳定、预混火焰、扩散火焰、层流和湍流燃烧、液滴燃烧、碳粒燃烧、煤的热解和燃烧、燃烧产物的形成和催化燃烧机理。燃烧技术的研究应用燃烧基本理论解决工程技术中的各种实际燃烧问题。(1)对现有的燃烧方法进行分析和改进；(2)对新的燃烧方法进行探讨试验；(3)针对不同燃料的燃烧特性提出合理的燃烧方法；(4)根据具体要求研究设计新型燃烧装置；(5)提高燃料的利用率和燃烧设备的技术水平；(6)降低燃烧过程的噪音和污染物的生成;(7)新型燃烧催化剂的探索；(8)燃烧危害的控制新型阻燃材料、灭火器、灭火材料。,2020/5/1,-,36,本节知识点回顾,燃烧概念能源概念与分类中国的能源结构概况燃烧学发展简史燃烧的基本现象、本质燃烧三要素扩散火焰预混火焰燃烧设备/装置燃烧设备的特点燃烧实例中包含的节能减排的思想和方法,2020/5/1,-,37,1.6课程性质、任务、特点,本课程是热能与动力工程专业的专业课人类社会发展的需要，节能减排战略需求能源、航空航天、环境工程和火灾防治等方面都提出了许多有待解决的重大问题，诸如高强度燃烧、低品位燃料燃烧、煤浆燃烧、催化燃烧，燃烧污染物排放和控制、火灾起因和防止等。掌握燃烧过程基本概念和基本原理，应掌握燃料燃烧的基本计算，学会应用基本概念和原理分析判断燃烧过程，逐步学会控制、利用燃烧过程，熟悉了解基本的燃烧方法和装置。重点掌握与专业相关的燃烧原理和技术，从燃烧领域实现节能