工程燃烧学绪论

1、2021-10-24河北工业大学能源与环境学院1 绪论2021-10-24河北工业大学能源与环境学院2人类对于燃烧的认识过程 在“自然辩证法”说：人们只有在学会摩擦取火之后，才第一次使无穷无尽的自然力替自己服务。 几十万年以前人类已经能够利用“火”，从而结束了茹毛饮血的生活；也学会了“钻木取火”。但是对于“火”或者说“燃烧”的认识却是在18世纪以后。当时在欧洲对于燃烧的研究导致了一场近代的化学革命。 佛朗西斯.培根 曾说：“阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作与笔记使人精确。读史使人明智，诗歌使人巧慧，数学使人深沉，伦理之学使人庄重，逻辑与修辞使人善辩。” 因此我们有必要了解科学的发展史。2021

2、-10-24河北工业大学能源与环境学院3煤的使用煤的使用 古称煤为石炭、乌薪、黑金、樵石、燃石和矿炭 ，公元前200年，西汉期间，已经开始使用煤来炼铁。比欧洲早1700年。 东汉末年，炭成为家用燃料。卖炭翁，伐薪烧炭南山中，满面尘灰烟火色，两鬓苍苍十指黑。（白居易）2021-10-24河北工业大学能源与环境学院4 宋代，汴梁地区，“数百万人，尽仰煤炭，竟无一燃薪者。 ” 宋代煤矿遗址的发掘提供的确切信息表明，那时的采煤业已经具有较高的技术水平和比较完备的设施。煤矿有两条竖井，深近50米，矿井直径达2.5米，两条巷道长达500米，巷道高为2米，宽为2.1米，采煤工作面巷道上宽1.4米，下宽1米，

3、布局合理 。 衣襟成墨色，面目带煤尘。尽爱炉中兽，谁怜窑下人。卖炭图刘克庄（宋代） 元代，马可波罗(MarcoPolo，12541324)在他的游记中以一种惊奇的口吻提到中国人有一种“黑石头”，像木柴一样容易燃烧，又比木柴火力强大，往往到第二天才会熄灭。这说明当时欧洲尚未使用燃煤。 2021-10-24河北工业大学能源与环境学院5石油的使用西周，易经：“泽中有火”东汉，班固汉书地理志 ：“高奴县有洧（wei）水可燃”。南朝，范晔后汉书郡国志：延寿（今甘肃省玉门一带）“县南有山，石出泉水，大如筥(j ) ，燃之极明，不可食。县人谓之石漆”。唐朝，段成武酉阳杂俎：“高奴县石脂水，水腻，浮上如漆，采

4、以膏车及燃灯极明。” 宋代，沈括（10311095）梦溪笔谈：把历史上沿用的石漆、石脂水、火油、猛火油等名称统一命名为石油 。明朝，宋应星天工开物，对石油的开采工艺作了系统的叙述。 从唐朝开始，石油在生活、军事领域被广泛应用。2021-10-24河北工业大学能源与环境学院6二郎山下雪纷纷，旋卓穹庐学塞人。化尽素衣冬不老，石油多似洛阳尘。 延州诗沈括火井沉荧于幽泉，高焰飞煽于天陲蜀都赋西晋，左思2021-10-24河北工业大学能源与环境学院7天然气的使用 公元前6000至2000年，伊朗首先发现了从地表渗出的天然气。古代波斯人称之为“永不熄灭的火炬”。 中国在公元前900年开始使用天然气，公元前

5、211年钻了第一个天然气气井，用于煮盐。 1659年，英国才发现了天然气，并开始使用。 烟尘侵火井，雨雪闭松州 西山杜甫2021-10-24河北工业大学能源与环境学院8隐隐煮盐火，漠漠烧缌烟 初到忠州登东楼，寄万州杨八使君 白居易土囊烟阴，火井冰闭 大猎赋李白2021-10-24河北工业大学能源与环境学院9 在我国古代，很早就出现了对燃烧与热动力的认识和利用，唐代出现了烟火玩物，“烟火起轮，走绒流星”。宋代制成了用火药的火箭、火球、火蒺藜。明代制成了“火龙出水”的火箭，这些都是利用燃烧时向后喷射产生反作用力使火箭前进的道理。2021-10-24河北工业大学能源与环境学院10已具备了对燃烧的初步

6、认识省油灯2021-10-24河北工业大学能源与环境学院11一、燃素说 英国化学家波义耳首先提出了元素的定义,使化学研究开始走上了科学的道路。他最早引入了“分析化学”的名称,将当时习惯应用的定量试验归纳为一个系统,开始了分析化学的研究。恩格斯曾指出:“波义耳把化学确立为科学”。波义耳曾对几种金属进行过煅烧实验,他认为金属在般烧后的增重是因为存在火微粒,在慑烧中,火微粒穿过器壁而与金属结合,即:金属+火微粒=金属灰。提出了火的微粒说。波义尔2021-10-24河北工业大学能源与环境学院12 德国化学家斯塔尔吸取了火的微粒说观点,于1723年出版化学基础提出燃素说。他认为,火的微粒能够和其他元素结

7、合而形成化合物,也能够用游离方式存在,由火的微粒构成的元素是燃素。物质燃烧时放出燃素,不燃烧的物质是因为缺少燃素。木柴等燃料不能自动放出燃素,要空气把燃素吸出来才能燃烧。由于燃素说能够解释当时知道的一些化学现象,此时炼金术逐渐被人们抛弃,化学从炼金术中解放出来。 燃素说统治化学界达100年之久。2021-10-24河北工业大学能源与环境学院13 但是，燃素说有一个明显的困难，就是难以解释“燃素是不是具有重量”。有机物在燃烧后重量一般大大减少，而金属生锈后重量却增加，因此如果说这些化学反应都伴随着燃素的逃离，那么燃素究竟有没有重量呢？这重量是正还是负呢？ 斯塔尔并没有注意这些问题，因为当时化学研

8、究中“定量研究”的概念还很淡薄。后人也曾力图解释这些问题，但是均没有答案。 在氧气未被发现之前，燃素说由于能够解释众多的化学问题而被学术界普遍接受。参考文献：英斯蒂芬F梅森，上海外国自然科学哲学著作编译组译，自然科学史，上海人民出版社：154-1592021-10-24河北工业大学能源与环境学院14二、氧气的发现 英国化学家普利斯特列1774年在实验中发现了一种气体可以使蜡烛的火焰强烈燃烧；次年又发现老鼠可以在这种气体中存活很长的时间，并且他本人吸入这种气体感觉很舒服。“谁知道将来这种纯空气不会变成一种时髦的奢侈品呢？” 但是他终生信奉“燃素说”，所以他根本没有意识到这是一种助燃的气体，而是认

9、为这种气体缺乏燃素所以在燃烧过程中大量吸收燃素才造成剧烈燃烧的。 瑞士化学家舍勒几乎在普利斯特列之前就发现了氧气，但是由于论文发表晚而丧失优先权。他被称为“有机化学的奠基人”，因为很多物质都是他发现的，硫化氢、氯气、氧化钡、高锰酸钾、亚砷酸铜等等。2021-10-24河北工业大学能源与环境学院15三、 拉瓦锡的化学革命 法国人拉瓦锡是最早意识到定量测量重要性的化学家，他不惜利用金刚石来重复前人关于燃烧的实验以证明没有空气金刚石是不会燃烧起来的。他重复了普里斯特列的实验，并于1790年命名“最易于呼吸的其体为氧气”；同年化学家查普特尔命名了“氮气”。 1783年拉瓦锡提交了“燃烧通论”的论文，表

10、明氧化理论可以完整的解释燃烧现象，而燃素说是不必要的理论。同年拉瓦锡在家里举行了一个小型仪式宣告燃素说的终结，拉瓦锡夫人扮成女祭司的样子焚烧了斯塔尔以及其他燃素说支持者的论文。 1789年拉瓦锡完成“化学纲要”，详细论述了推翻燃素说的各种实验证据，系统建立了以氧化理论为核心的燃烧学说。燃素学说的拥护者纷纷丢盔卸甲，心悦诚服地宣称：“要否认明摆着的事实是有困难的。拉瓦锡的确没错。2021-10-24河北工业大学能源与环境学院16拉瓦锡舍勒普利斯特列2021-10-24河北工业大学能源与环境学院17 “化学纲要”具有划时代的意义，因此拉瓦锡被称为化学界的牛顿、近代化学之父。 “化学纲要”出版那年正

11、好是法国大革命爆发，1793年雅各宾派当政并实施恐怖统治，大批科学家受到迫害，拉瓦锡也没有能够幸免于难。 1794年，法庭以“共和国不需要学者”的罪名将拉瓦锡处死。 法国数学家拉格朗日曾说:“砍下他的头不过瞬间，而法国再长出像他这样的脑袋恐怕100年也不够！”2021-10-24河北工业大学能源与环境学院18 英国的汉弗莱戴维 在1807年发现，钠、钾可以与水发生化学反应，并产生火焰。 化学的哲学基础，提出氧化盐酸不是化合物，而是一种单质，可以像氧气一样助燃。 因此，他认为燃烧不是非有氧气不行。 其最伟大的贡献是发明了瓦斯安全灯，被誉为1815年英国的两大胜利（滑铁卢战役）2021-10-24

12、河北工业大学能源与环境学院19矿用瓦斯安全灯（戴维灯）瓦斯气主要成分是甲烷，很容易在空气中发生快速燃烧反应，造成爆炸。利用铁丝网或铜丝网将灯罩住，这样既不防碍瓦斯和空气的混和气进入灯内燃烧，又可以利用铁丝的冷却效应将燃烧产物温度降低到不足以点燃环境内瓦斯气的程度。这其中涉及的燃烧理论就是“猝熄距离猝熄距离”2021-10-24河北工业大学能源与环境学院20 1855年，德国本生发明了本生灯（Bunsen burner），并对火焰温度及火焰传播速度进行了定量测量同期，威尔考克斯（Wilcox）发明燃煤水管锅炉。2021-10-24河北工业大学能源与环境学院211883年，法国马拉德（Mallar

13、d） 建立了层流火焰传播的模型。1876年，Otto奥拓建造了第一台四冲程内燃机。1900年，Chapman (切普曼)和Jouguet (乔给特)发现了缓燃和爆震燃烧的区别，并计算了爆震波的速度 。19世纪以后工业革命推动了化学科学的发展。原子说、分子说相继建立，热化学、热力学、化学热力学、化学动力学相继得到发展。并将燃烧学推进到一个新阶段。2021-10-24河北工业大学能源与环境学院22 20世纪30年代，燃烧动态过程理论建立，着火、火焰传播理论建立。（美国伯纳德.刘易斯、俄国谢苗诺夫因发现链锁反应获得1956年诺贝尔奖利用化学动力学理论）谢苗诺夫四、燃烧学的新发展刘易斯 1905年，法

14、国查尔斯设计了燃气轮机，1930年被怀特用于推动飞机飞行。2021-10-24河北工业大学能源与环境学院23 20年代水煤浆燃烧技术出现，30年代悬浮燃烧技术出现。 40、50年代，从扩散燃烧、动力燃烧的角度研究了液滴和碳粒的燃烧。 50、60年代，美国力学家冯卡门和钱学森利用连续介质力学研究了燃烧现象，发展了反应流体力学。冯卡门2021-10-24河北工业大学能源与环境学院24 70年代，计算机出现后，斯堡尔汀（Spalding）建立了湍流输运模型，利用数值计算方法研究燃烧并发展了计算燃烧学。 为了控制二氧化硫排放，1976年，循环流化床燃烧技术出现。 70年代以后，激光技术、气体分析技术（

15、质谱色谱技术）的发展被用于直接测量燃烧条件下的气体流速、温度场分布、组分浓度分布以及颗粒直径分布等规律，促进了燃烧理论的快速发展。2021-10-24河北工业大学能源与环境学院25 近年来，如何有效控制燃烧过程中温室气体如CO2、SO2、 NOx等，以及其他污染物如Soot(碳烟)、PM2.5等是燃烧学研究的热点2021-10-24河北工业大学能源与环境学院262004年，NASA研制成功利用超燃冲压发动机的高超音速飞行器（10倍Ma）超声速燃烧风洞测试马丁公司的超声速概念飞机2021-10-24河北工业大学能源与环境学院27 燃烧学是一门正在发展中的学科。能源、 航空航天、环境工程和火灾防治

16、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(油-煤，水-煤，油-水-煤等)燃烧、流化床燃烧、催化燃烧，渗流燃烧、燃烧污染物排放和控制、火灾起因和防止等。 燃烧学的进一步发展将与湍流理论、多相流体力学、辐射传热学和复杂反应的化学动力学等学科的发展相互渗透 、相互促进2021-10-24河北工业大学能源与环境学院28燃烧的定义 燃料与氧化剂在一定条件下所进行的具有发光发热等特点的剧烈的化学反应。是物质间的能量转化过程，通过燃烧过程，物质所具有的化学能以热能的形式输出。 燃烧过程本身是一个物理、化学的综合过程。因为影响燃烧的因素很多：气体运动规律、扩散速度、热量传递效

17、果、反应物浓度以及压力等等。 深入了解燃烧过程的理论以及影响因素对于实际生产与现实生活具有重要的意义。可以更好的组织燃烧过程、节约燃料、降低污染物排放等等。2021-10-24河北工业大学能源与环境学院29 燃烧已经渗透到生活与生产的各个领域。冶金、制造、火力发电、汽车轮船、航空航天等等。因此我们有必要了解燃烧的理论。燃气灶具油灯2021-10-24河北工业大学能源与环境学院30火力发电超临界锅炉2021-10-24河北工业大学能源与环境学院31冶金加热炉陶瓷隧道窑2021-10-24河北工业大学能源与环境学院32内燃机2021-10-24河北工业大学能源与环境学院33航空发动机2021-10-24河北工业大学能源与环