工程燃烧复习

1、工程燃烧学 课程总结课程总结1期末考试期末考试 考试时间：考试时间：11月月27日下午日下午1:103:10。地点：。地点：逸夫楼逸夫楼A202 考核的方式：笔试考核的方式：笔试70%+平时成绩（作业平时成绩（作业+出出勤）勤）10%+实验报告实验报告10%+文献阅读文献阅读10% 答疑时间：答疑时间：11月月17日下午日下午8:3011:00 11月月21日上午日上午8:3011:10 答疑地点：交通楼四楼热能系答疑地点：交通楼四楼热能系425室室2主要题型与分数分布主要题型与分数分布 填空题填空题2分分10=20分。主要考核基本常识和概念。分。主要考核基本常识和概念。 选择题选择题2分分5

2、=10分。主要考核基本概念和知识，以及运分。主要考核基本概念和知识，以及运用知识进行简单分析的能力。用知识进行简单分析的能力。 简答题简答题5分分8=40分。基本问题的论述与分析。分。基本问题的论述与分析。 计算题计算题10分分3=30分。工程燃烧计算及基本理论推导分。工程燃烧计算及基本理论推导3学习的要点基础知识基础知识熟悉基本概念，掌握相关熟悉基本概念，掌握相关的定律的定律基本技能基本技能推导一些关键的关系式，推导一些关键的关系式，计算重要的物理量计算重要的物理量分析扩展分析扩展具备具备分析处理问题的能力分析处理问题的能力4第第2 2章章 燃料概论燃料概论学习目的：学习目的： 掌握燃料的组

3、成和特性掌握燃料的组成和特性 掌握燃料分析方法掌握燃料分析方法 2.1 燃料的分类与形成燃料的分类与形成 2.2 燃料的化学组成和特性燃料的化学组成和特性 2.3 固体燃料固体燃料 2.4 液体燃料液体燃料 2.5 气体燃料气体燃料以固体燃料煤为例，经历三个作用阶段：以固体燃料煤为例，经历三个作用阶段：植物质堆积阶段植物质堆积阶段菌解作用阶段菌解作用阶段在隔绝空气下，细菌作用缓慢分解腐烂过程：在隔绝空气下，细菌作用缓慢分解腐烂过程：碳化作用阶段碳化作用阶段泥煤形成后，若所在地质变化（如地壳下沉等），在地热、压力作用下泥煤形成后，若所在地质变化（如地壳下沉等），在地热、压力作用下近一步变质、压实

4、近一步变质、压实褐煤。褐煤。天然天然燃料燃料的形成过程的形成过程一部分分解一部分分解腐植酸；腐植酸；一部分分解一部分分解，等气体逸出等气体逸出。一部分木质素、纤维素等未分解，保留原有形态（根、茎、皮）残留体氢氧相对一部分木质素、纤维素等未分解，保留原有形态（根、茎、皮）残留体氢氧相对炭素含量相对炭素含量相对完成煤形成第一阶段完成煤形成第一阶段泥煤（最年轻）泥煤（最年轻）各煤种组分变化表各煤种组分变化表 思考题：为什么烟煤思考题：为什么烟煤Qnet，daf最大？最大？煤的成分表示方法煤的成分表示方法煤煤质质分分析析工业分析工业分析Proximate AnalysisProximate Analy

5、sis灰分灰分( (Ash-AAsh-A) )水分水分( (Moisture-MMoisture-M) )挥发份挥发份( (Volatile-VVolatile-V) )固定碳固定碳( (Fixed Carbon-Fixed Carbon-FC-FC) )元素分析元素分析Ultimate AnalysisUltimate Analysis碳碳( (Carbon-CCarbon-C) )氢氢( (Hydrogen-HHydrogen-H) )氧氧( (Oxygen-OOxygen-O) )氮氮( (Nitrogen-NNitrogen-N) )硫硫( (Sulfur-SSulfur-S) )10

6、元素分析的成分基准及换算元素分析的成分基准及换算收到基收到基 arar空气干燥基空气干燥基 adad灰分灰分干燥基干燥基 d d干燥无灰基干燥无灰基 dafdaf固定炭固定炭水分水分挥发分挥发分挥发部分挥发部分焦炭焦炭A A（包括（包括硫酸盐硫酸盐硫硫S SS S）CH HO ON NS SM Mf fM MinhinhC%100arararararararMASNOHC11 我国煤的技术型分类法（我国煤的技术型分类法（GB5751-86）是采用表征煤的煤）是采用表征煤的煤化程度的主要参数，即干燥无灰基挥发分化程度的主要参数，即干燥无灰基挥发分Vdaf作为分类指标，作为分类指标，将煤分为三大类

7、，褐煤、烟煤和无烟煤。凡将煤分为三大类，褐煤、烟煤和无烟煤。凡Vdaf 9%的煤的煤为为无烟煤无烟煤， Vdaf =940%的煤为的煤为烟煤烟煤， Vdaf 40%的的煤为煤为褐煤褐煤。 Vdaf =919%的煤习惯上也称为的煤习惯上也称为贫煤贫煤。 煤的类别煤的类别CdafHdafOdafNdaf褐褐 煤煤60774.56.615301.02.5烟烟 煤煤73934.06.82150.72.2无烟煤无烟煤89980.84.0130.31.5气体燃料干湿成分组分的换算气体燃料干湿成分组分的换算 设设100 m3湿气体湿气体 H2Os m3 100- H2Os m3 干气体干气体 （相对量变，绝

8、对量不变）（相对量变，绝对量不变）)OH100%(100%s2gsXX%100OH100%s2gsXX?OHs2 饱水蒸气含量表饱水蒸气含量表含湿量含湿量h（g/m3干气体）即查出干气体）即查出对应下对应下1m3干气体所吸收的水蒸气重量，然后换干气体所吸收的水蒸气重量，然后换算成水蒸汽体积算成水蒸汽体积(重量重量体积体积) ：干气体）33/(00124. 01000184 .22mmhhVq10000124. 0100124. 02hhOHs2.2.5 燃料的热值燃料的热值 固体，液体燃料发热量计算固体，液体燃料发热量计算 算据元素分析用经验式估氧弹热量计测)(经验公式很多，其中较为精确且应用

9、较广的是门捷列夫经验公式很多，其中较为精确且应用较广的是门捷列夫经验式经验式， )(2630081187. 4,ararararargrSOHCQkJ/kg6)(2624681187. 4,ararararararnetMSOHCQkJ/kg准且方便2.2.5 燃料的热值燃料的热值%23383%59482%35906%10794%1264424242SHHCCHHCOQnet(KJ/Nm3) %25364%63438%39842%12753%1264424242SHHCCHHCOQgr(KJ/Nm3) 气体气体H2COCH4C2H4C2H6H2S.KJ/Nm310794 1264435906

10、59482 6439723383.可燃气体可燃气体 （kJ/Nm3）netQ标准煤标准煤标准燃料（假想），人为规定（收到基）热值标准燃料（假想），人为规定（收到基）热值 33,/29309Kcal/Nm7000187. 4:kJ/kg 29309Kcal/kg7000187. 4:NmkJQQarnetarnet气体燃料固体燃料煤的工业分析煤的工业分析用途用途方法方法计算计算灰灰熔熔点点角角锥锥法法DT变形温度变形温度T1ST软化温度软化温度T2FT流动温度流动温度T3组组成成气气氛氛在氧化气氛下的灰熔点比在还原在氧化气氛下的灰熔点比在还原气氛下高气氛下高40170燃煤装置炉膛出口烟气温度应低

11、于燃煤装置炉膛出口烟气温度应低于T2150液体燃料分类及加工方法液体燃料分类及加工方法 天然液体燃料天然液体燃料石油及其加工产品石油及其加工产品 人造液体燃料人造液体燃料从煤中提炼出的各种燃料油从煤中提炼出的各种燃料油重油的种类重油的种类 我国重油分四种牌号：我国重油分四种牌号：20，60，100，200号重油号重油 命名原则：根据该种重油在命名原则：根据该种重油在50时的恩式时的恩式粘度来确定的粘度来确定的评价油的使用安全性的参数评价油的使用安全性的参数 闪点闪点(flash point)：油加热时，表面油蒸气与空气混合，：油加热时，表面油蒸气与空气混合，当与火焰接触，发生闪火现象时油的最低

12、温度。闪点分当与火焰接触，发生闪火现象时油的最低温度。闪点分开口闪点和闭口闪点。开口闪点和闭口闪点。重油的闪点为重油的闪点为80130 （开）；（开）；汽油在常温下能达到闪点温度（闭）汽油在常温下能达到闪点温度（闭） 燃点燃点(fire point)：闪火后能继续燃烧而不熄灭时油的最：闪火后能继续燃烧而不熄灭时油的最低温度，低温度，重油的燃点一般比闪点高重油的燃点一般比闪点高10-30左右左右 着火点着火点(autoignition temperature/ kindling point)：没有：没有点火源，油能自燃的温度点火源，油能自燃的温度 重油的着火点为重油的着火点为:500600, 闪

13、点低的燃料油着火点也越低闪点低的燃料油着火点也越低 粘度粘度Viscosity 粘度：质点之间的摩擦力。评价油的流动特性，粘度：质点之间的摩擦力。评价油的流动特性，与输送和燃烧有关。与输送和燃烧有关。 恩氏粘度（比粘度、条件粘度）恩氏粘度（比粘度、条件粘度） t时时200ml油流出时间油流出时间 Et= 20时时200ml水流出时间水流出时间 重油的粘度不能太大：重油的粘度不能太大： 泵前：泵前：30-40 Et 烧嘴前：烧嘴前：2.5-3.5Et（对于压力雾化喷嘴）（对于压力雾化喷嘴）其他粘度 动力粘度（动力粘度（Pa.s） 运动粘度（运动粘度（m2.s）=动力粘度动力粘度/密度密度 我国过

14、去燃料油行业标准用我国过去燃料油行业标准用80 和和100 恩氏粘度作为质量控制指标，现在用恩氏粘度作为质量控制指标，现在用40 （馏分型燃料油）和（馏分型燃料油）和100 （残渣（残渣型燃料油）运动粘度型燃料油）运动粘度 运动粘度与恩氏粘度的关系：运动粘度与恩氏粘度的关系：410)063. 0073. 0(EE2.5 气体燃料气体燃料转炉煤气转炉煤气转炉炼钢过程的副产品，每吨钢约产气转炉炼钢过程的副产品，每吨钢约产气90m3高炉煤气高炉煤气高炉炼铁过程得到的副产品，高炉的燃高炉炼铁过程得到的副产品，高炉的燃料的热量约有料的热量约有60%转移到高炉煤气中转移到高炉煤气中焦炉煤气焦炉煤气炼焦生产

15、的副产品，也称为荒焦炉煤气炼焦生产的副产品，也称为荒焦炉煤气发生炉煤气发生炉煤气将固体燃料在煤气发生炉中进行气化而将固体燃料在煤气发生炉中进行气化而得到的人造气体燃料得到的人造气体燃料天然气天然气 优质气体燃料，产地在石油产区或为单优质气体燃料，产地在石油产区或为单纯的天然气田纯的天然气田液化石油气液化石油气石油炼制副产品，开采石油、天然气分石油炼制副产品，开采石油、天然气分离得到离得到气体燃料的成分气体燃料的成分高炉煤气高炉煤气主要可燃成分为主要可燃成分为CO，25%-35%，H22%-3%,CH41%,还含有大还含有大量的量的N2和和CO2，占占63%-70%焦炉煤气焦炉煤气可燃成分为可燃

16、成分为H2，55%-60%；CH4，24%-28%，CO，6%-8%发生炉煤气发生炉煤气（气化炉煤气）（气化炉煤气）空气发生炉煤气：气化剂：空气。空气发生炉煤气：气化剂：空气。CO，20%-30%H2，15%，N2，50%-60%水煤气：气化剂：水蒸气。水煤气：气化剂：水蒸气。 CO,40%-45%H2,45%-53%混合发生炉煤气：气化剂：空气水蒸气。混合发生炉煤气：气化剂：空气水蒸气。CO和和H2,40%天然气天然气甲烷甲烷80%-90%以及乙烷等饱和碳氢化合物以及乙烷等饱和碳氢化合物液化石油气液化石油气 丙烷、丁烷、丙烯、丁烯丙烷、丁烷、丙烯、丁烯气体燃料的发热量气体燃料的发热量高炉煤气

17、高炉煤气不高，不高，37624180KJ/m3理论燃烧温度：理论燃烧温度：14001500焦炉煤气焦炉煤气很高，很高，1589017140KJ/m3多与高炉煤气或发生炉煤气混合使用多与高炉煤气或发生炉煤气混合使用发生炉煤气发生炉煤气空气发生炉煤气：空气发生炉煤气：3780-4620KJ/m3水煤气：水煤气：10080-11340KJ/m3，高热值煤气高热值煤气混合发生炉煤气：混合发生炉煤气：5040-6720KJ/m3天然气天然气 热值最高，热值最高，3344041800KJ/m3液化石油气液化石油气45.1-15.9MJ/kg（液态），（液态），87.8-108.7MJ/kg （气（气态）态

18、）Q高：Q焦：Q天： Q液化=1：4：10 ：25 第第3章章 工程燃烧计算工程燃烧计算 学习目的：学习目的： 掌握燃烧空气量的计算掌握燃烧空气量的计算 掌握烟气量的计算掌握烟气量的计算 掌握燃烧温度的计算掌握燃烧温度的计算 3.2 燃烧空气量的计算燃烧空气量的计算 则则 1kg燃料完全燃烧所需的燃料完全燃烧所需的O2的体积量（的体积量（m3）为：）为： VO2=(1.866Car5.56Har0.7Sar0.7Oar)/100 1kg燃料燃烧所需的燃料燃烧所需的理论空气量体积数和质量数理论空气量体积数和质量数可按下式计算：可按下式计算： V0= VO2/0.21=0.0889Car0.265

19、Har0.0333Sar0.0333Oar m3空气空气/kg燃料燃料 L0=1.293 V0= 0.115Car0.343Har0.043Sar0.043Oar kg空气空气/kg燃料燃料 式中，式中， 1.293干空气在标准状态（干空气在标准状态（0,101.3kPa）下的密度，）下的密度，kg/m3.如如 1kg燃料中收到基碳含量为燃料中收到基碳含量为Car/100（kg），氢含量为），氢含量为Har/100 （kg），硫含），硫含量为量为Sar/100 （kg），）， Oar/100 （kg）3.2 燃烧空气量的计算燃烧空气量的计算 烟气分析中常将碳和硫的烟气分析中常将碳和硫的燃烧产物

20、燃烧产物CO2和和SO2的容积一起测定的容积一起测定，记，记为为RO2， 可将可将碳和硫碳和硫的完全燃烧反应式写成的完全燃烧反应式写成通式通式RO2RO2， 其中其中Rar Car0.375Sar，相当于，相当于1kg燃料中的燃料中的当量碳量当量碳量： V0= 0.0889Rar0.265Har-0.0333Oar (3-9) L0= 0.115Rar0.343Har-0.043Oar (3-10) 对于气体燃料（设含对于气体燃料（设含H2、CO、H2S、CnHm、O2），应按其），应按其收到收到基湿成分为基准基湿成分为基准进行计算：进行计算： V0=4.760.5H2s +0.5COs +1

21、.5H2Ss +(n+m/4) CnHms -O2s/100 (3-11)式中式中 H2s、COs、H2Ss、CnHms、O2s 为气体燃料中各组分的湿成分体为气体燃料中各组分的湿成分体积百分数，积百分数，%。式（。式（3-11）中）中V0是指不含水蒸气的干空气。是指不含水蒸气的干空气。理论空气量仅取决于燃料成分，当燃料确定后其理论空气量仅取决于燃料成分，当燃料确定后其V0 为常数。为常数。3.3 燃烧烟气量的计算燃烧烟气量的计算 3.3.1 理论烟气量的计算理论烟气量的计算 1kg固体或液体燃料固体或液体燃料在在 1的情况下的情况下完全燃烧完全燃烧，所生成的烟气量称，所生成的烟气量称为为理论

22、烟气量（理论烟气量（m3/kg）： Vy0=VRO2+VH2O0+VN20 (3-19) 根据燃烧反应式，式（根据燃烧反应式，式（3-19）右边各项可按下列各式计算：）右边各项可按下列各式计算： VRO2=0.01866 Car0.007Sar= 0.01866 (Car0.375Sar) (3-20) VH2O0=0.111Har0.0124Mar+0.0161V0 (3-21) VN20=0.008Nar+0.79V0 (3-22) 1m3（标况下）气体燃料（标况下）气体燃料在在 1的情况下的情况下完全燃烧完全燃烧，所生成的理，所生成的理论烟气量，可由气体燃料的论烟气量，可由气体燃料的湿成

23、分湿成分按式（按式（3-23）计算：）计算： Vy0=CO2s+COs+2 H2Ss +(n+m/2) CnHms + H2s+H2Os+N2s/100 +0.806 V0 (3-23) 3.3 燃烧烟气量的计算燃烧烟气量的计算 3.3.2 完全燃烧时的实际烟气量计算完全燃烧时的实际烟气量计算 如果如果 1，则，则1kg固体燃料在固体燃料在实际空气量实际空气量Vk下下完全燃烧完全燃烧所产生的所产生的烟气量称为烟气量称为实际烟气量实际烟气量。 与理论烟气量相比，在烟气组分上与理论烟气量相比，在烟气组分上多了一项多了一项O2； 在在烟气总量烟气总量上，多了上，多了过量空气过量空气( 1)V0以及随

24、过量空气带入烟气以及随过量空气带入烟气内的内的水蒸气水蒸气。 实际烟气量可用式（实际烟气量可用式（3-24）计算）计算： Vy=VCO2+VSO2+VN2+VO2+VH2O=VRO2+VN2+VO2+VH2O (3-24) VN2= VN20+0.79 ( 1) V0=0.008 Nar+0.79 V0 (3-25) VO2=0.21 ( 1) V0 (3-26)VH2O= VH2O0+0.0161( -1) V0=0.111 Har0.0124Mar+0.0161 V0(3-27) 1时时1m3（标况下）气体燃料完全燃烧的实际烟气量，可由气体（标况下）气体燃料完全燃烧的实际烟气量，可由气体燃

25、料的湿成分按式（燃料的湿成分按式（3-28）计算：）计算： Vy=Vy0 +1.0161 ( 1) V0 (3-28)产物成分的计算产物成分的计算 为与燃料成分相区别，上标为与燃料成分相区别，上标 （体积百分数）（体积百分数） %100%22222ONOHOSOC按前公式（固液按前公式（固液or气）求气）求 各产物成分各产物成分yV%100%100%100%100%100%2222222222yOyNyOHySOyCOVVOVVNVVOHVVOSVVOC%100产物密度产物密度 有两种方法计算有两种方法计算1按燃料量算（按参加反应物质重量）按燃料量算（按参加反应物质重量）(1kg燃料应除去灰分

26、，燃料应除去灰分，1.293空气标态下密度，空气标态下密度，)固、液体燃料固、液体燃料 kg/m3气体燃料气体燃料yyVmmVm空燃产物ykVVA293. 11001ykVVHCO293. 11004 .2221004 .22282kg/m32按产物量计算按产物量计算%100%22222OOSNOHOC32222222kg/m10022.4O32N28O64SO18HO44C100OH22.418100OC22.4443.4 燃烧温度计算燃烧温度计算 燃烧产物拥有的燃烧产物拥有的物理显热物理显热Qy对于对于1kg燃料可记做燃料可记做hy(kJ/kg) Qy =hycy ty Vy (3-45)

27、Cy烟气的平均比热容，烟气的平均比热容，KJ/（m3. ） ty 实际燃烧温度，实际燃烧温度， Vy 烟气量，烟气量， m3/kg。()()netrkljcrwryyyQhhQQQtc V 假设燃料在假设燃料在绝热系统绝热系统中燃烧，且完全燃烧，此时燃烧产物的温中燃烧，且完全燃烧，此时燃烧产物的温度称为度称为理论燃烧温度理论燃烧温度，即，即 ()netrkljadyyQhhQtc V (3-47) (3-46) 实际燃烧温度实际燃烧温度：3.4 燃烧温度计算燃烧温度计算 理论燃烧温度又称理论燃烧温度又称绝热燃烧温度绝热燃烧温度，表示某种燃料在某一燃烧条，表示某种燃料在某一燃烧条件下所能达到的最

28、高温度。件下所能达到的最高温度。 如果忽略高温气体分解热如果忽略高温气体分解热Qlj，可简化为，可简化为 netrkadyyQhhtc V 如果将燃烧条件规定为空气和燃料均不预热，且规定过量空气如果将燃烧条件规定为空气和燃料均不预热，且规定过量空气系数系数 1，则，则燃烧温度只与燃料性质燃烧温度只与燃料性质有关，称为有关，称为理论发热温度理论发热温度： 0netfyyQtc V 引入引入修正系数修正系数，则实际燃烧温度，则实际燃烧温度ty可按式（可按式（3-50）计算，即）计算，即 ty = tad (3-50) (3-48) (3-49) 3.4 燃烧温度计算燃烧温度计算 三、理论燃烧温度的

29、计算三、理论燃烧温度的计算 计算理论燃烧温度：计算理论燃烧温度： 影响理论燃烧温度的因素影响理论燃烧温度的因素主要有：主要有：（1）燃料的种类和热值：理论燃烧温度正比于）燃料的种类和热值：理论燃烧温度正比于Qnet/Vy；（2）过量空气系数：）过量空气系数：越大，烟气量越大，烟气量Vy越大，理论燃烧温度越低越大，理论燃烧温度越低（3）空气和燃料的预热温度：越大，理论燃烧温度越高）空气和燃料的预热温度：越大，理论燃烧温度越高（4）空气的富氧程度：）空气的富氧程度： 相同空气量下，氧浓度越大，理论燃烧温相同空气量下，氧浓度越大，理论燃烧温度越高。度越高。()netrkljadyyQhhQtc V3

30、.5 燃烧检测及燃烧效率燃烧检测及燃烧效率 3.5.2 燃烧方程式燃烧方程式-用于验证烟气成分分析的正确性用于验证烟气成分分析的正确性（1）完全燃烧方程式）完全燃烧方程式 RO2(1+)+O2 = 21 燃料特性系数燃料特性系数 (3-74)（2）不完全燃烧方程）不完全燃烧方程 RO2(1+)+O2 +(0.605+)CO= 21 (3-75)（3）气体分析方程气体分析方程RO2(1+)+O2 +(0.605+)CO-0.185H2-(0.58-)CH4= 21 (3-76) 在现代电站锅炉中在现代电站锅炉中，燃烧较充分，燃烧较充分，CO含量很低，用奥氏烟含量很低，用奥氏烟气分析仪难以测准。可

31、按下式计算出烟气中气分析仪难以测准。可按下式计算出烟气中CO含量：含量：2221 (1)0.605ROOCO（4）燃料特性系数）燃料特性系数 燃料特性系数燃料特性系数是一个无因次数，仅取决于燃料的元素成分是一个无因次数，仅取决于燃料的元素成分C、H、O、N、S。 (3-77) 3.5 燃烧检测及燃烧效率燃烧检测及燃烧效率 3.5.3 过量空气系数的检测计算过量空气系数的检测计算 在燃烧设备的在燃烧设备的设计设计中，中，过量空气系数过量空气系数 是根据实践经验与工艺条是根据实践经验与工艺条件或参考相关标准选取的。件或参考相关标准选取的。 对于对于运行运行中的燃烧设备，其中的燃烧设备，其过量空气系

32、数过量空气系数是根据是根据烟气分析测得烟气分析测得的烟气成分确定的的烟气成分确定的。 过量空气系数：过量空气系数： 固体液体燃料不完全燃烧时固体液体燃料不完全燃烧时过量空气计算式：过量空气计算式： (3-86) 气体燃料不完全燃烧时气体燃料不完全燃烧时的过量空气计算式：的过量空气计算式： (3-91) 3.5 燃烧检测及燃烧效率燃烧检测及燃烧效率 燃烧效率燃烧效率c100q3q4 (3-94)q3为可燃气体不完全燃烧热损失；为可燃气体不完全燃烧热损失；q4为固体燃料不完全燃烧热损失；为固体燃料不完全燃烧热损失；243(12600108003580059100)gynmrVCOHCHC HqQ4

33、33727100100100fhfhcjcjarlzlzrfhlzcja Ca CAa CqQCCC414 4 燃烧理论基础燃烧理论基础 学习目的：学习目的： 掌握燃烧反应的热力学知识掌握燃烧反应的热力学知识 确定化学反应的速度以及各种因素对反应确定化学反应的速度以及各种因素对反应速度的影响速度的影响 研究化学反应的机理研究化学反应的机理-从反应物到生成从反应物到生成物的所经历路径。物的所经历路径。 424.1 4.1 燃烧反应的热力学基础燃烧反应的热力学基础燃料燃烧所释放的能量以焓燃料燃烧所释放的能量以焓( (等压燃烧等压燃烧) )或内能或内能 ( (等容燃烧过程等容燃烧过程) )的变化形式

34、表现出来。的变化形式表现出来。燃烧过程的能量转换：化合物的生成焓、反应焓及燃烧燃烧过程的能量转换：化合物的生成焓、反应焓及燃烧焓焓概念的区别与判断概念的区别与判断任意温度下反应焓的计算任意温度下反应焓的计算基尔霍夫定律基尔霍夫定律 反应焓随温度的变化率等于恒压下生成物和反应物反应焓随温度的变化率等于恒压下生成物和反应物恒压热容差恒压热容差pPrR d HdTpCrCRppPPR| 反应焓与温度的关系反应焓与温度的关系)(12,RPTRTRhrhpHH积分后积分后4.2 化学反应动力学基础化学反应动力学基础4.2.1 基 本 概 念4.2.2 化学反应速度4.2.3 链锁反应理论 4.2.4 化

35、 学 平 衡 45化学反应速度既可以用反应物浓度的减少化学反应速度既可以用反应物浓度的减少来表示，也可以用生成物浓度的增加来表来表示，也可以用生成物浓度的增加来表示。但均示。但均为为正值。正值。 dCwd , , ,a Ab Bg Gh Ha b g h 为各物质的分子数例：例： .ABGd Ad Bd Gwwwddd 定比定律定比定律 1111ABGHwwwwabgh一般实际中以较容易测一般实际中以较容易测得的物质的浓度变化来得的物质的浓度变化来表示反应速度。表示反应速度。 mw46质量作用定律：反应物浓度与反应速度的关系 一、表述：一、表述：当温度不变时，某化学反应的反应速度与该瞬当温度不

36、变时，某化学反应的反应速度与该瞬间各反应物浓度的乘积成正比例，如果该反应按照某化学间各反应物浓度的乘积成正比例，如果该反应按照某化学反应方程式一步完成（简单，基元反应），则每种反应物反应方程式一步完成（简单，基元反应），则每种反应物浓度的方次即等于化学反应方程式中的反应比例常数。浓度的方次即等于化学反应方程式中的反应比例常数。a Ab Bg Gh H abmwk AB注意此时应是简单反应注意此时应是简单反应或基元反应或基元反应 k：化学反应速度常数，也称：化学反应速度常数，也称比速度。（比速度。（意义：意义：反应物浓度反应物浓度均为单位均为单位1时的反应速度）时的反应速度）书书中符号中符号kn

37、反映了进行燃烧化学反应难易反映了进行燃烧化学反应难易的性质（活性，反应能力），的性质（活性，反应能力），该值仅与反应物的种类和温度该值仅与反应物的种类和温度有关，与压力和浓度无关。有关，与压力和浓度无关。 反应级数反应级数 化学反应速度表达式中浓度指数之和化学反应速度表达式中浓度指数之和 a Ab Bg Gh H mwk ABnn n 就是反应级数就是反应级数 nab 对于基元反应对于基元反应 n n 代表了反应快慢，由实验测定（整数，分数，代表了反应快慢，由实验测定（整数，分数，0 0）。）。a+ba+b是化学方程式反应比例系数，方程的是化学方程式反应比例系数，方程的质量平衡。两者概念不同，

38、请注意区别。质量平衡。两者概念不同，请注意区别。48一、一、0 0级反应：级反应：n=0n=0 0 cdCwk Ckd 00,CC0:0 : CCC0CCk 积分：积分：001/21/2 22CCCk C线性变化1/20C半衰期半衰期：49二、二、1 1级反应：级反应：n=1n=111 cdCwk Cd 00,CC0:0 : CCC01lnlnCCk 积分：积分： 01/21/21ln2 2CCk半衰期半衰期501/20C与初始浓度无关 全部燃尽时 煤，重油燃烧时 n=1.0 51三、三、2 2级反应：级反应：n=2n=222 cdCwk Cd 00,CC0:0 : CCC2011kCC积分：

39、积分：01/21/2201 2CCk C半衰期半衰期：521/ C线性变化1/201/C 烃类烃类n=2，轻油燃烧时，轻油燃烧时n=1.52.0 k53压力对化学反应速度的影响压力对化学反应速度的影响 mwk AB/iiiiiCMVpRTpxpiipCxRT对于理想气体对于理想气体 一级反应一级反应 11mpwkCkxRT21212()mpwkC Ckx xRT 二级反应二级反应 n n 级反应级反应 nmwp nmRTpxkxw)(21BA Ap54引入燃尽时间的概念引入燃尽时间的概念 单位时间的反应（整个燃烧体积内的）单位时间的反应（整个燃烧体积内的） 11nnmwVppp 燃尽时间：燃尽

40、时间：111rjnmwVp550 prjn1 prjn 12 rjnp因此有 mwp2prj1/ p无关无关燃气（油）燃气（油） 微正压微正压n=2燃煤燃煤 (常压常压)n=1燃煤：燃煤：rjrj对燃油燃气锅炉，允许正压燃烧：对燃油燃气锅炉，允许正压燃烧：rj与压力无关与压力无关56二、阿累尼乌斯定律二、阿累尼乌斯定律 ArrheniusArrhenius在一系列等温条件下实验测定了反应物浓在一系列等温条件下实验测定了反应物浓度随时间变化关系，发现反应常数度随时间变化关系，发现反应常数k k与温度的关系，与温度的关系，温度对化学反应速度的巨大影响主要表现在反应常数温度对化学反应速度的巨大影响主

41、要表现在反应常数上，建立了阿累尼乌斯定律：上，建立了阿累尼乌斯定律： 0exp()EkkRTk0：频率因子频率因子（书中符号（书中符号A），与温度有关），与温度有关E：活化能，与反应物温度及浓度无关活化能，与反应物温度及浓度无关 57活化分子起化学反应时的能量变化：活化分子起化学反应时的能量变化： 反应初，分子吸收一批能量，反应初，分子吸收一批能量，每每mol吸收吸收E 随着反应进行，再放出大量能量；随着反应进行，再放出大量能量； 放出能量放出能量E化学反应燃烧热化学反应燃烧热QEQ活化络合物活化络合物活化络合物的过渡态理论活化络合物的过渡态理论58催化剂能加快化学反应速度的实质是催化剂有效地

42、降低了反应活化能E 加入催化剂后，并不改变反加入催化剂后，并不改变反应物和生成物的相对能量，应物和生成物的相对能量，除活化能降低外，不改变反除活化能降低外，不改变反应物和生成物的初始态和终应物和生成物的初始态和终态。态。特别指出：特别指出：催化剂只能加快催化剂只能加快热力学上认为可能进行的反热力学上认为可能进行的反应。对热力学上计算不能进应。对热力学上计算不能进行的反应，任何催化剂都是行的反应，任何催化剂都是没用的。没用的。 能能 量量 水水 平平 反应进程反应进程 Q 不变 E1 E2 催化作用 59链锁反应链锁反应 由反应本身所创造的活化分子数目远远超过麦由反应本身所创造的活化分子数目远远

43、超过麦-玻玻定定律所决定的分子数目。律所决定的分子数目。 定义：是一种在反应过程中含有自由原子或自由基等定义：是一种在反应过程中含有自由原子或自由基等活化物质的特殊反应，如果通过某一种方式将其引发，活化物质的特殊反应，如果通过某一种方式将其引发，便相继发生一系列的链锁反应，使反应一环扣一环的便相继发生一系列的链锁反应，使反应一环扣一环的不断进行下去。不断进行下去。 链锁反应过程可分为直链反应和分链锁反应过程可分为直链反应和分枝链反应。枝链反应。60一、链一、链锁锁反应基本过程反应基本过程 a) 链的激发（引发）链的激发（引发）b）链的传递）链的传递（传播）（传播）c）链的断裂（中断）链的断裂（

44、中断）61直直链链分分枝枝链反应链反应链中断链中断62氢的链锁反应一、燃烧化学反应机理一、燃烧化学反应机理 H2分解成氢原子分解成氢原子H 活化中心的形成活化中心的形成 其中其中M 是是除除H2以外的其他高能分子以外的其他高能分子MHHOMOH22263 氢原子氢原子H（活化中心）与（活化中心）与 O2发生化学反应发生化学反应 2HOOOH2OHHOH活化能活化能=75.4kJ/mol （2） 活化能活化能=41.9kJ/mol （1） 活化能活化能=25.1kJ/mol （3） 总反应方程为总反应方程为 222323HHOH OH22222HOH OOHHHOH2264二、讨论二、讨论质量作

45、用定律和阿雷尼乌斯定律适用于式（1）-（3）的每一步反应。而不能套用到总反应方程 式(2)决定了整个反应的速度，所以氢燃烧化学反应速度为2HOOOH)1054. 7exp(40RTkk22OHOHmCkCddCw65氢原子氢原子H是是H2燃烧反应中的活化中心，故研究氢燃烧反应中的活化中心，故研究氢原子原子H浓度的变化浓度的变化 HHHHdCwfCgCd氢原子氢原子浓度变化浓度变化氢原子初氢原子初生生速度速度氢原子繁氢原子繁殖速度殖速度氢原子销氢原子销毁速度毁速度繁殖繁殖比例常数比例常数销毁销毁比例常数比例常数66fgHwgfHCfgfglim( 1)HHHwwCfggfHHCwexpHCAfg

46、渐近线f=g是从稳态向是从稳态向自行加速的非稳自行加速的非稳态过渡的临界条态过渡的临界条件，所以此条件件，所以此条件为链锁着火条件为链锁着火条件67mwfgyuwyumw 反应物耗尽反应物耗尽 浓度上升浓度上升,链的链的孕育时间可以减小孕育时间可以减小。孕育。孕育期的长短取决于活化中心的浓度、温度、期的长短取决于活化中心的浓度、温度、容器形状以及壁面材料等。容器形状以及壁面材料等。68CO燃烧反应燃烧反应 CO燃烧也是分支链反应，燃烧也是分支链反应，H2和水蒸气对和水蒸气对CO燃烧有触媒作用。所以，燃烧有触媒作用。所以，CO反应分反应分“干干燥燥”和和“潮湿潮湿”两种情况。两种情况。 烃的燃烧

47、反应烃的燃烧反应 一、 有O2燃烧反应机理 高高C级的烷级的烷-同一同一C级的醛级的醛-低一低一C级的烷级的烷-甲醛甲醛 二、缺O2燃烧反应裂解69平衡常数 CkCDkkABk kC C仅是温度函数，与反应物及生成物浓度无关，仅是温度函数，与反应物及生成物浓度无关，可用浓度来计算。因为可用浓度来计算。因为K K+ +，K K均只是物料种类和均只是物料种类和温度的函数。温度的函数。 用成分分压力来表示平衡常数：用成分分压力来表示平衡常数： /AApAMVRTCDpABppkpppCkkRT 上标表示反应中分子的增加数目上标表示反应中分子的增加数目 4.2.4 化学平衡化学平衡70二、平衡常数与温

48、度的关系二、平衡常数与温度的关系 E1QE2正向正向反向反向12exp()exp()EkRTEkRT71三、影响化学平衡因素外界条件改变，平衡被破坏。系统变化遵循吕外界条件改变，平衡被破坏。系统变化遵循吕查德里反抗查德里反抗规则：当化学平衡由于某一外因（规则：当化学平衡由于某一外因（T,PT,P或成分含量）而被破或成分含量）而被破坏时平衡将向反抗这一外因的方向移动。坏时平衡将向反抗这一外因的方向移动。 压力增加，平衡将向分子数减少的方向移动；压力增加，平衡将向分子数减少的方向移动； 压力减小，平衡将向分子数增多的方向移动；压力减小，平衡将向分子数增多的方向移动； 温度升高，平衡将向吸热方向移动

49、，抵抗温度升高温度升高，平衡将向吸热方向移动，抵抗温度升高 的影响；的影响； 温度降低，平衡将向放热方向移动，抵抗温度降低的影响；温度降低，平衡将向放热方向移动，抵抗温度降低的影响； 如果增加可逆反应中某一种成分，平衡将向消耗这种组分方如果增加可逆反应中某一种成分，平衡将向消耗这种组分方向移动。向移动。5 着火过程 5.1 着火过程和着火温度着火过程和着火温度5.2 点火过程点火过程5.3 着火浓度界限着火浓度界限5.4 燃烧室中的着火和熄灭燃烧室中的着火和熄灭1、绝热条件下的自燃过程、绝热条件下的自燃过程(1) 燃料浓度与温度的变化关系燃料浓度与温度的变化关系燃料在反应过程中的放热率（产热率

50、）可燃料在反应过程中的放热率（产热率）可用下式表示用下式表示00()()AAvQ CCc TT5.1 着火过程和着火温度着火过程和着火温度max0max0AATTCCTT2max()ERTdTTeTTdt热自燃必要条件：速度的增长率大于零，即热自燃必要条件：速度的增长率大于零，即0dwdt(3) 绝热反应的着火条件绝热反应的着火条件vdCdT-Qcdtdt( , )wf C T()()TCdwwdCwdTdtCdtTdt0dwdt热自燃必要条件热自燃必要条件绝热反应能量方程（绝热反应能量方程（5-1）绝热反应着火条件绝热反应着火条件物理意义：温度升高物理意义：温度升高使反应速度的增加速使反应速

51、度的增加速率超过燃料消耗引起率超过燃料消耗引起反应速度的下降速率反应速度的下降速率时，在绝热条件下才时，在绝热条件下才会发生热自燃会发生热自燃TcvCwTwcQ)()(2、散热条件下的自燃过程、散热条件下的自燃过程0EEnRTRTAQqwVqVk C eAe00()()AQTTB TTVW/m3 着火温度的数学表达式着火温度的数学表达式 设已知切点设已知切点C处相应的温度为着火温度处相应的温度为着火温度TB。则有则有T TB B的条件为：的条件为： BBTT2TT1QQBBTT2TT1TQTQ热自燃的充热自燃的充分必要条件分必要条件 将将T TT TB B代入上式代入上式： ）（0BBTTB)

52、RTEAexp(B)RTEexp(RTEA2B2B式相除得：式相除得： ERTTT2B0BRET4RE2RET022B取负号，故取负号，故 RET4RE2RET022B将根号展开为级数：将根号展开为级数： 330322020BETR4ETR2ERT21R2E2RETERTTT200B忽略忽略3 3次方以后的各项，由此将着火温度次方以后的各项，由此将着火温度或或ERTTT200B二、链锁自燃理论二、链锁自燃理论1、链锁自燃问题的提出、链锁自燃问题的提出热自燃理论无法解释一些实验现象和结果热自燃理论无法解释一些实验现象和结果氢气氢气+空气的压力极限空气的压力极限着火临界压力与温度关系曲线着火临界压

53、力与温度关系曲线着火半岛着火半岛3、着火半岛现象、着火半岛现象链的繁殖速度几乎不随压力变化；链的繁殖速度几乎不随压力变化；而链的中断速度与压力有关。而链的中断速度与压力有关。压力低，活化分子向器壁扩散容易，压力低，活化分子向器壁扩散容易，增加了与器壁碰撞失去活化的机会；增加了与器壁碰撞失去活化的机会；压力升高，分子浓度增大，链锁中断压力升高，分子浓度增大，链锁中断主要由内部活化中心碰撞导致；主要由内部活化中心碰撞导致；压力进一步升高，反应放热量大于散压力进一步升高，反应放热量大于散热量，热自燃理论占主导。热量，热自燃理论占主导。对于不可燃气体，当有炽热物体靠近时，只带来边界处温对于不可燃气体，

54、当有炽热物体靠近时，只带来边界处温升，没有燃烧放热带来的温升升，没有燃烧放热带来的温升 对于可燃气体，当有炽热物体靠近时，既有温差带来的对于可燃气体，当有炽热物体靠近时，既有温差带来的温升，又有燃烧带来的温升温升，又有燃烧带来的温升2、点燃机理、点燃机理不同温度点火源附面层内温度分布示意图不同温度点火源附面层内温度分布示意图T2为点火温度为点火温度T1T2T3惰性气体惰性气体温度逐渐升高温度逐渐升高着火条件：着火条件：0)(wdxdT5.3 着火浓度界限着火浓度界限无论自燃着火还是强制点火，着火条件都与可燃物的浓度有关。在一定压无论自燃着火还是强制点火，着火条件都与可燃物的浓度有关。在一定压力

55、和温度下，存在一定的着火浓度范围，超出这一范围，混合气便不能着力和温度下，存在一定的着火浓度范围，超出这一范围，混合气便不能着火，这个浓度范围称为火，这个浓度范围称为着火浓度界限着火浓度界限。着火浓度界限受压力、温度、流速、。着火浓度界限受压力、温度、流速、掺杂物等的影响掺杂物等的影响压力对着火浓度界限的影响压力对着火浓度界限的影响表表5-2温度对着火浓度界限的温度对着火浓度界限的影响影响流速和炽热物尺寸影响着火浓度界限流速和炽热物尺寸影响着火浓度界限流速越大，着火范围越小，炽热物尺流速越大，着火范围越小，炽热物尺寸越小，点火界限越小寸越小，点火界限越小掺杂物对着火浓度界限的影响掺杂物对着火浓

56、度界限的影响掺入不可燃气体，着火范围变窄掺入不可燃气体，着火范围变窄浓度（浓度（%）84假设某一空间，例如一个炉膛，内部的气体极强烈地掺混以至炉内温度T、浓度C等物理参数非常均匀进口体积流量：qV气流温度：T0燃料或氧的浓度：C0零元系统体积：V温度：T浓度：C出口温度：T浓度：C5.4 燃烧室中的着火和熄灭燃烧室中的着火和熄灭85系统产热情况系统产热情况 炉膛容积中的产热率炉膛容积中的产热率 按气流可燃成分的消耗率计算按气流可燃成分的消耗率计算 Q：燃料与空气混合物的发热量：燃料与空气混合物的发热量10exp()EQk CVQRT10()VQqCC QvvvqVk)RTE(QCq)RTE(-

57、Vk-C)Q(CCQq-C)Q(C)RTE(-VkCQQ1exp1exp11exp1000000186系统产热情况系统产热情况 如把产热率分如把产热率分摊给每摊给每1m3流流过炉膛的的气过炉膛的的气体，则得单位体，则得单位产热量产热量01100exp()1vC QQqEqRTk单位产热量单位产热量q1与温度与温度T的关系的关系停留时间0 = V/qV 0C0Qq1T87系统产热情况系统产热情况 如把产热率分如把产热率分摊给每摊给每1m3流流过炉膛的的气过炉膛的的气体，则得单位体，则得单位产热量产热量01100exp()1vC QQqEqRTk单位产热量单位产热量q1与温度与温度T的关系的关系停

58、留时间0 = V/qV 0C0Qq1T88系统散热情况系统散热情况 气流所带走的散热量：气流所带走的散热量： 每每1m3气体的单位散热量气体的单位散热量 ：220()pVQqc TTq20()VpQqcTTTT0q2单位散热量单位散热量q2与温度与温度 T 的关系的关系89系统的热工况系统的热工况a)如果交点是如果交点是A，气流熄，气流熄火，这是个稳定点火，这是个稳定点b）如果交点是）如果交点是C，气流，气流正常燃烧，这也是个稳正常燃烧，这也是个稳定点定点c）如果交点是）如果交点是B，是个不，是个不稳定点，如果温度脉动稳定点，如果温度脉动向低温方向，则交点移向低温方向，则交点移动到动到A点，发生熄火；如点，发生熄火；如果温度脉动向高温方向，果温度脉动向高温方向，则交点移动到则交点移动到C点，正常点，正常燃烧燃烧系统的燃烧热工况系统的燃烧热工况q2Cq1q2q2ACBAqT各种因素对零元系统燃烧稳定性的