燃料与燃烧02

1、第三篇学习重点 学习第三篇要求重点掌握： 1. 燃烧的主要分类：动力燃烧和扩散燃烧 2. 化学反应速度及其影响因素，阿伦尼乌斯定律 3. 连锁反应和支链反应，氢和碳的燃烧反应机理 4. 自燃着火和强制点火，闭口 / 开口体系的着火 条件分析 5. 层流火焰传播速度及其推导，（两区物理模型）燃烧火焰的稳定性，影响层流火焰传播速度的因素；紊流火焰传播速度第三篇 燃烧基本原理 第八章 燃烧反应速度和反应机理n燃料燃烧过程：煤块/油滴/燃气燃烧过程n燃烧是复杂的物理化学过程三传一反： 动量传递（流动） 热量传递 质量传递（扩散） 化学反应 = 混 + （热 + 反 ） = 扩 + 反 n燃烧的基本分类

2、： （1）动力燃烧（动力学控制，预混燃烧）： 反 扩 （2）扩散燃烧 （扩散混合控制）： 扩 反 （3）中间燃烧： 介乎两者之间， 扩 与 反 相当。n其它分类： 按燃料：气 / 液 / 固体燃料燃烧 按气体流动方式：层流 / 紊流 / 过渡燃烧 按反应物物态：均相 / 异相燃烧 按固体床层：层状燃烧（固定床） 沸腾床燃烧 粉煤燃烧（气流床）n1 化学反应速度n一、化学反应速度 单位时间内反应物浓度的变化： W = dC / d （ kMol / m3 s） CO + H 2O = CO2 + H2 W = dCCO2 / d = dCH2 / d = - dCCO / d = - dCH2O

3、 / d C + O2 = CO2 化学反应速度： W = KCn 反应级数 n ； 反应速度常数 K 阿伦尼乌斯定律： K= K0 exp（ E / RT） 频率因子（指前因子）K0 ； 活化能 E； 通用气体常数 R。n二、影响化学反应速度的因素 W = K0 exp（ E / RT）Cn 1. 温度 T 温度升高，反应速度加快；到一定温度 （10000 K）后，增加缓慢 2. 活化能 E 反应本身固有性质；E 高，难于反应 3. 反应物浓度 C 浓度高，反应速度加快（与反应级数 n 有关） 4. 反应物分压 分压大即 p浓度高，反应速度也加快 5. 反应级数 n 由化学反应本身决定 n2

4、 可燃气体的燃烧反应机理n一、链锁反应机理 H2 + O2 = H2O 氢燃烧反应 反应过程中有中间活性产物（活化中心），是自由态原子或基团。活化中心能与反应物继续反应，生成产物的同时又产生新的活化中心。活化中心具有高能量，反应时所需的活化能要低得多，使得反应加快。严重时，甚至会发生爆炸。链锁反应n连锁反应： 直链反应（不分支）： 链锁反应完成后，活化中心数不增加 支链反应（分支）： 链锁反应完成后，活化中心数增加。 支链反应的反应速率大大加快。n二、氢的燃烧反应机理 H2 + 0.5O2 = H2O n1. 链的产生（形成活化中心） H2 + O2 2OH H2 + M 2H + M （ M

5、 为活化分子，M 为惰性分子） O2 + O2 O3 + On2. 链的继续与支化（支链反应） H + O2 OH + O E = 75.4 kJ/Mol 控制反应 2OH + 2H2 2H2O + 2H E = 41.9 kJ/Mol O + H2 OH + H E = 25.1 kJ/Mol H + 3H2 + O2 2H2O + 3H 活化中心增加，反应速度加快n3. 器壁断链（活化中心消失） 2H （碰器壁） H2 2OH（碰器壁） H2 O2 2O （碰器壁） O2n4. 空间断链 H + O2 + M HO2 + M O + O2 + M O3 + M O + H2 + M H2O

6、 + M n感应期 1 开始阶段，得到的能量用以产生活化中心，并不提高反应速度。 等温过程的 绝热过程的 支链反应速度 支链反应速度燃烧反应的控制反应： H + O2 OH + O 反应速度： W = 10-11 T1/2 exp（ 7.54 104 / RT） CH CO2n3 碳的燃烧反应机理n碳粒燃烧过程：扩散、吸附、反应、内扩散、气相反应、脱附 一次反应： C的氧化反应 C + O2 = CO2 + 409 kJ/Mol C + 0.5O2 = CO + 123 kJ/Mol 二次反应： CO2还原反应 C + CO2 = 2CO 162 kJ/Mol CO氧化反应 CO + 0.5O

7、2 = CO2 + 286 kJ/Mol n碳燃烧反应的三种观点： 1. 初次生成CO2 ，再还原成CO 2. 初次生成CO ， 再氧化成CO2 3. *初次同时生成CO2 、CO实验研究结果，多数认同第三种观点，即同时生成CO2 和CO （1）1200-1300 C O2在石墨晶格内溶解：4C + 2O2 = 4C 2（O2）溶 固熔络合物 缓慢分解： 4C 2（O2）溶 + O2 = 2CO2 + 2CO （控制反应） 总反应： 4C + 3O2 = 2CO2 + 2CO （1：1 ） 对于O2是一级反应： W1 = K1 pO2 exp（ E1 / RT） （2）1600 C以上 O2在

8、石墨晶格上吸附： 3C+2O2 = 3C 2（O2）吸 分解反应： 3C 2（O2）吸 = CO2 + 2CO 总反应： 3C + 2O2 = CO2 + 2CO （1：2 ） 对于O2是 0 级反应： W2 = K2 exp（ E2 / RT）n（3） 1300-1600 C （实际情况） 兼有上述两种机理， O2在石墨晶格内溶解生成固熔络合物的同时，在晶格介面上被吸附。 CO2 ：CO 的比例介乎1：1 到1：2 之间。n4 燃烧过程中NOX的生成机理n一、 NOX 的生成机理 烟气中NOX来源于空气以及燃料中N，在高温下生成，造成污染。 NOX NO、 NO2 、 NO3 、 N2O 、

9、 N2O3 、 N2O4 、 N2O5n 1. NO 生成机理（直链反应） N2 + O = NO + N N + O2 = NO + O N2 + O 2 = 2 NO Q NO生成速度与O2 、N2浓度，温度有关。 当有水蒸气时，N + OH H + NO n2. NO2 生成机理 （ NO 的氧化） O2 + M = 2O + M NO + O + M = NO2 + M NO + HOO = NO2 + OHn二、NOX 生成的影响因素n（1）火焰中及最高温度区（燃烧带或之后）生成n（2）烟气在燃烧室停留时间n（3）火焰中N2 、 O2 的浓度，（控制 n）n（4）燃料中Nn三、降低烟

10、气中NOX的方法n（1）降低燃烧燃烧温度水平，防止局部高温n（2）控制空气消耗系数 nn（3）缩短烟气在高温区停留时间n（4）采用低 N 燃料n（5）低NOX燃烧方法： 二段燃烧法 烟气循环法 沸腾燃烧法3 . 改变散热条件 P97 图9-2 Q1 A exp（ E /RT） Q1 发热曲线Q2 散热曲线，着火临界状态 TB 着火温度 Q1 A exp（ E /RT） P|x -x +dx）+ Wqdx = wCPdT 2T/dx2 - wCPdT/dx + Wq = 0 W反应速率2T/dx2 - w CPdT/dx = 0 边界条件 x=x0：T = T0 x=x1：T = TB 设Y= T/dx x=x0：Y0=0 方程为： Y/dx = wCPdT/dx x0 x1 Y1 = wCP（ TB- T0） T/dx|x1 = （wCP /（ TB- T0） 10XX10XX2T/dx2 + Wq = 0 边界条件 x=x1：T = TB, x=x2：T = TK T/dx = 0 Y2=0 设Y= T/dx dx = （T 方程为： Y/dx + Wq = 0 dY= - Wq dx -YdY= Wq dT x1 x2 Y12/2 = TB Tk Wq dT Y1= T/dx|X1