1、第三章 燃燒基本原理,要求：掌握射流混合過程；燃燒反應(yīng)速度和反應(yīng)機(jī)理；理解著火過程，燃燒傳播過程的影響因素。 重點(diǎn)：射流混合過程；燃燒反應(yīng)速度和反應(yīng)機(jī)理,燃燒過程：在燃燒技術(shù)中，把從混合到燃燒反應(yīng)的整個(gè)過程稱為燃燒過程。 燃燒過程所需要的時(shí)間：=混+熱+化 混合所需要的時(shí)間混即可燃分子與氧化劑分子按一定濃度相混合（擴(kuò)散）達(dá)到分子間接觸的時(shí)間； 熱混合后的可燃混合物，為達(dá)到開始反應(yīng)的溫 度所需的加熱時(shí)間； 化完成化學(xué)反應(yīng)所需要的時(shí)間。,燃燒過程分類 依據(jù)各階段的時(shí)間在總時(shí)間中所占 比例不同，燃燒過程可分為： 動(dòng)力燃燒：混熱+化 燃燒過程進(jìn)行的速度主要受可燃物的加熱和化學(xué)反應(yīng)速度的限制。 擴(kuò)散燃燒

2、： 混熱+化 ，燃燒過程進(jìn)行的速度主要受混合速度的限制。 中間燃燒：介于上述二者之間的燃燒過程。,按燃燒室中氣體的流動(dòng)性質(zhì)或參加反應(yīng)的物質(zhì)的物態(tài)來分： 層流燃燒：燃燒室中煤氣、空氣和火焰都是以層流流動(dòng)。 紊流燃燒：火焰氣體為紊流流動(dòng)。 介于二者之間的燃燒的過度性質(zhì)的燃燒。,按參加反應(yīng)的物質(zhì)的物態(tài)： 同相燃燒：燃料和氧化劑的形態(tài)相同。 異相燃燒：燃料和氧化劑的形態(tài)不同。,射流分類,根據(jù)射流噴嘴：,平面射流與圓形射流,根據(jù)射流結(jié)構(gòu)：,直流射流與旋轉(zhuǎn)射流 平行射流與相交射流 環(huán)形射流與同軸射流,根據(jù)射流環(huán)境：,自由射流與受限射流,根據(jù)射流流動(dòng)：,層流射流與湍流射流,3-1 射流混合過程,靜止氣體中的

3、自由射流（煤氣噴射到大氣中的燃燒） 沿射流的的前進(jìn)方向可將射流分為初始段，過 渡段和自模段。 射流的初始段：核內(nèi)各截面上的速度，濃度和溫 度仍保持噴口截面上的u0，C0，T0； 射流的過渡段：勢流核心逐漸縮小至消失，射流 沿程各截面上的速度不斷變化，成相似速度分布。,射流的自模段：射流的充分?jǐn)U展區(qū)，射流各段面 上的軸向速度呈正態(tài)相似分布。 從燃燒學(xué)角度來講,射流核心相當(dāng)于火焰的黑 根，它的長度與噴口形狀,噴嘴出口速度分布及 紊流強(qiáng)度等因素有關(guān)。 Beer：xp=(45)d0，xT=10d0 ceMNHkN： xp=(56)d0,射流軸向速度、軸心濃度的衰減規(guī)律及徑向分布 規(guī)律,射流軸向速度的沿

4、程衰減規(guī)律,射流軸向濃度的沿程衰減規(guī)律,在射流的充分發(fā)展區(qū)，軸向流速的徑向分布具有相似性,在射流的充分發(fā)展區(qū)，濃度的徑向分布,自由射流對周圍氣體的卷吸率,自由射流對周圍氣體的卷吸能力（卷吸率）：,射流向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于橫向的速度脈動(dòng)及粘性，與周圍介質(zhì)產(chǎn)生動(dòng)量交換，帶動(dòng)周圍介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，使射流的質(zhì)量沿流向逐漸增加，這種現(xiàn)象稱為射流的吸卷或引射。,Ricou,Spalding公式為,Hegge,Zijnen公式為,當(dāng)氣體的密度與出流空間的氣體密度（0=s）相等時(shí)，根據(jù)實(shí)測證明，射流流量與軸向距離成正比。,當(dāng)氣體的密度與出流空間的氣體密度（0=s) 應(yīng) 用Thring提出的當(dāng)量直徑de代替噴口直徑d0，即

5、認(rèn)為 直徑de噴出的是密度s的氣體，但噴出速度和動(dòng)量 仍保持原有數(shù)值u0和G0，根據(jù)動(dòng)量相等的概念：,將當(dāng)量直徑代入卷吸率公式，得到非等溫射流的卷吸率為：,同向平行流中的自由射流 當(dāng)射流出流于同向平行氣流中時(shí)，射流的擴(kuò)展，軸 心速度的衰減，勢流的長度等，都和射流與外圍氣流 之間的速度梯度有關(guān)。速度梯度越小，射流擴(kuò)展及軸 心速度衰減就越慢，勢流的長度也越大，當(dāng)外圍流的 速度與射流本身的流速相等時(shí)，勢流核心將貫穿整個(gè) 流場。 軸向速度的分布公式:,如圖所示為平行射流中軸向速度的衰減情況。表示外圍流速與射流初速之比。當(dāng)流速=0，2.13 時(shí)，勢流核心最小，速度衰減最快，這就說明混合比較強(qiáng)烈。當(dāng)=0

6、2.13，勢流核心越來越大，射流軸心速度衰減變慢。 Forstall和Shapiro曾對這種射流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并提出了下列經(jīng)驗(yàn)公式：,勢流長度：,勢流充分發(fā)展區(qū)軸心速度的衰減：,射流的擴(kuò)展規(guī)律：,截面速度分布：,當(dāng)射流與外圍流的密度不同時(shí)，射流特性不僅與流速比有關(guān)，而且也和密度比有關(guān)，并且是sus / 0u0的函數(shù)。通過密度差對射流特性的影響的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)射流的密度小于外圍流的密度時(shí)，射流的衰減速度會(huì)變快。 交叉射流 以某一角度與主流相交叉的射流叫做交叉射流。在向火焰中噴射二次助燃空氣或稀釋空氣（高速等溫?zé)欤r(shí)，經(jīng)常采用交叉射流。在計(jì)算燃燒裝置時(shí)，必須掌握交叉射流的走向，它在主流中的穿

7、透深度、以及它和主流的混合情況。,交叉射流,其它形式的射流,環(huán)狀射流,同軸射流,旋轉(zhuǎn)射流,旋轉(zhuǎn)射流旋流數(shù),S0.6為強(qiáng)旋流,S0.6為弱旋流,受限射流,3-2 燃燒反應(yīng)速度及機(jī)理,化學(xué)動(dòng)力學(xué)是研究化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和化學(xué)反應(yīng)速率及其影響因素的一門科學(xué),化學(xué)動(dòng)力學(xué)與化學(xué)熱力學(xué)有什么不同？,燃燒現(xiàn)象的本質(zhì)是化學(xué)反應(yīng),單相反應(yīng):在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)組成物質(zhì)都是同一物態(tài)，如都是氣態(tài)或液態(tài)，則此系統(tǒng)為單相系統(tǒng)，在此系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)為單相反應(yīng)。,掌握化學(xué)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)，是弄清燃燒速率及其影響因素以及掌握燃燒污染物形成機(jī)理的前提,化學(xué)反應(yīng)速率,一、化學(xué)反應(yīng)速率的概念,單位時(shí)間內(nèi)，反應(yīng)物（或生成物）濃度的變化量。,定義

8、：,例：,其反應(yīng)速率可以表示為：,濃度及其表示： 濃度：單位體積中所含某物質(zhì)的量。 分子濃度： 摩爾濃度： 質(zhì)量濃度： 摩爾相對濃度： 質(zhì)量相對濃度：,根據(jù)定比定律，化學(xué)反應(yīng)速率與計(jì)量系數(shù)之間有如下關(guān)系：,反應(yīng)速率可以用任一反應(yīng)物或生成物的濃度變化確定 不同反應(yīng)物或生成物確定的反應(yīng)速率可能是不相同的 但它們是相互關(guān)聯(lián)的，都表示同一個(gè)反應(yīng)的速度,二、化學(xué)反應(yīng)的分類,化學(xué)反應(yīng)是具有不同原子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)重新組合的過程。人們把那種能代表反應(yīng)機(jī)理的、由反應(yīng)微粒（分子、原子、離子或自由基等）一步直接實(shí)現(xiàn)的變化稱為“基元步驟”。,由反應(yīng)物經(jīng)一步反應(yīng)直接生成產(chǎn)物的反應(yīng),反應(yīng)不是經(jīng)過簡單的一步就完成，而是要通過生

9、成中間產(chǎn)物的許多反應(yīng)步驟來完成，其中每一步反應(yīng)稱為基元反應(yīng),按反應(yīng)機(jī)理的復(fù)雜程度不同，通常把反應(yīng)分成兩大類：,三、質(zhì)量作用定律,實(shí)驗(yàn)證明，在一定溫度下，通常基元反應(yīng)的反應(yīng)速率是反應(yīng)物濃度的函數(shù)，即：W=f ( C )。,反應(yīng)速度方程式,簡單反應(yīng)或復(fù)雜反應(yīng)的基元反應(yīng)，其反應(yīng)速率與各反應(yīng)物濃度以其化學(xué)計(jì)量系數(shù)為指數(shù)冪的乘積成正比。,質(zhì)量作用定律指出：,通式：,四、化學(xué)反應(yīng)級數(shù)n和反應(yīng)分子數(shù),化學(xué)反應(yīng)級數(shù)是指化學(xué)反應(yīng)速率與濃度呈多少次方的關(guān)系，就稱為幾級反應(yīng)，它是濃度影響反應(yīng)速率大小與快慢的反映。,零級反應(yīng) 一級反應(yīng) 二級反應(yīng) 三級反應(yīng),簡單反應(yīng)：,對于簡單反應(yīng)或基元反應(yīng)，反應(yīng)級數(shù)等于反應(yīng)的分子數(shù),

10、反應(yīng)級數(shù)與反應(yīng)分子數(shù)是兩個(gè)完全不同的概念，反應(yīng)分子數(shù)概念只能用于一個(gè)基元反應(yīng)，反應(yīng)級數(shù)則是實(shí)驗(yàn)測定濃度對反應(yīng)速度的影響的總結(jié)果 反應(yīng)分子數(shù)的概念是用來解釋反應(yīng)機(jī)理的，而反應(yīng)級數(shù)則是用以區(qū)分各種實(shí)驗(yàn)測定的反應(yīng)速度方程式的類型 簡單反應(yīng)的級數(shù)常常與反應(yīng)式中作用物的分子數(shù)相同 反應(yīng)級數(shù)可以不是整數(shù)，如一般碳?xì)淙剂吓c氧的反應(yīng)是1.5級反應(yīng),測定的反應(yīng)速度方程：,例：,實(shí)際反應(yīng)：,三級反應(yīng)，但不是三分子反應(yīng),阿累尼烏斯定律,一、溫度對反應(yīng)速率常數(shù)的影響,反應(yīng)速率隨溫度變化關(guān)系,溫度對反應(yīng)速率的影響，集中反應(yīng)在反應(yīng)速率常數(shù)K上。在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，阿累尼烏斯于1889年提出（a）型反應(yīng)速率常數(shù)K與反應(yīng)溫度

11、T之間的關(guān)系為：,式中為K0頻率因子，Ea為活化能，R為氣體常數(shù),阿累尼烏斯定律反應(yīng)了溫度對反應(yīng)速率的影響 阿累尼烏斯定律是實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果 并不是所有的化學(xué)反應(yīng)都符合阿累尼烏斯定律,符合阿累尼烏斯定律的反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系,二、分子碰撞理論,分子之間需要通過碰撞才能引起化學(xué)反應(yīng) 單位時(shí)間內(nèi)碰撞次數(shù)越多，反應(yīng)速率越快 不是所有的碰撞都會(huì)發(fā)生反應(yīng) 發(fā)生反應(yīng)所需的臨界能量叫活化能,論述：,活化能越小，物質(zhì)的化合能力越強(qiáng) 能量大于活化能的分子為活化分子 活化分子間的碰撞可以發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)速率：,對于氣相反應(yīng)：,由分子碰撞理論可以推出：,三、可逆反應(yīng)與化學(xué)平衡,可逆反應(yīng)：,化學(xué)方程式：,總的反應(yīng)速率

12、：,化學(xué)平衡：,化學(xué)平衡是動(dòng)態(tài)平衡，反應(yīng)物與產(chǎn)物的濃度均不變，但反應(yīng)沒有停止 。,化學(xué)平衡常數(shù)：,溫度對化學(xué)平衡常數(shù)的影響：,Q為反應(yīng)熱，放熱反應(yīng)為正，吸熱反應(yīng)為負(fù),分解復(fù)合反應(yīng)的活化能,影響反應(yīng)速率的因素,一、反應(yīng)物質(zhì)的性質(zhì)對反應(yīng)速率的影響,飽和分子的活化能比較大，根與離子的反應(yīng)活化能趨于0,二、溫度對反應(yīng)速率的影響,溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)速度加快，碰撞能量超過活化能的部分增大，反應(yīng)速度加快。,三、壓力對反應(yīng)速率的影響,一級反應(yīng)：,二級反應(yīng)：,若以相對濃度計(jì)算反應(yīng)速率：,四、反應(yīng)物質(zhì)成分的影響,雙分子反應(yīng),鏈鎖反應(yīng),現(xiàn)象,1、 2、低溫時(shí)磷、乙醚的蒸氣氧化出現(xiàn)冷焰 3、,定義與特性,鏈鎖反應(yīng)物定

13、義： 一種在反應(yīng)歷程中含有被稱為鏈載體的低濃度活性中間產(chǎn)物的反應(yīng)，這種鏈載體參加到反應(yīng)的循環(huán)中，并且它在每次循環(huán)之后都重新生成，這種反應(yīng)稱為鏈鎖反應(yīng)，也稱為鏈反應(yīng)。,鏈載體：自由原子或自由基等,鏈鎖反應(yīng)的特點(diǎn)： 不論用什么方法，只要使反應(yīng)一旦開始，它便能相繼產(chǎn)生一系列的連續(xù)反應(yīng)，使反應(yīng)不斷發(fā)展。 在這些反映過程中始終包括有自由原子或自由基（鏈載體），只要鏈載體不消失，反應(yīng)就一定能進(jìn)行下去。,過程與分類,鏈鎖反應(yīng)的三個(gè)基本步驟： 鏈的引發(fā)（形成） 鏈的增長（發(fā)展） 鏈的中斷（終止） 鏈鎖反應(yīng)分兩大類： 不分枝鏈鎖反應(yīng)（直鏈反應(yīng)） 分枝鏈鎖反應(yīng)（支鏈反應(yīng)）,鏈的形成：,由反應(yīng)物分子生成最初鏈載體的

14、過程。此過程一般藉光化作用、高能電磁輻射或微量活性物質(zhì)的引入等。,鏈的增長：,活性中間產(chǎn)物與原物質(zhì)作用產(chǎn)生新的活性中間產(chǎn)物的過程。鏈的增長可以是直線、不分枝式，也可以是分枝式，即：,不分枝鏈鎖反應(yīng) 分枝鏈鎖反應(yīng),鏈的中斷：,活性中間產(chǎn)物消失或失去活性的過程。,1、兩個(gè)自由原子（活性中心）碰撞后組成一個(gè)正常分子 2、自由原子與分子碰撞后失去能量 3、自由原子與器壁碰撞后失去能量,一、不分枝鏈鎖反應(yīng),氫與氯在光的作用下合成氯化氫：,鏈的形成,鏈的增長,反應(yīng)2比反應(yīng)1快得多，Cl的濃度可看成不變,鏈的中斷,不分枝鏈鎖反應(yīng)的反應(yīng)速度在等溫條件下隨時(shí)間變化有兩種可能：,1、如果反應(yīng)在初始時(shí)活性中間產(chǎn)物的

15、濃度已達(dá)到離解平衡的數(shù)值（最大值），則反應(yīng)速度將隨著反應(yīng)物質(zhì)的濃度下降而減小。 2、如果反應(yīng)在初始時(shí)活性中間產(chǎn)物的濃度未達(dá)到平衡的最大值，則反應(yīng)速度起初較小，而后隨著活性中間產(chǎn)物增多而加快，一直到濃度為平衡數(shù)值時(shí)，然后隨著反應(yīng)物的消耗而減小。,二、分枝鏈鎖反應(yīng)爆炸反應(yīng),氫的氧化反應(yīng)：,鏈的形成,鏈的增長,總的效果：,鏈的中斷,分枝鏈鎖反應(yīng)的特點(diǎn)：,1、反應(yīng)隨著時(shí)間進(jìn)展顯著地自行加速。 2、有感應(yīng)期存在。,從開始反應(yīng)到反應(yīng)顯著加速的這段時(shí)間,可燃?xì)怏w的燃燒反應(yīng)機(jī)理,氫的燃燒反應(yīng)機(jī)理,鏈的產(chǎn)生：,鏈的繼續(xù)及支化：,器壁斷鏈：,空間斷鏈：,氫的反應(yīng)速度,一氧化碳的燃燒反應(yīng)機(jī)理,鏈的產(chǎn)生：,鏈的繼續(xù)：

16、,斷鏈：,鏈的支化：,CO的反應(yīng)速度,適用條件: mO20.05,mH2O=2.02.7%,PK0=(1.12.5)*109,一定水的濃度有利于CO的燃燒反應(yīng)，據(jù)有關(guān)資料介紹，水分的最佳含量為79%。,甲烷的燃燒反應(yīng)機(jī)理,鏈的產(chǎn)生,鏈的繼續(xù),退化分支,鏈的繼續(xù),第九章著火過程,研究著火與熄火的意義：,從無化學(xué)反應(yīng)向穩(wěn)定強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)的過渡過程。,熄火,從穩(wěn)定強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)向無化學(xué)反應(yīng)的過渡過程。,著火,迅速、可靠地點(diǎn)火 穩(wěn)定的燃燒 防火、防爆,點(diǎn)燃（強(qiáng)迫著火）：,鏈鎖（化學(xué)）自燃：,不需要外界加熱，在常溫條件下依靠自身的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的著火過程。,熱自燃：,著火方式,將燃料和氧化劑混合物迅速而均

17、勻地加熱，當(dāng)混合物被加熱到某一溫度出現(xiàn)火焰。,用電火花、電弧、熱板等高溫源使混合氣局部受到強(qiáng)烈地加熱而先著火，然后火焰?zhèn)鞑サ秸麄€(gè)空間。,著火方式的區(qū)別與聯(lián)系,鏈鎖自燃與熱自燃均為整個(gè)空間的著火過程，鏈鎖自燃基于鏈鎖反應(yīng)機(jī)理，熱自燃基于熱活化機(jī)理，但前者也有熱的作用，后者也有活性中間產(chǎn)物的作用。 熱自燃與點(diǎn)燃的區(qū)別在于整體加熱與局部加熱，著火機(jī)理均基于熱活化。,影響著火與熄火的因素,化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素：燃料性質(zhì)、混氣成分、環(huán)境溫度 流體力學(xué)因素：氣流速度、燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸,第一節(jié) 著火過程和著火溫度,一、著火條件,在一定的初始條件（閉口系統(tǒng)）或邊界條件（開口系統(tǒng)）下，由于化學(xué)反應(yīng)的劇烈加速，使反應(yīng)系統(tǒng)

18、在某個(gè)瞬間或空間的某部分達(dá)到高溫反應(yīng)態(tài)（即燃燒態(tài)），那么實(shí)現(xiàn)這個(gè)過渡的初始條件或邊界條件為“著火條件”。著火條件不是一個(gè)簡單的初溫條件，而是化學(xué)動(dòng)力參數(shù)和流體力學(xué)參數(shù)的綜合函數(shù)。,閉口系統(tǒng)：,開口系統(tǒng)：,利于著火的因素：反應(yīng)放熱（放熱量與放熱速率） 不利于著火的因素：散熱,著火、熄火的本質(zhì)：,著火、熄火就是反應(yīng)放熱因素與散熱因素相互作用的結(jié)果。如果在某一系統(tǒng)中反應(yīng)放熱占優(yōu)勢，則著火容易發(fā)生（或熄火不易發(fā)生），反之，則著火不易，熄火容易。,非穩(wěn)態(tài)分析法,著火、熄火條件的分析方法：,著火是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過程，考察過程隨時(shí)間變化，確定著火條件,二、非穩(wěn)態(tài)分析法,分析對象：閉口系統(tǒng) 分析理論：熱自燃理論,熱自燃理論：,基本思想：,反應(yīng)放熱曲線與系統(tǒng)向環(huán)境散熱曲線相切。,當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)與周圍介質(zhì)間熱平衡被破壞時(shí)就發(fā)生著火。,著火臨界條件：,分析模型：,在密閉容器中儲(chǔ)存著具有一定初始溫度的可燃混合氣，在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，也通過容器向外界散熱。,結(jié)果是在容器內(nèi)形成了溫度梯度和濃度梯度，即在容器中心，混氣的溫度較高、濃度較低；在器壁附近，混氣的濃度較高、溫度較低。,計(jì)算單位容積內(nèi)的放熱速率,溫度分布濃度分布,導(dǎo)熱微分方程擴(kuò)散微分方程,謝苗諾夫提出了一種簡化的熱理論，他認(rèn)為容器內(nèi)混氣的溫度和濃度是均勻的，它們只隨時(shí)間變化。,謝苗諾夫的可燃?xì)怏w混合物的熱力著火