PDF《工程燃烧学》

工程燃烧学 工程燃烧学 主讲教师:王恒前前言言1.

燃烧与社会经济发展的关系 2. 燃烧学科发展简介 3. 本课程学习内容 4. 学习目的与要求 5. 其他(教材、作业、实验与考试) 前言1.燃烧与社会经济发展的关系 1.1 燃烧在生产与生活中的作用 动力 动力 动力 电力 电力 电力 交通 交通 交通 动力机械 动力机械 动力机械 煤粉 锅炉 蒸汽轮机 发电机 汽车 机车 船舶 飞机 火箭 燃气轮机(大型高炉鼓风机等大型动力机械) 热源 热源 热源 冶金 冶金 冶金 机械 机械 机械 建材 建材 建材 陶瓷 陶瓷 陶瓷 玻璃 玻璃 玻璃 炼铁 炼钢(平炉) 轧钢加热炉 炼焦 烧结 热处理炉 工业蒸汽锅炉 水泥回转窑 耐火材料隧道窑 喷雾干燥塔 陶瓷制品烧成窑 玻璃熔窑 热处理炉 取暖 取暖 取暖 集中空调 热水锅炉 前言Introduction 前言1.2 中国燃料消费现状及存在主要问题 化石燃料 储藏量 1994年底 探明储量 1995年 总产量 2001年 总产量 煤炭/亿t

10229 1145 12.98 14.8 石油/亿t

888 39 1.49 1.55 天然气/亿m3 39*104 1.7*104 171.95

250 中国化石燃料的总储量和年产量情况 中国化石燃料的总储量和年产量情况 1.2.1 人均消费水平低 中国能源生产与消费总量名列世界前茅,但人均消费水平是发达 国家的1/8,世界人均的1/3. Introduction 前言石油 17.2% 天然气 3.2% 水电 8.9% 煤炭 70.7% 石油 23.4% 天然气 2.7% 水电 7.8% 煤炭 66.1%

2002 2002年中国能源消费结构 年中国能源消费结构 前言Introduction 1.2.2 能源生产与消费结构不合理

2002 2002年中国能源生产结构 年中国能源生产结构 煤炭石油天然气 核电水电美国24.2 39.1 26.7 8.6 1.4 日本17.6 53.8 11.9 15.3 1.4 英国19.5 36.4 33.3 10.7 0.1 韩国19.2 61.6 7.4 11.6 0.2 世界主要国家能源消费结构 世界主要国家能源消费结构 前言Introduction 前言1.2.3 燃料利用效率低、工艺落后、浪费严重 工业锅炉 电站锅炉 工业炉窑 民用炉灶 燃煤机车 平均热效率 60% 90% 20% ~ 30% 15% ~ 30% 5% ~ 8% 中国热工设备平均热效率 中国热工设备平均热效率 中国行业能耗现状 中国行业能耗现状 行业冶金电力水泥计量单 位kg标煤/t水泥

185 100 指标1037

427 1300 先进国家

629 325

930 合成氨 kg标煤/t钢 g标煤/kW.h kg标煤/t合成氨 前言Introduction 前言1.2.4 燃烧污染严重 SO2 NOx 烟尘 C-H CO 汽车尾气 汽车尾气 汽车尾气 工业炉窑 工业炉窑 工业炉窑 包括烟尘、粉尘、尘粒、超细粉尘 光化学烟雾等 前言Introduction 前言20世纪50年代的伦敦,SO2与大雾作用,产生 硫酸雾. 煤烟型污染 煤烟型污染 煤烟型污染 汽车尾气 型污染 汽车尾气 汽车尾气 型污染 型污染 20世纪60年代的洛杉矶,NOX在强烈阳光作用下, 产生光化学烟雾. 前言Introduction 前言2.燃烧学科发展简介 (1)50万年以前北京猿人已经学会了使用火.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. (2)燃素说(16~17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(1756~1777):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. 前言Introduction 前言(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50~60年代):用经典 力学方法来研究燃烧过程. (7)计算燃烧学(20世纪70年代) (8)燃烧测试技术(20世纪60年代) (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. 前言前言第第1 1章章固体燃料 固体燃料 1.中国煤炭生产及使用概况 中国煤炭资源及其生产和消费状况 中国煤炭资源及其生产和消费状况 全世界中国总量(108 t) 人均(t)总量(108 t) 占世界比重 ( % ) 世界排名 人均 ( t ) 资源量148100

2786 15000 10.1

3 1913 探明可采储量

10300 187.12

1145 11.09

10 98.94 年产量47.17 0.813 13.97 29.6

1 1.141 年耗费量 49.05 0.845 14.47 29.5

1 1.182 状况固体燃料

第一章 固体燃料 Solid Fuels (1)煤炭年产量及消费量居世界第一,但采收率低(30%左右);

(2)在一次能源消费结构中占三分之二以上;

(3)煤炭入洗率低,约为25%,大部分煤炭不经加工直接使用;

(4)煤炭燃烧污染严重,大气污染物中85%的SO2,60%的NOX,75% 的固体悬浮颗粒以及85%的CO2来自于煤炭的燃烧. 煤炭应用领域: (1)电站锅炉(约4700台) (2)工业锅炉(约50万台) (3)工业炉窑(约17万台) (4)炼焦 (5)化工 (6)民用 固体燃料 Solid Fuels

第一章 固体燃料 2.煤炭的种类及其化学组成 2.1 煤炭的分类方法 分类名称 分类依据煤炭种类 应用领域 成因分类 根据成煤原始植物的不同 腐植煤、残植 煤、腐泥煤 科学研究 科学分类 按元素组成等基本性质的不同 科学研究 工业分类 或 技术分类 按工艺性质和应用范围的不同 无烟煤、烟煤、褐煤 工业应用 煤煤炭炭分分类类方方法法2.2 中国煤炭分类 固体燃料

第一章 固体燃料 Solid Fuels 分类指标类别符号包括数码 Vdaf,% G Y,mm b,% PM,% Qgr MJ/kg 无烟煤 WY 01,02,03 10.0 ~ 20.0 10.0 ~ 20.0 >

5 ~20 瘦煤 SM 13,14 >

10.0 ~ 20.0 >

20~65 焦煤 JM

24 15,25 >

10.0~28.0 >

10.0~28.0 >

50~65 >

65 85) >

25.0 1/3焦煤 1/3JM

35 >

28.0~37.0 >

65 85) >

25.0 (>

220) 气煤 QM

34 43,44,45 >

28.0~37.0 >

37.0 >

50~65 >

35 30~50 弱粘煤 RN 22,32 >

20.0~37.0 >

5~30 不粘煤 BN 21,31 >

20.0~37.0 37.0

50 褐煤 HM

51 52 >

37.0 >

37.0 30~50 <

inc V , α c V , α >

<

4 2

52 .

9 88 .

1 88 .

1 H C H O C ′ + ′ + ′

2 76 .

4 O′ c V , α inc V , α 燃烧反应设计计算 不计入水分(只讨论干燃烧产物)时燃烧产物量的变化:

2 4

2 , ,

76 .

4 52 .

7 88 .

0 88 .

1 100

100 O H C H O C V V d c d inc ′ ? ′ + ′ + ′ + = α α 燃烧反应设计计算 3.6 不完全燃烧时燃烧产物量及产物成分的计算 对于化学反应计算,只能对空气消耗系数αi 再设t'

'

4200000 kJ/kmol 反应太慢,认为 不发生反应 燃烧化学反应动力学 2. 阿累尼乌斯反应速率公式 阿累尼乌斯通过大量的实验与理论验证,总结出化学反应速度与反 应温度的关系,有如下三种表达方式:

2 ) (ln RT E dT k d =

0 ln ln k RT E k + ? = ) (

0 RT E e k k ? = 式中 E-反应活化能,kJ/kmol;

R-通用气体常数(或摩尔气体常数),其值为 8.314kJ/kmol.K;

T-反应温度,K;

- 玻尔兹曼因子,在数理统计上表示有效碰撞频率k/k0 = ;

k0-频率因子或指前因子. ) ( RT E e ? ) ( RT E e ? 燃烧化学反应动力学 6.4 压力及其它因素对化学反应速度的影响 1. 压力的影响 由质量作用定律和Arrhenius公式,化学反应速度可表示为: b B a A b B a A C C RT E k C kC W ) exp(

0 ? = = 由摩尔浓度的定义及理想气体的状态方程,有RT p V M C i i i = = 又由道尔顿分压定律 p x p i i = 所以 n b B a A b a b B a A RT p x x RT E k RT p x x RT E k W ) ( ) exp( ) ( ) exp(

0 0 ? = ? = + 一般的化学反应级数 n>

1,因此,提高压力,可以加快反应的进行. 燃烧化学反应动力学 2. 可燃混合气混合比例的影响

2 ) ( RT p x kx C kC W B A B A = = 以简单的双分子反应为例 由于 ,所以 ,带入上式,有1=+BAxxBAxx?=1

2 2 ) )(

1 ( ) ( RT p x kx RT p x kx W A A B A ? = = 对xA取导数 )

2 1 ( ) (

2 A A x RT p k dx dW ? = 当时,反应速度有极值, 这时解得 xA=0.5,xB=1-xA=0.5.

0 = A dx dW 即混合比例为化学当量比时有最 大反应速度 . 0.5 1.0

0 xA W Wmax

2 max ) (

4 1 RT p k W = 燃烧化学反应动力学 3. 反应物的性质 反应的活化能越小,反应的化合能力就越强,反应速度就越 大.饱和分子之间进行化学反应所需活化能较大;

饱和分子与离 子或根之间的反应所需活化能较小;

而离子间进行化学反应,由 于不需要破坏旧的联系,活化能趋近于0,这时的反应速度与温度 的关系很小,反应速度极高. 燃烧化学反应动力学 Combustion chemical kinetics 燃烧化学反应动力学 6.5 几种燃气的燃烧机理 1. 链式反应及氢的反应机理 几乎所有的燃烧反应都不是简单地服从质量作用定律和Arrhenius 定律,因为燃烧反应的许多特点都无法用简单的反应机理来解释.如: a. 经过一个感应期后达到极高的反应速度 例如氢的燃烧反应 2H2 + O2 = 2H2O 按理讲,这是一个三分子反应,需要两个活化的氢分子和一个活化的氧 分子发生碰撞才能发生反应,反应速度是很慢的,但实际情况与之相 反,并且反应过程中出现许多离子、自由根等中间产物;

b. 冷焰现象 有些燃烧反应不需要预热,在很低的温度下即可出现火 焰.例如,磷及乙醚蒸气的氧化所出现的冷焰,在未达到正常着火的 低温下其反应速度已经很高了;

c. 催化作用 例如CO的燃烧反应,加少量的水蒸汽能加快反应的进行. 燃烧化学反应动力学 在化学反应中,出现这种只需较小的活化能便能与气体分子发生化 学反应的中间产物-自由原子和游离基称为活化中心或链载体.这种不 断有活化中心参与循环的反应称为链式反应,按照活化中心在反应过程 中是否增殖,链式反应可分为不分支链反应(或称直链反应)和分支链 反应(或支链反应)两种. 不分支链反应:反应过程中活化中心不增殖.如反应: H2 + Cl2 = 2HCl 具体反应过程为 Cl + H2 HCl + H H + Cl2 HCl + Cl Cl + H2 +Cl2 2HCl + Cl 链反应基本环节 重复以上过程 反应较慢 反应较快 燃烧化学反应动力学 分支链反应:反应过程中活化中心不断增殖.如反应:2H2 + O2 = 2H2O 的具体反应过程为: 1. 链的形成 H2 + M* 2H + M 2. 链的增长(中间反应) H O H H H O H H O H O H O H H H O O H O O H &

&

&

&

&

&

&

&

&

&

+ → + + → + + → + + → +

2 2

2 2

2 2

2 O H + &

2 H H O + &

2 H O + &

O H2

2 O H + &

2 H H O + &

(1) (2) (3) (4)

2 O H + &

2 O H + &

O H2 (1) (2) (3) (4) H O H H O H &

&

3 2

3 2

2 2 + → + + E=75.36*103 kJ/kmol 41.87*103 kJ/kmol 25.12*103 kJ/kmol 41.87*103 kJ/kmol 燃烧化学反应动力学 3. 链的中断

2 2

2 2

2 1

2 1 O wall O O H wall H O H wall H → + → + → + &

&

&

? ? ? + → + + + → + + + → + + M O H M H O M O M O O M O H M O H

2 2

3 2

2 2 &

&

&

器壁断链 空间断链

2 2

2 2 ) exp(

2 0

2 2 O H H O H O H O H C C RT E k dt dC C kC dt dC W ? = ? = = = 化学反应速度: 按化学反应 速度定义写 实际取决于 最慢的反应 燃烧化学反应动力学 反应特点 (1) 反应初期存在一个感应期, 在感应期内反应速度 很低,是一个积累活化中 心的过程. (2) 反应速度是自动加速的, 即使在过程是在等温条件 下进行,反应也会发展成 爆炸性反应.当达到最大 值后,随着反应物的消耗,反应物的浓度和活化 中心浓度都将逐步降低, 反应速度也随之减小. 感应期 反应时间 化学反应速度 燃烧化学反应动力学 3. 碳氢化合物的燃烧的反应机理 碳氢化合物的燃烧反应比CO的燃烧反应更为复杂.与氢燃烧反应 相比,多数碳氢化合物的燃烧反应进行得比较慢,因为碳氢化合物的 燃烧是一种退化的支链反应,即新的链环要依靠中间生成物分子的分 解才能发生.其反应动力学机理仍不十分清楚. 2. CO的燃烧反应机理 干燥的CO与有水蒸气或H2存在的潮湿的CO在空气中的燃烧行为 有很大的区别.干燥的CO与空气或氧气接触,在700℃以下不会发 生化学反应,超过700℃才能着火燃烧,但其中如果掺有2%的水蒸 气,在600~640℃时就迅速着火燃烧.其原因是H2O或H2使反应系 统中存在着HO

2、OH、H等链载体(活化中心),从而使化学反应 加速进行.CO的燃烧反应也是复杂的链锁反应. 燃烧化学反应动力学 6.6 碳的燃烧机理 碳的结晶形式有石墨和金刚石,还有一种人造结晶形式C60 .而煤、烃类及沥青等干馏后生成的焦炭,其结构和性质或为无定型碳或 介于无定型碳与石墨之间. 碳是固体,它的燃烧与气化反应属于异相反应.整个反应要包 括如下物理与化学反应过程: (1) 氧化剂向固体表面的扩散 (2) 在颗粒表面的氧化剂被固体所吸附 (3) 碳与氧化剂进行化学反应 (4) 反应的产物从固体表面脱附 (5) 脱附后的气体向环境扩散 因此,碳的燃烧与气化反应速度取决于上述过程中最慢的一步. 其中碳与氧化剂的化学反应速度主要取决于反应温度和焦炭的活性;

而碳颗粒的大小、表面特性以及与气流的相对运动等决定了扩散与吸 附等物理过程的快慢. 燃烧化学反应动力学 碳与氧的反应系统 碳与氧的反应系统 反应名称 反应式 反应热效应 反应类型 完........