第四章燃料與燃燒化學

1、第四章第四章 燃料與燃燒化學燃料與燃燒化學 第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)動機燃料發(fā)動機燃料 第二節(jié)第二節(jié) 代用燃料及應用代用燃料及應用 第三節(jié)第三節(jié) 燃燒化學燃燒化學 第四節(jié)第四節(jié) 燃燒的基本理論燃燒的基本理論第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)動機燃料發(fā)動機燃料&汽油汽油&柴油柴油抗爆性抗爆性蒸發(fā)性蒸發(fā)性氧化安定性氧化安定性抗腐蝕性抗腐蝕性清凈性清凈性自燃性自燃性 霧化和蒸發(fā)性霧化和蒸發(fā)性硫含量硫含量安定性安定性 低溫流動性低溫流動性 一、汽油一、汽油 1. 抗爆性抗爆性回顧回顧汽油的抗爆性汽油的抗爆性 辛烷值的測量辛烷值的測量 辛烷值測量辛烷值測量 的試驗方法的試驗方法 汽油避免發(fā)生汽油避免發(fā)生“爆燃爆燃

2、”的能力。的能力。異辛烷異辛烷正庚烷正庚烷測量測量汽油汽油爆燃強度爆燃強度馬達法辛烷值馬達法辛烷值MON研究法辛烷值研究法辛烷值RON標準標準混合液混合液以以較高較高的混合氣溫度和的混合氣溫度和較高較高的發(fā)動機轉(zhuǎn)速的發(fā)動機轉(zhuǎn)速的的苛刻條件苛刻條件為其特征的實驗室標準發(fā)動機測得為其特征的實驗室標準發(fā)動機測得的辛烷值。的辛烷值。 以以較低較低的混合氣溫度和的混合氣溫度和較低較低的發(fā)動機轉(zhuǎn)速的發(fā)動機轉(zhuǎn)速的的中等苛刻中等苛刻條件為其特征的實驗室標準發(fā)動機條件為其特征的實驗室標準發(fā)動機測得的辛烷值。測得的辛烷值。 2. 蒸發(fā)性蒸發(fā)性Def：汽油由液態(tài)轉(zhuǎn)化成氣態(tài)的性能。：汽油由液態(tài)轉(zhuǎn)化成氣態(tài)的性能。 汽油

3、的蒸發(fā)性越強，越容易汽化，要求汽油必須汽油的蒸發(fā)性越強，越容易汽化，要求汽油必須具有具有良好的蒸發(fā)性良好的蒸發(fā)性。但蒸發(fā)性也不能太強，否則易形。但蒸發(fā)性也不能太強，否則易形成供油系成供油系“氣阻氣阻”，甚至發(fā)生供油中斷現(xiàn)象。，甚至發(fā)生供油中斷現(xiàn)象。評定：汽油的蒸發(fā)性由燃料的蒸餾試驗來決定。評定：汽油的蒸發(fā)性由燃料的蒸餾試驗來決定。 分別測出分別測出10、50和和90餾分時的溫度以及終餾分時的溫度以及終餾溫度，分別定義為餾溫度，分別定義為10餾出溫度餾出溫度、50餾出溫度餾出溫度和和90餾出溫度餾出溫度以及以及干點干點。起動性起動性平均蒸發(fā)性平均蒸發(fā)性含有難于揮發(fā)含有難于揮發(fā)的重質(zhì)成分的數(shù)量的重

4、質(zhì)成分的數(shù)量 3. 氧化安定性氧化安定性 4. 清凈性清凈性Def：汽油抵抗大氣或氧氣的作用而保持其性質(zhì)：汽油抵抗大氣或氧氣的作用而保持其性質(zhì) 不發(fā)生長久性變化的能力。不發(fā)生長久性變化的能力。 清凈劑是一種具有清凈、分散、抗氧、破清凈劑是一種具有清凈、分散、抗氧、破乳和防銹性能的多功能復合添加劑，一般是聚乳和防銹性能的多功能復合添加劑，一般是聚烯胺和聚醚胺類化合物。烯胺和聚醚胺類化合物。 沒有清凈劑的汽油是沒有清凈劑的汽油是“電噴殺手電噴殺手” 。二、柴油二、柴油 1. 自燃性自燃性回顧回顧柴油的自燃性柴油的自燃性 十六烷值的測量十六烷值的測量 : 柴油的自燃能力。柴油的自燃能力。十六烷十六烷

5、a-甲基萘甲基萘測量測量柴油柴油自燃性自燃性一般高速柴油機使用十六烷值為一般高速柴油機使用十六烷值為4065的柴油的柴油標準標準混合液混合液體積體積分數(shù)分數(shù) 2.霧化和蒸發(fā)性霧化和蒸發(fā)性 3.硫含量硫含量 閃點閃點:可燃性物質(zhì)表面上的可燃性物質(zhì)表面上的蒸氣蒸氣和空氣的混合氣與火和空氣的混合氣與火接觸而接觸而初次初次發(fā)生閃火時的溫度。發(fā)生閃火時的溫度。 柴油的閃點柴油的閃點:柴油柴油蒸氣蒸氣和空氣的混合氣與火焰接觸時和空氣的混合氣與火焰接觸時發(fā)生閃火時的發(fā)生閃火時的最低最低溫度。溫度。 4.安定性安定性 5.低溫流動性低溫流動性 牌號：牌號：10#、0#、10#、20#、35#、50#。第二節(jié)第

6、二節(jié) 代用燃料及其應用代用燃料及其應用代用燃料代用燃料按按物物態(tài)態(tài)氣體代用燃料：氣體代用燃料：天然氣、液化石油氣、天然氣、液化石油氣、 氫氣、沼氣、二甲醚氫氣、沼氣、二甲醚液體代用燃料：液體代用燃料：甲醇、乙醇、植物油甲醇、乙醇、植物油按化按化學成學成分分烴燃料烴燃料含氧燃料含氧燃料一、天然氣一、天然氣 主要成分是主要成分是 ，基本不含硫，基本不含硫，無色、無嗅、無毒、無腐蝕性，具無色、無嗅、無毒、無腐蝕性，具有安全、熱值高、潔凈和應用廣泛有安全、熱值高、潔凈和應用廣泛等優(yōu)點。等優(yōu)點。天然氣作為汽車代用燃料的主要天然氣作為汽車代用燃料的主要形式是形式是和和液化天液化天然氣然氣LNG 。天然氣具

7、有較高的辛烷值，研天然氣具有較高的辛烷值，研究法辛烷值為究法辛烷值為130，抗爆性好，抗爆性好 。二、液化石油氣二、液化石油氣u主要成分是主要成分是丙烷丙烷和和丁烷丁烷，具有污，具有污染少、發(fā)熱量高、易于運輸、壓力染少、發(fā)熱量高、易于運輸、壓力穩(wěn)定、儲存設備簡單，供應方式靈穩(wěn)定、儲存設備簡單，供應方式靈活等優(yōu)點?；畹葍?yōu)點。 u來源來源油田液化氣油田液化氣煉油廠液化氣煉油廠液化氣可直接用作車用可直接用作車用一般烯烴含量低于一般烯烴含量低于6%才能用作車用才能用作車用三、醇類燃料三、醇類燃料 1. 甲醇甲醇性質(zhì)：性質(zhì)：常溫常壓狀態(tài)下，甲醇為無色透明，易揮發(fā)、常溫常壓狀態(tài)下，甲醇為無色透明，易揮發(fā)、

8、可燃，略帶醇香味的有毒液體；能無限溶于水，與烴類可燃，略帶醇香味的有毒液體；能無限溶于水，與烴類燃料相容性較差。燃料相容性較差。原料原料：天然氣、煤炭、焦炭等。：天然氣、煤炭、焦炭等。 甲醇汽油甲醇汽油Def：甲醇與汽油的混合燃料。：甲醇與汽油的混合燃料。表示：表示：Mx缺點：低溫起動性不好、潤滑性差，穩(wěn)定性主要取缺點：低溫起動性不好、潤滑性差，穩(wěn)定性主要取 決于其中含水量。決于其中含水量。2. 乙醇乙醇 性質(zhì)：性質(zhì)：常溫下，純乙醇是具常溫下，純乙醇是具有特殊香味的無色透明液體，有特殊香味的無色透明液體，易揮發(fā)，無限融于水，與烴類易揮發(fā)，無限融于水，與烴類燃料相容性較差。燃料相容性較差。 獲得

9、：獲得：目前，世界上生產(chǎn)的燃料乙醇大部分是以甘蔗、目前，世界上生產(chǎn)的燃料乙醇大部分是以甘蔗、玉米、薯干和植物秸稈等為原料玉米、薯干和植物秸稈等為原料糖化發(fā)酵糖化發(fā)酵制造的。制造的。乙醇汽油：乙醇汽油：乙醇與汽油的混合燃料，乙醇與汽油的混合燃料，Ex 。使用特點：使用特點：使用乙醇汽油，不影響汽車的行駛性能，使用乙醇汽油，不影響汽車的行駛性能， 還可以減少有害氣體的排放量。還可以減少有害氣體的排放量。水的存在導致乙醇汽油儲運難度加大。水的存在導致乙醇汽油儲運難度加大。四、二甲醚四、二甲醚 二甲醚簡稱二甲醚簡稱DME，是一種無毒，是一種無毒含氧燃料，常溫常壓下為氣態(tài)。含氧燃料，常溫常壓下為氣態(tài)。

10、可以從煤、天然氣等多種資源可以從煤、天然氣等多種資源中，通過甲醇脫水工藝或合成氣直中，通過甲醇脫水工藝或合成氣直接合成工藝制取。接合成工藝制取。 2005年年 ，研制出我國第一臺以，研制出我國第一臺以二甲醚為燃料的城市客車二甲醚為燃料的城市客車 。 二甲醚的經(jīng)濟性較差二甲醚的經(jīng)濟性較差 ，成本偏，成本偏高。高。六、氫氣六、氫氣 性質(zhì)：性質(zhì)：氫氣是一種無色、無味、無嗅、無毒的可燃性氫氣是一種無色、無味、無嗅、無毒的可燃性 氣體氣體 ，其燃燒產(chǎn)物只有水。，其燃燒產(chǎn)物只有水。 制?。褐迫。簹錃饪梢岳盟⑸镔|(zhì)、天然氣或者煤炭制備。氫氣可以利用水、生物質(zhì)、天然氣或者煤炭制備。 現(xiàn)階段，氫氣主要是現(xiàn)階

11、段，氫氣主要是通過甲烷蒸氣通過甲烷蒸氣重整反應重整反應從從天然氣中分離提取。天然氣中分離提取。 其中最有前途的方法其中最有前途的方法是利用可再生能源制氫，是利用可再生能源制氫，而成本則是可再生能源制而成本則是可再生能源制氫的最大障礙。氫的最大障礙。五、生物柴油五、生物柴油l 生物柴油是以大豆、油菜籽等生物柴油是以大豆、油菜籽等油料作物油料作物，油棕、黃連，油棕、黃連木等木等油料林木果實油料林木果實，工程微藻等，工程微藻等水生植物水生植物，以及動物油，以及動物油脂、廢餐飲油等脂、廢餐飲油等可再生物可再生物為原料制成的液體燃料，是優(yōu)為原料制成的液體燃料，是優(yōu)質(zhì)的柴油代用品。質(zhì)的柴油代用品。 美國利

12、用大豆美國利用大豆 歐盟國家利用油菜籽歐盟國家利用油菜籽 東南亞國家利用棕櫚樹果實東南亞國家利用棕櫚樹果實 某些國家廢餐飲油回收某些國家廢餐飲油回收l 制取制取第三節(jié)第三節(jié) 燃燒化學燃燒化學 一、燃料燃燒的熱值一、燃料燃燒的熱值 二、燃料燃燒的化學反應二、燃料燃燒的化學反應 三、燃料燃燒所需的空氣量三、燃料燃燒所需的空氣量 四、過量空氣系數(shù)與空燃比四、過量空氣系數(shù)與空燃比 燃料和空氣之間基本的數(shù)量關系燃料和空氣之間基本的數(shù)量關系 燃燒后工質(zhì)的組成燃燒后工質(zhì)的組成一、燃料燃燒的熱值一、燃料燃燒的熱值 熱值：熱值：單位量單位量的燃料的燃料完全燃燒完全燃燒時所發(fā)出的時所發(fā)出的 熱量。熱量。單位量單位

13、量：固體和液體燃料是指：固體和液體燃料是指1kg，氣體燃料是，氣體燃料是 指指1m3。完全燃燒完全燃燒：某化合物被全部氧化，其中：某化合物被全部氧化，其中C生成生成 CO2，H生成生成H2O，其他元素生成，其他元素生成 高級氧化物。高級氧化物。低位熱值低位熱值 ：完全燃燒時，當生成的：完全燃燒時，當生成的H2O為為 時所發(fā)出的熱量，時所發(fā)出的熱量，kJ/kg 。uH高位熱值高位熱值 ：完全燃燒時，當生成的：完全燃燒時，當生成的H2O為為 時所發(fā)出的熱量時所發(fā)出的熱量，kJ/kg 。0HwrHHu0 發(fā)動機用到的燃料燃燒的熱值發(fā)動機用到的燃料燃燒的熱值都是低位熱值。都是低位熱值。單位質(zhì)量燃燒產(chǎn)物

14、中單位質(zhì)量燃燒產(chǎn)物中水的含量（）水的含量（）三、燃料燃燒所需的空氣量三、燃料燃燒所需的空氣量 1.理論空氣量：理論空氣量：1kg燃料完全燃燒時所需的最少空氣量。燃料完全燃燒時所需的最少空氣量。COCO22 2.計算過程：計算過程：假設假設1kg燃料中碳、氫、氧的質(zhì)量分別為燃料中碳、氫、氧的質(zhì)量分別為gc、gH、gOHOH O222121kmol 1kmol1kmol 0.5kmol1kg2.667kg1kg8kgkmol：32412OHCggg 所需所需O2的量：的量：kg：OHCggg8667. 2 所需空氣的量：所需空氣的量：kmol：)32412(%211OHCgggkg：)8667.

15、2(%231OHCgggm3：)32412(%2122.4OHCgggu汽油的平均質(zhì)量成分：汽油的平均質(zhì)量成分：u柴油的平均質(zhì)量成分：柴油的平均質(zhì)量成分： 汽油的理論空氣量為：汽油的理論空氣量為：14.958kg/kg ?柴油的理論空氣量為：柴油的理論空氣量為：14.45kg/kg ?四、過量空氣系數(shù)與空燃比四、過量空氣系數(shù)與空燃比1. 過量空氣系數(shù)過量空氣系數(shù)a Def：發(fā)動機工作過程中，燃燒：發(fā)動機工作過程中，燃燒1kg燃油實際供給的燃油實際供給的空氣量與理論空氣量之比?？諝饬颗c理論空氣量之比。a1 稀混合氣稀混合氣柴油機：柴油機： a1汽油機：汽油機： a12. 空燃比空燃比空燃比：空燃

16、比：可燃混合氣中所含空氣與燃料的質(zhì)量之比?？扇蓟旌蠚庵兴諝馀c燃料的質(zhì)量之比。燃空比：燃空比：可燃混合氣中所含燃料與空氣的質(zhì)量之比?？扇蓟旌蠚庵兴剂吓c空氣的質(zhì)量之比。汽油理論完全燃燒時的空燃比汽油理論完全燃燒時的空燃比14.9柴油理論完全燃燒時的空燃比柴油理論完全燃燒時的空燃比14.514.814.714.3第四節(jié)第四節(jié) 燃燒的基本理論燃燒的基本理論 一切燃燒過程都是由一切燃燒過程都是由著火著火和和燃燒燃燒兩個階段組成的。兩個階段組成的。 著火階段著火階段是物質(zhì)燃燒的準備階段，是著火的物理和化學是物質(zhì)燃燒的準備階段，是著火的物理和化學 的準備過程。的準備過程。 使可燃混合氣從使可燃混合氣

17、從著火階段著火階段進入進入燃燒階段燃燒階段的方法主要有的方法主要有兩種：兩種： 利用點火系向可燃混合物增加能量，迫使可燃混合物利用點火系向可燃混合物增加能量，迫使可燃混合物 著火燃燒，即所謂的著火燃燒，即所謂的點燃點燃。 依靠自身緩慢的化學反應逐漸積累依靠自身緩慢的化學反應逐漸積累熱量熱量或或活化中心活化中心完完 成著火燃燒，即所謂的成著火燃燒，即所謂的自燃自燃。 燃燒過程所經(jīng)歷的燃燒過程所經(jīng)歷的3個個基本階段：基本階段：（2）點燃可燃混合氣，或可燃混合氣在溫度和）點燃可燃混合氣，或可燃混合氣在溫度和 濃度合適的地區(qū)發(fā)生自燃，在一處或多處濃度合適的地區(qū)發(fā)生自燃，在一處或多處 同時著火。同時著火

18、。（1）形成燃油與空氣的可燃混合氣。）形成燃油與空氣的可燃混合氣。（3）火源擴大到整個可燃混合氣，形成全面燃）火源擴大到整個可燃混合氣，形成全面燃 燒。燒。一、著火機理一、著火機理 1. 熱自燃機理熱自燃機理 可燃混合氣在可燃混合氣在充滿燃燒室容器充滿燃燒室容器后受熱，使混合后受熱，使混合氣達到一定溫度，由于進行氣達到一定溫度，由于進行化學反應所釋放化學反應所釋放的熱的熱量多于量多于從容器壁面向外散失從容器壁面向外散失的熱量，產(chǎn)生熱量累的熱量，產(chǎn)生熱量累積而使混合氣的溫度上升，進而促使混合氣的積而使混合氣的溫度上升，進而促使混合氣的反反應速率增加應速率增加，放出更多熱，這種不斷相互促進的，放出

19、更多熱，這種不斷相互促進的結果，最終導致反應速率急劇加快而結果，最終導致反應速率急劇加快而達到著火達到著火。 2.鏈鎖自燃機理鏈鎖自燃機理 可燃混合氣在可燃混合氣在外部能量外部能量的作用下，反應物的作用下，反應物中產(chǎn)生中產(chǎn)生活化中心活化中心使反應持續(xù)下去，最重要的是使反應持續(xù)下去，最重要的是出現(xiàn)出現(xiàn)分支反應分支反應使活化中心數(shù)目迅速增多，造成使活化中心數(shù)目迅速增多，造成反應速率劇烈升高而反應速率劇烈升高而達到著火達到著火。理解！理解！二、發(fā)動機混合氣的著火二、發(fā)動機混合氣的著火 發(fā)動機的實際燃燒過程中，不存在單獨的熱自燃發(fā)動機的實際燃燒過程中，不存在單獨的熱自燃或鏈鎖自燃，均是兩者同時存在又相互促進?；蜴滄i自燃，均是兩者同時存在又相互促進。 發(fā)火條件發(fā)火條件高溫單階段著火高溫單階段著火低溫多階段著火低溫多階段著火柴油機柴油機汽油機汽油機三、發(fā)動機的燃燒方式三、發(fā)動機的燃燒方式 著火著火前前，燃料與，燃料與空氣是分開的，著火空氣是分開的，著火后后燃料邊燃料邊蒸發(fā)蒸發(fā)邊與空邊與空氣氣混合混合，邊，邊燃燒燃燒的燃的燃燒方式即擴散燃燒。燒方式即擴散燃燒。預混合燃燒預混合燃燒擴散燃燒擴散燃燒汽油機和氣體燃料發(fā)動機汽油機和氣體燃料發(fā)動機柴油機的燃燒基本上屬于擴柴油機的燃燒基本上屬于擴散燃燒散燃燒