燃料與燃燒教學(xué)設(shè)計(jì)

燃燒理論：燃燒是燃料與氧氣發(fā)生的劇烈的化學(xué)反應(yīng)，并伴隨發(fā)光、發(fā)熱的現(xiàn)象。燃燒反應(yīng)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，諸如鍋爐、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等能量轉(zhuǎn)化設(shè)備，均是以燃燒的形式實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向熱能，進(jìn)而向機(jī)械能轉(zhuǎn)化。化學(xué)反應(yīng)是燃燒現(xiàn)象的基本過程，分為單相燃燒化學(xué)反應(yīng)與異相燃燒化學(xué)反應(yīng)。從理論上研究燃燒化學(xué)反應(yīng)過程有化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)?；瘜W(xué)熱力學(xué)的主要內(nèi)容包括：a、根據(jù)熱力學(xué)第一定律，分析化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿哪芰孔兓?，這里主要是確定化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)；b、根據(jù)熱力學(xué)第二定律，分析化學(xué)平衡條件及平衡時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)?；瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)研究的基本任務(wù)也有兩個(gè)：確定各種化學(xué)反應(yīng)速度以及各種因素（溫度濃度等）對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，從而提供合適的反應(yīng)條件，使反應(yīng)按照人們所希望的速度進(jìn)行；二是研究各種化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，即研究從反應(yīng)物過渡到生成物所經(jīng)歷的途徑。著火理論：燃料與氧化劑混合后，由無化學(xué)反應(yīng)、緩慢的化學(xué)反應(yīng)向穩(wěn)定的強(qiáng)烈放熱狀態(tài)的國度過程，最終在某個(gè)瞬間、空間中某個(gè)部分出現(xiàn)火焰的現(xiàn)象稱為著火。它的影響因素主要有燃料的性質(zhì)、燃料與氧化劑的混合比例、環(huán)境壓力與溫度、氣流的速度、燃燒室的尺寸和保溫條件等?？偟膩碚f有兩個(gè)實(shí)質(zhì)因素，化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素。著火的主要方式有兩種：熱著火和鏈?zhǔn)街?。?shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火的兩個(gè)條件：放熱量和散熱量達(dá)到平衡，放熱量等于散熱量；放熱速度大于散熱速度。燃燒學(xué)技術(shù)：主要是應(yīng)用燃燒基本理論解決工程技術(shù)中的各種實(shí)際燃燒問題。例如對(duì)現(xiàn)有燃燒方法進(jìn)行分析和改進(jìn)，對(duì)新的燃燒方法進(jìn)行探索和實(shí)踐，提高燃料利用范圍和利用率等。由于燃燒過程的復(fù)雜性，無論是進(jìn)行理論研究還是應(yīng)用研究，目前實(shí)驗(yàn)研究仍然對(duì)它們起著突出的作用。比較常見的燃燒技術(shù)分別有：有機(jī)廢氣催化燃燒技術(shù)、有機(jī)廢氣燃燒設(shè)備技術(shù)、燃燒科學(xué)與技術(shù)、低氮燃燒技術(shù)、富氧燃燒技術(shù)、循環(huán)流化床燃燒技術(shù)、微宏不燃燒電池技術(shù)、化學(xué)鏈燃燒技術(shù)、煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)等。對(duì)燃燒學(xué)的理解和相關(guān)的學(xué)習(xí)1、燃燒學(xué)的研究對(duì)象及研究方法燃料和氧化劑兩種組份在空間激烈地發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)的過程叫做燃燒。它常常伴隨著發(fā)熱、發(fā)光過程，即所謂“火”的現(xiàn)象。這個(gè)化學(xué)反應(yīng)在許多場合下是氧化反應(yīng)，被氧化劑所氧化(發(fā)光、發(fā)熱)的物質(zhì)稱為燃料。把含有活潑氧原子(或類似于氧原子)的組份稱為氧化劑。反應(yīng)所生成的物質(zhì)稱為燃燒產(chǎn)物。另外，把能夠進(jìn)行燃燒的燃料和氧化劑的氣態(tài)混合物稱為可燃混合物或可燃混合氣。2、火焰火焰是在氣相狀態(tài)下發(fā)生的燃燒的外部表現(xiàn)?；鹧娉司哂邪l(fā)熱、發(fā)光的特征外，還具有電離、自行傳播等特征。由于發(fā)光、發(fā)熱，從而使火焰具有熱和輻射的現(xiàn)象。火焰的輻射一部分來源于熱輻脈另一部分來源于化學(xué)發(fā)光輻隊(duì)再一部分來自熾熱固態(tài)煙粒和碳粒的輻射。熱輻射來自火焰中一些化學(xué)性能穩(wěn)定的燃燒產(chǎn)物的光譜帶，如H2O、CO2以及各種碳?xì)浠衔锏取＿@類輻射的波長處于0.75微米~0.1mm之間。最強(qiáng)的光譜帶是紅外區(qū)，它由燃燒的主要產(chǎn)物CO2和H2O形成。化學(xué)發(fā)光輻射是一種由化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的光輻射，這種發(fā)光是由于不連續(xù)輻射光譜帶發(fā)射的結(jié)果，它來自電子激發(fā)態(tài)的各種組分，例如CH、OH、CC等自由基，這些自由基存在于火焰區(qū)中，它是在化學(xué)反應(yīng)瞬時(shí)產(chǎn)生的。普遍認(rèn)為，火焰中存在有固態(tài)煙粒和碳粒發(fā)射出的連續(xù)光譜，它將使火焰輻射增強(qiáng)。必須強(qiáng)調(diào)，在燃燒氣體、液體或固體燃料的爐膛中，火焰和完全燃燒產(chǎn)物的輻射主要來自CO2、H2O、煙粒和飛灰顆粒。火焰具有電離特性。一般在碳?xì)浠衔锶剂虾涂諝獾娜紵鹧嬷校貏e在層流火焰中的氣體具有較高的電離度。某些試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在電場的作用下，火焰會(huì)發(fā)生彎曲、變長或變短，著火、熄火條件會(huì)發(fā)生變化?；鹧婢哂凶赞D(zhuǎn)播的特征。火焰一旦產(chǎn)久，就不斷地向周圍傳播直到整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)反應(yīng)終止。按火焰自行傳播這個(gè)特點(diǎn)來看有兩類火：一類是緩燃火焰(或稱正?；鹧?，其火焰按穩(wěn)定的、緩慢的速度傳播(大約0.2—1m／s)，另—類是爆震火焰，其傳播速度極快，達(dá)超音速(大約幾千m/s)。正?；鹧媸峭ㄟ^導(dǎo)熱使未燃混合氣溫度升高(或由于擴(kuò)散作用將自由原子、自由基傳遞到未燃混合氣中產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng))，而引起的反應(yīng)加速，從而使火焰前沿不斷向未燃混合氣體中推進(jìn)。爆展火焰是一種微波，是依靠激波的壓縮作用使未燃混合氣溫度升高，引起劇烈的化學(xué)反應(yīng)，從而使火焰前沿不斷推向未燃混合氣。3、燃燒燃燒過程是一種復(fù)雜的物理、化學(xué)的綜合過程，它包括燃料和氧化劑的混合、擴(kuò)散過程，預(yù)熱、著火過程以及燃燒、燃燼過程。按燃料與氧化劑在進(jìn)入反應(yīng)區(qū)以前有無接觸劃分，火焰可以分成兩類，一類是兩種反應(yīng)物的分子在著火前已經(jīng)接觸，其火焰稱為預(yù)混火焰；另一類是兩種反應(yīng)物在著火前末接觸，火焰決定于混合、擴(kuò)散因素，稱為擴(kuò)散火焰。例如氣體燃料和氧化劑分別送入燃燒室時(shí)的燃燒。按火焰狀態(tài)可分為移動(dòng)火餡和駐定火焰。移動(dòng)火焰即火焰位置在空間是移動(dòng)的。駐定火焰即火焰位置在空間是固定的。按流體力學(xué)特性分，有層流火焰和湍流火焰，工業(yè)火焰絕大部分屬于湍流火焰。按兩種反應(yīng)物初始物理狀態(tài)分，有均相火焰(氣體燃料和氣態(tài)氧化劑)和多相火焰或異相火焰(液體或固體燃料和氣態(tài)氧化劑的燃燒)。液體燃料和固體燃料的燃燒過程比氣體燃料的燃燒過程要復(fù)雜，因?yàn)榍罢叩娜紵^程和火焰?zhèn)鞑グl(fā)生在多相介質(zhì)中。燃燒學(xué)是由熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、熱質(zhì)交換以及一定程度的數(shù)學(xué)有機(jī)組成的一門科學(xué)。它是研究燃料和氧化劑進(jìn)行激烈化學(xué)反應(yīng)及其物理準(zhǔn)備過程的一門學(xué)科。它是一門化學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)的邊緣科學(xué)。燃燒學(xué)的研究主要從兩方面進(jìn)行：一方面是燃燒理論的研究，主要研究燃燒過程所涉及的各種基本現(xiàn)象。如燃燒反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)理，預(yù)混可燃?xì)怏w的著火、熄火、火焰?zhèn)鞑ゼ盎鹧娣€(wěn)定、擴(kuò)散火焰、液滴、碳粒著火等燃燒機(jī)理。另一方面是燃燒技術(shù)的研究，主要是應(yīng)用燃燒基本理論解決工程技術(shù)中的各種實(shí)際燃燒問題。例如對(duì)現(xiàn)有燃燒方法進(jìn)行分析和改進(jìn)，對(duì)新的燃燒方法進(jìn)行探索和實(shí)踐，提高燃料利用范圍和利用率等。由于燃燒過程的復(fù)雜性，無論是進(jìn)行理論研究還是應(yīng)用研究，目前實(shí)驗(yàn)研究仍然對(duì)它們起著突出的作用。目前國際上燃燒科學(xué)的主要研究方面已不向于過去一個(gè)時(shí)期那樣比較著重于有關(guān)航空和宇航的燃燒問題。近年來，由于能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，正在大力開展民用工業(yè)燃燒設(shè)備的研究。例如盡量節(jié)約燃油，盡可能改成燒煤，同時(shí)還要研究降低對(duì)大氣污染的各種燃燒設(shè)備。此外，還正在大力開展煤的氣化和液化技術(shù)的研究。4、基本定律和方程分子輸運(yùn)的基本定律是指在不考慮交叉輸運(yùn)現(xiàn)象時(shí)，由于速度梯度引起的動(dòng)量交換，由于溫度梯度引起的熱量交換，以及由于濃度梯度引起的質(zhì)量交換所遵循的定律。也就是牛頓粘性定律，傅立葉導(dǎo)熱定律，以及費(fèi)克擴(kuò)散定律。牛頓（Newton）粘性定律兩個(gè)無限寬和無限長的不可滲透的乎板，它們相距距離，中間充滿等溫的流體B。坐標(biāo)及位置如圖1所示。如果下平板固定不動(dòng)，上平板以定常速度u運(yùn)動(dòng)，由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)流體的速度由上平板處的u變到下平板處的零。這表明流速快的一層和流速慢的一層之間有剪切力。流速慢的一層對(duì)流速快的一層有阻力。單位面積上剪切力的大小和速度梯度成正比。即：(1)這就是牛頓粕性定律。T是單位面積上的剪切力，u是動(dòng)力粘性系數(shù)(也稱動(dòng)力粘度)，是速度梯度。也稱剪切速率。負(fù)號(hào)表示動(dòng)量傳遞與速度u增加的方向相反。因?yàn)?2)牛頓粘性定律?？蓪憺椋?3)這就給出了剪切力與動(dòng)量梯度間的關(guān)系。傅立葉（Fourler）導(dǎo)熱定律在相距σ的兩個(gè)平行乎板之間，充滿一種靜止流體，上板溫度為T，下根溫度為WT，且了(圖2)。因沿y方向上各層之間的溫度不同，由于溫差，各層之間產(chǎn)生了熱量交換。熱量將從溫度高的一層流向溫度低的一層。單位時(shí)間內(nèi)，單位面積上的熱流量是與溫度梯度成正比的，即：這就是侮立葉導(dǎo)熱定律。q是單位時(shí)間單位面積上的熱流量，λ是導(dǎo)熱系數(shù)，是溫度梯度，負(fù)號(hào)表示熱流方向與溫度增加的方向相反。因?yàn)椋琣稱為熱擴(kuò)散系數(shù)，分別為密度、定壓比熱容。當(dāng)為常數(shù)時(shí)，傅立葉導(dǎo)熱定律又可寫為：費(fèi)克（Fick）擴(kuò)散定律在相距為σ的兩個(gè)多孔的平行平板之間，充滿一種靜止的等溫流體B。另一種與B溫度相同的流體A從—邊滲入(滲入濃度為)，而從另一邊滲出(滲出濃度為)。而且＞，橫坐標(biāo)代表A的濃度。這樣在B中不同的層上，A的濃度不問。由于濃度差存在，而產(chǎn)生擴(kuò)散。單位時(shí)間、單位面積上流體A擴(kuò)散造成的物質(zhì)流與在B中流體A的濃度梯度成正比，即：這就是費(fèi)克擴(kuò)散定律。表示單位時(shí)間內(nèi)，單位面積上流體A擴(kuò)散造成的物質(zhì)流量，是A在B中的擴(kuò)散系數(shù)。這幾項(xiàng)重要的定律揭示了燃燒的微觀本質(zhì)。即分子輸運(yùn)的基本定律是指在不考慮交叉輸運(yùn)現(xiàn)象時(shí)，由于速度梯度引起的