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燃烧理论教材：工程燃烧学，汪军，中国电力出版社，2008.7主讲教师：韩奎华邮箱：hankh@163.com，hkh@sdu.edu.cn电话：88392414手机：13589033524办公室：千佛山校区东院热力楼308室燃烧：社会发展与科技进步的推动力2019/12/2222019/12/223北京奥运会火炬、火种送上海拔8844．43米的珠穆朗玛峰峰顶。火炬克服低温、低压、缺氧、大风等极端不利条件，在珠峰之巅漂亮地燃烧，举世为之惊叹。在这史无前例的壮举背后，凝聚着中国航天人的智慧与辛劳。燃烧应用领域及发展需求能源动力：煤炭发电、石油、天然气…工业生产：钢铁、玻璃、陶瓷、塑料、纳米粒子…日常生活：火锅、壁炉、生日蜡烛、焰火…安全防范：森林火灾、建筑物火灾、煤矿爆炸…环境与气候：氮氧化物、一氧化碳、硫氧化物、炭黑…能源动力：世界总能源的80％来自于燃烧矿物燃料环境污染：绝大部分大气污染物和CO2也源自于燃烧推进技术：高超声速飞行器发动机(如超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机等)、大功率舰船用燃气轮机开发替代燃料、研制高性能燃烧器、防火防爆、娱乐产品开发…2019/12/224教学与考察方式课堂授课34学时、实验2学时成绩评定（暂定）期末考试：满分100分，占70%，笔试日常考核：满分100分，占30%，包括作业成绩，平时出勤，课堂回答问题、读书报告，课程论文，节能减排设计…2019/12/225本节针对的问题燃烧和能源利用是怎样的关系？燃烧在人类发展史中的地位怎样？燃烧的本质是什么？燃烧与“节能减排”战略关系大吗？燃烧设备有哪些特点？燃烧中蕴涵的节能减排的思想和方法？2019/12/2261绪论1.1能源的概念与分类1.2燃烧学的发展历程1.3燃烧及其设备1.4工程燃烧设备的性能特点1.5燃烧学研究内容1.6课程任务、特点1.7参考书目1.1能源的概念与分类燃烧：燃烧是一种发光发热的剧烈的化学反应。燃烧是一种重要的能源转化形式。能源：“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”。——《科学技术百科全书》“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”。——《大英百科全书》“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”。——《日本大百科全书》“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源”。——中国《能源百科全书》2019/12/228能的形式机械能、热能、电磁能、化学能、核能（原子能）、辐射能等。能源分类按转换和利用层次划分：一次能源：从自然界取得的未经加工或转换的能源。二次能源：一次能源经过加工或者转换得到的电能、油类、煤气、焦炭、热水、蒸汽等能源。终端能源：能源经输送和分配，终端用能设备入口得到的能源。按能源可否再生划分：可再生能源：能重复再生的自然能源。非再生能源：不能重复产生的自然能源。短期内不会重复产生，最终会枯竭。2019/12/229按人类开始利用能源的历史划分：常规能源：在现有经济和技术条件下,已经大规模生产和广泛使用的能源。新能源：虽然已得到利用，或已引起人们重视，但尚未被人类大规模利用，或在利用技术方面有待进一步研究和开发的能源。按照能源利用对环境的影响划分：清洁能源：天然气、风能、水能、太阳能、地热能、可燃冰、核能。非清洁能源：煤炭、石油。按能源的性质和利用方式：燃料能源：矿物燃料、生物质燃料、化工燃料、核燃料。非燃料能源：风能、太阳能、地热能、潮汐能等。2019/12/22102000年世界能源结构世界能源消费结构（2000年）煤40%石油25%天然气22%核能8%其它5%世界电力能源结构（2000年）其它2%核能17%水力18%天然气15%石油11%煤37%化石能源占总能源的87％化石能源占总电力能源的63％。中国能源现状中国能源人均占有量为世界人均资源量的1/2，为美国人均资源量的1/10。2009年全国发电量达36812亿千瓦时，其中水电、火电、核电和风电发电量占全部发电量的比重分别为15.53%、81.81%、1.90%和0.75%。2010年全国能源消费总量超过32亿吨标煤，远高于27亿吨标煤的规划值。据分析“即使按照每5年单位GDP能耗下降20%计算，同时保持9%的增速，到2020年也需要70亿吨标煤。”国家能源局发展规划司司长江冰表示，按照中国国情和“十二五”国际国内的经济社会发展趋势测算，2015年中国一次能源消费总量可控制在40-42亿吨标准煤，2030年总量可能接近和超过70亿吨标准煤。21世纪上半叶我国一次能源生产和消费结构仍以煤炭为主，电力能源结构以火电为主。实现我国政府提出的到2020年单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%-45%的目标，需要付出艰苦努力。2019/12/22121.2燃烧学的发展与需求远古时代燧人氏钻木取火，50万年以前北京猿人已经学会使用火。希腊神话中，火是普罗米修斯从宙斯手中偷得赠送给人类的礼物。无论是西方的圣火，还是中国的“火文化”，都体现了对人类进步的尊重与渴望。（1）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。2019/12/2213（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。1772年11月1日法国科学家拉瓦锡关于燃烧的第一篇论文发表了，其要点是由燃烧而引起的重量增加。这种“重量的增加”是由于可燃物同空气中的一部分物质化合的结果。燃烧是一种化合现象。拉瓦锡尚未完全弄清楚这空气的一部分是什么物质。2019/12/22141774年，普利斯特列发现了氧，拉瓦锡很快在实验中证明，这种物质在空气中的比例为1/5，并命名这一物质为“氧”(原义为酸之源)。拉瓦锡正确的燃烧学说得到确立，并因此而引起了化学界的一大革新，开始揭开燃烧的本质。（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。（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。冯卡门(VonKarman)、钱学森建立了化学流体力学，首先提出用连续介质力学方法研究燃烧基本现象。2019/12/2215（7）计算燃烧学（20世纪70年代）：斯波尔丁(Spalding)系统地把计算流体力学的方法用于有燃烧现象的边界层流动、回流流动及旋流流动，建立了燃烧问题的数值计算方法，并逐渐形成了计算燃烧学。斯波尔丁和哈洛:继承普朗特，雷诺和周培源等的工作，将“湍流模型方法”引入了燃烧学的研究，提出了湍流燃烧模型。（8）燃烧测试技术（20世纪60年代）：燃烧测量技术进展主要反映在喷雾测量、流场测量、火焰测量和燃烧过程产物测量等方面。采用粒子图像测速(PIV)、粒子跟踪测速(PTV)技术和激光多普勒(LDV)技术准确测量缸内气体运动规律。相位多普勒粒径PDA(PDPA)技术和激光散射粒径(LDSA)测量技术能测量出喷雾粒径大小和分布规律。利用高速摄影和纹影技术能测量出火焰发展和火焰面形状，采用两色法能获得清晰的火焰图像。激光诱导荧光(LIF)技术可获取混合气浓度场、燃烧过程NO和OH分布。红外测温系统可获取火焰的温度分布，根据光谱信息检测缸内NO浓度。利用激光诱导荧光法两维成像技术，通过对火焰前锋面中间基OH、CH和C2的发光光谱分析，较好地认识了火焰前锋面处的化学反应过程。2019/12/22162019/12/2217PhysicalmeasurementprincipleofDopplerGlobalVelocimetry2019/12/2218particleimagevelocimetry(PIV)粒子成像测速场仪；theimagingofscalarsplanarlaserinducedfluorescence(PLIF)平面激光诱导荧光成像2019/12/2219（9）20世纪90年代以来：大型商用模拟计算程序：Star－CD、KIVA、Fluent等的出现，推动了燃烧理论、排放控制理论的进一步发展。燃烧学在深度和广度上都有了飞跃的发展。关于燃烧模拟的目的：模拟燃烧过程、帮助解释和理解观察到的燃烧现象；代替困难或高造价的实验；指导燃烧实验的设计；帮助确定各种参数对燃烧过程的影响。例如锅炉运行中常见的问题：燃烧效率低，表现在能耗高、烟气中的可燃气体含量高、飞灰及炉渣中的可燃物含量高、锅炉负荷达不到要求；燃烧不稳定、热负荷分布不均匀；水冷壁及对流受热面超温、结渣；污染物（粉尘、NOx、SOx）排放高；所有这些问题都与锅炉内部气体的流动、燃料的燃烧、热量的传递这三种基本现象密切相关，可以通过计算机模拟来解决。2019/12/2220氮氧化物粉尘1.3燃烧及其设备燃烧薪柴、煤炭、石油和天然气等矿物质燃料将化学能转化为热能，一直是人类获取大量热能和电能的主要途径。燃烧是物质发生激烈的化学反应而发热和发光的现象。燃烧的三种基本现象：化学反应、传热和传质。化学反应是燃烧过程中最主要的基本现象，同时发生许多化学反应。热量传递是燃烧过程中必然发生的物理现象，包括导热、辐射、对流。传质广泛存在于燃烧过程中。传质过程包括：形成火焰的部分或所有气体的对流传质；火焰中某些组分相对于其他组分的分子扩散或湍流扩散。火焰中气体流动：火焰本身流动，也可由于浮力作用产生。扩散现象是由于火焰中气体组分浓度的显著差异而引起的。分子扩散：因分子无规则热运动使火焰中气体组分由浓度高处传递至浓度较低处的现象。湍流扩散：湍流火焰中，凭借气体质点的湍流来进行质量传递的现象。区别于化学反应工程中的“三传一反”的特点：三传是指传质、传热、动量传递，一反指化学反应过程。2019/12/2221燃烧的本质人类对火的认识，已经有几十万年的历史了。从钻木取火，到后来发现热可以从各种能量转换，是人类长期用火实践和大量的科学实验证明，燃烧的本质表现在：1、燃烧是一种化学反应燃烧中化学反应类型大致有三种：(1)简单组成的可燃物直接与氧化合（单质化合）C+O2→CO2；4Na+O2→2Na2O；4P+5O2→2P2O5(2)化合物先分解后化合（碳氢化物）CH4+2O2→CO2+2H2O；2C2H2+5O2→4CO2+2H2O(3)复杂的分解反应和复分解反应（指含氧物）4C3H5(ONO2)3(硝化甘油)→12CO2+10H2O+6N2；2NH4NO3→2N2+4H2O+O22019/12/22222、燃烧必须有放热、发光(1)光：燃烧区域的温度较高，使其中高热的固体粒子和某些不稳定（或受激发）的中间分子内电子发生能级跃迁，从而发出各种波长的光；(2)热：一切化学反应都伴随有能量变化，表现在反应中或是吸热，或是放热。燃烧大部分是氧化反应，在化学反应时有旧键的断裂和新键的生成。断键时要吸收能量（活化能），成键时又放出能量。在燃烧反应中，断键时吸收的能量要比成键时放出的能量少，所以都是放热反应；(3)火焰：发光的气相燃烧区域就是火焰，它