燃烧学教案---电子版

燃烧学――第一讲1第一讲重点：燃烧条件、及燃烧空气量的计算。绪论燃烧学是研究燃烧的发生、发展和熄灭过程的学科。一．燃烧学的研究内容燃烧的本质；着火机理、熄火机理；气、液、固体可燃物燃烧特性；燃烧技术（工程燃烧学）；防灭火技术（消防燃烧学）。二．燃烧学学习的目的和意义2.1火的作用火被人类掌握和使用以后，为人类的进步和社会的发展作出了巨大贡献。2.2火的危害火一旦失去控制，造成对国民经济的损失，同时，火灾还对环境和生态系统造成不同程度的破坏。火灾还对社会带来不安定因素。火灾指的是在时间和空间上失去控制的一种灾害性燃烧现象，包括森林、建筑、油类等火灾以及可燃气和粉尘爆炸。火灾发生的必要条件：可燃物、空气和火源同时存在。按火灾损失严重程度可分为特大火灾、重大火灾和一般火灾三类。下面是几个典型火灾案例。1998年1月3日，吉林省通化市东珠宾馆发生火灾。1999年10月30日，韩国仁川市一幢4层楼的地下卡拉OK厅发生火灾，有57人被烧死，71人被烧伤。2000年12月25日，洛阳东都商厦火灾。2002年6月16日，位于海淀区学院路20号的“蓝极速”网吧发生火灾。火灾烟气的组成：（1）气相燃烧产物；（2）未完全燃烧的液固相分解物和冷凝物微小颗粒；（3）未燃的可燃蒸汽和卷吸混入的大量空气。火灾烟气中含有众多的有毒有害成分、腐蚀性成分和颗粒物等，加之火灾环境高温、缺氧，导致火灾中很多人因烟气窒息和中毒而死亡。2.3目的和意义学习研究各种可燃物的着火条件――――防火燃烧学――第一讲2学习研究物质爆炸规律―――预防爆炸学习研究燃烧、蔓延规律、熄灭―――灭火，减少损失学习研究燃烧烟气特性――――防排烟，减少人员伤亡三、火灾防治措施火灾防治措施有：建立消防队伍和机构、研制各种防灭火设备、制定相关防灭火法规、研究火灾机理和规律及调动社会各界力量投入防灭火。四、燃烧学的研究对象和方法4．1燃烧学的研究对象燃烧学的主要研究方面：1、燃烧理论的研究。2、燃烧技术的研究。4．2火灾的特点火灾的发生和发展规律具有随机性和确定性的双重特点。随机性是指火灾在何时、何处发生等是不定的，它要受到多种因素的影响，但却遵循一定的统计规律。确定性是指火灾的发生是按其确定的过程发展，火灾燃烧、烟气流动等都遵循确定的流体流动、传热传质、物质守恒等规律。4．3燃烧学的研究方法燃烧学的研究方法包括统计分析法、模拟研究法和实体实验法。五、本课程的主要研究内容本课程的主要研究内容为：燃烧的化学基础；燃烧的物理基础；着火和灭火理论；气体可燃物的燃烧；液体可燃物的燃烧；固体可燃物的燃烧；室内灭火简介。第1章燃烧化学基础本章包括：燃烧的本质和条件；燃烧所需空气量的计算；燃烧产物及其计算；燃烧热的计算和燃烧温度的计算。1.1燃烧的本质和条件1.1.1燃烧的本质燃烧是指可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和发烟的现象。燃烧学――第一讲3燃烧区的高温使其中白炽的固体粒子和某些不稳定的中间物质分子内电子发生能级跃迁，从而发出各种波长的光；发光的气相燃烧区就是火焰，它是燃烧过程中最明显的标志；由于燃烧不完全等原因，会使产物中混有一些微小颗粒，这样就形成了烟。燃烧的本质是一种氧化还原反应，但又不同于一般的氧化还原反应。爆炸与燃烧没有本质差别。很多燃烧反应不是直接进行的，而是通过游离基团和原子在瞬间进行的循环链式反应。1.1.2燃烧的条件及其在消防中的应用1.1.2.1燃烧的条件燃烧三要素指：氧化剂、还原剂及引发燃烧的能源。三要素是燃烧的必要条件，不是充分条件，要发生燃烧还必须满足其它条件。燃烧能发生时，三要素可表示为封闭的三角形，称为着火三角形，如图1-1（a）所示。根据燃烧的链锁反应理论，因此，着火三角形应扩大到包括一个说明游离基参加燃烧反应的附加维，从而形成一个着火四面体，如图1-1（b）所示。1.1.2.2燃烧条件在消防中的应用根据着火三角形，可以提出以下防火方法：控制可燃物；隔绝空气；消除点火源。根据着火三角形，可以提出以下灭火方法：隔离法；窒息法；冷却法。着火四面体为另一种灭火方法——抑制法提供了理论依据，原理是：使灭火剂参与到燃烧反应中去，销毁游离基，形成稳定分子或低活性游离基，使燃烧反应终止。防火和灭火的原理是防止燃烧条件的形成和破坏已形成的燃烧条件。1.2燃烧空气量的计算空气需要量表示一定量可燃物燃烧所需要的空气质量或者体积。1.2.1理论空气量理论空气量是指单位量的燃料完全燃烧所需要的最少的空气量。可燃物燃烧助燃物点火源可燃物游离基助燃物燃烧点火源（a）着火三角形（b）着火四面体图1-1着火三角形和着火四面体燃烧学――第一讲41.2.1.1固体和液体可燃物的理论空气需要量对于固体和液体可燃物，习惯上用质量百分数表示其组成，其成分为：%100%%%%%%%WASNOHC（1-1）依据这些元素完全燃烧的计量方程式，完全燃烧的总体方程如下：22COOCOHOH22214122SOOS（1-2）假定计算中涉及的气体是理想气体，则所需氧气的体积为2,0104.22)3232412(2OSHCVO（m3/kg）（1-3）因此，每1kg可燃物完全燃烧时所需空气量的体积为21.02,0,0OairVV（m3/kg）（1-4）例1-1：求5kg木材完全燃烧所需要的理论空气量。已知木材的质量百分数组分为：C－43％，H－7％，O－41％，N－2％，W－6％，A－1％。1.2.1.2气体可燃物的理论空气量对于气体可燃物，习惯上用体积百分数表示其组成，其成分为：%100%%%%%%%%222222OHNOCOSHHCHCOmn（1-5）可燃物完全燃烧的反应方程式如下：2221COOCOOHOH22221222223SOOHOSHOHmnCOOmnHCmn2222)4(每1m3可燃物完全燃烧时需要的氧气体积为2222,010)4(2321212OHCmnSHHCOVmnO（m3/m3）（1-6）每1m3可燃物完全燃烧的理论空气体积需要量为2222,0,010)4(23212176.421.02OHCmnSHHCOVVmnOair（m3/m3）例如1-2：求1m3焦炉煤气燃烧所需要的理论空气量。已知焦炉煤气的体积百分数组成：CO－6.8％，H2－57％，CH4－22.5％，C2H4－3.7％，CO2－2.3％，N2－4.7％，H2O－3％。解：完全燃烧1m3这种煤气所需理论空气体积为2222,0,010)4(23212176.421.02OHCmnSHHCOVVmnOair=4.188m3燃烧学――第二讲5第二讲重点：燃烧产物量的计算。1.2.2实际空气量和过量空气系数实际供给的空气量称为实际空气量。实际空气量L与理论空气量L0之比称为过量空气系数，用α表示：实际空气需要量与理论空气需要量的关系为：airairVV,0,（1-8）气态可燃物α＝1.02-1.2；液态可燃物α＝1.1－1.3；固态可燃物α＝1.3－1.7。当α＝1时，表示实际供给的空气量等于理论空气量。此时燃料与氧化剂的配比符合化学反应方程式的当量关系。此时的燃料与空气量之比称为化学当量比。当α1时，表示实际供给的空气量少于理论空气量。当α1时，表示实际供应的空气量多于理论空气量。综上，α的数值对于燃烧过程有着很大影响，α过大或者过小都不利于燃烧的进行。1.2.3燃料空气比与过量空气系数1.2.3.1燃料空气比f燃料空气比是在燃烧过程中实际供给的燃料量与空气量之比，即：afGGf（1-9）它表明每千克空气中实际含有的燃料千克数，它与过量空气系数α的的关系为011LLGGfaf（1-10）对于一定燃料来说，L0是确定的值，因而f和α成反比。当α＝1时，油气比f＝1/L0。1.2.3.2过量燃料系数β过量燃料系数指实际燃料供给量与理论燃料供给量之比，是理论空气量的倒数，即：01LLf（1-11）实际空气量的倒数1/aL0就是实际燃料量。因此，过量燃料系数β为1（1-12）燃烧学――第二讲61.3燃烧产物量的计算燃烧产物主要指燃料燃烧生成的气相产物，包括完全燃烧产物和不完全燃烧产物。1.3.1完全燃烧时烟气量的计算当燃料完全燃烧时，烟气的组成及其体积可由反应方程式并根据燃料的元素组成或者成分组成求得。产物主要有CO2、H2O、SO2和N2，烟气体积为：OHONSOCOyqVVVVVV22222（m3/kg）（1-13）当α＝1时，OHNSOCOyqVVVVV2222,0,0,0（m3/kg）（1-14）1.3.1.1固体和液体燃料的燃烧烟气量的计算1.二氧化碳和二氧化硫的体积计算22COOC100124.222,0CVCO（m3/kg）100324.222,0SVSO（m3/kg）2.理论氮气的体积airNVNV,0,079.0100284.222（m3/kg）3.理论水蒸气的体积OHV2,010024.22H1001814.22M（m3/kg）至此，得到理论烟气量为：yqV,0100124.22C+100324.22S+)79.0100284.22(,0airVN+（10024.22H1001814.22M）（m3/kg）把水分扣除后的烟气称为“干烟气”。于是理论烟气体积yqV,0又可写成：OHgyyqVVV2,0,0,0当α1时：kgmVVVairyqyq/)1(3,0,0（1-15）1.3.1.2气体燃料燃烧烟气量的计算燃烧学――第二讲7%100%%%%%%%%222222OHNOCOSHHCHCOmn（1-19）每m3可燃物燃烧生成的CO2、SO2、H2O和N2的体积分别为：22,0102mnCOHnCCOCOV（m3/m3）22,0102SHVso（m3/m3）2222,01022mnOHHCmSHOHHV（m3/m3）airNVNV,022,079.0102（m3/m3）yqV,0=2,0COV2,0soVOHV2,02,0NVmnHCmnCOCO)2(2SH22OHH222N×10-2airV,079.0当α1时，除了理论空气量之外，还要加上过量空气量。1.3.2不完全燃烧时烟气量的计算不完全燃烧烟气中的可燃物质主要有CO、H2和CH4，每摩尔这几种可燃物质在空气中燃烧的反应方程式为：222276.35.076.35.05.0NCONOCO2222276.35.076.35.05.0NOHNOH22222476.32276.322NOHCONOCH在α≥1时，不完全燃烧烟气量比完全燃烧烟气量的体积增加了25.05.0HCOVV，即)5.05.0(2HCOyqByqVVVV（1-20）式中，ByqV表示不完全燃烧烟气量；yqV表示完全燃烧烟气量。在α1时，不完全燃烧主要有两种情形:（1）燃料与空气的混合均匀，且O2全部消耗掉，烟气中含有CO、H2和CH4等成分。每m3此燃料烟气生成量体积减少4252.988.188.1CHHCOVVV燃烧学――第二讲8即yqByqVV4252.988.188.1CHHCOVVV（1-22）（2）氧气供应不足，且存在由于燃料与空气混合不好而造成的不完全燃烧，即烟气中还存在自由氧，设这部分氧气的体积为2OV，折合空气量为2276.421.0OOVV。当自由氧不为零时，生成的烟气量为yqByqVV[4252.988.188.1CHHCOVVV－276.4OV]（1-24）燃烧学――第三讲9第三讲重点：盖斯定律、热值及燃烧温度的计算。1.4燃烧热的计算1.4.1热容热容是指在没有相变化和化学变化的条件下