目录 第一章绪论 $1-1本课程的重要性和内容 $1-2能源概况 §13能源在国民经济中的地位… §14燃烧学的发展史及研究方法 第二章燃料… §21煤… 82-2液态燃料 S2-3气态燃料*… …2】 第三章燃烧过程的热工计算 23 景3-1燃料燃烧所信的空气量…… 23 §32完全燃烧产物生成量、成分和密度 26 $3-3 不完全燃烧产物及燃烧过程的质量检测…… 29 §34空气消耗系数及运行时的风量调整… §3-5燃烧温度计算…… 34 第四章燃烧化学动力学基础 84-1化学反应速案.， §4-2 阿累尼乌斯定律 46 §43影响反应速率的因素……… 51 多44链锁反应……… 53 第五章着火过程 58 季5-1热自燃理论…… 58 $5-2强迫着火……… 63 §5-3熄火… 67 第六章火焰传播和火焰稳定… 70 S6-1层流火焰传报速度… §6-2 影响层流火焰传播速度的因素、火焰传播界限及淬炮距离…73 6-3微流火焰传指速度……75 56-4本生灯选格过程及其以格路定. *44*78 86-5 高速混气流中火焰稳定原理及稳焰方法………80 -1-
第七章气体燃料燃烧…… **87 多7-1扩散燃烧与动力燃烧… 82 7-2 射流流动 §7-3扩散火焰结构 7-4预混火焰结构… 102 7-5 引射式大气燃烧器 令7-6鼓风式燃烧器 1i3 §7-7燃烧器的适应性… 4114 7-8新型气体燃料燃烧器 …115 第八章 液体燃料燃烧 119 8-1 液体燃料的燃烧过程 9 58-2遂油雾化过程… 120 683恢冲受化装晋一一请破 122 88-4 油喷嘴的雾化特性 132 §8-5油珠的装发与燃烧……***…4***……*… 136 68-6油雾燃烧… 1…142 58-7 乳化油及其燃烧 §88典型液体燃料燃烧装置简介 16 第九章固体燃料燃烧…… 150 §91煤的燃烧过程… 150 S92固体碳粒的燃烧… 。。 151 393碳粒燃烧的化学反应 155 §94多孔性碳粒的燃烧… 158 95 一次后应对虚粒做格的影响 161 §9-6扩与动力控制的碳粒表面燃烧 164 S9-7灰分对碳燃烧的影响… 168 §98固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 170 §99水煤浆燃烧… 184 S9-10煤的气化… 187 第十章燃料燃烧引起的污染及其防治 190 810-1燃料燃烧对空气污染的影呢 810-2 碳黑与飞灰的形成与防治 192 S10-3疏氧化物的形成与防治 196 §104氮氧化物的形成与防治 199 燃烧物理学基本方程· 207 1 分子输运基本定律 …207 2
52 基本守恒方程 209 二维边界层守恒方程…………215 84 泽尔多维奇转换和广义雷诺比拟… 216 85 斯蒂芬(Stefan)流 218 参考文献 221 -3
第一章绪论 §1-1本课程的重要性和内容 能源是我国经济和社会发展的战略重点，是实现四个现代化和提高人民生活水平的重要 物质基础。近一二：十年它的重要性已愈来愈明显地被人们所认识 能源的种类很多，但在最近几十年，人类能够获得和使用的能源主要是煤炭、石油和关然 气。这些燃料需要通过燃烧释放能量，因此燃料的燃烧是目前取得能量的主要方式。它广泛地 应用于国民经济的各个部门，研究和掌握燃料的生产及其燃烧过程，把燃料的热能尽可能多地 释放出来并加以合理利用，对国民经济的发展和人民生活水平的提高有着巨大的意义。 我國的能源生产1990年已经达到10亿多吨标准煤·，居世界第三。今后随着四个现代化 建设的发展，我国能源的开发与利用还将迅速增长。根据计划，1995年我国的能源生产将接近 12亿吨标准煤，2000年能源生产将超过13亿吨标准煤.如此大量的能源开发与利用必然有大 量的燃烧工程问慰需要解决。举例来说，我国能遮的利用现状是很不合理的，能源利用效率低， 浪费很大，国民经济的单位产值能耗很高。对于相同的产值，我国消耗的标准煤是世界平均能 耗的2.74倍、虽然造成这个事实的原因是多方面的，但我国燃烧设备的热效率低则是其重要 原因。我国工业锅炉的热效率低达50一60%，而英国和日本则分别为71%和80%.我国窑炉 的热效率更低，一般在30%以下，而其总耗能量约占全国总耗能量的25%左右.由此可见，我 国工业窑炉节能多么重要而又多么艰巨，节能的方法很多，但改进燃烧技术和提高燃烧效率则 是一个重要方面。 另一方面，能源的大量开发和利用，会产生大量的有害污染物（烟尘ND、SO,CO),其中 以烧煤造成的大气污染最为突出。我国目前城镇已普遍受到以烟尘和$O,为主的煤烟型物质 的污染，大气总悬浮微粒的年日平均值，北方城市达到了0.93mg/m',南方城市则为0.41mg/ m.S0,的年月平均值，北方城市达到了0.12mg/m,南方城市则为0.11mg/m.如果能源技 术和环境控制保持在目前的水平，则能源开发和利用达到12~13亿吨标准煤时，北方城市的 大气总悬浮微粒将增加至1.67mg/m。超过目前二级环境标准的45倍，北方城市大气中 S0,会增加到0.27mg/m',将普遍高于50年代西方国家一些大城市的水平，由此可知，在国民 经济发展与能源利用增长的可时，注意环境保护是不容缓的理要问题。在这方面采用先进的 耗能方式和燃烧技术可以大大减少能源对环境的污垫。 由此可知，燃料及其燃烧过程，在四个现代化建设过程中有着十分重要的作用。如何控制 燃烧过程使燃料能高效率，低污染和高强度地燃烧是摆在我们面前需要解决的重大课题，这正 是为什么热能、动力以及工程热物理等专业的间学需要学习本课程的原因」 根据以上所述，本课程将对阖体、液体和气体燃料的燃料特性以及它们燃绕的基本规律 。原其接算成标准某接算至数为ā.714.原油推算为保准堪地前系数务1429
(燃烧理论)进行讨论，并在此基础上介绍工程中各种奥型的燃烧设备和燃烧拉术，通过这些内 容的学习培养同学分析和解决燃烧工程问题的能力。具体内容可分为以下四部分： 第一部分是迭料及燃料的燃烧反应计算，主要介绍固体，液体和气体燃料的分类和特性以 及各类然料的燃烧反应计算。它包括燃烧需要的空气量、燃烧产物生成量、燃烧温度计算以及 燃烧过程质量的检测， 第二部分是燃烧的基本理论，主要介绍燃烧化学动力学基础，预混气的着火理论以及火焰 传播速度和燃烧稳定性问题， 第三部分是燃料的燃烧过程、燃绕方法和典型燃绕装置。主要介绍气体燃料、液体燃料和 固体燃料的燃烧过程和燃烧规律，介绍工程上实际采用的燃烧方法和一些典型的燃烧装置 第四部分是燃烧过程引起的污染及其防治。主要介绍燃烧产生的各种污染物及控制和减 少这些污染物对大气污染的基本方法和途径. §1-2能源概况 几干年来人类为了获得能源，一直在同自然界作斗争，从世界范围来看，人类从进入农业 社会以后便开始进入能源时代，能源就成为人类社会发展的重委物质基础 。在漫长的农业社 会，人类一直用木英作为能源，此时的生产能力是很低的。18世纪60年代从英国开始的产业 革命促使世界能源结构发生了第一次大转变，即从木柴转向煤炭。在整个19世纪煤炭成为资 本主义工业化的动力基础，使社会生产力有了很大的授高。到本世纪20年代世界能源发生第 二次大转变，即从煤发转向石油和天然气。这一转变首先在美国出现。二次大战后几乎所有发 达国家都转向石油.到1959年石油和天然气在世界能源格成中的比重首次超过煤炭而占第一 位。1986年世界一次能源总消费量为108亿吨标准煤，其中：石油占38为；天然气占20%：煤 炭占30%：水电占7%：核电占5%。能源结构从煤炭转向油、气，对社会和经济的发展具有十 分重要的意义，50年代和60年代许多国家正是依靠充足的石油供应，特别是廉价的中东石油 实现了经济的高速增长。70年代以来，由于现有能源的资源有限（据估计目前全世界已探明白 煤炭、石油、天然气等化石燃料的总量大约只够人类使用100多年)，更重要的是新的技术革命 的兴起，促使新兴工业（电子和电脑工业，空间工业、海洋和生物工程等）的蓬勃发展，将使世界 能源结构经历第三次大转变，即从油、气为主的能源系统转向可再生的、分散的和多样化的能 源。这个转变将是一个漫长的过程，大约需要经历100年或更多的时间.因而在未来的几十年 内，世界能源仍将以化石燃料为主，并且煤炭将重新成为世界的主要能源 据国际应用系统分析研究所预测，到2030年世界 一次能源的构成是：煤29一34%，石油 22一19%，天然气15一17%，核能23%，水力和地热7~4%，太阳能和其他可再生能源4%， 2030年全世界生产的煤炭将有一半以上用来制取合成燃料 我国的能源资源是丰富的，煤的探明储量已达8000亿吨以上（占世界第一位），水力资源 达6.8×10kW(占世界第一)。石油的总资源量约为78？亿吨，目前已探明的石浊储量只是其 中很小的一部分，天然气储量达4×10m3,轴钍资源相当丰富.因此从长远来肴我国能源资源 不应成为限制能源生产和供应的主要障碍 新中国成立40多年来，我国的能源工业得到了迅速的发展。1990年我国煤的产量已达 10.9亿吨，原油产量达到了1.38亿吨，发电量达到5500亿度(6150亿kw·h).与解放初期 一2
相比煤的产塔增加了33倍，原油产量增加1100多倍，发电量增加140多倍，其增长速度超过 了国民经济的增长速度，基本上满足了国内的需要并且还路有出口，目前我国已成为世界第三 大能源生产国了。 我国在能源生产迅速增长的同时能源结构也发生了显著的变化。建国初期能源生产基本 上是单一的煤炭结构，在50年代煤炭占一次能源总产量的95%以上。1963年以后随大庆， 胜利、华北、大港油田的建成投产，煤炭在能源构成中的比里开始下降，石油的比重逐渐上 升.目前我国的能源生产结构已经从基本上是单一的煤炭结构发展为以煤换为主（约占 71.2%),石油，天然气（约占24.3%）和水电（约占4.5%）互补的多种能源结构。这对于促进 我国经济和社会的发展具有重要意义。 需要指出，我国作为一个拥有1亿人口的发展中国家，依靠自己的力量和丰富的资源实 现能源自给是 项巨大的成就，在当今能源问题日益尖锐的世界上，这一成就对保证国家的独 立和经济的培长具有深远的意义， 我国是能源生产大国，也是能源消费大国.1986年我 一次能源的总消费量为8.09X10 电标准煤，仅次于美国、苏联而居世界第三位。在能源消费总昼中工业消费约占2/3，农业占 ?%,民用和商业占26.7%，在工业部门中化工治金和建材是耗能最多的部门。 虽然我回是能源生产和消费大国，但是若按人口平均的消费量计算，我国的水平是很低 ,据1986年统计我国人均能源消费量只有0.76吨标准煤，远低于发达国家的水平，是世界 另一方面我国能源的利用效率也很低。以每沌标准煤能耗创造的产值来计算，1980年出 界平均产值为1190萸元，我国只有435美元，为世界平均值的36.5%。若以每千美元产值的 能耗来比较，世界平均能托为0.84吨标准煤，而我因则为2.3吨标雅煤，为世界平均能耗的 2.74倍。从单位产品能耗看，我国与世界先进水平相比也存在很大差距。某些高能耗产品，生 产每纯产品消耗的能源普遍比国外先进水平高出1倍左右。这说明我国能源利用技术比较落 后，每吨能源所提供的有效能在主要耗能行业中只及国外先进水平的一半左右，因此我国有着 巨大的节能潜力. 根据1980年我国能流图计算，我国能源的综合利用效率只有25.86%。各种能源在各部 门的有效使用情况知图1-1所示。近10年来能源利用效率有了提高，但一般估计仍不超过 30%.欧洲地区在70年代初能源的综合利用效率为32%，日本为36.5%，目前工业发达同家 的能源有效利用已超过40%。相比之下我国每年要白白多消费2亿多吨的煤，因此为了满足 我国日益发展的生产和人民生活日益提高的需要，我们一方面必须大力增加能源生产，另一方 面也必须大力开节能工作，所以我国能源建设的总方针是“能源的开发和节约并重，在近期 要把节能效在优先地位”，这无疑是十分正确的。 §1-3能源在国民经济中的地位 在现代社会中，任何生产过程不投入必要的能源，生产过程是无法进行的。因此能源在国 民经济中有若十分重要的地位。从根本上说经济的发展要以能源作为物质基础，对于一个正 在实行经济结构工业化，经济建设昵代化的国家，只有能源生产增加经济才能发展。我国建国 以来国民经济发展与能源增长的关系（图1-2）充分说明了这点。然而能源与经济的关系是复 一3
杂的，在一个国家不同的发展阶段能源对经济的影响程度是不同的。一殷来说社会经济的发展 要经历三个阶段，即劳动密集阶段一能源密集阶段一技术密集阶段.以美国为例，1840~ 1900年为劳动密集阶段，1900一1960年为能源密集阶段，1960一2020年为技术密集阶段。这 三个分段的社会经济结构有很大的差异，因此经济对能源的依赖程度也不相同。 水电386% 发电电站 15.26% 14.1% 22.36% 失7.28% 7.28% 29.50% 原煤71.76以 工业44.52% 57.64% 30.10% 3.79 12% 次6.74% 5.021 15.62% 交通3.72% 16975 原油21.33% 商业民用。 4.837 其他18.63% 或2 386外 非能3.86% 图1-1中☒1980年能流图 能源消费与经济增长之间的关系可以用能源弹性系数来表示，亦即用一次能源的年增长 率与国民生产总值年增长率的比值来表示，这一宏观指标能够反映能源与经济发展的长期趋 势，一殷在工业化初期能源消费对经济的增长敏感性大，能源弹性系数应大于1。实现工业化 后，工业在产值中所占比重下降而耗能少的服务业的比重上升，同时能源利用效率提高。这些 因素可使能源弹性系数降到1以下，发达国家和发展中国家能源与经济增长的一般关系如表 】-1所示。 因为生产任何产品都离不开能源，所以一个国家的能断发展水平在一定程度上代表了国 家的经济发展水平，图1-3示出了各工业国一次能源消耗与国民产值的关系，图1-4统计了85 个发展中医家人均年产值与人均年耗能的关系曲线。由图可知，两者关系相当密切，且呈单调 关系。这些曲线说明，如果没有足够的能耗和人均能耗水平，想达到很强的经济实力和很高的 人均国民生产总值是不可能的。 4
表1-11950~2030年发达国家和发展中国家能源弹性系数 1950-1975年 1976一2000年2001~一2030年 发达回家 一次能返年增长为 4.5 2.22.9 1.620 经济年增长率为 4.8 2.83.8 1.825 能源弹性系数 0.94 0.79-0.76 0.89w0.80 发展中国家 一次能深年增长率% 86 4.45.9 2.94.0 经济年增长率为 3.6-5.2 2.6~3.6 能源弹性系数 1,221.13 1.121.11 864 ,39 以 4 52 支寸4方68902 工农业总产值增长倍数1949年为) 图12我国历年能源消耗和工农业总产值相对值 的变迁（邃线表示平均弹性系数rm1.27) 生产水平的提高，经济实力的增长，在一殷情况下，国民的平均生活水平会得到相应的提 高，它体瑰了生产能源的最终目的因此目前已把人均产值和人均能耗作为衡量 一个国家国民 经济发展情况和人民生活水平高低的重要标志了。由此可知，能源的生产和消费是和人们生 活质量的高低密切相关的，根据国内外专家的预测，在现代社会中生活质量要达到小康生活水 平需要的人均年耗能量大约在1.2~1,6吨标准煤之间。能源需求的具体情况如表1-2所示
$000 7001 士 联典 600n 8 6比 4000 珍。 3004 6电 尔 000 南非 80 能源消赞（吨标煤/人年 图13工业国国内总产值与一次能源消耗的关系 表1-2小康生活的能源需 单位kg标准煤/人年 日 中国能研究会预测 哈夫纳的研究结果 本 70-80 108 否 300~320 323 320-340 323 100-120 215 其他 440460 646 总计 1230~1320 1615 我国目前正在进行四个现代化的建 吨标准煤/人年 设，要在2000年实现国民生产总值比1980年 。农产品输出园 翻两香，人民生活达到小康水平的目标，必须有 出面 足够的能源来保证.1980年我国能源消费总量 为6亿吨标准煤。到本世纪末国民生产总值翻 两番，能源消费量必须有相应的增长，根据预测 。2 大约需要(16一1？)亿电标准煤。按照到本世纪 末我国人口为12亿计算，则人均能源消费量为 1.31.4)吨标准煤.这个数字大致与国内外学 者得出的小康生活对能源需求的估计相符合。 10 200300 00 1000 00w0 3000 需要指出，到2000年我国要生产(16~17)亿吃 人年平均产值美元 标准煤是我国能源工业很难达到的。根据计划 图】485个发展中国家人均国民生产 到本世纪末我国的能源生产约可达到(13~，14) 总值与人均能耗的关系 -6
亿吨标准煤。这样缺少的几亿吨煤必须依靠节能工作来实晚。因此节能是关系到四个现代化 建设能否按计划实现的关键之一，这就是说我们必须依靠经济结构的调整、科学的管理和技术 的进步来大大降低我国单位产品或单位产值的能耗水平，才能满足四个现代化建设的需要，在 这方面燃料的合理使用，燃烧过程的良好组织，采用先进的燃烧技术和燃烧设备以及保证燃烧 设备的良好运行可以发挥巨大的作用。 §1-4燃烧学的发展史及研究方法 燃烧是一门古老面又年青的科学，说它古老是因为人类在几干年甚至几万年以前就已经 知道火的应用了，说它年青是因为对燃烧本质和燃烧规律的认识，只是在最近 二百年特别是 最近几十年才有了较大的发展，目前燃烧的应用已经游及动力、怕金、石油、化工、交通运箱、机 械制造、筋织、造纸、食品，国防拟及人民生活的各个领域。，可以说现代社会的物质文明和精神 文明是与燃烧技术的发展密切相关的。 虽然人类学会用火已有很长的历史，但由于燃烧的复杂性，对火的认识却长期处于无知状 态，把物质能否燃烧归之于物质中是否含有一种“燃素”。直到18世纪中o4和Lavoisi- cr才提出了燃烧是物质氧化的正确概念，19世纪中Hess,Kirehoff发展了热化学和化学热力 学，把燃烧作为热力学体系来研究。阐明了燃烧热、，燃娆产物和燃烧温度的有关规律，形成了燃 烧静力学，20世纪30年代开始建立燃绕动态过程的理论，由B.Lewis,Von Elbe,.H.H. CMOB等人根据反应动力学及传热传质的观点，建立了若火和火焰传播的经典燃烧理论，在 40~50年代，ap,Spalding,Xrpa,oe等人从扩散燃烧和扩散动力燃烧的观点研 究了液滴和谈粒的燃烧.从50年代末到60年代，Vonkarman首先提出用连续介质力学来研 究燃烧，形成了后来称之为“化学流体力学”的分支。70年代随着大型电子计算机的出现，D, B.Spalding,S.V,Patankar.J.Swithenbank,L.D.Smoot等人把计算流体力学的方法用于研 究燃烧：建立了“计算燃烧学”，目前计算燃烧学已广泛应用于气体燃料燃烧、液雾燃烧、煤粉燃 烧的研究，并取得了进展。与此同时激光诊晰技术的发展，使人们有可能用非接触的方法，直接 测量燃烧条件下的气流速度，温度、组分浓度以及颗粒速度、浓度和尺寸分布，使人们对燃烧机 理的了解不断深入 由此可知，目前巴经可以用多种技术手段来进行燃烧学的研究。可以预料，运用基本燃烧 理论、燃烧何题的数学模型和激光诊断技术，将大大推进人们对复杂燃烧现象的认识并使燃烧 技术得到进一步发限，使燃烧科学能更好和更有效地为工程设计，产品研制和产品使用服务， 以满足国民经济发展和四个现代化建设的需要。 思考题 1.我国能源生产和消费的概况和特点， 2.能荐在国民经济建设和提离人民生活水平宁的重要性。 3。本课程在专业中的作用和地位