普通高等教育“十一五”国家级规划教 PUTONG GAODENG JIAOYU SHIYIWU GUOJIAJI GUIHUA JIAO GONGCHENG RANSHAOXUE 工程燃烧学 汪军马其良张振东编 团中用电力出版社 http://jc.cepp.com.cn
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 PUTONG GAODENG JIAOYU SHIYIWU GUOJIAJI GUIHUA JIAOCAI GONGCHENG RANSHAOXUE 工程燃烧学 汪军马其良张振东编 李永光袁益超主申 团电虫版
内容提要 本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。 本书主要阐述了燃烧的概念、基础理论、燃烧装置及燃烧技术。书中既着重于 系统地阐述与燃料燃烧过程有关的基本概念和基本理论，又重点介绍固、液和气体 燃料燃烧技术和控制燃烧过程中污染物的生成及排放的基本原理和方法。 该书紧密结合国家和地方发展燃气轮机技术、城市垃圾焚烧技术和“西气东 送”的政策和大趋势，充分反映能源与动力行业技术发展的新趋势和新动向，力求 使读者获得适应21世纪能源动力学科和产业发展需求的知识和能力。 本书可作为普通高等院校本科能源动力类专业学生教材，也可作为研究生相关 专业教材，还可供相关行业技术人员参考。 图书在版编目(CIP)数据 工程燃烧学/汪军等编.一北京：中国电力出版社，2008 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 ISBN978-7-5083-7274-7 I.工…Ⅱ.汪…Ⅲ.燃烧理论一高等学校一教材 V.TK16 中国版本图书馆CIP数据核字(2008)第077306号 中国电力出版社出版、发行 (北京三里河路6号100044http://jc.cepp.com.cn) 汇鑫印务有限公司印刷 各地新华书店经售 2008年7月第一版2008年7月北京第一次印刷 787毫米×1092毫米16开本25.5印张627千字 定价39.80元 敬告读者 本书封面贴有防伪标签，加热后中心图案消失 本书如有印装质量问题，我社发行部负责退换 版权专有翻印必究
项五我二 黄 营 本书根据教育部高等学校能源动力类“热能与动力工程”专业教学指导委员会所制定的 教学基本要求编写，力求适应1999年教育部高等学校本科专业调整之后能源动力类热能与 动力工程专业对“工程燃烧学”里程数学的要求 新的“工程燃烧学”在教材内容安排上，既考虑到清华大学、浙江大学、西安交通大 学、哈尔滨工业大学、东南大学、上海交通大学和上海理工大学等院校1999年前相类似的、 按照二级学科划分的能源动力类专业结构体系特点（专业分工细而全），又充分认识到新的 本科热能与动力工程专业逐步淡化原有的二级学科色彩、强调拓宽专业口径的特色。该教材 紧密结合国家和地方发展燃气轮机技术、城市垃圾焚烧技术和“西气东送”的政策和大趋 势，既著重于系统地阚述与燃料燃烧过程有关的基本概念和基本理论，又重点介绍固、液和 气体燃料燃烧技术和控制燃烧过程中污染物的生成及排放的基本原理和方法，使学生在掌握 扎实的理论基础知识的同时，能够获得相关理论知识的工程应用背景知识，并通过相应的配 套实验教学获得感性认识和实践机会，强调“工程燃烧学”课程的工程应用性，培养学生学 以致用、理论联系实际的能力和素养。 本书充分反映能源与动力行业技术发展的新趋势和新动向，理论联系实际，有效地解决 了现有教材专业适应面单一，难以适应目前能源动力类“热能与动力工程”专业主干课程内 容要求的问题，满足新世纪对人才培养的新要求。 本书由上海理工大学动力工程学院汪军、马其良、张振东编写，其中，第1、2、4.5、 7、8.2、9章节由汪军编写，第3、5、6、10章由马其良编写，第4.1~4.4、8.1章节由张 振东编写。上海电力学院李永光教授、上海理工大学袁益超教授担任本书主审。主审老师提 出了许多宝费的意见和建议，在此表示衷心的感谢。 限于编者水平，书中疏漏不足之处在所难免，恳请读者批评指正。 编者 2008年6月
的言 1绪论 1.1 鲍源的报念与分类 1.2 工然烧与燃烧设备 1,3工程燃烧设备的基本性能绥求… ,1 14工程燃烧的研究及发腰 2燃料景论… 2.1燃料的版念与分类 h16 么2燃料的组成和特性 …17 2,3固体燃料 26 2.4液体燃料 小33 25气体搬料 2.日燃料分析方法**4=+4：：444：4：1， …58 3工程错烧计算… 3.1燃烧过程的化学反应 78 3.?燃烧空气量的计算 79 3.3燃烧烟气量的计算 81 3.4抛烧温度计算… 83 3.5燃烧检测及燃烧效率 横烧理论蓝珊 98 41燃烧反应的热力学基础 8 4,2然烧反应的化学动力学基础一活化分子醴撞理论 … 106 4.3活化合物的过态论 年110 4.4链赖反应理论…。 .111 4,5燃过程中的射流特性及其混合过程 4*4**117 5 气体燃料的燃烧… …133 5.】气体燃料燃烧原理及特点… 133 5.2预混可嫩气体的普火和燃烧 …134 5.3气体燃料的扩做燃烧… 157 5.4气体燃料燃烧装置 .162 5.5气体燃料的置换 172 6液体燃料的燃烧… 177 6.1液体抛料燃烧原理… 177 6?蔽体燃料的雾化过程及装置 ·184
6.3配凤原理及装置 …195 6.4液体燃料雾化燃烧的组织及布置 …20 7固体燃料的燃烧…… …205 7.1固体燃料的燃烧过程及特点 205 208 7.3煤的悬评憋烧技术及装置 7,4煤的旋风燃烧技术及装置 …242 75煤的沸腾燃烧技术及装置 +44+4+4444248 76煤燃烧新技术及发屉挡物……*+… 263 8热机燃烧技术及装量… 277 &.1内燃机燃烧技术及装置 277 82做气轮机燃烧蜜 313 9垃圾焚烧技术及装置… 335 335 ?垃圾焚烧系统和设备 10燃烧污染控制和燃烧安全技术… 367 10.1燃烧污染物排放及控制标准 367 o 10.3S0,污染与控制技术 10.4NO.污染与控制技术 381 10.5燃烧噪声与控制技术 389 10.6燃气泄漏及事故预防 391 10.7回火及脱火的顶防 4…393 10.8燃烧设备的安全保护 397 10.9燃烧设备的安全管理 399 参考文献： 401
通搞等球擅“什中五国家级现则粮W 中工程城簧学 1绪 论 1.1能源的概念与分类 人类在日常生活和从事生产活动的过程中，每天都要消耗大量的能量。在物理学中，能 量被定义为用做功本领量度的物质及其运动的属性。相应于不同的运动形式，能量可分为机 械能、热能、电磁能、化学能、核的、射能等。当物质的运动形式发生转换时，能量形式 同时也发生转换。 为人类提供上述各种形式能意的自然资源称为能源。大英百科全书对能源的解释是： “能源是一个包括所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类采用适当的转换手段，“给人类自 己提供所需的能量”。能源与每个人的生活息息相关，是人类赖以生存和发展工业、农业、 国防、科学技术，改善人民生活所必需的燃料和动力来源 按照能源转换和利用的层次，能源可分为一次能源、二次能源和终端能源。 一次能源，又称为自然能源。它是从自然界取得的未经加工或转换的能源，例如原煤 原油和天然气等矿物燃料，树木、农作物、草和水生植物等生物质燃料，以及太阳能、风 能、水能、核能等，一次能源经过加工或者转换而得到的电力，各种石油产品、焦炭、煤 气、煤液（煤液化燃料产品）、热水、燕汽等称为二次能源：二次能源经过输送和分配，在 各种用能设备中使用，即终端能源。 一次能源中能够直接用作终端能源（即通过用能设备供消费者使用的能源）的很少。天 然气是少数几种可用作终端能源使用的一次能源之一·而大部分一次能源都被转换成容易输 送、分配和使用的二次能源（如电力、油料、煤气、热水和蒸汽等），以适应用能单位的 需要 一次能源还可按服其是否能够“再生”而分为“可再生能源”和“非再生能源”。“可再 生能源”是指能重复产生的自然能源，它可供人类长期使用而不会枯竭，例如太阳能、风 能、水能、海洋能、潮汐能、地热能、生物质能等。“非再生能源”则指那些不能重发产生 的自然能源，倒如煤炭、石油、天然气、核燃料等。这些能源随营使用将不断减少，短期内 不会重复产生，最终将会枯竭。 按照能源在当代人类社会经济生活中的地位，常将能源分为“誉规能源”和“新能源” 两大类。“常规能源”是指技术上比较成熟，已被人类广泛利用，在生产和生活中起着重要 作用的能源，例如煤炭、石油、天然气、水能、核裂变能等。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，称为 “新能源”，例如太阳能、风能、海洋能、地热能、生物质能、核章变能等。随普科学技术的 发展，新能源利用技术将日益得到完善，新能源将逐渐被广泛利用，新能源也就演变为常规 能源。 按照能源的使用对环境的影响惰况，又可分为“清洁能源”和“非清洁能源”。煤炭、 石油等固体和液体燃料在燃烧时，会产生较大的污染，一般均属于“非清洁能源”。太阳能
2 工程嫩烧学 风能、水能、海洋能、地热能等非燃料能源基本上不产生污染，天然气、液化石油气等气体 燃料燃烧时产生的污染较小，这些能源属“清洁能源”， 按照能源的性质和利用方式，能源可分为“燃料能源”和“非燃料能源”。“燃料能源” 包括矿物燃料（煤炭、石油、天然气等）、生物质燃料（木柴、植物秸秆、沼气、有机废物 等)、化工燃料（甲醇、乙醇、丙烷、苯胺、废塑料等）和核燃料（铀、钍、钚等）四种。 “非燃料能源”如风能、水能、潮汐能、海洋波浪能等具有机械能，有的含有热能，例如太 阳能、地热指、海水温差能等。 我国能源资源并不丰富，能源供应比较繁张。能源的人均资源占有量为世界人均资源量 的1/2，仅为美国人均资源量的1/10。在各种能源资源中，对国民经济发展最具有实际意义 的是煤炭、石油与天然气、水能和核能资源。表1-1给出了中国一次能源消费总量及其构 成。由表1-1可见，中国目前最主要的一次能源仍然是煤炭。1980年后，煤炭在一次能源 消费构成中所古的比例在70%~？5%左右，近年来又下降至7阳%以下；原油和天然气所占 比例先是略有下降，在近几年又呈上升势头，约占20%~25%，水电所占比例一直呈持续 上升趋势。 表1-1 中国一次能源消费总量及其构成 年份 能源消资总量 占能源消费总量的比创(%) 万1标准 原煤 原油 天然气 水电与核电 1957 9644 92.3 4.6 0.1 3.0 1965 18901 86.5 10.3 a.9 2.7 1970 29291 80.9 14,7 0.9 3.5 1975 45425 71.9 21.1 25 4.8 1990 600275 72.2 20.7 31 40 1985 76682 75.8 17.1 2.2 4.9 1990 98703 76.2 16.6 2.1 5.1 1995 131176 74.6 17.5 1.8 61 1995 138948 74.7 18.0 1.8 5.5 1997 137798 71.5 20.4 1.7 8.2 1998 132214 69.6 21.5 22 6,7 1999 130119 68.0 23.2 2.2 6.6 2000 130297 66.1 24.6 2.5 6.8 2001 134914 65.3 24.3 2.7 7.7 2002 143000 66.1 23.4 27 7.8 20c3 167800 67.2 22.7 2.8 7.3 2004 197000 69,0 22,3 2.5 6.2 2005 2220e0 67.7 20.2 2.7 9.4 2006 245669 68.7 21.0 3.0 7.3
1绪 论 3 随着国民经济在21世纪初继续保持持续、快速和健康发展的势头，我国已经成为世界 第二大能源消费国，目前能源消费员约占全世界能源消费总量的11%。加强能源领域建设 实现能源工业新的突破迫在眉睫。由于受到油气资源储量的制约，石油和天然气产量的增长 速度有限，我国一次能源生产总量的增加仍将主要依靠发展煤炭、水电和核电。据测算，我 国一次能源生产总量到2050年可达到35.4亿t标准煤，其中原煤33.5亿t,占67.7%；原 油2.3亿，占9.3%；天然气1500亿m3,占5.6%：水电11540亿kW·h,占4.5%。在 整个21世纪上半叶，我国一次能源生产和消费结构仍将以煤炭为主，电力能源结构仍将以 火电为主。有明显变化的是，水电在能源生产总量中的比例将超过原油，水能资灏的开发程 度将接近60%： 1.2工程燃烧与燃烧设备 在人类的生活与生产活动中，热能是最早为人们认识并加以利用的能量形式之一。热能 不仅可以直接用于人类的日常生活和生产活动，还可以通过能源转换装置转换为其他形式的 能量，如机械能、电能等。因此，现代化工业的发展，无不与热能的转换和利用密切相关。 人类可以通过太阳能的直接利用和开发地热能来获取热能，但是燃烧煤炭、石油和天然 气等矿物燃料将化学能转化为热能，一直是人类获取大量热能、机械能和电能的主要途径。 例如，我国目前的能源消费结构以煤炭为主，近年来煤炭消费量占能源消费总量的？0%左 右，煤炭消费量的80%是原煤作为动力和民用燃料直接燃烧利用。 1.2.1火与燃烧 燃烧是物质发生激烈的化学反应而发热和发光的现象。在自然界中，这种广泛存在的自 然现象被称作“火”。从古代直至中世纪时期，火在西方世界曾被认为是宇宙中四种基本元 素之一。中国春秋时期产生的“五行”说，将水、火、木、金、土五种物质作为构成万物的 元素，以说明世界万物的起源和多样性的统一。火的使用是地球上出现人类的标志之一。18 世纪60年代始于英国的第一次产业革命，在0年代因蒸汽机的发明和采用得到进一步的发 展，这是人类对火与燃烧现象长期认识和研究经验积累的结果。在征服和利用火和燃烧现象 的过程中，人类一直试图认识和研究火和燃烧现象的本质。人类的物质文明史与燃烧技术的 发展不可分割，火的历史也就是人类社会进步的历史。 燃烧一般是指某些物质（通常是木柴、煤炭、石油、天然气等燃料）在较高温度时与氧 气化合而发生激烈氧化反应并释放出大量热量的现象，它是一些不同的物理和化学现象相互 作用的结果。 化学反应是燃烧过程中最主要的基本现象。在任何一个燃烧过程中，很少仅涉及一个化 学反应，而是会同时发生许多化学反应。燃烧过程中所发生的化学反应的类型很多，主要取 决于反应物的种类。 热量传递是燃烧过程中必然发生的物理现象。燃烧化学反应将提高火焰介质的温度，而 且这些化学反应本身对温度的敏感性也很高。在燃烧所产生的火焰中，热量的传递不仅通过 导热的方式来进行，有时也存在辐射，而且经常以由湍流祸旋运动而引起的热扩散来进行。 传质现象广泛存在于燃烧过程中。传质过程包括两种类型：①形成火焰的部分或所有气 体的对流传质②火焰中某些组分相对于其他组分的分子或湍流扩散。火焰中气体流动可能
4 工程燃烧学 是由火焰本身的流动所引起，也可由于浮力作用而产生。火焙中的炽热气体由于浮力效应而 不断上升，从而卷吸较冷的气体来加以补充，结果形成气体的对流。然烧中的扩散现象是由 于火焰中气体组分浓度的显著差异而引起的。其中，因分子无规则热运动使火焰中气体组分 由浓度较高处传递至浓度较低处的现象称为分子扩散：而在湍流火焰中，凭借气体质点的湍 动来进行质量传递的现象称为淌流扩散。燃烧过程中的传质现象与流体的流动及其物理性质 有关。 枫热上升气体0、H0,空气) 下面我们以蜡烛所产生的火焰（图1-1） 为例，来说明化学反应、传热和传质三种基本 现象如何相互作用并对燃烧过程产生影响、 蜡烛通常由石蜡制成。石蜡是从石油或页 岩油的含蜡馏分经冷榨或溶剂脱蜡而制得。它 黄色州良 是几种高级烷烃的混合物，主要有正二十二烷 (C2H6)和正二十八烷(CHs),含碳量约 85%,含氢量约14%。蜡烛里还常如人硬脂酸 (C,H5COOH)以提高软化点。在常温下， 廉入沙空气 石蜡和硬脂酸均呈固态缓慢加热后，在约 液态石蜡一 150℃下将液化并最终成为蒸气。在加热过程 中，蜡烛的主要成分实际上发生了分解，形成 图11装烛火焰中不同位置 些较轻的可燃组分。蜡烛燃烧的主要反应物 产生的物理 是空气中的氧气和由蜡烛芯蒸发出来的气态可 燃组分。石蜡和硬脂酸燃烧后的生成物均为二氧化碳和水蒸气，反应的化学方程式为 2C2H4s+6702=44C02+46H20 Ci Hi Co00H+2602→18C0,+18H0 蜡烛燃烧过程不仅涉及氧气、石蜡、硬脂酸及其加热分解过程中产生的其他组分，而且 还与燃烧过程中产生的一些原子和原子团有关，如O、OH、CH、HCHO等。通过在火焰 内部进行精确测景或者简单地观察火焰中出现的少量蓝色（由CH原子团引发的可见光辆 射)，可以证实这些原子团的存在。燃烧过程中的各种化学反应生成C0和水蒸气，并提高 了介质的温度。在某些情况下也会产生烟炱，而且火焰中的烟炱量多于火焰上方。由于炽热 的烟炱颗粒发出黄光，所以才可用肉眼识别， 蜡烛燃烧时所发生的传热过程是很容易理解的。燃烧时产生的黄色火焰一方面以光辐射 形式满足照明需求，另一方面该火焰产生的高逼以辐射传热的方式使蜡烛顶部被加热和液 化，并进一步使液态石蜡蒸发而产生在火焰中进行反应的气态燃料组分。 蜡烛燃烧过程中的传质作用，是与化学反应和传热作用一起将燃烧反应物带入火焰中 火焰中的炽热气体和燃烧产物（主要包括空气中的N、C0,和水蒸气）由于浮力效应而不 断上升，并由卷吸而来的冷空气以及来自蜡烛芯的气态燃料组分所替代。此外，气体燃料组 分与空气通过分子扩散在火焰中均匀混合。反应物分子之间以及反应物分子与燃烧过程中产 生的原子和原子团之间充分接触，使化学反应得以发生。 除了上述化学反应、传热和传质三种基本现象之外，蜡烛的燃烧过程还涉及某些其他的 物理化学现象，例如上面已经提到的液化、蒸发等相变现象。此外，与烟炱颗粒的成核以及