,72 上海交通大学“九五”重点教材 燃烧理论基础 周校平张晓男编著 阳 A0949676 上海交通大学出版社
内容提要 本书以动力设备中的燃烧现象为研究对象，详细介绍了燃烧中的化学热力学及燃烧物理化学 问题。就液态、气态、固态燃料的着火、火焰传播及燃烧产物的组分构成进行了讨论。本书可供动 力与能源二程部门的工程技术人员阅读，亦可作为大专院校热能与动力机械专业的教学用书。 图书在版编目(CIP)数据 燃烧理论基础/周校平，张晓男编著.一上海：上海交通 大学出版社，2001 ISBN 7-313-02576-9 I.燃…I.①周…②张…Ⅲ.燃烧理论 IV.0643.2 中国版本图书馆CIP数据核字(2000)第56579号 燃烧理论基础 周校平张晓男编著 上海交通大学出版社出版发行 (上海市番路877号邮政编码200030) 电话：64071208出版人：张天蔚 常熟市印刷二厂印刷全国新华书店经销 开本：787mm×1092mm1/16印张：11字数：269千字 2001年1月第1版2001年1月第1次印刷 印数：1~1250 ISBN7-313-02576-9/0·120定价：18.50元 版权所有侵权必究
前 言 本书是在上海交通大学热能与动力机械工程专业的《动力机械工程燃烧理论 基础》讲义基础上经过近十年的教学实践后修订编写而成。 在本书的编写过程中，我们仍以燃烧现象、燃烧机理为主，加强基础，革新教 材内容，力图反映动力设备中可能涉及到的液态燃料、气态燃料和固态燃料的燃 烧特征。为了学生更全面地了解动力设备中的燃烧特点，必须扩大知识面，因而 本书涉及到燃气轮机、内燃机、锅炉等方面的燃烧专题。但愿本书能作为进一步 深入进行燃烧专题研究的必备参考书。 本书的主要内容包括：燃烧中的化学热力学及燃烧化学问题，燃烧物理学，着 火（自燃与引燃），预混合气体火焰，扩散燃烧与液体燃料的燃烧，气体燃料的喷射 与燃烧，固态燃料的燃烧以及燃烧排放物组分的预测方法等知识。本书按授课54 学时编写，但根据专业具体要求，在内容上可以有所取舍。 本书可作为内燃机、燃气轮机、环境工程、锅炉等专业的教对，亦可作为动力 与能源类专业的教学用书，也可供从事燃烧技术方面实际工作的科技人员参考。 本书由上海交通大学周校平副教授、张晓男教授编著，黄震教授负责主审并 提出了很多宝贵的意见，在此深表感谢。 由于编者水平有限，错误在所难免，欢迎采用本书的师生及广大读者批评 指正。 编著者 2000年10月
第1章燃烧中的化学热力学及燃烧化学问题 1.1概说 人类对火（燃烧）的利用，最早是煮食、取暖、驱赶野兽，火成为人类与自然界斗争的有力工 具。火的使用可以认为是出现人类的标志之一。而后，人类又利用火来烧制陶器、瓷器、砖瓦 炼铜、冶金…成为人类创造辉煌文玥的有力手段。当人类发明火药后，火药又成为工程爆炸 及制作武器的有力工具。自从蒸汽机出现以后，燃烧技术又用于动力工程，使人类的生产力有 了巨大的发展，燃烧技术对于人类最新文化发展占有极其重要的地位。然而，失控的燃烧又会 给自然界及人类带来火灾，燃烧产物给自然界带来有害排放物，污染自然、危害人畜健康及植 物生长等。 迄今为止，燃烧技术或燃烧工程中所用的燃料几乎都是古代动植物遗骸在地壳经过千百 万年演化的结果，它们的储存量，尤其是石油储量是很有限的。20世纪70年代的石油危机曾 对世界能源问题及动力机械的生产等带来巨大的影响。大力改进燃烧技术、提高能量转换效 率，寻求新的节能措施、开辟新的能源以及实现洁净燃烧，降低动力设备的有害排放物等均成 为21世纪初人类面临的重大研究课题。随者我国工业规模的扩大，能源的供求矛盾是十分突 出的。优质能源工业增长速度远小于国民经济总产值增长的速度；尤其是我国人口众多，每个 人所拥有的能源资源远少于某些工业发达国家。这就要求我国的工程技术人员在燃烧技术 节能、开辟新能源等重大科学技术领域作出更多的贡献才能满足我国工业飞速发展的要求。 为此，深人地认识燃烧现象、掌握燃烧机理是与我们所从事的工作有密切联系的，也是我们所 必须具有的专业基础知识的重要组成部分。 燃烧是一种急速、剧烈、发热、发光的氧化反应，它也可被看作是爆炸现象（在一些文献及 教科书中，combustion与xn有同等的意义)，在极短的时间内，整个燃烧过程要完成燃料 与氧化剂的混合以形成良好的可燃混合物、急速的燃烧化学反应、释放能量、传播火焰、燃烧产 物的转移等物理的及化学的复杂过程。大多数的燃烧过程都是在气相中进行的，只有固体燃 料的燃烧才有气体与固体的直接反应存在。 近代的动力工程及燃烧工程对燃烧技术的要求都十分严格，要求有极高的空间燃烧率 (space heating rate)一即在单位时间、单位空间中燃烧化学反应的放热率[k/(m子s)],应具有 极高的燃烧效率，同时还应有较清洁的排放物（即有害排放物C0,HC,CO2,NO.,…应尽可能地 满足环境保护法的要求)。当今，由于能源供求间的矛盾日益扩大，愈来愈多地使用代用燃料 及劣质燃料，迫使动力机械工程师们必须加深对燃烧现象的认识和掌握更先进的燃烧技术。 在制备可燃混合物的过程中需涉及到对燃料的物理化学性质认识，需要对流体力学，气体 动力学、传热与传质等学科的知识有一定的了解。为了认识燃烧化学反应过程的一些问题，则 要求有化学热力学、化学反应机理，化学平衡及化学反应动力学的一些基本知识。燃烧过程机 理及燃烧产物能量的应用与燃烧室或炉膛设计有密切的联系
2 燃烧理论基础 由于燃烧的复杂性，人们通常只按照自己的专业需要去研究燃烧中的某一方面的问题 例如： 化学家-一研究燃烧的反应机构、反应速度、反应程度、燃烧产物的生成机理等问题； 执能机战工程师 —研究燃烧设备设计，燃料的燃烧技术及燃烧中的流体力学、传热、传 质等热物理现象，燃烧设备的管理使用，燃烧能量的合理使用等。 1.2化学能与热能的转换 热力学第一定律告诉我们，独立系统中的能量是恒定的，不因其过程不同而变化。燃料与 氧化剂燃烧后变成燃烧产物，将化学能以热能的形式释放也是遵循热力学第一定律的一种转 换方式 燃料燃烧所释放的能量以焓（等压燃烧）或内能（等容燃烧过程）的变化形式表现出来，欲 了解燃烧过程的能量转换的数量关系，就必须了解化学变化过程系统内各种化合物（即反应物 及产物)的岭的数值变化关系 从化学反应的化学平衡原理知道，化学反应常常是在正反两个方向同时进行的。燃料的 燃烧十分复杂，其过程是由多种简单反应组成，而每个简单反应均服从于化学平衡的规律。因 此，燃烧反应并不能使燃料百分之百地进行到底，而总有少量的中间产物存在。这就是为什么 实际燃烧产物比理论产物的组分要复杂得多的原因。这与我们研究燃烧产物的精确组分、有 害排放物的排放量、燃烧产物热力学参数的精确值等密切相关。 近代的热能装置及动力机械（如内燃机、锅炉及涡轮机等）的燃烧都必须在极短的时间内 完成。因而，燃烧反应速度及决定反应速度的反应机构（或机理）必然为工程师们所关注。反 应速度与着火滞燃期、火焰传播速度及燃烧产物的组分构成都有着密切的关系。 1.2.1燃烧反应过程能量转换的数量关系 大多数的燃烧都是在定压或定容条件下进行的。欲了解燃烧过程的能量转换（即燃料的 化学能经燃烧反应释放出热能)就需要了解化合物的生成焙、反应焓及燃烧烙（或反应能、燃烧 能)的意义。 1.化合物的标准生成焓△h 化合物的标准生成焓是由某化合物的构成元素在标准状态下(298K,0.1MPa),经化合反 应生成1mol的该化合物的焓的增量，用△hs(k/mol)来表示。 在化学热力学中讨论焓或内能的变化都是用相对值来计算的，故人为规定所有元素在标 准状态下的标准生成焓均为零。例如： C()+0,(g000,(g, △h8%=-393.505kJ/molC02 当生成焓为负值时，表示所生成的化合物的生成焓的焓值低于其构成元素的生成格值之和，为 放热反应。 如果化合物不是由元素直接反应的生成物，则反应后生成物与反应物间的焙差值不是生 成焓而是反应焓。例如：