高等燃燒學

作　者：岑可法等著

出 版 社：浙江大學出版社

出版時間：2002-12-1版　次：1頁　數：758字　數：1273000 印刷時間：2003-12-1開　本：紙　張：膠版紙 印　次：I S B N：9787308026291包　裝：平裝

內容簡介 燃燒是能源利用的一種主要形式。隨著經濟的發展，對於能源的需求日益加劇。但大量燃燒導致能源利用過程中存在嚴重的環境問題，因而對燃料的潔凈燃燒技術提出了新的、更高的要求。近年來，正是這種需求極大地推動了燃燒科學的發展，使燃燒領域的新成果、新技術不斷湧現。浙江大學工程熱物理學科是我國進行燃燒理論與技術研究和開發的重要基地，特別是近些年來，在煤與生物質的循環流化床燃燒、煤漿燃燒理論與技術、煤粉燃燒理論與技術、燃燒過程數值計算、煤的催化燃燒理論和應用、燃燒過程非線性理論研究等方面進行了大量的、深入的研究，承擔了國家“六五”、“七五”、“八五”、“九五”諸多重大攻關項目，國家自然科學基金項目，國家攀登計劃項目等一系列研究，並取得多項具有國際先進水平的研究成果。

第1章 導論及化學動力學基礎 16

1.1燃燒科學的發展、應用和研究方法 16

1.1.1燃燒科學的發展簡史 16

1.1.2燃燒科學的應用 17

1.1.3燃燒科學的研究方法 19

1.2本書研究的主要內容 19

1.3化學反應速度 20

1.3.1基本定義 20

1.3.2質量作用定律 22

1.3.3反應級數 23

1.3.4一級反應 24

1.3.5二級反應 25

1.3.6複雜反應 26

1.4各種參數對化學反應速度的影響 29

1.4.1溫度對化學反應速度的影響——阿累尼烏斯定律 29

1.4.2壓力對反應速度的影響 30

1.4.3在等溫等壓條件下，反應物濃度對反應速度的影響 32

1.5反應速度理論 33

1.6鏈鎖反應 36

1.6.1基本理論 36

1.6.2不分支鏈鎖反應——氯和氫的結合 37

1.6.3分支鏈鎖反應——氫和氧的化合 40

1.6.4鏈鎖反應速度與時間的關係，鏈鎖著火 42

1.6.5鏈鎖著火的界限 44

第2章 燃料的著火理論 47

2.1燃燒過程的熱力爆燃理論 47

2.1.1謝苗諾夫(Semenov,N.N.)的可燃氣體混合物的熱力爆燃理論 48

2.1.2爆燃感應期 54

2.1.3弗朗克-卡門涅茨基(Frank-Kamenetskii,D.A.)失穩分析法 55

2.1.4熱力爆燃理論的最新發展 57

2.2鏈鎖爆燃理論 62

2.2.1鏈鎖分支反應的發展條件(鏈鎖爆燃條件) 63

2.2.2不同溫度時，分支鏈鎖反應速度隨時間的變化 64

2.2.3感應期的確定 66

2.2.4著火半島現象 66

2.3熱力著火的自燃範圍和感應周期 68

2.3.1熱力著火的自燃範圍 68

2.3.2各種參數對著火溫度的影響 70

2.4強迫著火的基本概念 72

2.4.1實現強迫著火的條件 72

2.4.2強迫著火的熱理論 73

2.4.3各種點燃方法的分析 76

2.5朗威爾(Longwell)反應器理論 83

第3章 火焰傳播與穩定的理論 85

3.1火焰傳播的基本方式——正常火焰傳播與爆然 85

3.2可燃氣體的火焰正常傳播 88

3.3火焰正常傳播的理論 91

3.3.1用於簡化近似分析的熱理論 91

3.3.2捷爾道維奇等的分區近似解法 94

3.3.3火焰傳播的精確解法 95

3.3.4Tanford等的擴散理論 97

3.3.5層流火焰問題的數值求解方法 99

3.4火焰正常傳播速度 100

3.4.1影響火焰正常傳播速度的主要因素 100

3.4.2火焰傳播界限 106

3.4.3火焰正常傳播速度的測量 107

3.5可燃氣體層流動力燃燒和擴散燃燒 111

3.5.1概述 111

3.5.2化學均勻可燃氣體混合物的動力燃燒 112

3.5.3可燃氣體的擴散燃燒 115

3.6火焰穩定的基本原理和方法 117

3.6.1火焰穩定的幾個特徵 118

3.6.2火焰的回火和吹熄的臨界條件 119

3.6.3鈍體后迴流區火焰穩定原理 121

3.6.4火焰穩定的基本方法 123

第4章 湍流燃燒理論及模型 129

4.1湍流燃燒及其特點 129

4.2湍流氣流中火焰傳播的表面燃燒模型 131

4.3湍流氣流中火焰傳播的容積燃燒模型 134

4.3.1湍流擴散 134

4.3.2湍流容積燃燒模型計算 135

4.3.3決定湍流燃燒速度的試驗結果 138

4.3.4火焰自湍化理論初步 139

4.4湍流燃燒的時均反應速度和混合分數 140

4.4.1時均反應速度 140

4.4.2簡單化學反應系統 143

4.4.3守恆量和混合分數 143

4.4.4守恆量之間的線性關係 145

4.5湍流擴散火焰的k-ε-g模型 146

4.6湍流預混火焰模型 151

4.6.1旋渦破碎模型 151

4.6.2拉切滑模型 154

4.7幾率密度函數的輸運方程模型 157

4.8Spalding的ESCIMO湍流燃燒理論 158

4.8.1概述 159

4.8.2“經歷”理論 160

4.8.3“統計”理論 161

4.8.4分析湍流射流擴散火焰的ESCIMO理論 163

第5章 液體燃料的燃燒 169

5.1液體燃料的特性 169

5.1.1石油中的碳氫化合物和膠狀瀝青物質 169

5.1.2石油的元素組成 170

5.1.3石油的煉製 171

5.1.4燃油的主要技術特點 172

5.2重油燃燒的基本過程 176

5.2.1重油燃燒的特點 176

5.2.2影響重油燃燒的各種因素 177

5.3油滴在靜止氣流中的蒸發 184

5.3.1液滴的低溫蒸發ˉ 185

5.3.2斯蒂芬(Stefan)流ˉ[8,9] 185

5.3.3燃料滴溫度及蒸發濃度的決定 187

5.3.4燃料滴蒸發過程中傳熱傳質係數的決定 189

5.3.5油滴蒸發所需時間 190

5.4油滴在氣流作用下的蒸發 191

5.4.1折算薄膜理論 191

5.4.2液滴不穩定蒸發的數值計算 195

5.5油滴在靜止氣流中的擴散燃燒 196

5.5.1火焰面處T_g的決定 198

5.5.2燃燒火焰面半徑r_c的決定 199

5.6油滴在氣流作用下的擴散燃燒 203

5.6.1折算薄膜理論 203

5.6.2液滴擴散燃燒的實驗研究和非穩態研究 207

5.6.3運動中的液體燃料滴的著火與燃燒 209

5.7液體燃料的霧化理論 211

5.7.1噴嘴的形式和特性 211

5.7.2霧化的基本理論 213

5.7.3霧化炬的特性 218

5.8油霧火炬的燃燒過程 223

5.8.1燃油火炬燃燒過程描述及組織 223

5.8.2液霧燃燒的統計方法 229

5.8.3液霧燃燒的模型方法 233

5.9漿體燃料的燃燒 241

5.9.1漿體燃料的種類 242

5.9.2漿體燃料的性質 243

5.9.3漿體燃料單滴的著火燃燒及模型 246

5.9.4水煤漿霧炬燃燒特性與模型 248

第6章 煤的熱解及揮發分的燃燒 256

6.1煤的組成與特性 256

6.1.1煤岩學 257

6.1.2煤化學 259

6.1.3煤結構與熱解反應的關係 261

6.1.4物理因素 262

6.2煤的熱解 264

6.2.1概述 264

6.2.2溫度的影響 267

6.2.3加熱速率的影響 267

6.2.4壓力的影響 269

6.2.5顆粒粒度的影響 270

6.2.6煤種的影響 270

6.2.7氣氛的影響 271

6.3熱解產物的組成 271

6.3.1概述 271

6.3.2溫度的影響 272

6.3.3加熱速率的影響 273

6.3.4壓力的影響 274

6.3.5顆粒粒度的影響 274

6.3.6煤種的影響 275

6.3.7氣氛的影響 275

6.4煤熱解反應動力學模型 275

6.4.1單方程模型 276

6.4.2雙方程模型 276

6.4.3多方程熱解模型 277

6.4.4熱解產物的組分模型 279

6.4.5機理性模型 280

6.4.6考慮二次反應的競爭反應模型 282

6.4.7熱解通用模型 283

6.4.8考慮非動力學控制因素的熱解模型 285

6.5熱解產物的燃燒 286

6.5.1概述 286

6.5.2局部平衡法 286

6.5.3總體反應方法 287

6.5.4完全反應方法 288

第7章 煤的著火理論 292

7.1煤的加熱和著火 292

7.1.1煤在著火前的加熱 292

7.1.2煤的著火及其判據 296

7.2煤著火的試驗研究方法 299

7.2.1著火試驗類型 299

7.2.2煤著火試驗裝置的發展及評述 299

7.2.3典型的煤著火試驗研究方法介紹 303

7.3煤的著火模式 314

7.3.1均相著火模型 315

7.3.2多相著火模型 318

7.3.3均相-多相聯合著火模型 318

7.3.4傅維標等的煤焦著火通用規律 319

7.4煤粒的多相著火及其影響因素分析 322

7.4.1謝苗諾夫熱力著火理論用於碳粒著火的分析 322

7.4.2影響煤粒著火的因素分析 326

7.5單顆煤粒著火的計算 332

7.5.1傅維標等分析煤粒非均相著火的方法 334

7.5.2大顆粒煤的著火分析計算 337

7.5.3考慮揮發分燃燒的單顆煤粒的均相著火計算 338

7.5.4單顆煤粒著火的隨機模型計算 341

7.6煤粉空氣混合物的著火 344

7.6.1引言 344

7.6.2煤粉氣流的熱力著火分析 348

7.6.3影響煤粉氣流著火的因素的研究 353

7.6.4煤粉氣流著火方式 357

7.7煤粉著火的非穩態模型 360

7.7.1基於有限控制體假定的煤粉著火非穩態統一模型 360

7.7.2以群體燃燒為依據的著火非穩態數學模型 364

第8章 煤的燃燒理論(碳及煤焦的燃燒) 369

8.1煤燃燒涉及的物理化學過程 369

8.1.1煤焦反應的控制區及煤燃燒的速率 370

8.1.2碳的形態與結構 372

8.1.3焦炭燃燒過程中的吸附 373

8.1.4焦炭燃燒過程中的擴散 377

8.1.5先生成一氧化碳還是直接生成二氧化碳 378

8.2碳的動力擴散燃燒特點及燃燒化學反應 381

8.2.1碳的動力擴散燃燒特點 381

8.2.2碳的燃燒化學反應 385

8.3碳球的燃燒速度 394

8.3.1溫度較低或顆粒很小可略去空間氣相反應的情況 395

8.3.2碳球在高溫下的擴散燃燒 398

8.4考慮二次反應的碳球燃燒 400

8.4.1考慮二次反應作用的碳球燃燒模型 400

8.4.2有CO空間反應時碳球燃燒速率的計算 403

8.4.3強迫對流條件下碳粒燃燒速率的分析方法 404

8.5多孔性碳球的燃燒 407

8.5.1內部反應對碳粒燃燒的影響 407

8.5.2總的表觀反應速度常數 410

8.5.3內擴散動力學 412

8.6各種因素對煤焦燃燒的影響 419

8.6.1煤中揮發物析出對燃燒的影響 419

8.6.2灰分對煤燃燒的影響 422

8.6.3其他因素對煤焦燃燒的影響 429

第9章 煤粉燃燒的數學模型 432

9.1燃燒過程模化的一般研究 432

9.2單顆煤粒經歷模型 435

9.2.1煤粒的加熱 436

9.2.2水分蒸發模型 437

9.2.3揮發分析出模型 437

9.2.4焦炭的非均相反應模型 440

9.2.5煤粒在燃燒室中的其他經歷模型 441

9.3煤燃燒過程中流動、氣相反應過程及其模型 442

9.3.1基本方程 442

9.3.2湍流模型 443

9.3.3氣相燃燒 447

9.4煤粉燃燒時爐內傳熱的模型及計算 450

9.4.1燃燒室的熱輻射 450

9.4.2輻射傳熱的模型 451

9.4.3實際煤火焰輻射傳熱模擬結果及分析 453

9.5煤粉顆粒擴散及兩相流模型 468

9.5.1描述兩相流動的基本方法 468

9.5.2稀相流動的基本分析 469

9.5.3顆粒在氣流中的受力分析 470

9.5.4顆粒的湍流擴散 472

9.6數值求解方法 475

9.6.1離散化方法 475

9.6.2差分方程建立的方法 480

9.6.3交錯網格系統 483

9.6.4差分方程的求解 486

9.6.5煤粉火焰綜合求解及示例 490

第10章 燃燒過程中硫的反應動力學及燃燒的固硫機理 499

10.1硫在燃料中的存在形態 499

10.1.1氣體燃料 499

10.1.2液體燃料 500

10.1.3硫在煤中的存在形態 500

10.1.4煤破碎過程中硫分的偏析 502

10.2燃料過程中硫析出量的計算 502

10.2.1SO_2析出的計算公式 502

10.2.2煤燃燒過程中SO_2析出的動態特性 503

10.2.3煤的自身固硫 506

10.3有機硫在高溫條件下熱解的反應動力學 508

10.3.1有機硫在高溫中的熱解 508

10.3.2單顆煤粒有機硫熱解的反應動力學 509

10.4無機硫在高溫條件下的熱解反應動力學 512

10.4.1無機硫在高溫中的熱解 512

10.4.2黃鐵礦燃燒反應的數學模型 516

10.4.3燃燒過程中碳酸鹽類礦物質在高溫中的分解 520

10.5SO_3生成的反應動力學 521

10.5.1S0_3的生成及影響其生成的諸因素 521

10.5.2S0_3生成的反應動力學 522

10.6H_2S的生成 524

10.6.1H_2S形成的條件 524

10.6.2空氣不足使煤中硫或已反應成的S0_2、S0_3轉化成H_2S 524

10.6.3爐內局部空氣過量係數是影響H_2S生成的主要因素 525

10.6.4H_2S在壁面附近形成機理 526

10.7石灰石緞燒過程的反應動力學 526

10.7.1石灰石的鍛燒過程 526

10.7.2石灰石在流化床內的鍛燒過程 526

10.7.3石灰石鍛燒的等溫動力學 528

10.7.4石灰石鍛燒的不等溫動力學 529

10.8煅燒石灰石的孔隙結構模型 530

10.8.1石灰石鍛燒時孔隙結構的變化 530

10.8.2石灰石的鍛燒模型 532

10.8.3鍛燒石灰石的孔隙結構模型 533

10.8.4鍛燒石灰石顆粒內的氣體擴散及逾滲理論的應用 538

10.9石灰石固硫機理 542

10.9.1石灰石的固硫反應 542

10.9.2石灰石脫硫反應動力學 544

10.9.3石灰石固硫過程中微觀結構的變化 546

10.10鍛燒石灰石的硫鹽化模型 548

10.10.1單顆粒脫硫劑反應模型 548

10.10.2反應器模型 555

10.11採用固硫劑脫硫的工業應用原理 557

10.11.1脫硫劑的種類 557

10.11.2最佳的石灰石脫硫溫度 558

10.11.3Ca/S比的影響 561

10.11.4最佳的脫硫劑粒度 562

10.11.5富氧和缺氧條件下的脫硫 563

10.11.6煙氣噴水活化的影響 564

10.11.7煤中含硫量的影響 567

10.11.8燃燒脫硫對NO_x排放的影響 567

10.11.9礦物質對鈣基吸收劑的影響 569

第11章 燃燒過程中氮氧化物的生成及分解的機理 570

11.1燃燒過程中氮氧化物的生成及危害 570

11.1.1氮氧化物的危害 570

11.1.2各種燃燒方式的NO_x排放量 571

11.1.3NO_x均相反應的動力學參數 572

11.1.4NO_x生成的機理 578

11.2熱力NO_x的生成 578

11.2.1熱力NO_x的生成機理 578

11.2.2影響熱力NO_x生成的諸因素 580

11.3快速NO_x的生成 582

11.3.1快速NO_x生成機理 582

11.3.2影響快速NO_x生成的幾個因素 583

11.4燃料型NO_x的生成 586

11.4.1燃料型NO_x的生成途徑 586

11.4.2溫度對燃料NO_x生成的影響 587

11.4.3氧濃度對燃料NO_x生成的影響 588

11.4.4燃料性質的影響 589

11.4.5流化床鍋爐床料中金屬氧化物的作用 593

11.4.6水分的影響 593

11.4.7燃料氮轉化為NO_x的化學動力學 594

11.5氣體燃料燃燒時NO_x的生成 595

11.6液體燃料燃燒時NO_x的生成 597

11.6.1噴霧燃燒時NO_x的生成 597

11.6.2預蒸發、預混合火焰的NO_x生成 599

11.7煤燃燒時NO_x生成機理 599

11.7.1揮發分NO_x 600

11.7.2焦炭NO_x 601

11.7.3煤粉爐內燃燒時NO_x的生成 602

11.7.4流化床燃燒時NO_x的析出 605

11.7.5燃煤鍋爐爐內NO_x生成量的預測 607

11.8燃燒過程中N_2O的生成 610

11.8.1N_20的危害 610

11.8.2N_20均相生成及分解機理 611

11.8.3N_20多相生成及分解機理 615

11.9降低NO_x排放的措施 618

11.9.1空氣分級降低NO_x排放 618

11.9.2燃料分級降低NO_x排放 619

11.9.3低氧燃燒降低NO_x排放 621

11.9.4煙氣再循環降低NO_x排放 621

11.9.5濃淡偏差燃燒 622

11.9.6煙氣脫硝 622

11.10燃燒過程中降低N_2O的方法 624

11.10.1改變運行溫度 624

11.10.2低氧燃燒 624

11.10.3再燃燒法 624

11.10.4催化反應降低N_2O 625

第12章 燃燒過程中碳黑形成機理 626

12.1燃燒過程中炭黑形成的類型及性質 626

12.1.1氣相析出型碳黑 626

12.1.2剩餘型炭黑 627

12.1.3雪片 627

12.1.4積碳 627

12.1.5炭黑的特性 628

12.1.6炭黑的危害 632

12.2氣體燃料燃燒時炭黑的生成 632

12.2.1預混合火焰中炭黑的生成機理 632

12.2.2預混火焰中碳黑生成的影響因素 635

12.2.3擴散型火焰中碳黑的生成機理 637

12.2.4降低碳黑排放的措施 638

12.3油燃燒時炭黑的生成 639

12.3.1油燃燒時碳黑的生成機理 639

12.3.2液體燃料燃燒時碳黑生成的影響因素 643

12.3.3液體燃料燃燒時碳黑排放量的控制 646

12.4煤燃燒時炭黑的生成 648

12.5炭黑生成的數學模型 649

12.5.1碳黑生成的機理性模型 649

12.5.2碳黑生成的綜合模型 650

第13章 催化燃燒原理 654

13.1催化燃燒及其作用原理 654

13.1.1催化作用原理 654

13.1.2催化劑的作用本質 658

13.2燃燒催化劑的要求 660

13.2.1催化劑的組成 660

13.2.2催化劑的性能指標 661

13.2.3催化劑的製備方法 664

13.2.4催化劑的失活 666

13.3燃燒催化作用機理 673

13.3.1催化作用的化學本質 673

13.3.2催化理論 673

13.3.3多相催化反應的物理化學過程 674

13.3.4表面化學反應速度和動力學方程 675

13.3.5燃燒催化劑表面化學反應的宏觀動力學方程 677

13.3.6內外擴散對催化表面化學反應速度的影響 678

13.4氣體和液體燃料催化燃燒機理 678

13.4.1氣體燃料催化燃燒的分類 679

13.4.2高溫催化燃燒控制NO_x生成 684

13.4.3催化燃燒法治理有機廢氣 691

13.4.4液體燃料催化燃燒機理 694

13.5煤的催化燃燒原理 696

13.5.1各種添加劑對煤著火的影響 696

13.5.2各種其他影響因素對煤催化著火燃燒的影響 705

13.5.3煤的催化燃燒機理 710

第14章 非線性理論在燃燒領域中的應用 716

14.1混沌理論在燃燒領域中的應用 716

14.1.1混沌理論的原理 716

14.1.2混沌理論的應用 718

14.1.3混沌理論在燃燒及傳熱過程中的應用 721

14.2分形理論在燃燒過程中的應用 725

14.2.1分形理論的概念 725

14.2.2分形理論在燃燒過程中的應用現狀及前景 726

14.3逾滲理論在燃燒過程中的研究 729

14.3.1逾滲理論的原理及其在燃燒中的應用前景 729

14-3.2逾滲理論在燃燒及脫硫中的應用情況 729

14.4小波分析在燃燒傳熱中的應用 731

14.4.1小波分析的原理 731

14.4.2小波分析在氣固多相流傳熱中的應用 732

14.5神經網路理論在燃燒過程中的應用 734

14.5.1神經網路理論的原理 735

14.5.2當前神經網路的演演算法 736

14.5.3神經網路理論在燃燒及傳熱中的應用 739