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燃烧学
《燃烧学》复习题
1、我国目前能源与环境的现状怎样?
电力市场的现状如何?
如何看待燃烧科学的发展前景?
我国目前的能源环境现状:
一、能源丰富而人均消费量少
我国能源虽然丰富,但分布很不均匀,煤炭资源60%以上在华北,水力资源70%以上在西南,而工业和人口集中的南方八省一市能源缺乏。
虽然在生产方面,自解放后,能源开发的增长速度也是比较快,但由于我国人口众多,且人口增长快,造成我国人均能源消费量水平低下,仅为每人每年0.9吨标准煤,而1吨标准煤的能量大概可以把400吨水从常温加热至沸腾。
二、能源构成以煤为主,燃煤严重污染环境
从目前状况看,煤炭仍然在我国一次能源构成中占70%以上,成为我国主要的能源,煤炭在我国城市的能源构成中所占的比例是相当大的。
以煤为主的能源构成以及62%的燃煤在陈旧的设备和炉灶中沿用落后的技术被直接燃烧使用,成为我国大气污染严重的主要根源。
据历年的资料估算,燃煤排放的主要大气污染物,如粉尘、二氧化硫、氮氧化物、一硫化碳等,对我国城市的大气污染的危害已十分突出:
污染严重、尤其是降尘量大;污染冬天比夏天严重;我国南方烧的高硫煤产生了另一种污染——酸雨;能源的利用率低增加了煤的消耗量。
三、农村能源供应短缺
我国农村的能源消耗,主要包括两方面,即农民生活和农业生产的耗能。
我国农村人口多,能源需求量大,但农村所用电量仅占总发电量的14%左右。
而作为农村主要燃料的农作物桔杆,除去饲料和工业原料的消耗,剩下供农民作燃料的就不多了。
即使加上供应农民生活用的煤炭,以及砍伐薪柴,拣拾干畜粪等,也还不能满足对能源的需求。
电力市场现状:
2008年10月份,中国电力工业出现4.65%的负增长,为十年来首次出现单月负增长。
11月,部分省市用电增幅同比下降超过30%。
在煤价大幅上涨和需求下滑的影响下,目前火电企业亏损面超过90%,预计全年火电全行业亏损将超过700亿元。
走势分析
2009年,走过今年“寒冬”的电力行业将机遇与挑战并存,挑战大于机遇。
受整个经济下滑的影响,“过剩”的尴尬将继续显现。
电价矛盾将更加突出。
今年以来,国家制定的煤电价格联动政策迟迟无法实施,导致发电企业亏损不断累积,电价矛盾日益尖锐。
面对明年经济形势的复杂情况,电力销售价格能否适时调整,具有很大的不确定性。
结构调整有望借势“提速”。
明年宽松的用电环境正好为中国电力结构调整腾出了时间和空间。
面对今年的大变局,国内发电企业将从跑马圈地式的快速扩张,转向注重效益的发展模式。
燃烧科学的发展前景
燃烧学是一门正在发展中的学科。
能源、航空航天、环境工程和火灾防治等方面都提出了许多有待解决的重大问题,诸如高强度燃烧、低品位燃料燃烧、煤浆(油-煤,水-煤,油-水-煤等)燃烧、流化床燃烧、催化燃烧,渗流燃烧、燃烧污染物排放和控制、火灾起因和防止等。
我国的能源现状也决定了必须大力的发展燃烧学科。
燃烧学的进一步发展将与湍流理论、多相流体力学、辐射传热学和复杂反应的化学动力学等学科的发展相互渗透、相互促进。
2、什么叫燃烧?
答:
燃烧标准化学定义:
燃烧是一种发光发热的剧烈的化学反应.
燃烧的广义定义:
燃烧是指任何发光发热的剧烈的化学反应,不一定要有氧气参加.
3、什么是简单反应、复杂反应?
答:
简单反应:
由反应物经一步反应直接生成产物的反应。
(也叫基元反应)
复杂反应:
反应不是经过简单的一步就完成,而是通过生成中间产物的许多反应步骤来完成的反应,其中每一步反应也称为基元反应。
4、浓度和化学反应速度正确的表达方法?
答:
浓度:
单位体积内所含某种物质的量
1.分子浓度ni=Ni/VNi为分子数1/m
2.摩尔浓度Ci=Mi/VMi为摩尔数mol/m
3.质量浓度ρi=Gi/Vkg/m
4.相对浓度摩尔相对浓度:
xi=Ni/NΣ=ni/NΣ=Ci/CΣ=pi/p
质量相对浓度:
f=Gi/GΣ=ρi/ρ
化学反应速度:
通常用单位时间单位体积内消耗的燃料量或者氧量来表示。
化学反应速度既可以用反应物浓度的减少来表示,也可以用生成物浓度的增加来表
示。
但均取正值。
W=±dC/dτ
5、质量作用定律的适用范围?
试用质量作用定律讨论物质浓度对反应速度的影响。
答:
①反应应为简单反应
②严格讲,质量作用定律仅适用于理想气体。
③对于多相反应,仅考虑气相物浓度,对于固相或液相物质蒸汽分压不考虑。
按质量作用定律,如果反应方程式是aA+bB
(简单反应)则反应速度和反应物浓度[A][B]成如下关系:
W=k[A]
[B]
即:
当温度不变时,某化学反应的反应速度与该瞬间各反应物浓度的乘积成正比例,如果该反应按照某化学反应方程式一步完成(简单,基元反应),则每种反应物浓度的方次即等于化学反应方程式中的反应比例常数。
6、什么是反应级数?
反应级数与反应物初始浓度(以及半衰期)之间的关系如何?
答:
化学反应速度表达式中浓度指数之和n=α+β就是反应级数。
反应级数与反应物初始浓度无关。
由于w=-dC/dτ=k[C]
可推得:
零级反应:
一级反应:
二级反应:
7、Arrhenius定律的内容是什么?
适用范围?
答:
温度对化学反应速度的巨大影响反映在反应常数上,这个关系称为阿累尼乌斯定律,表达为
,其中k0是频率因子,E是活化能,与反应物温度及浓度无关。
适用范围为:
A简单化学反应(基元反应),或复杂化学反应中的每一步基元反应
B有明确反应级数n和速度常数k的复杂反
8.什么是热着火?
什么是链式着火?
其区别是什么?
热着火需要满足的条件是什么?
化学链着火需要满足的条件是什么?
答:
热着火:
可燃混合物由于本身氧化反应放热大于散热,或由于外部热源加热,温度不断升高导致化学反应不断自动加速,积累更多能量最终导致着火。
——大多数气体燃料着火特性符合热着火的特征。
链式着火:
由于某种原因,可燃混合物中存在活化中心,活化中心产生速率大于销毁速率时,导致化学反应速度不断加速,最终导致着火。
——某些低压下着火实验(如H2+O2,CO+O2的着火)和低温下的“冷焰”现象符合链式着火的特征。
热着火过程与链式着火过程区别——热着火通常比链式着火过程强烈得多。
条件:
热着火过程:
温度升高引发的,将使得系统中整体的分子动能增加,超过活化能的活化分子数按指数规律增加。
导致燃烧反应自动加速。
链式着火过程:
主要是活化中心局部增加并加速繁殖引起的,由于活化中心会被销毁,所以链式着火通常局限在活化中心的繁殖速率大于销毁速率的区域,而不引起整个系统的温度大幅度增加,形成“冷焰”。
但是,如果活化中心能够在整个系统内加速繁殖并引起系统能量的整体增加,就形成爆炸。
9.自发着火与强迫着火的区别是什么?
答:
自燃:
自发的着火,依靠系统自身化学反应的放热来维持系统的升温。
强燃:
强迫着火,借助外部能量(固壁、火花塞),使其局部着火,然后火焰传播到整个可燃混合物中。
10.自燃必要条件有两个判据,他们的表达式怎样,物理意义是什么?
燃料的活化能、系统初始温度、散热系数对自燃温度的影响如何?
请图示。
试讨论影响自燃着火温度的主要因素有哪些?
答:
自燃必要条件有两个判据,他们的表达式怎样,物理意义是什么?
燃料的活化能、系统初始温度、散热系数对自燃温度的影响如何?
请图示。
试讨论影响自燃着火温度的主要因素有哪些?
两个判据:
产热散热相等,产热散热变化率相等即:
增加放热量q1对自燃温度的影响:
放热率曲线左移,在相同温度下,燃料放热量增加,着火温度降低,着火提前。
环境温度T0对自燃温度的影响:
环境温度升高,相当于散热曲线右移,散热率曲线与放热率曲线的交点C降低,着火温度降低,着火提前。
散热系数对自燃温度的影响:
自燃温度T0显然与混合气的浓度(或压力)、反应级数v、活化能E和散热情况(aS)有关。
可燃混合气的活性很强(即值小),则具有较低的自燃温度;散热条件加强时(即值增大),则自燃温度升高;可燃混合气的压力升高时,将使自燃温度降低。
影响因素:
燃料性质、燃料与氧化剂的比例、环境压力及温度、气流速度、燃烧室尺寸等等。
η(散热系数)↓有利着火
燃料活性强(E小或k0大)易着火
T0(系统初始温度)↑容易着火
11.图示着火温度与燃料空气混合物的浓度(过量空气系数)的关系。
并解释:
1)为什么在点燃气体燃料的时候必须“火等气”?
2)煤矿巷道中发生瓦斯爆炸的原理是什么,如何防范瓦斯爆炸?
答:
图示着火温度与燃料空气混合物的浓度(过量空气系数α)的关系。
并解释:
1)为什么在点燃气体燃料的时候必须“火等气”?
2)煤矿巷道中发生瓦斯爆炸的原理是什么,如何防范瓦斯爆炸?
着火温度与燃料空气混合物的浓度有关;通常用过量空气系数α来表示
(2)参照上图不要让(α,T)进入U型虚线区
12.什么叫强迫着火?
答:
强迫点燃:
用炽热物体使可燃混合物着火,炽热物体向周围可燃混合气散热,在边界层中可燃混合物由于温度升高而进行化学反应,反应产热使气体温度不断升高而着火。
13.燃用高活性的褐煤的锅炉中,常出现以下现象:
一次温度大约150℃,风管道中漏出的煤粉在地面堆积,有时能呈现暗红色燃烧的状态(温度大约700℃),而一次风管内的煤粉却不燃烧或爆炸。
请用自燃和强燃着火的模型给予解释。
14.火焰传播速度的定义式数学表达式是什么?
随各个主要影响因素(热扩散率、燃尽时间等)的变化规律是什么?
答:
火焰传播速度定义式的数学表达式为:
(火焰锋面相对静止时)。
根据
可知:
热扩散率:
。
燃尽时间:
,因此
。
过量空气系数:
α=1时,uce最高(理论);α≈1且小于1时,
(实验)
α>>1或α<<1时,Q放↓,Tlr↓
。
可燃气初温:
。
火焰锋面形状:
凹
;凸
散热多
。
15.什么是缓燃?
什么是爆燃?
答:
缓燃(正常传播):
火焰锋面以导热和对流的方式下传热给可燃混合物引起的火焰传播,也可能有辐射(如煤粉燃烧时的火焰传播可能以辐射为主,也有可能为对流和辐射并重)。
传播速度较低(1~3m/s,远小于声速),传播过程稳定。
一般的工程燃烧均为此类。
爆燃:
绝热压缩引起的火焰传播,是依靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度升高而引起化学反应,从而使燃烧波不断向未燃气推进,传播速度大于1000m/s,大于声速。
如爆炸、压燃式内燃机的火焰传播。
16.层流火焰传播的速度是怎么定义的?
答:
层流火焰传播的速度定义为流动状态为层流时的火焰锋面在其法线方向相对于新鲜混合气的传播速度。
17.本生灯火焰稳定的机理是什么?
如何使用本生灯测量层流火焰传播速度?
试写出测量的过程和计算式。
答:
本生灯的火焰稳定机理:
本生灯出口处Re较小,一般属层流,火焰锋面以
传播,可燃混合气以w速度前进,合成速度的结果就是形成了的圆锥面。
这也称为余弦定律:
。
wn的存在使得火焰锋面上质点沿a-b方向移动,为使火焰稳定,当质点由a移至b时,必须有另一质点补充上来。
因此在接近火炬根部的焰锋表面上,必须存在一固定的点火源(不断点燃火焰根部附近的可燃气体以补充被气流带走的质点)。
此即圆锥面火焰锋面的策源,底部四周一圈环形火焰锋面——点火环。
点火环的存在是由于燃料混合物喷出本生灯后在边缘上速度很低,有一些地方射流速度正好等于uce,即形成了点火环。
如图所示,当火焰稳定时,混合气体在火焰锋面法向的分速度就等于气体火焰的传播速度。
测量空气与燃气流量,可得混合气体流量,根据已知的喷嘴直径,可计算出混合气体的流速;再测量火焰的高度,算出火焰圆锥投影的半角,即可得到混合气体在火焰锋面法向的分速度——气体火焰传播速度。
测量过程:
1分别测出空气与燃气的流量Qkq和Qrq(据流量计的不同可能需要修正),计算总的混合气体流量Q=Qkq+Qrq;
2测出喷嘴内径R,计算出喷嘴截面积A=πR2,从而可算出混合气体流速W=Q/A;
3测量火焰高度h,可计算出火焰圆锥投影半角
。
综上可得,测得的层流火焰传播速度表达式为
18.燃烧速度(化学反应速度)与火焰传播速度是什么关系?
区别是什么?
(火焰速度、燃烧速度、新混合气速度关系)
答:
燃烧速度(化学反应速度)与火焰传播速度是什么关系?
区别是什么?
(火焰速度、燃烧速度、新混合气速度关系)
燃烧速度越大层流火焰传播速度越大。
燃烧速度的单位是摩尔每立方米每秒,表示单位时间单位体积内说消耗的燃料量,而火焰传播速度单位是米每秒,是化学反应燃烧区在空间的移动。
层流火焰传播速度定义:
火焰锋面在其法线方向相对于新鲜混合气的传播速度。
19.什么是湍流火焰传播的表面燃烧理论和容积燃烧理论?
答:
表面燃烧理论(舍谢尔金)
火焰面使层流型的,湍流脉动在一定空间内使燃烧面弯曲,皱折,乃至破裂,成“小岛”状的封闭小块,这样增大了燃烧面积,从而增大了燃烧速度。
容积燃烧理论
湍流燃烧速度的增加是因为在湍流中热量和活化中心湍流转移速度都大大高于层流中同类型的分子迁移速度率,因而加速了火焰中化学反应,从而提高了实际的法向燃烧速度.
20.什么是扩散火焰?
什么是预混火焰?
什么是全预混火焰?
其火焰的形状和结构有何区别?
——通过火焰的图像特征辨别火焰的种类。
答:
扩散火焰:
燃料和氧化剂边混合边燃烧,这时由于扩散作用对燃烧起控制作用,又称扩散火焰。
预混火焰:
燃料和氧化剂预先混合好,这时化学动力学因素对燃烧起控制作用,亦称动力燃烧。
全预混火焰:
若一次预混空气系数α1k>=1,一级空气氧已足够,此时也只有一个内火焰锋面,此时为全预混火焰。
21.什么是脱火和回火?
图解火焰的脱火区、回火区、稳定区和黄色火焰区.
答:
当ɑ1k≥1或当煤气与一级空气预混物流量太大,流速很高时,火焰将被吹离,后面随之而来的煤气空气混合物根本不能着火,该现象称为脱火(吹熄)。
当ɑ1k>0而煤气与一级空气预混物流量很小,流速很低时,火焰很可能逆流而传播进本生灯,一直烧到本生灯里面的煤气小喷口处u,该现象称为回火。
22.为什么说扩散火焰不容易脱火也不容易回火?
为什么全预混火焰既容易脱火也容易回火?
结合火焰区域的图进行解释。
(需要解释,为什么全预混火焰的稳定区比较窄?
)
答:
当1K=0,纯扩散火焰,不可能回火,因为管道中没有氧气,火焰传播速度为0。
也不易脱火,因为,随着燃料在环境中的扩散,与氧气混合,火焰传播速度上升,而流速却在扩散过程中不断下降,很容易出现火焰稳定点。
火焰极为稳定,但化学不完全燃烧损失大。
1K=0.4~0.7,稳定区域很大,运行较为可靠。
混合物中火焰传播速度很低,不容易回火。
与纯扩散火焰类似,随着燃料在环境中的扩散,与氧气混合,火焰传播速度上升,而流速却在扩散过程中不断下降,很容易出现火焰稳定点。
1K太小时,气体中烃缺氧,发生高温裂解,产生炭黑,火焰呈明亮黄色,发光火焰,黑度大,有利于炉内传热。
1K≥1时,既容易回火,也容易脱火,火焰很不稳定。
火焰传播速度很快,管道内供氧充分,很容易回火。
混合气流离开喷嘴以后,火焰传播速度不断下降,虽然流速也不断下降,但是,火焰传播速度的下降更快,很容易脱火。
23.常用的防止回火的措施有哪些?
常用的防止脱火的措施有哪些?
答:
采用喉口设计:
加装收缩段;直径变小
使用冷却装置:
降低混合物温度,从而降低火焰传播速度,甚至直接淬熄火焰。
防止1K>1.0
加稳焰器——使用钝体或者旋流,形成中心回流区,起到稳定点火源的作用
稳焰方法:
利用钝体,旋转射流稳焰,利用逆向喷流稳焰,等等。
24.液体燃烧的过程是什么?
答:
雾化、受热蒸发、扩散混合、着火燃烧。
25.图解单个液滴燃烧时的空间区域划分,以及油蒸汽浓度、氧气浓度和温度分布。
26.油滴燃烧属于扩散燃烧还是预混燃烧?
为什么?
答:
属于扩散燃烧限制油滴燃烧的主要因素是与空气的混合速度,即取决于空气向油滴表面扩散所需的时间,属扩散燃烧。
27.图示煤燃烧过程的主要特点。
煤的燃烧过程有自己的特点:
28.什么叫异相燃烧?
异相化学反应分为几个步骤?
答:
异相燃烧是指不同相的物质之间发生的燃烧反应。
通常气固异相反应包括如下步骤:
第一步:
O2必须通过扩散到达碳的表面,并被碳表面吸附;
第二步:
在碳表面上进行碳—氧反应,并生成反应产物;
第三步:
反应产物从碳的表面上脱离(解吸),并从碳表面向外扩散开去。
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