【文章內容簡介】 平衡熱力學特性。燃燒反應熱效應、絕熱燃燒溫度等等。 ? 20世紀 30年代，美國化學家劉易斯和 俄國謝苗諾夫將化學動力學的機理引入燃燒研究，認為化學反應動力學是影響燃燒速率的重要因素，初步奠定了燃燒理論的基礎 。 ? 隨著各學科的發(fā)展， 30～ 50年代，人們認識到燃燒是化學反應動力學、氣體流動、傳熱、傳質等物理因素的綜合作用。卡門、錢學森提出用連續(xù)介質力學研究燃燒 — “ 反應流體力學”。 ? Spalding 20世紀 60年代后首先得到了層流邊界層燃燒過程控制微分方程數(shù)值解，此后引入湍流模型，形成了“計算燃燒學”。 ? （二）、煤氣燃燒的機理 ? 燃燒本質 ? （ 1）、燃燒反應 —— 是指煤氣中的各可燃成分與氧所進行的伴有發(fā)光發(fā)熱的劇烈的氧化反應。 ? 它具有發(fā)光、發(fā)熱、生成新物質三個特征。最常見、最普通的燃燒現(xiàn)象是可燃物在空氣或氧氣中燃燒。 ? 煤氣中的可燃成分具有和空氣中的氧發(fā)生下列反應的能力。 ? 無氧燃燒反應 ： ? 無氧燃燒反應 ： ? 氯得到電子被還原，而鐵和氫失去電子被氧化，在反應過程中同時有光和熱發(fā)生，故屬于燃燒反應。 ? 有的反應雖然是氧化還原，但不是燃燒反應；（沒有產(chǎn)生光和熱 ） ? （ 2）、燃燒現(xiàn)象：當燃料中的可燃分子與氧化劑分子相接觸，在一定的溫度和濃度的條件下，便發(fā)生燃燒反應，放出一定數(shù)量的熱量。 ? （ 3）燃燒本質：燃燒從本質上說是一種化學反應，它符合基本的化學定律。但由于燃燒過程非常復雜，目前對其機理的研究尚不充分，比較得到認同的是燃氣燃燒的連鎖反應機理。近代用鏈鎖理論來解釋燃燒本質，認為燃燒是一種游離基的鏈鎖反應 (亦稱鏈式反應 )，即在瞬間進行的循環(huán)連續(xù)反應。游離基可能是一種不穩(wěn)定的原子、分子碎片或其他中間物，活性強，當反應物產(chǎn)生少量的活性中心游離基時，即可發(fā)生鏈鎖反應。反應一經(jīng)開始，就可經(jīng)過許多鏈鎖步驟自動發(fā)展下去，直至反應物全部變完為止。當活性中心由于某種原因全部消失時，鏈鎖反應就會中斷，燃燒也就停止。鏈鎖反應機理大致可以分為三步： ? ① 鏈引發(fā)：即生成游離基，使鏈式反應開始。生成方法有熱解法、光化法、放射線照射法、氧化還原法、催化及機械法等。 ? 鏈傳遞：游離基作用于其他參與反應的化合物，產(chǎn)生新的游離基。 ? ③ 鏈終止：即游離基消失，鏈鎖反應終止。 ? 連鎖反應由 3個階段組成： ? 鏈的引發(fā) → 鏈的傳遞 → 鏈的終止 ? : ? （ 1）燃燒的必要條件 ? ①可燃物質，是指在點火能源作用下被點燃，且當火源移去后仍可繼續(xù)維持燃燒，直到燃燼的物質。如可燃固體：木材、可燃液體：汽油、可燃氣體：煤氣等。 ? ②助燃物質，也稱氧化劑，是指具有較強的氧化性能，能與可燃物質發(fā)生氧化反應并引起燃燒的物質。如空氣中的氧或純氧，氯氣、氯酸鉀等強氧化劑。 ? ③有火源，是指具有一定溫度和熱量能引起可燃物質著火的能源。常見的點火能源有火焰、電火花、電弧、熾熱物體、高溫表面、沖擊摩擦、絕熱壓縮、輻射熱、靜電火花、雷電、自燃著火等。 ? 上述三個條件在燃燒過程中缺一不可，統(tǒng)稱燃燒三要素?？扇嘉?、助燃物和點火能源是燃燒發(fā)生的三個必要條件 。燃燒必須同時具備下述三個條件：可燃性物質、助燃性物質、點火源。每一個條件要有一定的量，相互作用，燃燒方可產(chǎn)生。 ? （ 2）燃燒的充分條件：① 可燃物與助燃物要 ? 達到一定的比例，才能引起燃燒。 ? 例如：將在空氣中能燃燒的物質放在含氧量為5%的容器內，就不一定能燃燒。 ? ②點火源要有一定強度 (即溫度和熱量要達到一定強度 )。 ? 例如：用一根火柴就不一定能點燃一根粗木棒。 ? 有時即使上述三個要素都具備，燃燒也并不一定發(fā)生，這是因為燃燒對可燃物和助燃物有一定的濃度和數(shù)量要求，對點火能源有一定的強度和能量要求。例如甲烷的濃度小于 5%或空氣中氧氣含量小于 12%時不能燃燒。當空氣中氧氣含量小于 14%時，木材也不會燃燒。若用熱能引燃甲烷、空氣混合氣體，當溫度低于甲烷的自燃點時，燃燒不會發(fā)生。電焊火星的溫度高達 1200℃ ，可以點燃爆炸性混合氣體。但如果落在木塊上，通常不會引起燃燒。因為木塊所需的點火能量遠大于爆炸性混合氣體，火星的溫度雖高，但熱量不足，故不能引燃木材。由此可見，具備一定數(shù)量和濃度的可燃物和助燃物以及具備一定強度和能量的點火能源同時存在，并且發(fā)生相互作用，才是引起燃燒的根本原因。 ? 煤氣的燃燒過程 ? 工業(yè)爐中使用的氣體燃料的種類很多。根據(jù)煤氣和空氣混合條件，煤氣燃燒方法和燃燒裝置可分為兩大類：有焰燃燒和無焰燃燒 ? （ 1）有焰燃燒（擴散燃燒）：煤氣和空氣先不經(jīng)混合，而是經(jīng)過燒咀進入燃燒室，依靠對流擴散和分子擴散作用邊混合邊燃燒的過程。這時燃燒速度受到混合速度限制，火焰較長。由于燃燒反應瞬間完成，故燃燒速度取決于可燃物分子和氧分子相互碰撞的物理過程，即擴散過程。擴散燃燒時，由于局部氧的不足而發(fā)生碳氫化合物的熱解，產(chǎn)生游離碳，因此在燃燒帶中有固體微粒存在，產(chǎn)生強烈的光和熱輻射，形成光亮的火焰，故這種燃燒方法又稱為有焰燃燒。這種“邊混式”燃燒為有焰燃燒。所用燒咀稱“有焰燒咀”。 ? 有焰燃燒（擴散燃燒）速度主要取決于氣流沿高向的運動速度、煤氣和空氣的氣流夾角、出口中心間距、擴散系數(shù)等因素。 ? 而氣體燃料的擴散系數(shù) D反比于其平均分子量的平方根，即： ? D∝ (8RT/πM) ? 式中： R—— 氣體常數(shù)； ? T—— 氣體的絕對溫度， K； ? M—— 燃料氣的平均分子量。 ? 由于高爐煤氣的平均分子量遠大于焦爐煤氣的平均分子量，所以，高爐煤氣的火焰長度遠大于焦爐煤氣的火焰長度。 ? 焦爐立火道中煤氣的燃燒就屬于擴散燃燒。立火道內煤氣的燃燒速度（火焰長度）主要取決于氣流沿高向的運動速度、煤氣與空氣流的夾角、出口軸心間距、擴散系數(shù)等。 ? 為了拉長火焰、改善焦爐的高向加熱均勻性，焦爐火道內應使煤氣和空氣緩慢接觸。焦爐在設計中，斜道口的結構可使煤氣和空氣流平行噴出。 ? ? （ 2）無焰燃燒（動力燃燒）：煤氣和空氣進入燃燒室之前預先進行不充分的混合，這種情況，燃燒速度及快，火焰甚短，可達到很高的燃燒強度，燃燒完全，燃燒產(chǎn)物中沒有煙粒，燃燒室中透徹明亮這種“預混式”燃燒為無焰燃燒，所用燒咀為“無焰燒咀”。 由于在燃燒前煤氣和空氣均勻混合，故動力燃燒可在很小的過剩空氣系數(shù)下達到完全燃燒，燃燒溫度高。 燃氣鍋爐一般采用動力燃燒。 ? 介于兩者之間的，即有部分煤氣預先和空氣混合，這種燃燒為“半無焰燃燒”。所用燒咀為“半無焰燒咀”。 ? 結合上述，煤氣燃燒包括三個過程，即混合、著火和正常燃燒。實際上，煤氣燃燒這三個過程是同時存在、互相制約、連續(xù)進行的，只是在具體情況下各過程在總過程中所占的地位不同。其中混合過程是一種物質擴散現(xiàn)象，它主要決定煤氣物理方面的因素 。著火和正常燃燒是化學反應現(xiàn)象，它主要取決于化學動力學方面的因素。為此可以說，煤氣燃燒過程是一個物理一化學的綜合過程。 ? 盡管煤氣種類及燃燒方法不同，但總本質來看任何一種煤氣的燃燒過程，基本上包括三個階段：①煤氣與空氣的 混合，并達到極限濃度 —— 物理過程（受溫度影響，慢）； ? ②將可燃混合氣體加熱到著火溫度或點火燃燒使其達到著火溫度。 ? ③可燃物與氧氣發(fā)生化學反應而進行連續(xù)穩(wěn)定的燃燒，此過程取決于化學動力學的因素，即主要和反應的濃度和溫度有關。—— （氧化反應，快，不包括預熱） ? 這三個過程決定煤氣燃燒快慢的是空氣和煤氣混合過程，因為煤氣中的燃燒物質與空氣中的氧在高溫下進行化學反應是非?？斓模窃谝凰查g完成的。將煤氣加熱到著火溫度是傳熱過程，在高溫情況下也是比較快的。只有煤氣與空氣的混合是一種物理擴散過程，需要一定的時間，它是決定煤氣燃燒快慢的主要因素。各種不同的煤氣燃燒裝置 (燒嘴 )得到不同的火焰長度和溫度分布，就是由不同的燒咀造成了空氣和煤氣的不同混合條件的結果。 ? 可燃氣體最易燃燒，燃燒所需熱量只用于本身氧化分解，所以將可燃氣體加熱到其燃點即可燃燒。 ? 燃燒的分類 燃燒按物質形態(tài)的不同分為氣體燃燒、液體燃燒和固體燃燒。按其燃燒形式可分為自燃、內燃和著火等類型。 ? （ 1）自燃：可燃物質受熱升溫而不需明火作用就能自行著火的現(xiàn)象稱為自燃。引起自燃的最低溫度稱為自燃點。自燃點越低，危險性越大。 ? 1）自燃的特點 ? a）在自燃溫度時，可燃物質與空氣接觸，不需要明火的作用就能發(fā)生燃燒。 ? b）自燃點不是一個固定不變的數(shù)值，它主要取決于氧化時所析出的熱量和向外導熱的情況。 ? c) 同一種可燃物質，由于氧化條件不同以及受不同因素的影響，有不同的自燃點。 ? 2）自燃的分類 ? a） 受熱自燃 ? 由于外來熱源的作用而發(fā)生的自燃，是外部加熱的結果。 ? b） 自熱自燃（本身自燃） ? 在沒有外來熱源作用的情況下，由于其本身內部進行的生物、物理或化學過程而產(chǎn)生熱，這些熱在條件適合時足以使物質自動燃燒起來，是物質本身的熱效應。 ? 3）自熱自燃的危害 ? 物質自燃是在一定條件下發(fā)生的，有的能在常溫下發(fā)生，有的能在低溫下發(fā)生。本身自燃的現(xiàn)象說明，這種物質潛伏著的火災危險性比其他物質要大。在一般情況下，能引起本身自燃的物質常見的有植物產(chǎn)品、油脂類、煤及其他化學物質。如磷、磷化氫是自燃點低的物質。 ? 4）自燃點的影響因素 ? 物質的自燃點不是固定不變的數(shù)值，而是受壓力、密度、容器直徑、濃度等因素的影響。 ? 一般規(guī)律是：受壓越高，自燃點越低；密度越大，自燃點越低；容器直徑越小，自燃點越高。 ? 掌握了物質的自燃點，不僅對評定它們的火災危險性大小有著實際意義，而且對它們的安全生產(chǎn)和儲存也有重要意義。例如，根據(jù)自燃點，選擇防爆電氣型式，控制反應溫度，設計阻火器的直徑，隔離熱源等等。 ? 可燃物質的自燃溫度并不是一個物理常數(shù)，它的數(shù)值大小與許多因素有關。 ? ① .壓力的影響 ? 壓力對可燃氣體和液體的自燃溫度有顯著影響，壓力愈高，自燃溫度愈低。如： CH4，當壓力從 大到 10atm，其自燃溫度下降 100℃ 。 ? ② .濃度的影響 ? 在熱損失相同的情況下，貧乏的和富裕的燃料 — 空氣混合物的自燃溫度較高，化學計算濃度時自燃溫度最低。如： H2S在爆炸下限濃度時，自燃溫度為 373℃ ；在爆炸上限濃度時，自燃溫度為 304℃ ；而在化學計算濃度時，自燃溫度僅為 246℃ 。 ? ③ .催化劑 ? 活性催化劑能降低物質的自燃點，惰性催化劑能提高物質的自燃點。 ? ④ .容器 ? 一般地講，容器體積愈小，自燃溫度愈高。當容器很小時，可導致燃料混合物失去燃燒性。此外，容器的材質、形狀及表面積與體積的比值都對樣品的自燃溫度產(chǎn)生影響。 ? ⑤ .可燃固體的粒度 ? 它們粉碎的程度愈高，粒度愈細，自燃溫度就愈低。 ? ⑥可燃物質的種類 ? ，碳原子數(shù)較少的自燃點較高，隨著碳原子數(shù)增多自燃點逐個降低。如：甲烷的自燃點高于乙烷， 乙烷高于丙烷，丙烷高于丁烷。 ? 燃點。例如：乙烷的自燃點為 515℃ ，乙烯為 490℃ ，乙炔為 305℃ 。 ? 自燃點。如：苯的自燃點為 550 ℃ ，己烷的自燃點為248℃ 。 ? 。例如：正丁醇是 242 ℃ ，而異丁醇為 413℃ 。 ? ，則閃點越低，而自燃點越高，反之，密度越大，則閃點越高，而自燃點越低。 ? ⑦ .環(huán)境溫度、濕度 ? 環(huán)境溫度、濕度等對自燃溫度的測試結果均有一定的影響。 ? 對輕質燃料油而言，一般地講，液體燃料的比重越小，其閃點越低，而自燃溫度卻越高。 ? （ 2）閃燃與閃點 可燃液體的溫度不高時，液面上少量的可燃蒸氣與空氣混合后，遇著火源而發(fā)生一閃即滅（延續(xù)時間小于 5秒）的燃燒現(xiàn)象，稱為閃燃。 ? 可燃液體發(fā)生閃燃的最低溫度稱為該可燃液體的閃點。閃點越低，火災危險性越大； ? （ 3）著火與燃點 ? 著火 : 在有空氣存在的環(huán)境中，可燃物質與明火接觸能引起燃燒，并且在火源移去以后仍能保持繼續(xù)燃燒的現(xiàn)象叫著火。 ? 例如，用火柴點燃稻草，就會引起著火。 ? 可燃物質發(fā)生著火的最低溫度稱為著火點或燃點。兩種燃點不同的物質處在相同條件下，當受到火源作用時，燃點低的物質首先著火。如木材的著火點為 295℃ 。 ? （