高等燃烧学复习题参考答案集.doc

高等燃烧学习题集与解答第1章 绪论1、 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。2、 燃烧的本质是什么？它有哪些特征？举例说明这些特征。答：燃烧的本质是一种氧化还原反应。它的特征是：放热、发光、发烟并伴有火焰。3、 如何正确理解燃烧的条件？根据燃烧条件，可以提出哪些防火和灭火方法？答：可燃物、助燃物和点火原始燃烧的三要素，要发生燃烧，可燃物和助燃物要有一定的数量和浓度，点火源要有一定的温度和足够的热量。根据燃烧的条件，可以提出一下防火和灭火的方法：防火方法：a、控制可燃物；b、隔绝空气；c、清除点火源灭火方法：a、隔离法；b、窒息法；c、冷却法；d、抑制法4、 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？答：我国目前能源环境现状：一、能源丰富而人均消费量少 我国能源虽然丰富，但是分布不均匀，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。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。第2章 燃烧化学基础1、 标准生成焓、生成焓的定义？反应焓的定义及计算方法？燃料发热量（热值）与燃烧焓、反应焓的关系？答：生成焓定义：化合物的构成元素（最稳定的单质）经化合反应生成1mol该化合物的焓的增量。标准生成焓：是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该化合物的焓的增量。在特定的温度压力下（等温等压）进行的反应，反应物与产物具有相同的t,p，则产物与生成物间的焓值之差为该反应的反应焓。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焓差值，不是生成焓，而是反应焓。 发热量与反应焓、燃烧焓大小相等，符号相反。2、 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。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。热着火过程与链式着火过程区别是：热着火通常比链式着火过程强烈得多。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。3、 自燃着火和强迫着火的区别是什么？ 答：强迫着火和热自燃在本质上没有多大的差别，但在着火方式上则存在较大的差别。热自燃时，整个可燃物质的温度较高，反应和着火在可燃物质的整个空间内进行。而强迫着火时，可燃物质的温度较低，只有很少一部分可燃物质受到高温点火源的加热而反应，而在可燃物质的大部分空间内，其化学反应速率等于零。强迫着火时着火是在局部地区首先发生的，然后火焰向可燃物质所在其他地区传播。与热自燃过程类似，强迫着火过程也有着火温度、着火孕育期和着火界限。但是强迫过程还有一个更重要的参数，即点火源尺寸。影响强迫着火过程上述参数的因素除了可燃物质的化学性质、浓度、温度和压力外，还有点燃方法、点火能和可燃物质的流动性质等，而且后者的影响更为显著。一般来说，强迫着火温度比热自燃温度高。4、 实现强迫着火的临界条件是什么？ 答：强迫着火的临界条件是：图为炽热物体边界层内的温度分布。即为临界点燃温度。要实现强迫着火的临界条件为：在炽热物体壁面处可燃物的温度梯度等于零，即： 当着火发生以后，出现的情况。5、 什么叫做链式反应？它是怎样分类的？链反应一般可以分为几个阶段？ 答：链式反应是一种在反应过程中含有自由原子或自由基等活化物质的特殊反应，如果通过某一种方式（如光照射等)将其引发，便相继发生一系列的链锁反应，使反应一环扣一环的不断进行下去。 链式反应分为不分支链反应（或直链反应）和分支链反应两类。链式反应一般分为链的激发（引发）、链的传递和链的断裂（中断）三个阶段。第3章 燃烧物理学基础1、 自由射流积分（动量守恒）条件、热焓差和浓度差守恒条件的物理意义是什么？ 答：自由射流动量守恒是指沿射流的轴线方向，在任意断面上，以射流的速度w与速度w2之差（w-w2）计算的动量是一个不变的常数。其值恒等于出口断面上的以出口速度w1与射流的速度w2之差计算的射流初始动量。 同动量守恒条件相似可以得出，沿轴线方向上，任意断面上的热焓差和浓度差都是不变的常数，且恒等于出口断面上的射流与伴随流之间的热焓差和浓度差。2、把热射流射入冷空间中，和把冷射流射入热空间中，射流的轴线速度、温度差和浓度差衰减的情况有何区别？这对工程燃烧的二次风参数的选取有何指导意义？答：（1）把热射流射入冷空间中时，射流的轴线速度、温度差和浓度差衰减都很快，因为的值较大。而且随值增大，三者衰减速度均明显加快。（2） 把冷射流射入热空间时，很明显值相对（1）中要小，所以此时射流的轴线速度、温度差和浓度差衰减都很慢，而且随值减小，衰减更慢。（3） 从这个方面讲，组织锅炉内气流流动时，应用值低一些的一次风，从而保证较慢的衰减速度，有足够的扰动范围，以保证气流流动。而从燃烧供氧的角度讲应用值高一些的一次风，以加强湍流混合和传质，有利于燃烧。3、一台燃天然气的工业锅炉，运行时烟气中的氧的摩尔分数为3%。求解运行的空燃比和当量比。天然气按甲烷来处理 解：已知: ，；求: (A/F)、ff 先假定完全燃烧条件下，建立完全燃烧方程来获得空燃比，所谓的完全燃烧是指所有的碳全部形成二氧化碳，氢形成水： CH4+a(O2+3.76N2)CO2+2H2O+bO2+3.76aN2其中a和b可用氧原子的守恒来建立方程. 2a=2+2+2b b=a-2从摩尔分数的定义有： a=2.368空燃比为： 当量空燃比为： 当量比为： 3、 一个小型的低污染排放的地面燃气轮机，在满负荷下运行（3950kw），此时的当量比为0.286，空气流量为15.9kg/s。等效燃料（天然气）成分为C1.16H4.32，求：燃料的质量流率及其运行的空燃比。解：已知：，求： 和（A/F）按定义： 4、 计算CH4和空气混合物在化学当量下的定压绝热燃烧温度。压力为1atm，初始温度为298K。解：假设：1.反应完全燃烧，燃烧产物仅为CO2，H2O，N2 2.假设产物的比热为常数，用在1200K，其中Tad先估计为2100K CH4+2(O2+3.76N2)1CO2+2H2O+7.52N2 ，查表得生成焓和1200K时的比热： ， ， 令得：第4章 燃料1、燃料的化学成分有那些？以及各个成分的性质是什么？答：无论是固体燃料、液体燃料还是气体燃料，他们的主要组成都是多种碳氢化合物。从元素分析的角度来看，燃料主要组分是C、H、O、N、S以及水分和灰分。碳（C）。碳是常用燃料中主要的可燃元素，一般占煤成分的20%70%。碳元素包括煤受热分解时产生的挥发分中的碳和固定碳。碳化程度越深的煤，固定碳的含量也越高。由于固定碳的燃点很高，含碳量越高的煤，其着火燃尽也越困难。氢（H）。氢是燃料中热值高且有利于燃烧的元素。约为3%5%，且均以化合物的状态存在。氢含量的多少，直接影响煤的热值、着火和燃尽。氧（O）。氧在各种煤中的含量差别很大。随着煤的地质年龄的增长，煤中的氧不断分解逸出，气含氧量逐渐降低。氧使煤中的可燃碳及可燃氢的含量相对减少，从而降低煤的热值。氮（N）。氮是燃料中的惰性元素，一般情况下不参与燃烧过程。燃料发生燃烧反应后，氮以游离状态随着燃烧烟气排出燃烧设备。燃料中的氮含量一般都不高，如煤中的氮含量通常仅为0.5%2.5%。硫（S）。各种燃料中均含有一定量的硫，但不同种类的燃料中硫含量与硫的存在状态差别较大。煤中的硫一般以三种形式存在，即有有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫。灰分（A）。灰分是指燃料中所有可燃物质完全燃烧而燃料所含的矿物质在燃烧过程中经历一系列分解、化合等复杂反映后所剩余的残渣。灰分是煤中的有害杂质，煤中的灰分含量高，则可燃质相对减少，这不仅降低了煤的热值，而且影响煤的着火和燃尽程度。水分（M）。各种煤的水分含量差别较大。水分是燃料中不可燃的有害组分，它的存在降低了燃料中的可燃质的含量。2、燃料气的热扩散系数、燃料的发热量、化学反应速度、气体的密度、气体的压力、可燃气体的初温、锋面形状等因素如何影响层流火焰传播速度的？答：燃料气的热扩散系数增大、燃料的发热量增大、化学反应速度增大、气体的密度减小、可燃气体初温越大，层流火焰传播速度都会增大。层流火焰传播速度与压力的1/2*(n-2)次方成正比。火焰锋面凹，层流火焰传播速度增大，火焰锋面凸散热增多，层流火焰传播速度减小。3、煤的种类有那些？分别有什么特点？ 答：煤是由植物残骸经过复杂的生物化学作用和物理化学作用转变而成的。根据母体物质碳化程度的不同，可将煤分成泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四大类。泥炭。在使用性能上，泥炭的挥发分含量高，可燃性好，含硫量低，机械性能差，灰熔点很低，泥炭的工业应用价值不大，也不适宜于远途运输，主要用作小型锅炉燃料或气化原料。褐煤。褐煤是泥炭在地热和压力作用下进行炭化所生成的煤。与泥炭相比，褐煤的密度较大，含碳量相对增加，水分和挥发分均减少，在使用性能上，褐煤黏性弱，极易氧化和自燃，吸水性较强。在空气中极易风化和破碎，褐煤不适宜于远途运输和长期储存，一般可作为地方性燃料在产区附近使用。烟煤。烟煤是褐煤进一步碳化而转变成的煤种。与褐煤相比，烟煤的挥发分减少，吸水性较小，含氧量减少，含碳量增高，且具有较强的黏结性。无烟煤。无烟煤表现上有黑色光泽，均匀而无明显的分层。与烟煤相比，无烟煤密度较大，含碳量更高，而挥发分较少。在使用性能上，无烟煤组织致密而坚硬，吸水性小，适合于远途运输和长期储存。4、煤热解的试验方法有哪些？ 答：煤的热解的试验方法有两大类，静态样品法和连续流动法。前者煤样是静止的，后者煤样为连续进料和出料。静态样品法包括：固定床法，金属网栅加热法以及热天平法。热天平法由于其精度高，容易规范，目前受到了极大的重视，采用热天平通过计算可以得到热解反应的动力学参数。连续流动法包括：流化床热解法、机械搅拌法、气体夹带煤粉通过加热的反应器法、自由沉降反应器法、等离子高速加热煤粉法等。应该指出的是，在研究煤的热解特性时，煤是在各种不同的加热速率、气氛、压力等条件下得到的，热解产物必须和工业分析测定的挥发分含量加以区别，因为后者仅仅是一种简便标准。第5章 气体燃料燃烧1、如何定义扩散燃烧和动力燃烧？答：一般来说，气体燃料燃烧所需的全部时间由两部分组成，即气体燃料与空气混合所需的时间和燃料氧化的化学反应时间。如果不考虑这两种过程在时间上的重叠，整个燃烧过程所需时间为 燃料与空气的混合有分子扩散及湍流扩散两种方式，因此燃料与空气混合的时间可写成 式中，、是分子扩散、湍流扩散时间。 当时，则整个燃烧时间即可近似地等于氧化反应时间，即。这种燃烧称为化学动力燃烧或动力燃烧。预混可燃气体的燃烧属于动力燃烧。动力燃烧过程将强烈地受到化学反应动力学因素的控制。反之，当时，则整个燃烧时间近似等于扩散混合时间，即。这种情况可称为扩散燃烧或燃烧在扩散区进行，此时燃烧过程的进展与化学动力因素关系不大，而主要取决于流体动力学的扩散混合因素2、什么是扩散火焰？什么是预混火焰？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。3、什么是离焰、吹熄、脱火和回火？ 答： 离焰：若火焰脱离喷口，悬举在喷口上方，但不熄灭。 吹熄：发生离焰时，火焰虽不立即熄灭，但此时火焰将吸人更多的二次空气，使悬举的火焰中燃气浓度降低。若可燃混合气流速继续增大，火焰则会出现吹熄现象。 脱火：若火焰脱离喷口并熄灭，这种现象称为脱火。显然，脱火主要是由于喷口出口气流速度过高而引起的，故又常称为吹脱。 相反，当w减小到一定值时，火焰面也无法继续保持稳定。此时，火焰将缩人燃烧器喷口内，在喷口内燃烧，这种现象称为回火。燃烧器在工作时，不允许发生离焰、吹熄、脱火或回火问题。吹熄和脱火将造成燃气在燃烧室及其周围环境中的累积，一旦再遇到明火便会使大量燃气迅速着火，从而造成大规模爆燃，同时燃气也会对人员造成毒害作用。回火则可能烧毁燃烧区，甚至引起燃烧器或储气罐发生爆炸，也可能导致火焰熄灭，从而造成严重后果。4、引射式大气燃烧器有什么特点？ 答：燃烧器由两大部分组成：引射器和头部。工作时具有一定压力的气体燃料以一定的速度从喷嘴喷出，进入收缩型吸气管，并借助燃料射流的吸卷作用带入一次空气。燃料与空气在引射器内混合，把动能转变为压力能，然后从头部的火孔流出，并从周围大气中获取二次空气，完成整个燃烧过程。和扩散式燃烧器相比，引射式大气燃烧器的火焰温度比较高，火焰短，火力强；但结构复杂，燃烧稳定性较差。与鼓风式燃烧器相比，引射式大气燃烧器不必鼓风，投资少，不耗电；但热负荷不宜太大，否则结构相当笨重。和火道式无焰燃烧器相比，引射式大气燃烧器热负荷调节范围宽广，可燃烧低压煤气；但热强度较低。一次空气余气系数基本上不随煤气压力而变化。因此，这类燃烧器具有可贵的自动调节性能。5、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？答：ba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：。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，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，即为气体火焰传播速度。第6章 液体燃料的燃烧1、液体燃料的燃烧方式有哪几种？各有何特点？ 答：根据液体燃料在着火燃烧前发生蒸发与气化的特点，可将其燃烧分为液面燃烧、灯芯燃烧、蒸发燃烧和雾化燃烧四种方式。（1）液面燃烧。液面燃烧是指直接在液体表面上发生的燃烧。在液面燃烧过程中，若燃料蒸气与空气的混合不良，则将导致燃料严重裂解，通常其中的重质成分并不发生燃烧反应，因而将冒出大量黑烟，严重污染环境空气。（2）灯芯燃烧。灯芯燃烧是利用灯芯的毛细吸附作用将燃油由容器中抽吸上来，并在灯芯表面生成油蒸气，然后油蒸气与空气混合发生的燃烧。 （3）蒸发燃烧。蒸发燃烧是使液体燃料通过一定的蒸发管道，利用燃烧时放出的一部分热量加热管中的燃料，使其蒸发，然后再像气体燃料那样进行燃烧。蒸发燃烧方式适合于黏度不高、沸点不太高的轻质液体燃料，在工程燃烧中有一定的应用。 （4）雾化燃烧。雾化燃烧是利用各种形式的雾化器将液体燃料破碎雾化为大量直径为几微米到几百微米的小液滴，并使它们悬浮在空气中边蒸发边燃烧。由于燃料的雾化，使其表面积增加了上千倍，因而有利于液体燃料迅速有效地燃烧。2、液体燃料雾化的主要特性参数有哪些？答：液体燃料雾化质量的好坏对燃烧过程及燃烧设备的工作性能有着重大影响。通常评价液体燃料雾化器的雾化性能及质量的主要指标为：雾化角、雾化液滴细度、雾化均匀度、流量密度分布、喷雾射程、调节比，对于介质雾化喷嘴，还有气耗率等。3、机械雾化与介质雾化有何不同？答：机械雾化喷嘴也叫离心式雾化喷嘴，它有多种形式。机械雾化油烧嘴的结构简单、紧凑，工作噪音小，适用于粘度较低的燃油。燃用雾化质量较差的油品时，易出现堵塞或雾化粒度较粗等问题，油压要求高，一般应达1.52.5MPa，系统可靠性要求高，油泵耗能大。 介质雾化喷嘴。又称气动式雾化喷嘴，它的工作原理是利用空气或蒸汽作为雾化介质，将其压力能转换为高速气流，使液体燃料喷散为雾化炬。这种烧嘴结构简单，调节比较方便，但是手动油阀难以实现微量调节。此外，烧嘴的移动套管部分要求精密加工，否则易引起火焰偏斜。由于烧嘴结构简单，空气与燃油之间仅相遇一次，混合效果较差。4、什么是液滴蒸发时的斯蒂芬流？答：液滴在静止高温环境下蒸发，驱动力不仅与浓度差有关而且与液滴周围的温差有关。因此其蒸发过程不是简单的传质，而是传热传质的综合过程。下图所示为液滴蒸气过程燃料蒸气和其他气体x（空气）含量（质量分数）的变化趋势，其中下标S表示液滴表面。燃料蒸气含量在液滴表面最高。随着半径增大，含量（质量分数）逐渐减小，直到无穷运处，。对于空气，其质量分数的变化正好上反，在无限运处，并逐渐减小到液滴表面的值。显然，在任意半径处，有。 液体周围成分分布显然，空气和燃料蒸气在液滴表面与环境之间存在含量梯度。由于含量梯度的存在，使燃料蒸气不断地从表面向外扩散；相反地，空气x则从外部环境不断地向液滴表面扩散。在液滴表面，空气力图向液滴内部扩散，然而空气既不能进入液滴内部，也不在液滴表面凝结。因此，为平衡空气的扩散趋势，必然会产生一个反向流动。根据质量平衡定理，在液滴表面这个反向流动的气体质量正好与身液滴表面扩散的空气质量相等。这种气体在液滴表面或任一对称球面以某一速度离开的对流流动被称为斯蒂芬（Stefan）流。5、如何强化油雾燃烧？ 答：增强雾化功能，减小油滴尺寸，提高雾化的均匀性；提高燃烧室的温度水平，强化蒸发阶段的传热。第7章 固体燃料的燃烧1、影响煤热解的因素有哪些？如何影响？答：影响煤热解的因素很多，主要包括：（1）温度的影响。在正常的热解温度下，温度越高，热解产物的生成量越大，但曲线的形状随加热速率或煤种的不同而有所不同。（2）加热速率的影响。加热速率的影响比较复杂。高的加热速率可以缩短热解时间，但不影响最终热解产率。随着热解速率的提高，达到一定热解失重量的温度也随之提高。（3）压力的影响。随着热解压力增加，热解析出量呈单一下降趋势，这是由于压力增大，煤粒内部裂化及炭沉积度增大。（4）颗粒粒度的影响。增大颗粒粒度对热解产率的影响很小，但由于颗粒粒度的改变将导致温升速率放慢，如果停留时间一定，则可能导致热解产物量也减少。（5）气氛的影响。在不同的工艺过程中，煤热解所处的气氛会不相同。如在煤燃烧时，热解是在空气中进行的，此时热解产物析出后马上会与空气中的氧气发生反应。而在煤气化或干馏过程中，热解是在热解产物中进行的。（6）煤种的影响。煤种对热解失重的影响是明显的，首先表现在不同的煤种其工业分析挥发分有差别，无烟煤的热解失重很小，而烟煤就相对较高，而且挥发分含量越高，挥发分析出的速率也越快一些。2、阐述描述挥发分燃烧的三种方法局部平衡法、总体反应速率法、完全反应法。答：（1）局部平衡法。局部平衡法沿自Seeker等人的研究，他们采用全息摄影方法观察了热解产物从煤粒中的释放过程，观察到了热解产物的射流并形成热解产物云。此时，如气体温度和停留时间合适，则每一个小云均能与氧气结合形成扩散火焰。（2）总体反应法。总体反应法的提出是基于有些过程热解产物和氧化性气体并不处于热平衡状态，有些组分复杂而机理又十分清楚，该方法将各种不同成分的化学反应速率归纳为一个总体反应。目前常用的总体反应速率模型有以下三类：1）假定碳氢化合物燃烧机理归纳为一个产物为CO和H2O的总体反应。2）总体反应的产物为CO和H2。3）提供了H2、CO、C2H4及烷烃的总体反应速率。 （3）完全反应方法。为了精确描述热解产物的完整燃烧情况，应该把热解产物的每一个组分的反应机理结合在一起，以形成整体的反应机理。3、分析二次反应对碳燃烧过程的影响。 答：碳球的初次反应是C+ O2=CO2及2C+ O2=2CO。实际上，除碳与氧的初次反应外，一氧化碳可能还要与氧在碳球周围的空间内燃烧，在温度较高时，二氧化碳在碳球表面还会发生气化反应。也就是说，碳球在燃烧过程中还存在着二次反应，即C+CO2=2CO2CO+O2=2CO2 （1）当温度低于700时，氧扩散到碳球表面，按下式进行化学反应，即4C+3O2=2CO2+2CO由于反应温度较低，二氧化碳和碳球之间还不能发生气化反应，一氧化碳也不能与氧在空间内燃烧。反应生成的二氧化碳与一氧化碳浓度相等，都向外扩散出去，这种情况下，二次反应的影响很小。 （2）当温度在8001200范围内时，反应方程仍为上式。一氧化碳此时由碳球表面向远处扩散时，与氧相遇即发生燃烧，形成火焰锋面。只有与一氧化碳燃烧后剩余的氧才能继续扩散到碳球表面与碳发生反应。由于环境温度不够高，反应生成的二氧化碳仍不能与碳球发生气化反应，其在向外扩散过程中，汇合了一氧化碳空间燃烧生成的二氧化碳，一并向远处扩散。 （3）当温度大于12001300时，碳球表面上的反应随温度升高而加速，即使介质中的氧能扩散到碳球表面，一次反应的产物基本上只是一氧化碳。一氧化碳在火焰锋面处就将从远处向碳球表面扩散来的氧完全消耗掉，并生成二氧化碳。与一氧化碳不同，二氧化碳同时向远处及向碳球表面扩散。向表面扩散的二氧化碳到达碳球表面后就和碳发生气化反应。C+CO2=2CO反应生成的一氧化碳又由碳球表面扩散到火焰锋面，并与自远处扩散而来的氧发生燃烧反应。二氧化碳由火焰锋面扩散到碳球表面就起了运输化合状态氧的作用而使碳气化。4、什么是煤粉气流的着火热？试分析影响煤粉气流着火的主要因素。 答：煤粉着火过程中，首先必须具备一定的着火热。将煤粉气流加热到着火温度所需要的热量称为着火热。它主要用于加热煤粉和空气以及使煤中水分蒸发和过热。影响煤粉气流着火的主要因素如以下几点：（1）燃料性质。煤的可燃基挥发分如果很低，它的着火温度很高，煤粉气流就必须加热到很高温度才能正常地着火。煤的灰分显著增加时，煤粉气流的着火点也会推迟。煤的水分增加时，着火热增加；煤中的灰分增高，推迟煤粉气流着火。（2）一次风量和一次风速。一次风量和一次风速提高都要使着火点推迟。一次风量增加时，着火热增大，因此着火要推迟。一次风速过高将降低煤粉气流的加热速度，使着火距离加长。但一次风速又过低，燃烧器喷口会被烧坏。（3）煤粉气流初温。提高煤粉与一次风气流的初温，可以降低着火热，使着火提前。另外，燃烧器的结构特性及锅炉负荷的变化也影响煤粉气流的着火。第8章 燃料燃烧引起的污染及其防治1、炭黑的形成机理是什么？炭黑的种类分为哪些？答：碳黑是碳氢化合物在高温缺氧条件下热解产生的碳烟颗粒。碳黑的生成机理非常复杂，其结构属于无定形碳，粒径分布较宽，从不足1m到100m。碳氢燃料燃烧生成粒径为10nm以上的微粒的过程分为两个阶段。第一阶段，低分子量不饱和烃由化学反应形成微粒核的高分子化阶段，产生碳烟核；第二阶段，碳烟核经过聚合、生长形成碳黑微粒。碳黑一旦形成则难以燃尽，往往以黑色碳烟的形式污染大气。燃料与空气混合不充分时，燃烧产生的火焰是发光火焰，能够发出可见光和红外线，光谱分析表明火焰内存在游离碳。从火焰中产生的碳烟就是这些游离碳或者碳的自由基高分子化后形成的。这个过程与燃烧形态和火焰的发光燃烧有重要关系。即使是预混火焰，燃料过剩也会产生碳烟。燃料的碳氢比较高时，更容易产生碳烟。火焰温度较高时，根据化学平衡原理，碳原子难以聚集成碳烟，火焰的光辐射强度较高，但是碳烟在排出火焰前将被氧化。碳氢类燃料燃烧时生成的碳黑，按其生成机理及其特殊形式，有气相析出型碳黑、剩余型碳黑、雪片型碳黑以及积碳等几种形式。2、烟气除尘技术有哪些？ 答：烟气除尘技术是应用最广的烟尘控制技术。烟气除尘的方法和设备很多，基本原理是利用不同的力对烟尘颗粒发生作用，使颗粒与气体分离，然后集中收集烟尘。（1）机械除尘器。机械除尘器主要有重力沉降式、惯性式、旋风式等型式。前两种除尘器一般能除去直径大于20m以上的粗颗粒，效率不高，阻力较小，常作为初级除尘器。（2）湿式除尘器。湿式除尘器的基本原理是通过颗粒与水滴或其它液体的惯性碰撞而将其截获，并随水滴流走。为了保证烟气与水滴充分接触，必须使水雾化为较小的液滴，并且具有较合理的空间分布。湿式除尘器还能除掉烟气中部分SO2和NOx等物质，在处理烟气温度高、湿度大或常规性的粉尘方面应用较多，但能耗和水耗大，容易腐蚀设备，且需对水和废液作再处理。（3）静电除尘器。静电除尘器利用高电压产生的库仑力清除烟尘。它的结构主要包括电晕极和集尘极两部分，当在两极加上高达2060kV的直流电压后，电晕极产生电晕放电，产生大量负离子。含尘烟气通过时，颗粒与负离子碰撞而带上负电，并在电场力的作用下流向集尘极。带电颗粒在集尘极释放出负电荷后沉积，完成粉尘与气体的分离。（4）袋式除尘器。袋式除尘器是利用过滤原理除尘。含尘烟气通过用棉、麻、人造纤维等编制物制成的布袋时，粉尘受到阻挡而留在布袋表面，而气体则穿过纤维孔隙排出。3、 流化床燃烧控制N2O的方法有哪些？答：流化床燃烧控制N2O的方法如下：（1）提高流化床运行温度。提高燃烧温度，特别是流化床运行温度，N2O发生分解反应，显然会迅速减少N2O的排放，但是，提高温度可能会同时导致NOx排放升高及炉内脱硫效果降低。因此，提高流化床温度控制N2O排放时，通常应同时采用分级燃烧等方法降低NOx排放及采用高温脱硫剂，以达到脱硫、脱氮及高燃烧效率的统一。（2）低氧燃烧。降低过量空气系数，可以减少N2O排放，特别是在接近理论空气量时效果更佳。同时采用低过量空气系数和空气分级燃烧，在理论上可同时减少N2O和NOx，但是，降低过量空气系数必须有较好的运行控制手段，防止飞灰含碳量显著增加。（3）再燃烧法。再燃烧法是在流化床炉膛之后补充天然气等燃料燃烧，提高烟气温度，N2O在高温下分解，降低N2O排放。（4）催化反应降低N2O。流化床中的固态物质均对N2O的热分解有一定的催化作用，实际上一些催化剂对N2O具有强烈分解作用。4、炉内喷钙脱硫技术的工作原理是什么？答：炉内喷钙脱硫技术（FSI）的反应机理仍然是钙基脱硫。炉内直接喷钙脱硫技术是将脱硫剂直接喷入炉内温度为10501150的区域，利用炉内高温实现钙基脱硫剂的煅烧和脱硫反应。石灰石首先在高于750的条件下快速焙烧形成氧化钙，然后氧化钙在8001200的温度范围内与SO2进行反应。脱硫剂在炉内的分解温度是影响炉内喷钙脱硫的主要因素之一。CaCO3的炉内分解温度与烟气中的CO2浓度有关，燃煤锅炉烟气中的CO2浓度约为14%，对应的CaCO3的分解温度约为765。低于此温度，CaO会吸收CO2生成CaCO3。CaCO3煅烧分解生成的CaO与烟气中的SO2反应生成CaSO3或CaSO4。CaO固硫反应的有效温度为9501100。烟气温度大于1100时，反应逆向进行，发生分解反应。因此，炉内直接喷钙的脱硫效率较低。此外，脱硫剂的喷射位置若选在炉内温度过高的部位，会造成焙烧温度过高，CaO的微孔结构被破坏，产生氧化钙结晶，使孔隙堵塞，降低SO2在微孔内的扩散速率，脱硫率下降。脱硫剂喷射位置的温度太低，则不能焙烧获得比表面积较大的CaO，使脱硫效率降低。5、流化床燃烧脱硫技术的影响因素有哪些？答：1）温度的影响。在各种流化床燃烧装置中都发现了脱硫的最佳燃烧温度。流化床脱硫效率较高的炉内温度为800870。炉内温度高于或低于这一温度范围，脱硫效率都将降低。温度低于800，石灰石分解为氧化钙的速度减慢，减少可供反应的氧化钙，使脱硫效率降低。温度低于750，石灰石的分解反应几乎不再进行。2）煤种的影响。影响SO2排放量最重要的煤质参数是煤中含硫量。为了达到要求的SO2排放水平，使用硫分多的煤需采用高的Ca/S比。Ca/S比相同，使用低硫煤，脱硫剂给入速度低，更容易实现SO2达标排放，有更高的脱硫效率。另外煤灰中铁氧化物可能对CaO与SO2之间的反应起催化作用。3）脱硫剂种类的影响。脱硫剂的多孔组织对脱硫效率有重要的影响。无定形石灰石的表面孔隙率高，其脱硫效率高于晶状结构的石灰石。地质年代短的石灰石比地质年代久的石灰石对脱硫更有效，而且石灰石（如隐晶质多孔性CaCO3）比大理石（晶质的密实CaCO3）更有效。4）脱硫剂尺寸的影响。脱硫剂尺寸增大使脱硫效率下降。石灰石颗粒的粒径对炉内脱硫反应有重要的甚至是决定性的影响。颗粒太细，不能被分离器捕捉送回炉内，则不能充分利用；颗粒太粗，颗粒外表面积小，其表面上形成的致密的CaSO4层将阻止烟气中的SO2与颗粒内部的CaO进一步反应。5）过量空气系数和分级燃烧的影响。过量空气系数在1.21.5范围内，脱硫效率没有明显的变化。采用分级燃烧，脱硫效率则有一定程度的降低。流化床的一次风与总风量的比率及二次风送入位置对脱硫效率有重要影响。较低的一次风比率及较高的二次风喷入位置可有效减少NOx排放，但脱硫效率明显降低。分级燃烧对脱硫效率和NOx排放的相反影响使得优化空气分级很重要。6）流化风速的影响。流化气体速度增加导致脱硫效率降低。因为气体速度增加，流化床中气体和固体停留时间减小，脱硫效率会稍有降低。7）颗粒循环倍率的影响。脱硫剂细颗粒通过高温分离器循环利用，显著提高炉内脱硫剂的浓度，大大提高脱硫效率。细颗粒循环还增加了停留时间，而且悬浮段细颗粒浓度更高，因此可以使脱硫剂利用率大幅提高。8）燃烧器型式的影响。循环流化床的脱硫效率比鼓泡流化床更高。原因是循环流化床气固混合更好，且颗粒停留时间更长。