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第1章 导论及化学动力学基础 1

1.1 燃烧科学的发展、应用和研究方法 1

1.1.1 燃烧科学的发展简史 1

1.1.2 燃烧科学的应用 2

1.1.3 燃烧科学的研究方法 4

1.2 本书研究的主要内容 4

1.3 化学反应速度 5

1.3.1 基本定义 5

1.3.2 质量作用定律 7

1.3.3 反应级数 8

1.3.4 一级反应 9

1.3.5 二级反应 10

1.3.6 复杂反应 11

1.4 各种参数对化学反应速度的影响 14

1.4.1 温度对化学反应速度的影响——阿累尼乌斯定律 14

1.4.2 压力对反应速度的影响 15

1.4.3 在等温等压条件下，反应物浓度对反应速度的影响 17

1.5 反应速度理论 18

1.6 链锁反应 21

1.6.1 基本理论 21

1.6.2 不分支链锁反应——氯和氢的结合 22

1.6.3 分支链锁反应——氢和氧的化合 25

1.6.4 链锁反应速度与时间的关系，链锁着火 27

1.6.5 链锁着火的界限 29

2.1 燃烧过程的热力爆燃理论 32

第2章 燃料的着火理论 32

2.1.1 谢苗诺夫(Semenov，N.N.)的可燃气体混合物的热力爆燃理论 33

2.1.2 爆燃感应期 39

2.1.3 弗朗克-卡门涅茨基(Frank-Kamenetskii，D.A.)失稳分析法 40

2.1.4 热力爆燃理论的最新发展 42

2.2 链锁爆燃理论 47

2.2.1 链锁分支反应的发展条件(链锁爆燃条件) 48

2.2.2 不同温度时，分支链锁反应速度随时间的变化 49

2.2.3 感应期的确定 51

2.2.4 着火半岛现象 51

2.3 热力着火的自燃范围和感应周期 53

2.3.1 热力着火的自燃范围 53

2.3.2 各种参数对着火温度的影响 55

2.4 强迫着火的基本概念 57

2.4.1 实现强迫着火的条件 57

2.4.2 强迫着火的热理论 58

2.4.3 各种点燃方法的分析 61

2.5 朗威尔(Longwell)反应器理论 68

第3章 火焰传播与稳定的理论 70

3.1 火焰传播的基本方式——正常火焰传播与爆然 70

3.2 可燃气体的火焰正常传播 73

3.3 火焰正常传播的理论 76

3.3.1 用于简化近似分析的热理论 76

3.3.2 捷尔道维奇等的分区近似解法 79

3.3.3 火焰传播的精确解法 80

3.3.4 Tanford等的扩散理论 82

3.3.5 层流火焰问题的数值求解方法 84

3.4 火焰正常传播速度 85

3.4.1 影响火焰正常传播速度的主要因素 85

3.4.2 火焰传播界限 91

3.4.3 火焰正常传播速度的测量 92

3.5 可燃气体层流动力燃烧和扩散燃烧 96

3.5.1 概述 96

3.5.2 化学均匀可燃气体混合物的动力燃烧 97

3.5.3 可燃气体的扩散燃烧 100

3.6 火焰稳定的基本原理和方法 102

3.6.1 火焰稳定的几个特征 103

3.6.2 火焰的回火和吹熄的临界条件 104

3.6.3 钝体后回流区火焰稳定原理 106

3.6.4 火焰稳定的基本方法 108

第4章 湍流燃烧理论及模型 114

4.1 湍流燃烧及其特点 114

4.2 湍流气流中火焰传播的表面燃烧模型 116

4.3 湍流气流中火焰传播的容积燃烧模型 119

4.3.1 湍流扩散 119

4.3.2 湍流容积燃烧模型计算 120

4.3.3 决定湍流燃烧速度的试验结果 123

4.3.4 火焰自湍化理论初步 124

4.4.1 时均反应速度 125

4.4 湍流燃烧的时均反应速度和混合分数 125

4.4.2 简单化学反应系统 128

4.4.3 守恒量和混合分数 128

4.4.4 守恒量之间的线性关系 130

4.5 湍流扩散火焰的k-ε-g模型 131

4.6 湍流预混火焰模型 136

4.6.1 旋涡破碎模型 136

4.6.2 拉切滑模型 139

4.7 几率密度函数的输运方程模型 142

4.8 Spalding的ESCIMO湍流燃烧理论 143

4.8.1 概述 144

4.8.2 “经历”理论 145

4.8.3 “统计”理论 146

4.8.4 分析湍流射流扩散火焰的ESCIMO理论 148

第5章 液体燃料的燃烧 154

5.1 液体燃料的特性 154

5.1.1 石油中的碳氢化合物和胶状沥青物质 154

5.1.2 石油的元素组成 155

5.1.3 石油的炼制 156

5.1.4 燃油的主要技术特点 157

5.2 重油燃烧的基本过程 161

5.2.1 重油燃烧的特点 161

5.2.2 影响重油燃烧的各种因素 162

5.3 油滴在静止气流中的蒸发 169

5.3.1 液滴的低温蒸发［4］ 170

5.3.2 斯蒂芬(Stefan)流［8.9］ 170

5.3.3 燃料滴温度及蒸发浓度的决定 172

5.3.4 燃料滴蒸发过程中传热传质系数的决定 174

5.3.5 油滴蒸发所需时间 175

5.4 油滴在气流作用下的蒸发 176

5.4.1 折算薄膜理论 176

5.4.2 液滴不稳定蒸发的数值计算 180

5.5 油滴在静止气流中的扩散燃烧 181

5.5.1 火焰面处Tg的决定 183

5.5.2 燃烧火焰面半径γc的决定 184

5.6 油滴在气流作用下的扩散燃烧 188

5.6.1 折算薄膜理论 188

5.6.2 液滴扩散燃烧的实验研究和非稳态研究 192

5.6.3 运动中的液体燃料滴的着火与燃烧 194

5.7 液体燃料的雾化理论 196

5.7.1 喷嘴的形式和特性 196

5.7.2 雾化的基本理论 198

5.7.3 雾化炬的特性 203

5.8 油雾火炬的燃烧过程 208

5.8.1 燃油火炬燃烧过程描述及组织 208

5.8.2 液雾燃烧的统计方法 214

5.8.3 液雾燃烧的模型方法 218

5.9 浆体燃料的燃烧 226

5.9.1 浆体燃料的种类 227

5.9.2 浆体燃料的性质 228

5.9.3 浆体燃料单滴的着火燃烧及模型 231

5.9.4 水煤浆雾炬燃烧特性与模型 233

第6章 煤的热解及挥发分的燃烧 241

6.1 煤的组成与特性 241

6.1.1 煤岩学 242

6.1.2 煤化学 244

6.1.3 煤结构与热解反应的关系 246

6.1.4 物理因素 247

6.2 煤的热解 249

6.2.1 概述 249

6.2.2 温度的影响 252

6.2.3 加热速率的影响 252

6.2.4 压力的影响 254

6.2.6 煤种的影响 255

6.2.5 颗粒粒度的影响 255

6.2.7 气氛的影响 256

6.3 热解产物的组成 256

6.3.1 概述 256

6.3.2 温度的影响 257

6.3.3 加热速率的影响 258

6.3.4 压力的影响 259

6.3.5 颗粒粒度的影响 259

6.3.6 煤种的影响 260

6.3.7 气氛的影响 260

6.4 煤热解反应动力学模型 260

6.4.1 单方程模型 261

6.4.2 双方程模型 261

6.4.3 多方程热解模型 262

6.4.4 热解产物的组分模型 264

6.4.5 机理性模型 265

6.4.6 考虑二次反应的竞争反应模型 267

6.4.7 热解通用模型 268

6.4.8 考虑非动力学控制因素的热解模型 270

6.5 热解产物的燃烧 271

6.5.1 概述 271

6.5.2 局部平衡法 271

6.5.3 总体反应方法 272

6.5.4 完全反应方法 273

7.1.1 煤在着火前的加热 277

7.1 煤的加热和着火 277

第7章 煤的着火理论 277

7.1.2 煤的着火及其判据 281

7.2 煤着火的试验研究方法 284

7.2.1 着火试验类型 284

7.2.2 煤着火试验装置的发展及评述 284

7.2.3 典型的煤着火试验研究方法介绍 288

7.3 煤的着火模式 299

7.3.1 均相着火模型 300

7.3.2 多相着火模型 303

7.3.3 均相-多相联合着火模型 303

7.3.4 傅维标等的煤焦着火通用规律 304

7.4.1 谢苗诺夫热力着火理论用于碳粒着火的分析 307

7.4 煤粒的多相着火及其影响因素分析 307

7.4.2 影响煤粒着火的因素分析 311

7.5 单颗煤粒着火的计算 317

7.5.1 傅维标等分析煤粒非均相着火的方法 319

7.5.2 大颗粒煤的着火分析计算 322

7.5.3 考虑挥发分燃烧的单颗煤粒的均相着火计算 323

7.5.4 单颗煤粒着火的随机模型计算 326

7.6 煤粉空气混合物的着火 329

7.6.1 引言 329

7.6.2 煤粉气流的热力着火分析 333

7.6.3 影响煤粉气流着火的因素的研究 338

7.6.4 煤粉气流着火方式 342

7.7.1 基于有限控制体假定的煤粉着火非稳态统一模型 345

7.7 煤粉着火的非稳态模型 345

7.7.2 以群体燃烧为依据的着火非稳态数学模型 349

第8章 煤的燃烧理论(碳及煤焦的燃烧) 354

8.1 煤燃烧涉及的物理化学过程 354

8.1.1 煤焦反应的控制区及煤燃烧的速率 355

8.1.2 碳的形态与结构 357

8.1.3 焦炭燃烧过程中的吸附 358

8.1.4 焦炭燃烧过程中的扩散 362

8.1.5 先生成一氧化碳还是直接生成二氧化碳 363

8.2 碳的动力扩散燃烧特点及燃烧化学反应 366

8.2.1 碳的动力扩散燃烧特点 366

8.2.2 碳的燃烧化学反应 370

8.3 碳球的燃烧速度 379

8.3.1 温度较低或颗粒很小可略去空间气相反应的情况 380

8.3.2 碳球在高温下的扩散燃烧 383

8.4 考虑二次反应的碳球燃烧 385

8.4.1 考虑二次反应作用的碳球燃烧模型 385

8.4.2 有CO空间反应时碳球燃烧速率的计算 388

8.4.3 强迫对流条件下碳粒燃烧速率的分析方法 389

8.5 多孔性碳球的燃烧 392

8.5.1 内部反应对碳粒燃烧的影响 392

8.5.2 总的表观反应速度常数 395

8.5.3 内扩散动力学 397

8.6 各种因素对煤焦燃烧的影响 404

8.6.1 煤中挥发物析出对燃烧的影响 404

8.6.2 灰分对煤燃烧的影响 407

8.6.3 其他因素对煤焦燃烧的影响 414

第9章 煤粉燃烧的数学模型 417

9.1 燃烧过程模化的一般研究 417

9.2 单颗煤粒经历模型 420

9.2.1 煤粒的加热 421

9.2.2 水分蒸发模型 422

9.2.3 挥发分析出模型 422

9.2.4 焦炭的非均相反应模型 425

9.2.5 煤粒在燃烧室中的其他经历模型 426

9.3 煤燃烧过程中流动、气相反应过程及其模型 427

9.3.1 基本方程 427

9.3.2 湍流模型 428

9.3.3 气相燃烧 432

9.4.1 燃烧室的热辐射 435

9.4 煤粉燃烧时炉内传热的模型及计算 435

9.4.2 辐射传热的模型 436

9.4.3 实际煤火焰辐射传热模拟结果及分析 438

9.5 煤粉颗粒扩散及两相流模型 453

9.5.1 描述两相流动的基本方法 453

9.5.2 稀相流动的基本分析 454

9.5.3 颗粒在气流中的受力分析 455

9.5.4 颗粒的湍流扩散 457

9.6 数值求解方法 460

9.6.1 离散化方法 460

9.6.2 差分方程建立的方法 465

9.6.3 交错网格系统 468

9.6.4 差分方程的求解 471

9.6.5 煤粉火焰综合求解及示例 475

第10章 燃烧过程中硫的反应动力学及燃烧的固硫机理 484

10.1 硫在燃料中的存在形态 484

10.1.1 气体燃料 484

10.1.2 液体燃料 485

10.1.3 硫在煤中的存在形态 485

10.1.4 煤破碎过程中硫分的偏析 487

10.2 燃料过程中硫析出量的计算 487

10.2.1 SO2析出的计算公式 487

10.2.2 煤燃烧过程中SO2析出的动态特性 488

10.2.3 煤的自身固硫 491

10.3.1 有机硫在高温中的热解 493

10.3 有机硫在高温条件下热解的反应动力学 493

10.3.2 单颗煤粒有机硫热解的反应动力学 494

10.4 无机硫在高温条件下的热解反应动力学 497

10.4.1 无机硫在高温中的热解 497

10.4.2 黄铁矿燃烧反应的数学模型 501

10.4.3 燃烧过程中碳酸盐类矿物质在高温中的分解 505

10.5 SO3生成的反应动力学 506

10.5.1 SO3的生成及影响其生成的诸因素 506

10.5.2 SO3生成的反应动力学 507

10.6 H2S的生成 509

10.6.1 H2S形成的条件 509

10.6.2 空气不足使煤中硫或已反应成的SO2、SO3转化成H2S 509

10.6.3 炉内局部空气过量系数是影响H2S生成的主要因素 510

10.6.4 H2S在壁面附近形成机理 511

10.7 石灰石煅烧过程的反应动力学 511

10.7.1 石灰石的煅烧过程 511

10.7.2 石灰石在流化床内的煅烧过程 511

10.7.3 石灰石煅烧的等温动力学 513

10.7.4 石灰石煅烧的不等温动力学 514

10.8 煅烧石灰石的孔隙结构模型 515

10.8.1 石灰石煅烧时孔隙结构的变化 515

10.8.2 石灰石的煅烧模型 517

10.8.3 煅烧石灰石的孔隙结构模型 518

10.8.4 煅烧石灰石颗粒内的气体扩散及逾渗理论的应用 523

10.9.1 石灰石的固硫反应 527

10.9 石灰石固硫机理 527

10.9.2 石灰石脱硫反应动力学 529

10.9.3 石灰石固硫过程中微观结构的变化 531

10.10 煅烧石灰石的硫盐化模型 533

10.10.1 单颗粒脱硫剂反应模型 533

10.10.2 反应器模型 540

10.11 采用固硫剂脱硫的工业应用原理 542

10.11.1 脱硫剂的种类 542

10.11.2 最佳的石灰石脱硫温度 543

10.11.3 Ca/S比的影响 546

10.11.4 最佳的脱硫剂粒度 547

10.11.5 富氧和缺氧条件下的脱硫 548

10.11.6 烟气喷水活化的影响 549

10.11.7 煤中含硫量的影响 552

10.11.8 燃烧脱硫对NOx排放的影响 552

10.11.9 矿物质对钙基吸收剂的影响 554

第11章 燃烧过程中氮氧化物的生成及分解机理 555

11.1 燃烧过程中氮氧化物的生成及危害 555

11.1.1 氮氧化物的危害 555

11.1.2 各种燃烧方式的NOx排放量 556

11.1.3 NOx均相反应的动力学参数 557

11.1.4 NOx生成的机理 563

11.2 热力NOx的生成 563

11.2.1 热力NOx的生成机理 563

11.2.2 影响热力NOx生成的诸因素 565

11.3.1 快速NOx生成机理 567

11.3 快速NOx的生成 567

11.3.2 影响快速NOx生成的几个因素 568

11.4 燃料型NOx的生成 571

11.4.1 燃料型NOx的生成途径 571

11.4.2 温度对燃料NOx生成的影响 572

11.4.3 氧浓度对燃料NOx生成的影响 573

11.4.4 燃料性质的影响 574

11.4.5 流化床锅炉床料中金属氧化物的作用 578

11.4.6 水分的影响 578

11.4.7 燃料氮转化为NOx的化学动力学 579

11.5 气体燃料燃烧时NOx的生成 580

11.6.1 喷雾燃烧时NOx的生成 582

11.6 液体燃料燃烧时NOx的生成 582

11.6.2 预蒸发、预混合火焰的NOx生成 584

11.7 煤燃烧时NOx生成机理 584

11.7.1 挥发分NOx 585

11.7.2 焦炭NOx 586

11.7.3 煤粉炉内燃烧时NOx的生成 587

11.7.4 流化床燃烧时NOx的析出 590

11.7.5 燃煤锅炉炉内NOx生成量的预测 592

11.8 燃烧过程中N2O的生成 595

11.8.1 N2O的危害 595

11.8.2 N2O均相生成及分解机理 596

11.8.3 N2O多相生成及分解机理 600

11.9.1 空气分级降低NOx排放 603

11.9 降低NOx排放的措施 603

11.9.2 燃料分级降低NOx排放 604

11.9.3 低氧燃烧降低NOx排放 606

11.9.4 烟气再循环降低NOx排放 606

11.9.5 浓淡偏差燃烧 607

11.9.6 烟气脱硝 607

11.10 燃烧过程中降低N2O的方法 609

11.10.1 改变运行温度 609

11.10.2 低氧燃烧 609

11.10.3 再燃烧法 609

11.10.4 催化反应降低N2O 610

12.1.1 气相析出型碳黑 611

12.1 燃烧过程中碳黑形成的类型及性质 611

第12章 燃烧过程中碳黑形成机理 611

12.1.2 剩余型碳黑 612

12.1.3 雪片 612

12.1.4 积碳 612

12.1.5 碳黑的特性 613

12.1.6 碳黑的危害 617

12.2 气体燃料燃烧时碳黑的生成 617

12.2.1 预混合火焰中碳黑的生成机理 617

12.2.2 预混火焰中碳黑生成的影响因素 620

12.2.3 扩散型火焰中碳黑的生成机理 622

12.2.4 降低碳黑排放的措施 623

12.3.1 油燃烧时碳黑的生成机理 624

12.3 油燃烧时碳黑的生成 624

12.3.2 液体燃料燃烧时碳黑生成的影响因素 628

12.3.3 液体燃料燃烧时碳黑排放量的控制 631

12.4 煤燃烧时碳黑的生成 633

12.5 碳黑生成的数学模型 634

12.5.1 碳黑生成的机理性模型 634

12.5.2 碳黑生成的综合模型 635

第13章 催化燃烧原理 639

13.1 催化燃烧及其作用原理 639

13.1.1 催化作用原理 639

13.1.2 催化剂的作用本质 643

13.2.1 催化剂的组成 645

13.2 燃烧催化剂的要求 645

13.2.2 催化剂的性能指标 646

13.2.3 催化剂的制备方法 649

13.2.4 催化剂的失活 651

13.3 燃烧催化作用机理 658

13.3.1 催化作用的化学本质 658

13.3.2 催化理论 658

13.3.3 多相催化反应的物理化学过程 659

13.3.4 表面化学反应速度和动力学方程 660

13.3.5 燃烧催化剂表面化学反应的宏观动力学方程 662

13.3.6 内外扩散对催化表面化学反应速度的影响 663

13.4 气体和液体燃料催化燃烧机理 663

13.4.1 气体燃料催化燃烧的分类 664

13.4.2 高温催化燃烧控制NOx生成 669

13.4.3 催化燃烧法治理有机废气 676

13.4.4 液体燃料催化燃烧机理 679

13.5 煤的催化燃烧原理 681

13.5.1 各种添加剂对煤着火的影响 681

13.5.2 各种其他影响因素对煤催化着火燃烧的影响 690

13.5.3 煤的催化燃烧机理 695

第14章 非线性理论在燃烧领域中的应用 701

14.1 混沌理论在燃烧领域中的应用 701

14.1.1 混沌理论的原理 701

14.1.2 混沌理论的应用 703

14.1.3 混沌理论在燃烧及传热过程中的应用 706

14.2.1 分形理论的概念 710

14.2 分形理论在燃烧过程中的应用 710

14.2.2 分形理论在燃烧过程中的应用现状及前景 711

14.3 逾渗理论在燃烧过程中的研究 714

14.3.1 逾渗理论的原理及其在燃烧中的应用前景 714

14.3.2 逾渗理论在燃烧及脱硫中的应用情况 714

14.4 小波分析在燃烧传热中的应用 716

14.4.1 小波分析的原理 716

14.4.2 小波分析在气固多相流传热中的应用 717

14.5 神经网络理论在燃烧过程中的应用 719

14.5.1 神经网络理论的原理 720

14.5.2 当前神经网络的算法 721

14.5.3 神经网络理论在燃烧及传热中的应用 724

参考文献 728