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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H2S509

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NOx585

11.7.2 焦炭NOx586

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N2O610

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