工程燃燒學(xué)緒論

緒論2023/2/21河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院人類對(duì)于燃燒的認(rèn)識(shí)過(guò)程在“自然辯證法”說(shuō)：人們只有在學(xué)會(huì)摩擦取火之后，才第一次使無(wú)窮無(wú)盡的自然力替自己服務(wù)。幾十萬(wàn)年以前人類已經(jīng)能夠利用“火”，從而結(jié)束了茹毛飲血的生活；也學(xué)會(huì)了“鉆木取火”。但是對(duì)于“火”或者說(shuō)“燃燒”的認(rèn)識(shí)卻是在18世紀(jì)以后。當(dāng)時(shí)在歐洲對(duì)于燃燒的研究導(dǎo)致了一場(chǎng)近代的化學(xué)革命。佛朗西斯.培根曾說(shuō)：“閱讀使人充實(shí)，會(huì)談使人敏捷，寫作與筆記使人精確。讀史使人明智，詩(shī)歌使人巧慧，數(shù)學(xué)使人深沉，倫理之學(xué)使人莊重，邏輯與修辭使人善辯?！币虼宋覀冇斜匾私饪茖W(xué)的發(fā)展史。2023/2/22河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院煤的使用古稱煤為石炭、烏薪、黑金、樵石、燃石和礦炭，公元前200年，西漢期間，已經(jīng)開始使用煤來(lái)煉鐵。比歐洲早1700年。東漢末年，炭成為家用燃料。賣炭翁，伐薪燒炭南山中，滿面塵灰煙火色，兩鬢蒼蒼十指黑。（白居易）2023/2/23河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院宋代，汴梁地區(qū)，“數(shù)百萬(wàn)人，盡仰煤炭，竟無(wú)一燃薪者?！彼未旱V遺址的發(fā)掘提供的確切信息表明，那時(shí)的采煤業(yè)已經(jīng)具有較高的技術(shù)水平和比較完備的設(shè)施。煤礦有兩條豎井，深近50米，礦井直徑達(dá)2.5米，兩條巷道長(zhǎng)達(dá)500米，巷道高為2米，寬為2.1米，采煤工作面巷道上寬1.4米，下寬1米，布局合理。

衣襟成墨色，面目帶煤塵。

盡愛爐中獸，誰(shuí)憐窯下人?！顿u炭圖》劉克莊（宋代）

元代，馬可·波羅(MarcoPolo，1254—1324)在他的游記中以一種驚奇的口吻提到中國(guó)人有一種“黑石頭”，像木柴一樣容易燃燒，又比木柴火力強(qiáng)大，往往到第二天才會(huì)熄滅。這說(shuō)明當(dāng)時(shí)歐洲尚未使用燃煤。

2023/2/24河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院石油的使用西周，《易經(jīng)》：“澤中有火”東漢，班固《漢書·地理志》：“高奴縣有洧（wei）水可燃”。南朝，范曄《后漢書·郡國(guó)志》：延壽（今甘肅省玉門一帶）“縣南有山，石出泉水，大如筥(jǔ)

，燃之極明，不可食?？h人謂之石漆”。唐朝，段成武《酉陽(yáng)雜俎》：“高奴縣石脂水，水膩，浮上如漆，采以膏車及燃燈極明?！彼未蚶ǎ?031～1095）《夢(mèng)溪筆談》：把歷史上沿用的石漆、石脂水、火油、猛火油等名稱統(tǒng)一命名為石油。明朝，宋應(yīng)星《天工開物》，對(duì)石油的開采工藝作了系統(tǒng)的敘述。從唐朝開始，石油在生活、軍事領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。2023/2/25河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院二郎山下雪紛紛，旋卓穹廬學(xué)塞人。

化盡素衣冬不老，石油多似洛陽(yáng)塵?！堆又菰?shī)》沈括火井沉熒于幽泉，高焰飛煽于天陲《蜀都賦》西晉，左思2023/2/26河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院天然氣的使用公元前6000至2000年，伊朗首先發(fā)現(xiàn)了從地表滲出的天然氣。古代波斯人稱之為“永不熄滅的火炬”。中國(guó)在公元前900年開始使用天然氣，公元前211年鉆了第一個(gè)天然氣氣井，用于煮鹽。1659年，英國(guó)才發(fā)現(xiàn)了天然氣，并開始使用。

煙塵侵火井，雨雪閉松州《西山》杜甫2023/2/27河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院隱隱煮鹽火，漠漠燒緦煙《初到忠州登東樓，寄萬(wàn)州楊八使君》白居易土囊煙陰，火井冰閉《大獵賦》李白2023/2/28河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

在我國(guó)古代，很早就出現(xiàn)了對(duì)燃燒與熱動(dòng)力的認(rèn)識(shí)和利用，唐代出現(xiàn)了煙火玩物，“煙火起輪，走絨流星”。宋代制成了用火藥的火箭、火球、火蒺藜。明代制成了“火龍出水”的火箭，這些都是利用燃燒時(shí)向后噴射產(chǎn)生反作用力使火箭前進(jìn)的道理。2023/2/29河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院已具備了對(duì)燃燒的初步認(rèn)識(shí)省油燈2023/2/210河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院一、燃素說(shuō)

英國(guó)化學(xué)家波義耳首先提出了元素的定義,使化學(xué)研究開始走上了科學(xué)的道路。他最早引入了“分析化學(xué)”的名稱,將當(dāng)時(shí)習(xí)慣應(yīng)用的定量試驗(yàn)歸納為一個(gè)系統(tǒng),開始了分析化學(xué)的研究。恩格斯曾指出:“波義耳把化學(xué)確立為科學(xué)”。波義耳曾對(duì)幾種金屬進(jìn)行過(guò)煅燒實(shí)驗(yàn),他認(rèn)為金屬在般燒后的增重是因?yàn)榇嬖诨鹞⒘?在懾?zé)?火微粒穿過(guò)器壁而與金屬結(jié)合,即:金屬+火微粒=金屬灰。提出了火的微粒說(shuō)。波義爾2023/2/211河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

德國(guó)化學(xué)家斯塔爾吸取了火的微粒說(shuō)觀點(diǎn),于1723年出版《化學(xué)基礎(chǔ)》提出燃素說(shuō)。他認(rèn)為,火的微粒能夠和其他元素結(jié)合而形成化合物,也能夠用游離方式存在,由火的微粒構(gòu)成的元素是燃素。物質(zhì)燃燒時(shí)放出燃素,不燃燒的物質(zhì)是因?yàn)槿鄙偃妓亍Ｄ静竦热剂喜荒茏詣?dòng)放出燃素,要空氣把燃素吸出來(lái)才能燃燒。由于燃素說(shuō)能夠解釋當(dāng)時(shí)知道的一些化學(xué)現(xiàn)象,此時(shí)煉金術(shù)逐漸被人們拋棄,化學(xué)從煉金術(shù)中解放出來(lái)。

燃素說(shuō)統(tǒng)治化學(xué)界達(dá)100年之久。

2023/2/212河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院但是，燃素說(shuō)有一個(gè)明顯的困難，就是難以解釋“燃素是不是具有重量”。有機(jī)物在燃燒后重量一般大大減少，而金屬生銹后重量卻增加，因此如果說(shuō)這些化學(xué)反應(yīng)都伴隨著燃素的逃離，那么燃素究竟有沒有重量呢？這重量是正還是負(fù)呢？斯塔爾并沒有注意這些問(wèn)題，因?yàn)楫?dāng)時(shí)化學(xué)研究中“定量研究”的概念還很淡薄。后人也曾力圖解釋這些問(wèn)題，但是均沒有答案。在氧氣未被發(fā)現(xiàn)之前，燃素說(shuō)由于能夠解釋眾多的化學(xué)問(wèn)題而被學(xué)術(shù)界普遍接受。參考文獻(xiàn)：〔英〕斯蒂芬·F·梅森，上海外國(guó)自然科學(xué)哲學(xué)著作編譯組譯，自然科學(xué)史，上海人民出版社：154-1592023/2/213河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院二、氧氣的發(fā)現(xiàn)英國(guó)化學(xué)家普利斯特列1774年在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一種氣體可以使蠟燭的火焰強(qiáng)烈燃燒；次年又發(fā)現(xiàn)老鼠可以在這種氣體中存活很長(zhǎng)的時(shí)間，并且他本人吸入這種氣體感覺很舒服?！罢l(shuí)知道將來(lái)這種純空氣不會(huì)變成一種時(shí)髦的奢侈品呢？”但是他終生信奉“燃素說(shuō)”，所以他根本沒有意識(shí)到這是一種助燃的氣體，而是認(rèn)為這種氣體缺乏燃素所以在燃燒過(guò)程中大量吸收燃素才造成劇烈燃燒的。瑞士化學(xué)家舍勒幾乎在普利斯特列之前就發(fā)現(xiàn)了氧氣，但是由于論文發(fā)表晚而喪失優(yōu)先權(quán)。他被稱為“有機(jī)化學(xué)的奠基人”，因?yàn)楹芏辔镔|(zhì)都是他發(fā)現(xiàn)的，硫化氫、氯氣、氧化鋇、高錳酸鉀、亞砷酸銅等等。2023/2/214河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院三、拉瓦錫的化學(xué)革命法國(guó)人拉瓦錫是最早意識(shí)到定量測(cè)量重要性的化學(xué)家，他不惜利用金剛石來(lái)重復(fù)前人關(guān)于燃燒的實(shí)驗(yàn)以證明沒有空氣金剛石是不會(huì)燃燒起來(lái)的。他重復(fù)了普里斯特列的實(shí)驗(yàn)，并于1790年命名“最易于呼吸的其體為氧氣”；同年化學(xué)家查普特爾命名了“氮?dú)狻薄?783年拉瓦錫提交了“燃燒通論”的論文，表明氧化理論可以完整的解釋燃燒現(xiàn)象，而燃素說(shuō)是不必要的理論。同年拉瓦錫在家里舉行了一個(gè)小型儀式宣告燃素說(shuō)的終結(jié)，拉瓦錫夫人扮成女祭司的樣子焚燒了斯塔爾以及其他燃素說(shuō)支持者的論文。1789年拉瓦錫完成“化學(xué)綱要”，詳細(xì)論述了推翻燃素說(shuō)的各種實(shí)驗(yàn)證據(jù)，系統(tǒng)建立了以氧化理論為核心的燃燒學(xué)說(shuō)。燃素學(xué)說(shuō)的擁護(hù)者紛紛丟盔卸甲，心悅誠(chéng)服地宣稱：“要否認(rèn)明擺著的事實(shí)是有困難的。拉瓦錫的確沒錯(cuò)。2023/2/215河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院拉瓦錫舍勒普利斯特列2023/2/216河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院“化學(xué)綱要”具有劃時(shí)代的意義，因此拉瓦錫被稱為化學(xué)界的牛頓、近代化學(xué)之父?！盎瘜W(xué)綱要”出版那年正好是法國(guó)大革命爆發(fā)，1793年雅各賓派當(dāng)政并實(shí)施恐怖統(tǒng)治，大批科學(xué)家受到迫害，拉瓦錫也沒有能夠幸免于難。1794年，法庭以“共和國(guó)不需要學(xué)者”的罪名將拉瓦錫處死。

法國(guó)數(shù)學(xué)家拉格朗日曾說(shuō):“砍下他的頭不過(guò)瞬間，而法國(guó)再長(zhǎng)出像他這樣的腦袋恐怕100年也不夠！”2023/2/217河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

英國(guó)的漢弗萊·戴維在1807年發(fā)現(xiàn)，鈉、鉀可以與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生火焰?！痘瘜W(xué)的哲學(xué)基礎(chǔ)》，提出氧化鹽酸不是化合物，而是一種單質(zhì)，可以像氧氣一樣助燃。因此，他認(rèn)為燃燒不是非有氧氣不行。

其最偉大的貢獻(xiàn)是發(fā)明了瓦斯安全燈，被譽(yù)為1815年英國(guó)的兩大勝利（滑鐵盧戰(zhàn)役）2023/2/218河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院礦用瓦斯安全燈（戴維燈）瓦斯氣主要成分是甲烷，很容易在空氣中發(fā)生快速燃燒反應(yīng)，造成爆炸。利用鐵絲網(wǎng)或銅絲網(wǎng)將燈罩住，這樣既不防礙瓦斯和空氣的混和氣進(jìn)入燈內(nèi)燃燒，又可以利用鐵絲的冷卻效應(yīng)將燃燒產(chǎn)物溫度降低到不足以點(diǎn)燃環(huán)境內(nèi)瓦斯氣的程度。這其中涉及的燃燒理論就是“猝熄距離”2023/2/219河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院1855年，德國(guó)本生發(fā)明了本生燈（Bunsenburner），并對(duì)火焰溫度及火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行了定量測(cè)量同期，威爾考克斯（Wilcox）發(fā)明燃煤水管鍋爐。2023/2/220河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院1883年，法國(guó)馬拉德（Mallard）建立了層流火焰?zhèn)鞑サ哪Ｐ汀?876年，Otto奧拓建造了第一臺(tái)四沖程內(nèi)燃機(jī)。1900年，Chapman(切普曼)和Jouguet(喬給特)發(fā)現(xiàn)了緩燃和爆震燃燒的區(qū)別，并計(jì)算了爆震波的速度。19世紀(jì)以后工業(yè)革命推動(dòng)了化學(xué)科學(xué)的發(fā)展。原子說(shuō)、分子說(shuō)相繼建立，熱化學(xué)、熱力學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)相繼得到發(fā)展。并將燃燒學(xué)推進(jìn)到一個(gè)新階段。2023/2/221河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

20世紀(jì)30年代，燃燒動(dòng)態(tài)過(guò)程理論建立，著火、火焰?zhèn)鞑ダ碚摻?。（美?guó)伯納德.劉易斯、俄國(guó)謝苗諾夫－因發(fā)現(xiàn)鏈鎖反應(yīng)獲得1956年諾貝爾獎(jiǎng)－利用化學(xué)動(dòng)力學(xué)理論）謝苗諾夫四、燃燒學(xué)的新發(fā)展劉易斯1905年，法國(guó)查爾斯設(shè)計(jì)了燃?xì)廨啓C(jī)，1930年被懷特用于推動(dòng)飛機(jī)飛行。2023/2/222河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院20年代水煤漿燃燒技術(shù)出現(xiàn)，30年代懸浮燃燒技術(shù)出現(xiàn)。40、50年代，從擴(kuò)散燃燒、動(dòng)力燃燒的角度研究了液滴和碳粒的燃燒。50、60年代，美國(guó)力學(xué)家馮卡門和錢學(xué)森利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)研究了燃燒現(xiàn)象，發(fā)展了反應(yīng)流體力學(xué)。馮卡門2023/2/223河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院70年代，計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，斯堡爾?。⊿palding）建立了湍流輸運(yùn)模型，利用數(shù)值計(jì)算方法研究燃燒并發(fā)展了計(jì)算燃燒學(xué)。為了控制二氧化硫排放，1976年，循環(huán)流化床燃燒技術(shù)出現(xiàn)。70年代以后，激光技術(shù)、氣體分析技術(shù)（質(zhì)譜色譜技術(shù)）的發(fā)展被用于直接測(cè)量燃燒條件下的氣體流速、溫度場(chǎng)分布、組分濃度分布以及顆粒直徑分布等規(guī)律，促進(jìn)了燃燒理論的快速發(fā)展。2023/2/224河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院近年來(lái)，如何有效控制燃燒過(guò)程中溫室氣體如CO2、SO2、NOx等，以及其他污染物如Soot(碳煙)、PM2.5等是燃燒學(xué)研究的熱點(diǎn)2023/2/225河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院2004年，NASA研制成功利用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的高超音速飛行器（10倍Ma）超聲速燃燒風(fēng)洞測(cè)試馬丁公司的超聲速概念飛機(jī)2023/2/226河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院燃燒學(xué)是一門正在發(fā)展中的學(xué)科。能源、航空航天、環(huán)境工程和火災(zāi)防治等方面都提出了許多有待解決的重大問(wèn)題，諸如高強(qiáng)度燃燒、低品位燃料燃燒、煤漿(油-煤，水-煤，油-水-煤等)燃燒、流化床燃燒、催化燃燒，滲流燃燒、燃燒污染物排放和控制、火災(zāi)起因和防止等。燃燒學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展將與湍流理論、多相流體力學(xué)、輻射傳熱學(xué)和復(fù)雜反應(yīng)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)等學(xué)科的發(fā)展相互滲透、相互促進(jìn)2023/2/227河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院燃燒的定義燃料與氧化劑在一定條件下所進(jìn)行的具有發(fā)光發(fā)熱等特點(diǎn)的劇烈的化學(xué)反應(yīng)。是物質(zhì)間的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，通過(guò)燃燒過(guò)程，物質(zhì)所具有的化學(xué)能以熱能的形式輸出。燃燒過(guò)程本身是一個(gè)物理、化學(xué)的綜合過(guò)程。因?yàn)橛绊懭紵囊蛩睾芏啵簹怏w運(yùn)動(dòng)規(guī)律、擴(kuò)散速度、熱量傳遞效果、反應(yīng)物濃度以及壓力等等。深入了解燃燒過(guò)程的理論以及影響因素對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)與現(xiàn)實(shí)生活具有重要的意義?？梢愿玫慕M織燃燒