当前课程知识点:燃烧理论 > 第五章 一些重要的化学机理 > 5.6 氮氧化物 > 氮氧化物的形成(一)
前面实际上讲了
四种燃料的反应
这四种燃料
除了煤
煤有专门的领域
我们专门去研究
实际上我们一般的燃料
我们差不多都已经包括了
就是碳氢燃料
里边氢 一氧化碳
高碳氢化合物 甲烷
但是实际上燃烧的话
现在我们越来越关注
关注污染物的形成
而燃烧相关的
最重要的污染物的形成
就是氮氧化物
所以氧化氮
或者氮氧化物的这种形成
是我们下面要来专门关注的
首先我们来看看一氧化氮
到底怎么形成的
那么应该说燃烧当中
到现在为止
我们对一氧化氮的
燃烧的形成
已经相当的充分了
刚才我们在谈到
甲烷的
燃烧的大的机理看
你看后半部分
实际上基本上
都是含氮的这些反应
而详细的化学反应
你把它全部列出来
就可以了
那下面我想
我们基本上要把一般的可能性
我们大概的思路把它搞清楚
大概的是一个概念
就是空气当中的氮
和空气当中的氧
怎么能够形成氮氧化物的
那么它通过主要是三个途径
一个就是我们叫热力型
或者叫Zeldovich机理
那我们前面
在讲化学动力学
讲化学热力学
都在举例的时候
都针对这个反应
有过分析
那么第二类的话
我们叫Fenimore模型
或者叫快速型
第三个的话
我们称之为叫N2O
就是氧化亚氮的
中间体的这种机理
当然现在也有很多很多
其它的分析
比如还可能涉及到NNH的
这么一种机理途径
现在越来越觉得
这个机理非常非常重要
那么大概的概念的话
热力型的 通常在非常高的温度下
而且 应该比较低的
化学当量比的条件底下
也就是说是空气过量的条件下
起了主导的地位
而Fenimore机理的话
通常只是富燃料的情况
基本上就给大家这么两个概念
那么N2O中间体的这种机理
通常是在比较低温的前提下
或者贫燃料低温的燃烧过程中
显得非常重要
大家可能都知道
比如像流态化的燃烧
那么实际上它就是低温的燃烧
那么这个里面
实际上一氧化氮不是很大
反而是它直接生成了氧化亚氮 N2O
它比较稳定的产物
所以显得非常重要
不过的话
现在不管是预混火焰也好
扩散火焰
近来的研究的话
基本上都清楚
这三种机理都非常非常重要
如果大家对于整个氮氧化物
因为非常复杂
如果有很非常详细的了解以后
包括现在还有很多人在做研究
如果有兴趣的话
那么大家可以去读
米勒他们的综述
应该是非常非常详细的
如果有兴趣的话
大家也可以看
我们这本教科书
我们后面可能由于没有时间
我们不会去讲
就第十五章
是专门介绍
污染物的一些情况
氮氧化物
也有更详细的阐述
好 我们首先来看看热力型的
或者我们叫Zeldovich的
机理的基本的过程
第一个是我们称之为
叫链式反应的过程
首先是一个氧的原子
去轰击氮气
会形成一个NO
增加出来一个氮的原子
氮原子又去轰击氧气
变成NO加上一个氧原子
这是一个非常典型的什么
是链式反应 它不分支
也就是说消耗自由基
一个自由基产生一个自由基
氧氮不断在循环
那么当然还可以增加一个反应
也就是氮
在羟基的作用底下
会变成NO加上一个氢
那么这个的话
实际上是作为一个
扩展的Zeldovich机理
前两个反应是一般性的
最早的热力学机理
第三个的话是羟基参与了以后
我们把它称之为扩展的
那么这三个反应的话
它有正反应逆反应
实际上是一共有六个反应
那么现在的话
对这六个反应的
所有的动力学参数
现在也应该比较完整的
进行了表达
那么这里边是列出了
这六个反应的
正逆反应的
速度系数的
计算的方法
那我们把这六个反应
一个方程组
把它称之为
叫扩展的Zeldovich机理
一般来讲 这个机理
要跟我们前面燃烧的这些
比如涉及到的
氧分子 氧原子 羟基等等的
这些自由基的
燃烧的化学反应
是完全相关的
但是你会有趣的发现
在有一些情形下
燃烧已经完成的时候
氮氧化物并没有很明显的产生
那这个时候
这些过程就可以不耦合
就是可以解耦来进行研究
那么实际上也会发现
实际上真正的一般的燃烧
还真是这样的现象
也就是特别是热力型的
通常说它主要的反应
是氧对它的氧化过程
但是 氧原子的产生
它通常 虽然产生了
但是它的化学反应速度
常常是什么
是燃烧已经完成了以后
在高温下继续氧化
产生氮氧化物
我们后面的话
会用一些例子
能够去进一步分析
而且通过这样一个理解
我们完全可以认为
氧和氧原子是处于什么
是平衡态的
包括羟基
我们是处于平衡态
而氮的话
认为处于稳定态
也就是我们前面
第四章学的
稳态的近似假设
和局部平衡的近似假设
在这里边都可以体现
我们就可以很好的去完成
上次我们用一个例子的话
已经说了
那么这样的话
我们就非常简单的
推导出一个式子
就氮氧化物的形成速度
等于2KN,1f
跟氧的原子
跟氮气的
平衡值
都是直接相关
非常简单地写出来
就可以表达出
Zeldovich
或者扩展的Zeldovich的
氮氧化物的形成速度
那么实际上
在第四章的例子里边
我们用了一个
就是在用激光
大家还有印象
0.5毫秒就产生了
大大地增加了速度
那么实际上的话
这样的假设的话
实际上氧原子的速度
在火焰后区
平衡的假设是不合适的
氧原子的浓度的话
实际上常常要大大地
超过平衡的浓度
那么大大加快
氮氧化物的形成速度
那么这种特定的现象
我们有人也把它称之为
就快速的氮氧化物的机理
但实际上我们这里边的话
并没有这么去做
我们把快速形
限定在Fenimore的机理里边
但是一定要注意
这种超平衡的这种现象
可以大大的加快
氮氧化物的形成
但这还是属于什么
热力型的机理的范畴
大家也可以看出来
这个反应怎么样
第一个反应怎么样
就可以看出来
它的什么活化能是相当的高
这怎么理解
也就是说热力型的反应
实际上跟温度
是非常非常强烈相关
那么前面的
给大家一个概念
就是一般来说
就是我们作为一个估算的方法
大概温度低于1800K
也就是1500摄氏度
热力型的氮氧化物形成
通常是不重要的
所以控制氮氧化物
热力型形成的
一个非常非常重要的方法
就是控制燃烧的温度
我们有一些地方不要温度高
那么它的氮氧化物的形成
就慢很多
那么通常我们如果很好的
去控制它的温度
控制它的氧原子的停留时间
我们就完全可以很好的
去控制氮氧化物的形成
这也是为我们在燃烧过程当中
控制氮氧化物
提供了一个理论的基础
那么N2O中间体的
机理的话
我们前面一开始就说了
它一般是低温
在贫燃料的变得很重要
那么它的过程的话
实际上是一个
从一个氧原子
去轰击的氮气出发的
那么变成了一个N2O
那么N2O的话
在氢和氧的作用底下的话
分别形成了NO
就是一氧化氮
就显得就是
所谓的
就通过N2O中间体的
形成NO的一个机理
对于N2O中间体的
反应的话
应该说是在涉及到
贫燃烧的
预混燃烧的话
显得非常非常重要
那么现在的话
实际上怎么去控制
现在比如燃气轮机
以前都是用扩散燃烧
现在都是用贫燃料预混燃烧
作为一个控制氮氧化物的
基本方法
那么这个显得越来越重要了
-1.1 我们为什么要学习燃烧理论
-1.2 什么是燃烧:定义与现象
-1.3 燃烧科学发展简史
-1.4 燃烧科学的研究方法
-1.5 课程的结构
-2.1 概述
--概述
-2.2 状态参数复习
--状态参数复习
-2.3 热力学第一定律
--热力学第一定律
-2.4 反应物和生成物的混合物
--燃烧焓与热值
--例题
-2.5 绝热燃烧温度
--定压绝热燃烧温度
--定容绝热燃烧温度
-2.6 化学平衡
--第二定律的讨论
--吉布斯函数
--复杂系统(选修)
-2.7 燃烧的平衡产物
--全平衡(选修)
--水煤气反应的平衡
--压力影响
-2.8 应用
--例题
--烟气再循环
-2.9 小结
--小结
-第二章 燃烧与热化学--第二章作业
-3.1 传质概述
-3.2 传质理论基础
-3.3 传质应用实例
-3.4 小结
-第三章 传质引论--第三章作业
-4.1 概述
--概述
-4.2 总包反应与基元反应
-4.3 基元反应速率
--其他基元反应
-4.4 多步反应机理的反应速率
--净生成率
--稳态近似
--单分子反应机理
--部分平衡
-4.5 简化机理(选修)
--简化机理(选修)
-4.6 催化和非均相反应(选修)
-4.7 小结
--小结
-第四章 化学动力学--第四章作业
-5.1 概述
--概述
-5.2 H2-O2系统
--H2-O2系统
-5.3 一氧化碳的氧化
--一氧化碳的氧化
-5.4 高链烷烃的氧化
--三步机理
--八步机理
-5.5 甲烷燃烧
--复杂机理和起源
--甲烷燃烧动力学
--高温反应途径分析
--低温反应途径分析
-5.6 氮氧化物
--氮氧化物的危害
-5.7 小结
--小结
-第五章 一些重要的化学机理--第五章作业
-6.1 概述
--6.1 概述
-6.2 定压-定质量反应器
-6.3 定容-定质量反应器
-6.4 全混流反应器
-6.5 柱塞流反应器
-6.6 燃烧系统建模中的应用及小结
-第六章 反应系统化学与热分析的耦合--第六章作业
-7.1 概述和总质量守恒
-7.2 组分质量守恒
-7.3 多组分扩散(选修)
-7.4 动量守恒方程(选修)
-7.5 能量守恒方程-质量通量表达形式
-7.6 守恒标量的概念-混合物分数定义
-第七章 反应流的简化守恒方程--第七章作业
-8.1 概述及物理描述
-8.2 层流火焰分析
-8.3 影响火焰速度和火焰厚度的因素
-8.4 熄火、可燃性和点火
-8.5 火焰稳定及小结
-第八章 层流预混火焰--第八章作业
-9.1 概述
--概述
-9.2 无反应的恒定密度层流射流
--物理描述
--求解
--两个例子
-9.3 射流火焰的物理描述
-9.4 简化理论描述
--概述
--守恒标量
--状态关系式
-9.5 不同几何形状燃烧器的火焰长度
--两个例子
-9.6 碳烟的形成和分解
--碳烟的形成和分解
-9.7 对冲火焰(选修)
--对冲火焰(选修)
-9.8 小结
--小结
-第九章 层流非预混火焰--第九章作业
-10.1 概述
--概述
-10.2 液滴蒸发的简单模型
--基本假设
--气相分析
--气液界面能量平衡
--液滴寿命
-10.3 液滴燃烧的简化模型
--假设
--温度分布
--液滴表面能量守恒
--火焰面处能量守恒
--例题
--扩展到对流条件
-10.4 一维蒸发控制燃烧
--物理模型和假设
--总守恒方程
--例题
-10.5 小结
--小结
-第十章 液滴的蒸发与燃烧--第十章作业
-11.1 概述及燃煤锅炉
-11.2 非均相反应
-11.3 单颗粒碳的燃烧-单膜模型
-11.4 单颗粒碳的燃烧-双膜模型
-11.5 颗粒燃烧速度
-11.6 煤的热解及燃烧
-第十一章 固体燃烧--第十一章作业
-12.1 概述
--概述
-12.2 湍流现象与描述
--湍流的现象与描述
-12.3 湍流尺度
--湍流尺度
-12.4 湍流模型
-12.5 湍流预混火焰
--湍流火焰速度
--层流火焰折皱模式
--火焰稳定
-12.6 湍流非预混火焰
--射流火焰
--火焰长度
-12.7 湍流燃烧小结
--湍流燃烧小结
-课程总结
--课程总结