燃燒量熱學(xué)介紹

測定燃燒熱的方法一般分為定容和定壓兩種。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，定容燃燒熱等于燃燒反應(yīng)的內(nèi)能變化ΔUc，定壓燃燒熱等于燃燒反應(yīng)的焓變化 ΔH,式中Δn為燃燒反應(yīng)中氣相物質(zhì)增加的摩爾數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為反應(yīng)溫度。

燃燒熱與溫度的關(guān)系可用基爾霍夫定律表示：

式中的下標(biāo)p、V分別表示定壓或定容過程;ΔC表示產(chǎn)物和反應(yīng)物總熱容之差。

燃燒熱應(yīng)指明相應(yīng)的燃燒反應(yīng)的熱化學(xué)方程，其中反應(yīng)物和產(chǎn)物都要標(biāo)明它的狀態(tài)，方程中的系數(shù)表示物質(zhì)的摩爾數(shù)。按熱力學(xué)規(guī)定，放熱反應(yīng)的熱效應(yīng)為負(fù)值。例如:H2(氣，1大氣壓,25℃) 0.5O2(氣,1大氣壓,25℃)=H2O(液，1大氣壓，25℃)，ΔH懢=-285.830±0.042千焦/摩爾。

熱力學(xué)中采用標(biāo)準(zhǔn)態(tài)作為參考態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的燃燒熱用ΔH懢或ΔU懢表示。標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的燃燒反應(yīng)是一個(gè)理想的過程，其反應(yīng)物和產(chǎn)物分別處在各自的熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)（見標(biāo)準(zhǔn)熱力學(xué)函數(shù)）。

由于燃燒反應(yīng)比較完全，熱效應(yīng)大且副反應(yīng)少，燃燒量熱法準(zhǔn)確度高，適用范圍廣。燃燒熱主要用來求出物質(zhì)的生成焓。在工業(yè)上，燃燒熱值是煤、石油等能源的一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)。

燃燒量熱計(jì)的結(jié)構(gòu)通常分為體系和環(huán)境兩部分。體系包括燃燒室、量熱介質(zhì)、容器、溫度計(jì)和各種附屬裝置；體系以外稱作環(huán)境。燃燒室分為定壓和定容兩類。定容（彈式）適合于固體和液體物質(zhì)的燃燒；定壓（火焰式）適合于氣體或揮發(fā)性液體的燃燒。常用的量熱介質(zhì)是水，環(huán)境是一個(gè)恒溫槽。量熱用的溫度計(jì)有：汞溫度計(jì)（貝克曼型和量熱學(xué)型）、熱電偶堆、鉑電阻、熱敏電阻、石英溫度計(jì)。溫度測量的分辨率可達(dá) 0.0001K或更好。石英溫度計(jì)和電阻溫度計(jì)還可與數(shù)字顯示儀和打印機(jī)聯(lián)用。

燃燒量熱實(shí)驗(yàn)一般分為三部分：能量測量、化學(xué)計(jì)算和標(biāo)準(zhǔn)態(tài)更正。

量熱原理是在絕熱條件下測量一定量物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的體系的溫度升高，并與在絕熱條件下已知能量引起的溫度升高相比較。絕熱條件下體系溫度升高 1度所需的能量稱作量熱計(jì)的能當(dāng)量，其測定方法有：①加入準(zhǔn)確的電能法；②燃燒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（例如苯甲酸）法。

實(shí)際測量的溫度升高，必須對(duì)加入體系的功（如攪拌）及體系與環(huán)境間熱交換的影響作更正。在仔細(xì)設(shè)計(jì)的量熱計(jì)中，攪拌熱必須恒定，熱交換一般被盡可能地減小或消除，并近似地認(rèn)為與體系對(duì)環(huán)境的溫差成正比，即遵從牛頓冷卻定律。連續(xù)測量燃燒前后體系溫度的變化，可以計(jì)算這些更正值，從而得到絕熱條件下體系的溫度升高，然后由能當(dāng)量計(jì)算燃燒過程的能量。

化學(xué)計(jì)量包括反應(yīng)物（質(zhì)量、純度和雜質(zhì)）和產(chǎn)物（成分、含量和狀態(tài)）的計(jì)量分析，以確定燃燒反應(yīng)量、反應(yīng)完全性和副反應(yīng)量。這些計(jì)算的準(zhǔn)確度應(yīng)與能量測量的要求一致。在更正各種副反應(yīng)的能量后，可從燃燒過程的能量得到樣品的燃燒熱。

標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的更正是把實(shí)驗(yàn)測定的燃燒熱更正到標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下的燃燒熱。經(jīng)過若干假想的過程，把反應(yīng)物和產(chǎn)物分別從燃燒反應(yīng)的實(shí)際狀態(tài)轉(zhuǎn)變到各自的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)。這包括反應(yīng)物或產(chǎn)物的壓縮、混合、溶解、蒸發(fā)、稀釋等或相反的過程。這些過程的能量和就是標(biāo)準(zhǔn)態(tài)更正值，一般很小。目前對(duì)含碳、氫、氧、氮、硫和鹵素的有機(jī)化合物，更正所需要的熱力學(xué)數(shù)據(jù)基本齊備，其計(jì)算已編成程序，可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。

氧彈量熱學(xué) 氧彈是一種耐壓的金屬密封容器，內(nèi)部充入約30大氣壓的氧氣。大多數(shù)有機(jī)物在彈中能迅速、完全地燃燒，生成二氧化碳和水以及其他產(chǎn)物。氧彈量熱計(jì)從結(jié)構(gòu)上可分為：①靜止氧彈量熱計(jì)，有環(huán)境等溫和絕熱跟蹤兩類，工業(yè)上用于熱值的測定,精密度可達(dá)0.1%～0.2%。圖1是研究用的儀器，精密度可達(dá)0.01%左右。②轉(zhuǎn)動(dòng)氧彈量熱計(jì)，除氧彈轉(zhuǎn)動(dòng)裝置外，其余和靜止氧彈量熱計(jì)類似（圖2）。根據(jù)需要，彈內(nèi)可以加入一些試劑與燃燒產(chǎn)物進(jìn)一步反應(yīng)。轉(zhuǎn)動(dòng)氧彈可以增加反應(yīng)速率和加速氣液平衡，得到確定的終態(tài)。例如，燃燒含氯化合物時(shí)，彈中加入三氧化二砷溶液，與燃燒產(chǎn)物氯發(fā)生反應(yīng)，最后得到均勻的鹽酸溶液?！≡谘鯊椓繜釋W(xué)中，視研究對(duì)象所含元素的不同，燃燒技術(shù)、產(chǎn)物分析和標(biāo)準(zhǔn)態(tài)更正都將不同。為了核對(duì)各類物質(zhì)測試方法的可靠性，已分別推薦了一些燃燒熱已準(zhǔn)確測定過的試驗(yàn)物質(zhì)。

燃燒量熱學(xué)氧火焰量熱學(xué)

分為連續(xù)氣流和不連續(xù)氣流兩類，研究所用儀器的精密度約為0.01%，除燃燒室和供氣系統(tǒng)外,其余與氧彈量熱計(jì)類似。圖3為燃燒室示意圖，氣體或蒸氣（用氬氣作載氣）燃料與氧氣在燃燒室內(nèi)混合后燃燒，產(chǎn)生平穩(wěn)火焰。產(chǎn)物恒溫后流出量熱計(jì)，通過產(chǎn)物分析進(jìn)行化學(xué)計(jì)量。量熱計(jì)可用電能法或氫和氧燃燒反應(yīng)來標(biāo)定能當(dāng)量。推薦的試驗(yàn)物質(zhì)是甲烷。研究對(duì)象包括含碳、氫和碳、氫、氧的有機(jī)化合物。對(duì)含氮和氯的化合物研究得很少，主要困難是不易燃燒完全和不易得到完全確定的終態(tài)。

燃燒量熱學(xué)氟彈量熱學(xué)

一些物質(zhì)在氧中燃燒不完全或生成物復(fù)雜，使測量不準(zhǔn)確。如用氟（或其他鹵素）代替氧作氧化劑，可以燃燒完全或形成單一含氟產(chǎn)物。但需要特別注意氟的腐蝕性和毒性。彈的結(jié)構(gòu)有各種不同的設(shè)計(jì)，常分作單室的和雙室的兩種。雙室氟彈適合于對(duì)氟敏感的物質(zhì)，點(diǎn)火前把氟單獨(dú)貯存在另一室中。對(duì)單室氟彈，建議用鎢作試驗(yàn)物質(zhì)，對(duì)雙室氟彈建議用鎢或硫作試驗(yàn)物質(zhì)。研究對(duì)象有元素氟化物、元素氯（溴）化合物等。

燃燒量熱學(xué)氟火焰量熱學(xué)

包括用氟或具有反應(yīng)活性的氟化物、鹵素等代替氧的火焰量熱學(xué)研究。燃燒室分為單相和雙相結(jié)構(gòu)兩類。單相結(jié)構(gòu)中反應(yīng)物和產(chǎn)物都是氣體。但當(dāng)產(chǎn)物中有氟化氫生成時(shí)，由于它的非理想性和實(shí)際氣體熱焓的不準(zhǔn)確性，帶來較大誤差。雙相結(jié)構(gòu)使氣體產(chǎn)物通過水溶液進(jìn)一步反應(yīng)，以克服上述缺點(diǎn)。單相儀器可用電能法標(biāo)定，雙相儀器可用氫和氧的燃燒反應(yīng)標(biāo)定。研究對(duì)象有：①氫－鹵素反應(yīng);②鹵素－氫－水反應(yīng);③鹵素間化合物；④鹵素氧化物；⑤鹵素氮化物等。

自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用使量熱工作比過去容易多了。當(dāng)前燃燒量熱學(xué)正繼續(xù)向精密、準(zhǔn)確和新化合物領(lǐng)域發(fā)展。在儀器方面，量熱計(jì)小型化是一個(gè)發(fā)展動(dòng)向，以便解決那些非常昂貴、難于合成或提純、易于爆炸的化合物的測定。此外，為了避免攪拌水型結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，無液型量熱計(jì)的研究也受到重視。在研究對(duì)象方面，當(dāng)前對(duì)于含碳、氫、氧、氮的化合物已測得了大量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)；對(duì)含硫和鹵素的化合物，準(zhǔn)確測定的方法已基本建立，但數(shù)據(jù)還有待積累。對(duì)其他化合物，特別是有機(jī)金屬化合物的研究剛開始，許多重要的數(shù)據(jù)缺乏。目前影響測量準(zhǔn)確性的困難仍然主要來自化學(xué)部分。應(yīng)當(dāng)指出，生成熱數(shù)據(jù)除可用熱化學(xué)實(shí)驗(yàn)測定外，原則上也可用量子化學(xué)計(jì)算。但除極簡單的分子外，準(zhǔn)確性都不如實(shí)驗(yàn)結(jié)果高。對(duì)于半經(jīng)驗(yàn)的量子化學(xué)或分子力場計(jì)算來說，準(zhǔn)確的量熱結(jié)果始終是它們建立模型和檢驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)。2100433B

火床爐最主要的特點(diǎn)就是有爐排，將燃料置于爐排上，保持燃料的均勻、并有一定的厚度層，進(jìn)行燃燒。火床燃燒也叫層燃。

固體燃料最簡便的燃燒方式是火床燃燒。其中以固定床的火床燃燒最為簡易和廣泛。小型的手燒爐就是典型的固定床火床燃燒方式。

在火床燃燒中，絕大部分燃料是在火床上燃燒，只有一小部分細(xì)粒燃料被吹到爐膛空間，形成懸浮燃燒。

固定火床的燃燒過程是沿著燃料層高度進(jìn)行，上面是剛投入的新燃料，其下為灼熱燃燒的焦炭層，而靠近爐排處則為灰渣層。新燃料（煤）被加入爐內(nèi)后，自上面下依次經(jīng)歷著預(yù)熱、干餾、還原、氧化和成渣等階段，完成整個(gè)燃燒過程。的電極（一般放在管線末端）。該系統(tǒng)一般一次投資較小，但需電力費(fèi)用和要求較多的監(jiān)視、維護(hù)。

工業(yè)燃燒器俗稱燒嘴，種類規(guī)格型式很多，有燃油、燃?xì)猓簹猓?、燃煤（煤?水煤漿）幾大類別。應(yīng)用領(lǐng)域很廣，在需要使燃料燃燒以加熱物料或反應(yīng)的工業(yè)場合都需要用燃燒器。

燃燒機(jī)又稱一體化燃燒器，以燃油和燃?xì)鉃橹?。一般?yīng)用在中小型燃料鍋爐、燃料熱風(fēng)機(jī)、烘（烤）箱和小型燃料加熱爐上。

工業(yè)燃燒器（燒嘴）增加配置后可實(shí)現(xiàn)燃燒機(jī)的功能，但燃燒機(jī)在很多工業(yè)場合不能滿足燃料燃燒加熱或反應(yīng)的要求。二者的區(qū)別見詞條“燒嘴”。

廣義上來說，民用灶具、打火機(jī)、噴燈、發(fā)動(dòng)機(jī)中的噴燃裝置等都屬于民用燃燒器和特種燃燒器的范疇。

burner ：火焰原子化器預(yù)混合型構(gòu)造中的一個(gè)部件，又稱燃燒頭。它是火焰燃燒時(shí)混合氣體和運(yùn)輸船狀試樣的噴口，多為單狹縫型，前者用于一氧化二氮-乙炔火焰，后者用于空氣-乙炔火焰。一般采用不銹鋼制作，也有用鋁或黃銅制作的。有單縫（single-slot）與三縫（three-slot）型兩種。原子熒光法采用麥克燃燒器（Meker burner），它是火炬形火焰。分水冷和氣冷兩種。使用后需經(jīng)常以蒸餾水清洗，防止銹蝕和縫隙堵塞。

氧氣助燃燃燒器

國際上先進(jìn)的燃燒器生產(chǎn)廠商，紛紛開始研發(fā)并大規(guī)模推廣富氧、全氧助燃的燃燒器。

傳統(tǒng)燃燒器都是以空氣作為助燃?xì)怏w，但空氣中氧氣含量很低，只有21%，剩余的部分都是氮?dú)?、二氧化碳等不可燃?xì)怏w，這些氣體在燃燒過程中，不僅不會(huì)有助于發(fā)熱，反而會(huì)大量的吸熱，并把這些熱量以煙氣的方式帶走，大大影響了燃燒發(fā)熱效率。

而富氧和全氧燃燒器，可以使燃料得到充分的利用，排煙溫度降低，大幅度提高燃燒效率。氧氣助燃燃燒的火焰溫度要比空氣燃燒時(shí)高出很多，所以在爐體耐材的選擇上，也同樣有更高的要求。

工業(yè)燃燒器與鍋爐燃燒器的區(qū)分

在美國，工業(yè)燃燒器和鍋爐燃燒器是嚴(yán)格區(qū)分開的。兩者絕對(duì)不能互換使用。但是在國內(nèi)，很可惜，由于鍋爐燃燒器價(jià)格低廉，工業(yè)燃燒系統(tǒng)價(jià)格高，導(dǎo)致經(jīng)常有很多小廠商用鍋爐燃燒器替代工業(yè)燃燒系統(tǒng)。

國內(nèi)燃燒器行業(yè)缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。