关于燃烧学
背景引言
我们平时可能更多地应用工程热力学来提高生产过程中的热能转化效率，也更多地运用传热学解决设备以及相关热过程的各类换热问题。但追根溯源，我们的热量大多来自化石燃料的燃烧，其燃烧特性，燃烧过程的优化控制，以及燃烧与污染物的协调处置，更是“热工”领域应该重点研究的问题。
在工业界，燃料燃烧是最传统、最常用也是目前最经济的高效产热方式。比如无机非金属材料制造领域（水泥、玻璃和陶瓷等），从经济性考虑，燃烧产热仍然是主要的热量来源。
燃烧是化学的基础问题。最早的炼丹术，其实就是在炉子里燃烧一些东西。而就像我之前文章中描述的，能量的来源，有相当大占比的热能来自于化石燃料的燃烧。虽然我们都公认火加速了人类文明的进程，但是燃烧也带来了较为严重的大气污染问题。这些大气污染物中，二氧化硫几乎90%以上是燃烧产生的，氮氧化物几乎是100%由燃烧产生，颗粒物大约占50%以上由燃烧产生。我国化石燃料燃烧产生的温室气体，在全国总排放量中的占比和绝对排放量更是惊人。
具体到企业层面，应将“节能”与“减排”的关系处理好，如何优化工艺参数，在取得最大节能效果的同时，还能最大程度地降低污染物的排放浓度，这非常重要。
另外，从“节能就是节省燃料”这样狭义的角度讲，燃料的高效燃烧分析应该是企业开展节能诊断工作中，最先考虑的事情。一个企业，燃料燃烧是高效取热的第一环节，而高效用热，减少热损则是后续环节。按照能量流的流向作为节能诊断的工作主线，那么首先应该考虑的是：燃料的种类、燃料的特性、燃烧器情况、燃烧特性以及相关计量的准确性等问题。这些工作不但是节能诊断工作的起始工作，该项工作所获得的信息和数据，应该作为后续节能潜力评估的基准和评价尺度。所以应该重视燃料特性及燃烧情况的诊断，而不应该舍本求末，上来就关注能量流后端的问题。
燃烧定义
燃料的燃烧属于燃烧学范畴。燃烧是一个复杂的物理化学过程。能量、质量和动量的交换过程，对燃烧系统起着重要作用。那么什么是燃烧？燃烧的定义是：产生热，或光和热的快速的氧化过程；同时也包括产生很少量的热，且不发光的慢速的氧化过程。另外一个内涵更为广泛的对燃烧的解释，来自美国工程院院士，普林斯顿大学教授，罗忠敬老师：“所有的，包括生物学范畴的化学反应流动都属于燃烧”。然而，一般在热工领域，我们所探讨的燃烧都是快速氧化的部分，而不是慢速的氧化过程。
总体上讲，燃烧其实是，将可燃物质分子化学键中的能量转化成热量释放出来。于是，燃烧现象是发生在分子水平上的分子键断裂与重建，同时伴随着可燃混合物成分的改变，以及分子键替代所引起的热能的释放和系统温度的升高。
燃烧学的起源发展
我们看一下关于燃烧学的定义：燃烧科学从总体上讲，是一套起源于传统经验科学的，涉及热力学、流体力学、化学动力学、传热传质学、物理学的以数学为基础的综合理论体系。燃烧学综合性较强，需要对上述相关学科进行学习后，才方便系统深入学习燃烧学。下面让我们先看一下燃烧学的历史和发展
1、起源
十七世纪末德国的斯塔尔（G.E.Stahl）提出了“燃素说”作为燃烧的理论。他认为，一切物质之所以能够燃烧，都是由于燃烧物质中含有一种被称为“燃素”的物质，燃素多的物质就容易燃烧，燃素少就不容易燃烧。毫无疑问，现在我们知道这个理论是错误的。但是，这些结论是来自于斯塔尔的观察与总结，这种研究方法为后来的科学家提供了一种实证的科学研究的范例，这其实也是一种精神，进而促进了后来正确的燃烧学理论的快速发现与建立。直到1774年法国化学家拉瓦锡建立了正确的燃烧学说，使得化学界发生了一次大的变革，但是这仅仅是揭开了燃烧本质面纱的开始。
2、发展
燃烧学的理论体系得以真正建立起来，历史上大致经历了四个阶段。
第一个阶段是，19世纪末，随着热力学的发展，我们主要关注燃烧平衡的特性、产物如何？燃烧温度和热效应等等。
第二个阶段是20世纪30年代，美国化学家刘易斯和俄国化学家谢苗诺夫将化学动力学和化学机理引入了燃烧的研究，并确认燃烧的化学反应动力学是影响燃烧速率的重要因素，并且发现了作为燃烧基础理论的连锁反应的特点。
第三个阶段是20世纪30年代到50年代之间，人们开始认识到，影响燃烧和控制燃烧过程不仅仅是化学反应动力学的问题。因为从化学反应动力学角度分析，其反应速率是很快的，但是燃料与空气（氧气）的混合相对是比较慢的。要想提高燃烧效率，首先得解决充分混合的问题。这也就是为什么我们在热工领域如此强调燃料与空气的预混重要性的原因。所以关注动力学影响因素的同时，也同时需要关注气体的流动，传热以及传质等物理因素。燃烧可以说是这些因素综合作用的结果，根据以上分析，在这一阶段，就建立更加系统的火焰传播和湍流燃烧的相关理论。但是支撑这些理论的数学方程在当时无法进行求解。
花絮：从图中可以看出燃烧使得热空气上浮，冷空气下降，火焰呈现惯常的形状；而在真空微重力条件下，由于没有自然对流现象，仅仅依靠传质扩散，火焰的形状则是圆形，其燃烧强度也相对要小。
第四阶段，就是现阶段，随着计算机和信息技术的发展，为我们提供可以处理相关方程的方法。上世纪80年代后，随着众多科学家将流体力学中相关理论全面引入燃烧学之中，世界范围内，逐步形成了基于数值方法的“计算燃烧学”的理论。至此，燃烧学的理论才具备了完全可解的可能性。另外，我国燃烧学的起步与国际上基本上同步的。
从工程应用的角度，以无机非金属材料热工学为例，我们更加关注：燃料种类与组成、燃料的热工性质、以及基于质量与能量平衡的生成物量的计算，当然，也关注如何控制燃烧过程的温度变化。这里并不涉及过多的燃烧热化学基础、燃烧过程方程建立、反应器设计、传质问题以及火焰现象模型等，这些深入的理论要留给专门从事燃烧学领域的人去研究。
燃烧学的理论简述
燃烧学的理论基础是化学热力学和化学动力学。
热力学主要从宏观角度，认识燃烧现象。通过分析燃烧的热力平衡体系，来阐明燃烧过程中，一些热力学特性。相应地，燃烧反应的热效应和燃烧产物的分析，都属于该基础理论的范畴，热力学也会对燃烧反应的热效应和燃烧产物进行分析，燃烧产物的计算大多是以平衡态进行计算分析。那么热力学中的相关概念包括反应物或生成物的生成焓、潜焓、显焓、反应焓以及绝对焓等都将有提及。当然，这些内容在仿真计算过程中经常要用到的，还有燃烧过程中的绝热温度计算，以及着火温度等都是用热力学理论进行解释。
而化学动力学则是研究化学反应进行的速度和历程的科学。它从微观角度，以分子碰撞理论和链式反应理论为基础，研究化学反应机理和各种因素（浓度和温度等）对化学反应速率的影响。通过燃烧动力学的研究可以为我们解决以下问题：
1、燃烧反应的速率有多大？
2、燃烧反应的历程以及对应机理。
3、温度、压力、浓度以及催化剂等外界条件如何影响燃烧反应速率？
4、如何有效控制燃烧，保持燃烧稳定性？
概括地讲，目前燃烧科学的研究领域包括：燃烧理论的研究和燃烧技术的研究。前者以燃烧过程的基本机理为研究对象，如动力学机理、着火温原理、层流和湍流燃烧和火焰传播等等。后者是在前者基础上改进燃烧方式，包括：燃烧过程的组织和降低有害燃烧产物等。
这里再简要说一下影响化学反应速度的因素：
一般地，温度、压力、活化能以及浓度等都是影响反应速度的因素。而温度对化学反应速度的影响最为明显。温度主要是通过影响反应速率常数K，来对化学反应速度产生影响。
根据范特霍夫（Vant Hoff）经验规则，温度每升高10℃，反应速率大约增加2-4倍。那么随着温度的升高，比如温度升高100K，燃烧反应速度则随之增加2的10次方到4的10次方倍。也就是说，当温度线性增加时，反应度数将以几何级增加。由此可见温度对化学反应速度影响之大。需要指出的是，该经验规则可以大致进行定量分析，准确度相对较差。
在范特霍夫规则基础之上，阿累尼乌斯（Arrhenius）通过大量实验与理论研究揭示了反应速率常数与温度的关系，并给出较为准确的计算公式：
两边取对数有:
E为活化能，单位KJ/mol；
k0为频率因子又称指前因子，与温度无关由实验确定；
R是通用气体常数；
T是系统热力学温度。
从两边取对数的公式可以看出，活化能E反映了反应进行的难易程度。活化能E越小，反应越容易。温度越高，反应速率常数也就越高。当活化能E较大，随着温度T升高，反应速率k就会显著增大。如果不想分析公式，那么只要记住结论：相比之下，两个活化能不同的反应，当温度增加时，活化能较高的反应速率增加的幅度，比活化能低的反应速率增加的幅度要大，即温度升高有利于活化能较高的反应。
这里为什么要单独强调和阐述一下这个温度对反应速度的影响呢？为什么窑炉燃烧过程中，一个较好的节能措施，就是对助燃空气或燃料（根据安全情况）进行预热？这里留给读者思考。
本文涉及的热工内容，更侧重基础知识传播，大致等同于大学本科水平，并不关注以数学为基础的纯燃烧理论方程的推演和数值计算，特别是利用计算流体力学联立求解反应动力学方程，求解质量、动量及能量平衡方程组等。
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