什么是燃烧？

燃烧是燃料和氧化剂（通常是氧气）之间的一种化学反应，其以热和光的形式产生能量，最常见的形式是火焰。燃烧产生的热能大于消耗的热能，因此，燃烧是一种放热反应。由于其涉及还原（获得电子）和氧化（失去电子），因此也被归类为氧化还原反应。 

大多数燃烧反应都需要点火或火焰的能量来启动燃烧过程。如果化学反应产生的能量足以维持氧化过程，则称为自持燃烧。 

燃烧反应可用于建筑物供暖、烹饪食物、为汽车提供动力、推动飞机、发射火箭和发电等。人类越来越多地使用碳氢化合物进行燃烧，尤其是化石燃料，这也是导致地球大气中吸热的含碳分子增加的原因。 

因此，对燃烧的研究（即燃烧科学）是一项越来越重要的工作。科学家和工程师致力于使用各种燃料和氧化剂进行更高效的反应，以减少排放，减少有害副产品，并使用可持续或更低成本的易燃物质作为燃料来源。优化燃烧过程可以显著提高性能、降低成本并减少排放。

氧化还原反应是指电子在两种物质之间转移的反应。给定原子或分子中的电子数称为其氧化数。氧化还原反应是生命基本功能的基础，包括光合作用、呼吸、腐蚀或锈蚀以及燃烧。 

在探讨一些常见的燃烧反应之前，我们先来了解一些用于描述燃烧化学反应的关键术语：

• 氧化剂：接受电子的离子或分子。氧化剂与其他物质的分子发生反应，剥夺其电子，从而使这些物质发生氧化反应。
• 还原剂：提供电子的离子或分子。还原剂会还原其他物质中的分子，或向其分子中添加电子。 
• 燃料：一种由还原剂组成的物质。最基本的燃料是氢分子。大多数燃料是碳氢化合物，但一些金属和高活性元素（如磷）也可在燃烧反应中用作燃料。 
• 排放物：燃烧产生的离子和分子。尽管人们追求的燃烧结果是产生热和光，但燃烧科学的研究重点主要集中在理解燃烧排放物以及最大限度地减少排放上。 
• 碳氢化合物：一种含有氢和碳的分子，通常与其他有机和无机化合物结合。碳氢化合物可以通过木材等物体中发生的有机过程产生。化石燃料是燃烧中最常见的碳氢化合物形式。它们是有机碳氢化合物，经过数百万年的高温和高压，形成石油、煤炭和天然气等复杂分子。 
• 碳氧化物：仅包含碳和氧原子的分子，通常是一氧化碳（CO）或二氧化碳（CO2）。碳氧化物是含碳燃料燃烧过程中最常见的排放物。 
• 氮氧化物：仅包含氮和氧原子的分子。在空气中燃烧产生的两种最常见的氮氧化物是一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）。NO和NO2的任意组合都被称为NOx，这是空气污染的重要来源。 
• 火焰：由正在燃烧的气体组成的高温混合物。火焰的内部或核心由气体氧化剂和燃料的混合物组成，外部或火焰前缘是燃烧反应发生的地方。反应产生的热量会激发气体中的电子，当这些激发的电子跃迁到较低能级时，它们会以光子的形式释放能量。 
• 催化剂：一种提高化学反应速率的物质。在燃烧中使用催化物质，可以使燃烧反应更高效、在较低温度下发生，并减少氮氧化物等不必要的排放物。 
• 热解：不涉及氧化的物质受热分解。在燃烧中，液体和固体燃料转化为气体，然后通过热解进行燃烧。

燃烧化学方程式

最简单的燃烧形式是氢气的燃烧。它将两个氢分子和一个氧气分子相结合，产生水蒸汽：

2H2 + O2 → 2H2O + 286 kJ/mol of heat

产生了热量形式的能量，是因为氧分子由两个具有双键的原子组成，当热量增加时，双键断裂，释放出更多能量。 

最简单的碳氢化合物反应物是甲烷 CH4：

CH4 + 2O2 →  CO2 + 2H2O + 890 kJ/mol of heat

甲烷的燃烧每摩尔可产生更多的热量，因为甲烷分子在碳原子和每个氢原子之间有四个单键。 

丙烷是C3H8 ，有2个碳-碳键和8个氢-碳键：

C3H8 + 5O2 →  3CO2 + 4H2O + 2,220 Kj/mol of heat

汽油是一种复杂的燃料，但其主要还原剂是辛烷，其中8个碳原子与18个氢原子结合在一起。这就形成了7个碳-碳键和18个氢碳键：

2C8H18 + 25O2 → 16CO2 + 18H2O + 5,483 kJ/mol of heat

理论上，化学计量燃烧反应是理想的，其中燃料和氧气的量完全匹配，从而产生尽可能多的热量和最高的燃烧效率。 

污染物排放

在完全燃烧中，燃烧的排放物为水，或者当存在碳时，排放物为水和二氧化碳。然而，大多数燃烧都会涉及其他分子、不完全反应和二次反应，从而产生额外的排放物。任何不必要的额外排放物，就是我们所说的污染物，燃烧科学研究就主要集中在减少这些不必要的排放物方面。

在大多数情况下，空气中的氮是惰性的，不参与燃烧。然而，在高温燃烧下，氧可以与氮形成键合，从而产生氮氧化物。此外，当可用的氧气量过低而无法与燃料完全反应时，就会形成一氧化碳，而不是二氧化碳。在燃烧过程中，挥发性有机化合物也可能在低温下形成。这些低沸点的化合物很容易与其他有机化学物质发生反应，并产生不必要的污染物。 

影响燃烧效率的因素

燃烧效率受各种特性的影响。工程师可以根据这些因素进行设计，以提高给定燃烧应用的热力学效率：

• 燃料化学：燃烧反应中释放的能量和排放物的最主要决定因素，是被氧化燃料的化学成分和分子构成。其中，分子键决定了开始燃烧所需的能量和产生的热量。燃料的元素组成，尤其是其中的非碳氢元素，决定了产生的排放物类型。燃料化学领域正在开展大量工作，以设计和改进新的燃料解决方案，例如合成气体、生物燃料和可再生喷气燃料，并探索哪些添加剂可以改善燃料化学。借助Ansys模型燃料库，工程师可以轻松获取旧燃料以及最新替代燃料的属性。 
• 燃料和氧气的比例：燃烧中的氧化反应取决于可与燃料反应的氧气量。人们的目标是获得适当的混合物，使燃料充分燃烧，不会发生不必要的反应。 
• 温度：燃烧的化学动力学受发生反应时的温度影响。如果温度过低，燃料中只有一部分可燃物质会氧化，如果温度过高，则可能发生产生NOx的不必要反应。 
• 压力：燃烧反应中气体的压力越高，反应发生的速度就越快，产生的热量也越多。这就是为什么在内燃机和涡轮发动机等许多燃烧应用中，都会有压缩阶段。 
• 混合：为了使燃烧发生，参与化学反应的分子需要在物理邻近位置。因此，如何将两者混合的设计对于效率至关重要。湍流、气体流速和火焰形状都会影响这种混合的发生方式。 
• 火焰形状和稳定性：由于燃烧反应发生在火焰前缘，因此火焰本身的形状和稳定性是设计燃烧系统的关键部分。火焰和空气之间的传热会影响燃烧过程的温度和效率。 

设计人员在平衡这些不同因素时面临着许多挑战。例如，燃烧的化学动力学是由混合、燃料比、温度和压力共同驱动的。工程师经常使用诸如Ansys Chemkin-Pro™软件等工具来进行反应流仿真，并优化其设计，以提高效率并最大限度地减少副产品和废物。Chemkin-Pro可独立于几何结构对化学反应进行建模。 

像Ansys Fluent软件这样同时包含准确湍流、燃烧建模和多组分流的通用CFD软件程序，对于在单个虚拟环境中捕获所有因素至关重要。工程师可以对每个因素进行探索、理解和优化。Fluent软件等工具可对流体流动和燃烧的三维特性进行建模。 

虽然每个燃烧反应都涉及类似的化学反应，但该反应的发生方式取决于燃烧类型以及反应的效率和排放物。 

以下是最常见的燃烧类型： 

• 完全燃烧：当所有燃料在燃烧反应中完全消耗时，这被称为完全燃烧。燃料的充分利用是理想状态，因此，燃烧系统的设计主要聚焦于实现尽可能接近完全燃烧。 
• 不完全燃烧：当燃烧反应中氧气不足时，就被称为不完全燃烧。不完全燃烧的副产品是烟尘和灰烬以及一氧化碳。其有时也被称为炭化，因为燃烧后会剩下碳化燃料。 
• 自燃：某些氧化反应会产生足够的热量，在不增加外部能量的情况下即可开始燃烧。例如，磷在空气中会自燃，一些油和清漆放在抹布上也会自燃。某些细菌发酵过程也能产生足够的热量来引发燃烧。 
• 阴燃：缓慢、无火焰的燃烧被称为阴燃。当氧化过程发生在固体燃料表面而不是气体燃料时，就会发生阴燃。阴燃也可以称为缓慢燃烧。 
• 快速燃烧：当燃烧在火焰中进行并发出热和光时，则被称为快速燃烧。大多数工业燃烧应用都被视为快速燃烧。 
• 爆炸燃烧：当燃烧速度足够快，导致气体迅速、剧烈膨胀时，就被称为爆炸燃烧。爆炸燃烧，通常是通过点燃同时含有碳氢化合物和氧化分子的化学物质来实现的。 

燃烧有许多用途和应用。大多数燃烧应用都是利用热量进行进一步的化学反应，例如烹饪，或者，利用热量使气体膨胀，然后再将气体用于做机械功，例如内燃机。在电灯出现之前，燃烧是人造光的唯一来源。电力，也正在取代许多基于热量和产生压力的燃烧应用。 

以下是最常见的燃烧应用：

• 照明：从史前时代起，人类一直利用燃烧产生的光来提供照明。如今，在没有电力的地方或需要蜡烛火焰的浪漫氛围时，燃烧仍在被用于丙烷灯和油灯。 
• 供暖和烹饪：自史前时代以来，人类也一直利用燃烧来供暖和烹饪食物。随着技术的进步和人口的增长，燃烧供暖和烹饪的燃料已从木材或泥炭转变为煤炭，然后是天然气。 
• 自然火灾：自然界中的燃烧，如森林火灾、野火和灌木丛火灾，是生物系统的重要组成部分。如果不是人为因素引起，自然火灾通常是由闪电引发的。 
• 内燃机（ICE）：当燃烧发生在活塞内部时，由热量产生而膨胀的气体可以转化为机械能。该活塞也可用于在燃烧前压缩空气-燃料混合物。内燃机是高度优化的设备，并且仍在不断改进。许多工程师使用Ansys Forte软件来优化内燃机中独特且难以进行仿真的燃烧。 
• 用于航空发动机、动力和泵的涡轮机械：燃烧产生的膨胀气体还可以通过旋转涡轮机转化为机械能。旋转能也可用于在燃烧前压缩空气。涡轮机械可用于为飞机提供动力、运行泵和产生电能。
• 旋转爆震发动机（RDE）：旋转爆震发动机不是通过机械功在发动机中机械压缩燃料-空气混合物，而是利用在环形通道中传播的超音速波前，对空气-燃料混合物进行高度压缩，无需任何运动部件。 
• 火箭推进：当爆炸燃烧在燃烧室的一侧不受限制时，就成为了火箭推进。液体燃料火箭使用液氧和液体燃料，通常是液态氢或液态甲烷。固体燃料火箭发动机会使用推进剂，推进剂是氧化剂和反应剂的混合物，而混合火箭发动机则将固体碳氢化合物聚合物与液态氧化剂（如一氧化二氮或液氧）结合使用。 
• 工业燃烧器：燃烧产生的热量还可用于工业应用中的其他化学过程，例如蒸馏或熔化材料。工业燃烧器也可用于烧水以产生蒸汽，蒸汽可转化为机械能，或作为远距离传热的一种方式，例如蒸汽供暖。 

尽管燃烧是人类最早开发的技术之一，但随着燃料、燃烧动力学和新应用方面取得重大研发和突破，燃烧技术仍在继续迅速发展。这些成就结合了化学、物理学、流体力学和机械工程。 

人工智能（AI）也在优化燃烧的热化学，并帮助工程师开发新方法来应对更清洁、更高效的燃烧对高温的需求。 

燃料方面的研究主要集中在氢和生物燃料的使用上，尤其是可持续航空燃料（SAF）。虽然航空业只占碳排放量的2.4%，但预计到2050年，商用飞机的数量将增加两倍。因此，现在是时候寻找对气候变化影响较小的可持续燃料来源了。 

要被视为可持续航空燃料，该燃料的排放量必须比传统航空燃料减少50%或更多。此外，在燃料中添加氢气，或将氢气直接用于工业燃烧器、内燃机和涡轮发动机的工作，也在进行中。 

即使只增加几个百分点的氢气比例，也能显著降低发电成本和减少长期排放。科学家和工程师正在构建复杂的仿真，研究火焰形状、火焰稳定性和燃烧流出口分布图，以产生更多能量并减少排放。 

其他研究小组也在努力改善燃烧产生的可闻噪声，以及如何通过更好的流体建模，尤其是湍流仿真，来提高效率。 

在对燃料和燃烧过程本身进行这些改进的同时，各行业团队也在开发燃烧的新应用。为了实现更快的飞行速度，冲压喷气发动机和超燃冲压发动机设计不断取得新进展，其中，机身的前进速度被用于压缩空气以供燃烧。旋转爆震发动机解决方案表明，用于电能生产的天然气涡轮机的效率已得到大幅提高。柴油发动机的改进显示了高效内燃机发电厂与电动传动系统相结合的价值，其可减少机车和大型卡车的排放。 

所有这些努力都在提高性能，并努力实现更可持续的未来，减少燃烧的副产品——温室气体。 

相关资源