煤炭发热量计算测定-分级标准.doc

煤炭发热量计算测定,分级标准（全面版）资料
《煤炭发热量计算、测定新技术新方法与分级标准实用手册》作者:编委会
出版社:煤炭工业出版社2007年7月出版
开本:16开精装
册数:全三卷
定价:880 元
优惠价:410 元
详细目录:
第一章煤炭的基本属性
第一节煤的一般性质
第二节煤的工业分析和元素分析
第三节煤的有机结构
第四节煤的工艺性质
第二章煤炭的发热量计算、测定新方法
第一节煤炭的发热量概述
第二节煤的发热量测定的步骤、校正与结果计算
第三节热容量和仪器常用标定
第四节低位发热量的计算
第五节仪器的维护与常见故障处理
第六节发热量测定中的若干问题
第七节误差和数理统计基础知识
第八节比色分析

第九节火焰光度分析
第十节煤的发热量测定新方法
第三章煤炭发热量的计算和审查
第一节利用元素分析结果计算和审查煤的发热量
第二节利用工业分析结果计算和审查各类煤的发热量第三节计算各种煤低位发热量的其他公式
第四节计算商品煤发热量的公式
第五节利用工业分析计算0net,ad的国际公式
第六节煤炭发热量的各种“位”和基准的换算
第四章煤质检测新技术
第一节煤发热量的基本概念
第二节氧弹热量计
第三节量热温度计及其校正
第四节冷却校正值及其计算
第五节热容量的标定
第六节煤的发热量测定及计算
第七节绝热式热量计的使用
第八节自动热量计的使用
第九节自动质量计的完善化
第十节热量计综合性能检验
第五章煤炭发热量的各项反应分析技术
第一节煤的一般热解过程
第二节煤的热解一色谱
第三节热解反应器红外光谱联对煤热解的研究
第四节用热重法分析
第五节煤化过程的热解模拟
第六节煤的气化反应分析
第七节热重法对煤气化反应的分析
第八节差热分析法对煤和显微组分气化反应的分析第九节气化反应中的动力补偿
第十节煤的聚液化反应分析
第十一节煤的燃烧反应和表面形态变化
第十二节煤燃烧反应的动力学分析
第六章煤质分析技术检查方法
第一节煤质分析试验方法
第二节煤质化验实用技术
第三节煤质分析的一般规定
第四节煤质分析用天平
第五节化验室基础知识
第六节煤质化验室通用电热仪器
第七章煤炭化验常用工具、设备
第一节制样设备
第二节筛分设备
第三节电热设备
第四节测温仪表
第五节天平和砝码
第六节常用的器皿和用具
第八章煤炭化验结果的审核与计算第一节各项煤质指标间的相互关系第二节煤质分析结果的判断
第九章煤炭及其发热量评价分级标准第一节煤的分类指标
第二节煤的分类
第三节各种煤的特。性及用途
第四节炼焦煤种和配煤原理
第五节煤质评价的任务和内容
第六节煤质评价的方法
第七节煤质评价的举例
第十章煤炭试验方法标准及其说明第十一章煤炭法热量测定相关标准
煤炭检测分析新技术、新工艺与国内外通用标准实用手册
姚汉生 中国矿业大学教授
出 版 社：中国科技文化出版社2006年10月出版
册数规格：全四卷 16开精装
定价：￥998元   优惠价：￥450元

详细目录：
进出口煤炭检验管理办法 自2006年8月11日施行
第一章 总则
第二章 进口煤炭检验
第三章 出口煤炭检验
第四章 监督管理
第五章 附则
第一篇 煤炭与煤炭质量检测分析
第一章 我国的煤炭资源与煤质特征
第一节 中国分大区、分省(市、区)、分煤种的储量
第二节 中国原煤及洗选加工产品的生产状况
第二章 煤的结构分析
第一节 煤的微观结构
第二节 煤中的低分子化合物
第三章 煤炭的分类
第一节 煤炭分类研究的发展概况
第二节 中国煤炭分类的完整体系
第四章 煤炭的基本特征分析
第一节 煤的矿物学和岩相学基本特征
第二节 煤的基本物理特征
第五章 煤炭的组成、性质及检测技术
第一节 煤的化学组成与性质
第二节 煤中矿物质与有害元素
第六章 各种工业用煤的质量要求
第一节 炼焦用煤的质量要求
第二节 发电用煤的质量要求
第二篇 煤炭等级评定 标准技术
第三篇 煤质分级方法与等级评定判断
第一章 煤质等级与商品煤采样方法
第一节 商品煤采样原理
第二节 人工采样
第二章 煤结构的研究方法与煤等级
第一节 物理方法
第二节 化学方法
第三章 煤的岩相组成与特性及其等级分类
第一节 煤显微组分及其分类
第二节 镜质组平均反射率
第四章 煤样的制备方法
第一节 煤样缩制理论
第二节 制样室和制样设备
第五章 煤炭发热量分析与等级评定
第一节 利用元素分析结果计算和审查煤的发热量
第二节 利甩工业分析计算和审查各类煤的发热量
第六章 各项煤质指标与等级评定标准
第一节 煤的工业分析各指标间的关系
第二节 煤的工业分析与元素分析的关系
第七章 煤质分析结果与煤等级的判断
第一节 工业分析结果的判断
第二节 元素分析结果的判断
第四篇 煤质优化技术工艺
第一章 洁净煤技术的推广
第一节 我国能源发展现状及展望
第二节 发展洁净煤技术的必要性
第二章 煤的配(混)合入选技术工艺
第一节 配(混)合入选的定义
第二节 配(混)合入选的意义
第三章 跳汰选煤优化技术工艺
第一节 跳态选煤技术
第二节 跳态选煤原理
第四章 重介质选煤优化技术工艺
第一节 概述
第二节 立轮重介质分选机应用
第五章 浮游选煤优化技术工艺
第一节 浮游选煤技术工艺概述
第二节 浮游选煤原理
第六章 其他选煤优化方法
第一节 摇床选煤
第二节 水介质旋流器选煤
第七章 型煤优化生产技术工艺
第一节 型煤生产工艺分类
第二节 粉煤无粘结剂冷压成型
第八章 型煤的质量指标与优化检测方法
第一节 型煤质量基本要求
第二节 型煤的质量指标及检测方法
第九章 水煤浆优化技术工艺
第一节 水煤浆技术的主要内容及工业应用范围
第二节 国内外水煤浆技术发展的历史和现状
第十章 矿区生态环境治理
第一节 矿区生态环境治理的意义
第二节 国内外矿区治理发展概况
第五篇 煤质优化技术标准
第六篇 煤炭等级评定国际通用标准

低负荷空气分级+SCR技术在燃煤锅炉脱硝中的应用
摘要：空气分级燃烧技术在电站低氮燃烧脱硝中起到了很好的效果。燃尽风量，燃尽风速，燃尽风两级布置对NOX的降低产生了重大影响。低负荷时，对省煤器、空气预热器等受热面进行布置改造，以及联立炉内空气分级技术从而提高锅炉出口烟温，满足SCR的反应温度，进而进一步降低NOX的排放。
关键词：空气分级;低负荷；脱销；SCR
按照火电厂大气污染物最新的排放标准，NOx的排放限值为30mg/m3[1]（重点地区执行20mg/m3）。所以降低燃煤锅炉的NOX排放是燃煤电厂当前最重要的任务之一。空气分级+SCR燃煤脱销技术在电厂中得到了广泛的应用[2-4]。在炉内脱销中燃尽风率[5],燃尽风速[6],燃尽风两级布置[7],对降低NOX的产生起到了重大作用。电站低负荷运行时，对省煤器、空气预热器等受热面进行布置改造[8-10]进而提高锅炉出口烟温，满足SCR的反应温度，提高脱销效率，进一步降低NOX的排放。如何联立炉内空气分级和炉外SCR脱销已经成为目前电站研究的课题。由于大部分电站不能额定负荷运行，所以在低负荷运行时，如何调整炉内空气分级和炉外受热面的布置，降低NOX的排放，成为燃煤电站攻坚的问题。
1 空气分级对NOx排放的影响
1.1 主燃区过量空气系数对NOx排放的影响
主燃区过量空气系数过高，会使炉内有足够的氧气进行燃烧，煤粉会得到充分的燃烧，进而燃料型NOX生成较多，提高了NOX的生成量。另外，主燃区足够的氧气参与燃烧会使主燃区的温度升高，一定程度上增加了热力型NOX的产生。
主燃区过量空气系数过低，会使炉膛内煤粉燃烧不充分，致使炉膛出口烟气中未燃尽碳的含量过高。炉内燃烧不充分，会生成大量的CO形成还原性气氛，NOX在还原性气氛下会被还原，从而降低了NOX的排放。但是，锅炉的高温腐蚀和还原性气氛的存在有着密切的关系，CO浓度大的地方腐蚀就大。原因是未燃尽碳的存在使水冷壁附近的烟气处于还原性气氛，导致了灰熔点温度的下降和灰沉积物过程的加快，从而导致了受热面管子的腐蚀。
随着主燃区过量空气系数的降低，使烟气在还原区的温度和速度下降[11],致使煤粉在还原区滞留的时间增加，促进了NOX还原，降低了NOX的排放。
主燃区过量空气系数的降低会使NOX排放和颗粒碳燃尽率降低，使CO的排放量增加。然而，如果主燃区过量空气系数小于0.9，那么它从NOX排放减少得到的益处，将被对锅炉整体燃烧效率产生的害处所抵消掉[12]。所以，进行空气分级配风要结合锅炉整体的燃烧效率进行分配。
1.2 主燃区分级风喷嘴布置对NOx排放的影响
NOX的排放随着燃尽风喷嘴和燃烧器距离的增加而降低[11]，但如果距离超过了给定的值，CO的产生量会急剧的增加。主燃区分级风喷嘴的布置对NOX的排放影响较小，是因为空气分级效率是关于主燃区过量空气系数的一个函数，只跟主燃区过量空气系数有关[12],但它在主燃区过量空气系数小于1时，对整体的燃烧效率产生较大影响。
1.3 燃尽风率对NOx排放的影响
燃尽风率影响着主燃区的温度和氧浓度。燃尽风率越大，主燃区的温度和氧浓度越低，使主燃区热力型和燃料型NOx的生成减少，氧浓度越低，形成的还原性气氛越大，对NOX的还原越强烈。但过高的燃尽风对燃烧会产生一定的负面影响。当燃尽风率从0％～25％时，炉膛出口的烟气温度和氧浓度都有增加，NOX的浓度下降，与此同时，炉膛出口飞灰中未燃尽碳的成分也有所增加。燃尽风在15％～20％之间，CO浓度变化比较平缓，NOX浓度降低的幅度较大，炉膛出口烟温较低[5]。而在20％～25％之间，NOX浓度降幅较小，飞灰中未燃尽碳的含量增幅较大[13],CO浓度和烟温增幅比较明显。因此燃尽风率在15％～20％变化时，能保证较高的NOX排放效果，同时产生的负面影响也较小。考虑到燃尽风速对燃尽风和未燃尽煤粉的影响，燃尽风率在20％混合较好，负面影响较小。因此燃尽风率取20％是最优的选择。
1.4 燃尽风速对NOx排放的影响
随着燃尽风速的增加，燃尽风的穿透能力加强，更容易穿透到炉膛中心，从而使得烟气与煤粉的混合加剧，从而增加了炉膛中心的高温区域的面积，并且相对集中，利于煤粉充分燃烧，会增加燃料型和热力型NOX的生成。随着燃尽风速的继续增大（大约60m/s)，会使锅炉烟气出口温度降低，炉内中心温度上移，减少了煤粉在炉内的停留时间，从而使NOX还原的时间减少，造成NOX的排放增加。所以，燃尽风速过大会增加NOX的排放量。
1.5 两级燃尽风装置对NOx排放的影响
单级燃尽风装置无法适应锅炉负荷和煤质的变动，从而导致煤粉燃尽度低，飞灰含碳量高和减温水量大的问题，进而提出两级燃尽风装置方式[7]。
锅炉高负荷运行时，对于单级燃尽风布置方式，燃尽风与烟气和未燃尽焦炭的接触面积小，不能充分发生反应，燃尽率得不到保证。采用燃尽风两级布置通过调节上下两级燃尽风的风量，一方面既能调节风速，提高燃尽风的穿透性，调整炉内烟气和煤粉的混合特性，调整炉膛中心高温区域的面积和火焰中心位置，从而控制NOX的生成。另一方面可以使烟气和未燃尽碳混合接触，保证了燃尽率。
锅炉低负荷运行时，由于燃尽风风量的减少，单级燃尽风布置已经无法适应燃尽风风速低，穿透性及混合变差，进而导致煤粉的不完全燃烧和和飞灰含碳量过高。在低负荷时，采用两级燃尽风布置，通过调节上下两次风风量，保证了燃尽风速，强化了燃尽风与炉内高温烟气和未燃尽碳的湍流混合，从而保证了燃尽率。
2 SCR在机组低负荷条件运行时的研究与对策
2.1 机组在低负荷运行对脱销系统的影响
当锅炉负荷降至50％～60％时，排烟温度低于催化剂的运行温度（320～420℃），降低了催化剂的活性，对脱销系统主要带来了两个方面的影响：
（1） 烟气温度低于催化剂的反应温度时，NH3与SO3和H2O发生化学反应生成（NH4)2SO4或NH4HSO4，减少了与NOX的反应机率；气态或颗粒状的NH4HSO4会随烟气流经预热器，不会对预热器产生影响。但液态NH4HSO4捕捉飞灰能力极强，会与烟气中的飞灰粒子相结合，造成预热器的腐蚀、堵灰，附着在催化剂表面，易堵塞催化剂的通道和微孔，降低催化剂的活性和脱硝效率。
（2）SCR脱硝装置进口的设置烟温，一般情况下都是在高负荷时满足较低的排烟温度进行设计的，这将导致机组在低负荷运行时SCR系统入口烟温低于最低运行温度而不能启动的问题。同时，在低负荷时将致使脱硝装置解列运行。这显然不能满足新的火电厂NOX的排放要求。
2.2 提高SCR入口烟温的应对策略

省煤器分组布置方式是将省煤器分两级布置，将部分省煤器移植到脱硝装置出口，减少工质吸热面积，以提高脱硝装置入口的烟气温度，保证脱硝装置在全负荷下均可运行，同时适当降低预热器入口烟气温度，提高机组的经济性。
一级省煤器布置在SCR装置脱硝出口和预热器之间，二级省煤器与原布置流程相同。通过调整二级省煤器的受热面积，来调节入口烟温，以此满足SCR的反应温度。该装置的优点是锅炉在不投油稳燃负荷到BMCR工况下安全运行，不影响锅炉运行的效率，在保证磨煤机干燥出力要求的前提下，能够进一步降低预热器入口烟温，提高锅炉效率。缺点是省煤器系统阻力有所提高，烟气侧阻力有所增加，在高负荷运行时，不具备烟温调节功能，存在烟气超温的风险，进而导致催化剂烧结失去活性，影响脱销效率[9]。

省煤器给水旁路的布置方式主要是通过旁路给水减少省煤器管束的吸热量，以此来提高省煤器出口烟温。优点是系统布置简单，增加旁路及调节阀即可，适合于单烟道布置的机组。缺点是省煤器出口工质升温较多，容易出现省煤器沸腾现象，混合不均匀对水动力容易产生影响。由于给水的换热系数为烟气换热系数的1/83，远小于烟气的换热系数，所以通过给水旁路来提高SCR反应的烟气温度效果不明显。由于给水旁路的存在，导致给水换热效果降低，增加了排烟损失，降低了锅炉热效率。

增加烟气侧旁路技术主要是从低温过热器出口与省煤器入口抽取高温烟气，减少经过省煤器用于给水加热的烟气，通过旁路与省煤器出口烟气混合，提高进入SCR反应区烟气的温度。该布置的优点是系统布置简单，烟温调节灵活，不影响高负荷锅炉效率，能有效防止低负荷时省煤器出口水温过高，出现沸腾现象。缺点是由于烟气不能给给水加热，必然会降低锅炉热效率（0.5％～1％），增加煤耗。易造成堵灰，影响系统稳定性。混合后进入SCR反应区的烟气会扰乱烟气流场，干扰脱硝系统的运行。高负荷时烟气容易超温，造成催化剂烧结。

提高省煤器入口前的给水温度可以减少给水在省煤器中的吸热量，从而减少烟气在省煤器处的热量损失，最终达到提高SCR反应器中烟气温度的目的。提高给水的主要措施有炉水给水混合提温，增加低压旁路省煤器，增加旁路高加三种措施。
炉水给水混合提温就是从锅炉下联箱抽取部分高温水与给水泵给水混合，以提高进入省煤器前的给水温度[14]。该方案已有运行经验，运行效果好。
增加低压旁路省煤器技术就是在空预器后电除尘前增加一低压省煤器，利用烟气余热加热给水，提高省煤器的给水温度，减少烟气换热量，进而提高省煤器出口烟气温度。这种方法不但提高进入SCR的烟气温度还能通过烟气余热提高机组的热效率，同时由于降低了进入除尘器前烟气温度，增加了除尘器的除尘效果。
旁路高加技术是利用高压缸抽气加热给水，此方法不但能够提高进入SCR反应器的烟气温度，还能进一步提高机组热效率（约1％），减少煤耗。
提高给水温度的方法投资成本高，温度提升一般，但能够提升机组的热效率，机组安全可靠性好。

高温烟气旁路就是在低温过热器前段抽出部分高温烟气通过烟气旁路与经过省煤器入口的低温烟气进行混合，以提高进入SCR脱硝系统的反应温度。高温烟气旁路增设混合器和旁路烟道，抽烟口安装可调开度的阀门，从而控制输入混合器的高温烟气流量，进而得到合适的烟温[15]。通过在SCR脱硝出口与空预器之间增设二级省煤器，可以充分利用烟气中的热量，提高给水温度，进一步提高省煤器出口烟温。
无论在最低烟温工况还是在最高烟温工况下，高温烟气旁路与SCR省煤器联合运行时，SCR的入口烟温和省煤器的出口水温均得到提高，基本完全实现了全运行工况下SCR入口烟温在340℃以上的催化剂高效运行要求，全年平均排烟温度得到下降，发电煤耗有所降低[16]。
3 低负荷时空气分级联合SCR脱硝的分析
随着锅炉负荷的降低，炉内燃料量减少，致使炉膛出口烟温降低，烟气经过过热器，再热器，省煤器等受热面换热后，烟气温度进一步下降，从而使进入SCR脱硝装置的入口烟温不能满足反应温度，影响SCR的脱硝效率。
采用空气分级燃烧技术，降低主燃区的过量空气系数（0.8～0.9）左右，从而减少主燃区燃烧份额，降低主燃区温度（100℃～200℃）左右，抑制了燃料型NOX的生成。随着炉膛上部燃尽风（15％～20％）的喷入，煤粉得以继续燃烧，降低了烟气中未燃尽的碳含量，并且使得屏低烟温相对未分级时提高80℃左右[17]。炉膛出口烟温的提高会提高进入SCR脱硝入口烟气的温度，所以，在低负荷时空气分级对SCR脱硝有一定的改善。
锅炉低负荷时，锅炉可能会出现突然熄火的现象。这时要合理的调整炉内的空气分级，在保证炉内稳燃的情况下，最大限度的降低NOX的排放，合理的提高炉膛出口烟温。另外，低负荷时，根据燃烧的煤种，合理的调整卫燃带的面积对炉内稳燃可以起到促进作用，并且一定程度上提高了炉膛的出口烟温[18]。
通过燃烧器摆角来调节炉膛出口烟温。一般燃烧器摆动可达（20o～30o)，炉膛出口烟温变化约110℃～140℃，调温幅度可达40℃～60℃。选择合适的吹灰策略在有利于提高过热器温升，再热器温升的同时也能提高进入SCR脱硝入口的温度。
总之，锅炉低负荷运行时，通过空气分级燃烧，合理的调整卫燃带面积，调整燃烧器摆角，选择最佳吹灰策略既能降低NOX的排放，也能提高SCR脱硝入口的烟温，保证低负荷时SCR的反应温度，确保炉外NOX的转化。
4 总结
减少NOX的排放已成为目前国内电站燃烧运行的主要任务。炉内空气分级燃烧联合炉外SCR脱硝成为降低NOX排放的主要技术。针对锅炉低负荷运行时，对尾部受热面进行改造，现得出以下结论：
（1） 采用空气分级时，主燃区过量空气系数设为0.9，燃尽风率为20％，采用两级燃尽风装置布置方式，合理调整燃尽风速，不但能降低NOX的排放，减少炉膛出口烟气中未燃尽碳的含量，而且能够提高炉膛出口的烟温，提高进入SCR脱硝系统的温度，提高脱硝效率。
（2） 采用高温烟气旁路和SCR省煤器联合运行的方法来提高SCR脱硝系统的入口烟温。联合布置方式基本上实现了全运行工况下SCR入口烟温在340℃以上的高效运行效率，在保证运行安全性、环保性的同时，还具有显著的经济性。
（3） 低负荷时合理的调整炉内的分级配风，调整卫燃带的面积，调整燃烧器的摆动角度

[1] 火电厂大气污染物排放标准（GB 13223-2021）执行说明
[2] 朱懿灏.空气分级低NOx燃烧技术在电厂的工程应用
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《煤炭发热量计算、测定新技术新方法与分级标准实用手册》作者:编委会
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第一节煤的一般性质
第二节煤的工业分析和元素分析
第三节煤的有机结构
第四节煤的工艺性质
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第一节煤炭的发热量概述
第二节煤的发热量测定的步骤、校正与结果计算
第三节热容量和仪器常用标定
第四节低位发热量的计算
第五节仪器的维护与常见故障处理
第六节发热量测定中的若干问题
第七节误差和数理统计基础知识
第八节比色分析

第九节火焰光度分析
第十节煤的发热量测定新方法
第三章煤炭发热量的计算和审查
第一节利用元素分析结果计算和审查煤的发热量
第二节利用工业分析结果计算和审查各类煤的发热量第三节计算各种煤低位发热量的其他公式
第四节计算商品煤发热量的公式
第五节利用工业分析计算0net,ad的国际公式
第六节煤炭发热量的各种“位”和基准的换算
第四章煤质检测新技术
第一节煤发热量的基本概念
第二节氧弹热量计
第三节量热温度计及其校正
第四节冷却校正值及其计算
第五节热容量的标定
第六节煤的发热量测定及计算
第七节绝热式热量计的使用
第八节自动热量计的使用
第九节自动质量计的完善化
第十节热量计综合性能检验
第五章煤炭发热量的各项反应分析技术
第一节煤的一般热解过程
第二节煤的热解一色谱
第三节热解反应器红外光谱联对煤热解的研究
第四节用热重法分析
第五节煤化过程的热解模拟
第六节煤的气化反应分析
第七节热重法对煤气化反应的分析
第八节差热分析法对煤和显微组分气化反应的分析第九节气化反应中的动力补偿
第十节煤的聚液化反应分析
第十一节煤的燃烧反应和表面形态变化
第十二节煤燃烧反应的动力学分析
第六章煤质分析技术检查方法
第一节煤质分析试验方法
第二节煤质化验实用技术
第三节煤质分析的一般规定
第四节煤质分析用天平
第五节化验室基础知识
第六节煤质化验室通用电热仪器
第七章煤炭化验常用工具、设备
第一节制样设备
第二节筛分设备
第三节电热设备
第四节测温仪表
第五节天平和砝码
第六节常用的器皿和用具
第八章煤炭化验结果的审核与计算第一节各项煤质指标间的相互关系第二节煤质分析结果的判断
第九章煤炭及其发热量评价分级标准第一节煤的分类指标
第二节煤的分类
第三节各种煤的特。性及用途
第四节炼焦煤种和配煤原理
第五节煤质评价的任务和内容
第六节煤质评价的方法
第七节煤质评价的举例
第十章煤炭试验方法标准及其说明第十一章煤炭法热量测定相关标准
探究实验设计之测定空气中氧气的含量
1．化学反应原理
如图5-1所示，利用磷燃烧消耗空气中的氧气，从而使容器内形成负压，打开止水夹后，水进入容器内。进入容器中的水的体积，可粗略地认为是空气中所含氧气的体积。

图5-1
2．实验仪器：集气瓶、燃烧匙、烧杯、玻璃管、乳胶管、止水夹。
实验药品：红磷、水。
3．探究方案：
⑴ 在集气瓶中放入少是水（用于溶解生成的五氧化二磷，同时可吸收燃烧产生的热，有利于瓶内降温），做上记号，并将瓶内剩余体积均分为五等分。
⑶ 用止水夹夹紧乳胶管，点燃燃烧匙内的红磷后，立即伸入集气瓶中并把塞子塞紧。观察到红磷燃烧，产生浓厚的白烟。
⑶红磷熄灭后，冷却至室温，打开止不夹，观察到水进入集气瓶内，最终水面在五分之一记号处。
4．探究评价：
该探究实验在反应原理上就存在错误。我们都知道，反应物浓度越小，反应的速率越慢。当燃烧持续进行时，氧气的浓度越来越小，氧化的速率也越来越小。一旦燃烧放出的热量不足以维持可燃物在着火点以上温度时，燃烧便停止了。这也是有些物质不能在空气中燃烧，但能在氧气中燃烧的原因。因此，从这个意义上说，利用燃烧试图除尽空气中的氧气，是很难达到目的的。维持红磷燃烧需要的氧气浓度相对较高，因此就更无法除尽氧气了。很多教师在做该实验时，都发现，最终水面停在十分之一处，而不是五分之一处，原因就在于此。
该实验装置可能发生气体泄漏的地方太多，加之燃烧的红磷伸入集气瓶中加热了内部的空气，使之外逸，都会导致实验的误差。
要做好该实验，关键要注意以下几点：
⑴ 用更易燃烧的可燃物代替红磷（如白磷）；
⑶ 装置的气密性要好；
⑶ 燃烧匙伸入集气瓶中的速度要快，并塞紧塞子。
5． 资源开发：
通过刚才的分析，我们知道，在做好本探究实验除用白磷代替红磷外，就是尽可能防止或减少气体泄漏的可能。我们可以利用以下装置来进行探究：
⑴ 用凸透镜将太阳光聚焦到白磷，使白磷燃烧。此法可以防止燃烧匙伸入集气瓶时气体的散逸。如图5-2。
⑵ 用水浴加热的办法使白磷燃烧，也可以防止燃烧匙伸入集气瓶内气体的散逸。白磷的着火点仅40℃，水温稍高，足以使白磷着火燃烧。如图5-3。做此实验时，盛白磷的广口瓶不能直接放入沸水中，也以免广口瓶因骤热而爆裂。可先用温水淋浴后，再将热水注入外面的大烧杯中。

⑶用钟罩代替集气瓶进行实验，如图5-4所示。钟罩下方敞口，气体受热膨胀时，可将水压出一部分从产生减压作用。用此法既减少了气体泄漏的可能，准确性比原实验方案高。
⑷ 在一端封闭的粗玻璃管内放一颗白磷，用胶塞塞住，并使从推入到玻璃管中部，记下位置。用酒精灯微微加热白磷，使之燃烧，同样可观察到白磷燃烧，有大量白烟生成，胶塞被推向外侧（右侧）。待装置冷却，胶塞逐渐向内侧（左侧）移动，根据胶塞停止时的位置，确定空气中氧气的体积。如图5-5。
这种方法在不透气的情况下进行，几乎可以完全防止漏气。但要注意的是，胶塞在干燥条件下很难塞入玻璃管内，可蘸少量水后向管内推入；推入时，还须在胶塞上插一根注射器针头，以便排出气体，待胶塞推到合适位置时，拔出针头即可。
做该实验时，玻璃管不宜太短，太短，加热时胶塞会被推出管外。
6．创新思维：
⑴ 利用缓慢氧气测定氧气的体积分数
如图5-6所示，取长10cm，宽1.5cm的铝箔，用细线系好。在其表面涂一层硝酸汞的药液，立即用滤纸将铝箔擦干，迅速放入粗玻璃管中，悬于玻璃管上部，立即插入盛水的小烧杯中，塞上塞子，静置观察。
① 铝跟空气中的氧气反应放出的热，使玻璃管壁变得温热；
② 玻璃管内水位慢慢上升，10min左右，水位上升停止。进入的水的体积约为玻璃管未浸入水中部分容积的1／5。
进行该实验时，应当注意：
硝酸汞溶液的浓度要大。铝箔表面涂硝酸汞溶液后要立即用滤纸擦干后再放入试管中，否则，铝跟硝酸汞反应置换出来的汞，在形成铝汞齐的条件下，铝会跟水反应产生氢气，使测定出的氧气体积分数偏低。
⑶ 利用蜡烛燃烧测定氧气的体积分数
蜡烛燃烧产生二氧化碳气体，常温下二氧化碳仅微溶于水，且溶解速度比较慢，因此一般不用蜡烛燃烧测定氧气的体积分数。但若能吸收二氧化碳，此法也不失为一种简便的方法。而且蜡烛易燃烧，取材方便，可鼓励学生在家自己动手实验。
如图5-7所示，在水槽中盛适量的稀氢氧化钠溶液，并滴入2～3滴酚酞试液，在小木片上固定一只短蜡烛（普通蜡烛1cm，生日蜡烛2～3cm），用火柴点燃蜡烛。
把集气瓶倒扣在小木块上方，并将瓶口水封。几秒钟后，蜡烛火焰熄灭，水位上升。且进入瓶中的液体变红色。
在水下用玻片盖上集气瓶，取出，量得集气瓶中水的体积，约为集气瓶容积的1／5。
若学生在家做此实验，可用茶杯代替集气瓶，用石灰水代替稀氢氧化钠溶液（若无石灰水，用清水效果也很好）。
该实验简便、粗略，可多次重复，容易被学生接受。缺点是，在盖上集气瓶开始时，由于气体膨胀，有气泡从瓶口冒出，导致实验测得的值偏大。
⑶用加热氧化法测空气成分
把长约2cm的一束细铜丝装进一根长约5～6cm的普通玻璃管中部，两端用两节橡皮管分别跟两只注射器（其中一只注射器留出50mL空气，另一只注射器不留空气）连接起来，使之成为一个密闭系统（如图5-8）。推动注射器活塞，空气可以通过装铜丝的玻璃管在两只注射器间来回传送，不会泄漏。

给装有细铜丝的玻璃管加热，待铜丝的温度升高以后，缓缓地交替推动两只注射器的活塞，使空气在铜丝上来回流动。经过5～6次以后，空气里的氧气可以全部与铜结合。
停止加热，冷至室温，读出残留的注射器里气体的体积数。减少的体积即为50mL空气中所含氧气的体积。由此可以推算出空气中氧气的体积分数。
做该实验时，要注意注射器不宜太小，太小体积变化不大，现象不明显。

    低含沙水流运动特性综述

刘兆存 徐永年　　时间：2007-11-25 12:12:00

摘要：本文着重综述了清水水流(在固定—可动边界条件下)、挟沙水流的流速分布特征、紊动特性、能量间分配关系等流动现象的内部规律，并系统分析比较了它们的异同，文中还兼论了卡门常数。
关键词：清水水流 挟沙水流 流动规律

1 引言
　　拟序结构的研究丰富了人们对湍流的认识，近年来非线性科学的发展对湍流研究起了很大的推动作用。流体运动过程中的流速能量分布关系及其规律和猝发的特征及性质，一方面是研究挟沙水流等的基础，另一方面本身有其重要的理论意义和实践意义，本文探讨低含沙水流和清水特性的异同。
2 猝发现象
　　猝发现象的具体描述参见有关文献[1]，研究表明：当Reh=uhυ(u为平均流速，h为水深)>10000时，用外部参量(u，h)无量纲化猝发周期T是不正确的，和混合参量(ν,h,u*,u)相比，最佳参量是用内部参量(ν,u*)无量纲化猝发周期并推导知：(u2*TB/υ≈190)(y+=yu*/υ≈+15)。[2]研究了零压力梯度下光滑平板和零压力梯度下表面糙度由粗糙向光滑转变时内部边界还未恢复局部平衡情形时的猝发规律。在猝发现象中，引射(Ejections)时对应的速度脉动为U′<0,V′＞0,扫掠时，(Sweeps)对应的速度脉动为U′>0,V′<0,U′、V′分别为流向和法向脉动速度。正是引射所引起的动量、能量、涡度交换对内外层的相互作用有重要影响，进而影响摩阻流速的大小。[3]观察发现，每一个流层(位于缓冲层)中的流条上升都和对数层中的扰动有关，他们发现猝发和对数层作用所引起的扫掠对下游很远处的猝发产生都有影响，和扫掠相联系的对数层中的高剪切区是由展向涡或上翘流向涡(例如部分发夹涡)所引起的。[4]猜测局部的逆压梯度是由于上举所产生或引起上举的原因。[5]指出广泛存在于近壁区中的是j-形涡而非如原来认为的大量马蹄形涡。Morrison,J.F,Subamanian,C.S,P.Bradshaw采用象限分析法分析了扫掠(u′>0,v′<0,(U′、V′)以+为上标表示)和引射(u′<0,v′<0,(U′,V′)以-为上标表示)对U、V值的影响(为方便计在本猝发部分以小写的u、v示脉动值，以大写U、V示平均流速值)，有
        这里

(1)
r++r-=r
(2)
r约为0.5。易知对于一般其它量也应当满足下式

(3)

这里n≥0,m≥0,=表示湍流平均，-表示非湍流平均(为简单计，这里只讨论光滑情形)。　　     在外区，引射较扫掠更频繁发生，因而对当地剪切贡献更大，在内层中，二者对剪应力贡献大致相等，发生总时间也大致相同。在整个边界层厚度中，引射较扫掠对u′2和v′2贡献更大，二者之和约为40%的u2-uv和v2]-uv，由图1中易知引射和扫掠控制着能量和切应力的惯性传输。

图1 三次积
Triple products

经过推导知

(4)

　　由式可知：卡门常数是流体运动内部流场特性的参数，从一个局部平衡区到另一个局部平衡区，卡门常数也在变化，即卡门常数是一个反映流体运动特性的局部量，是空间点坐标和时间的函数，但卡门常数又是流体运动性态的一个系统整体参数，而非独立的变量。准确地讲，又称之为卡门参数。［6］分析了、和的谱分布情形(无压强梯度的平板流动)指出，不同的边界情形有不同的流动，似乎显示了不同边界表面粗糙情形不仅影响边界层内部物理量分布不同，而且外层的物理量分布也不同。
　在边壁可动情形下的猝发情况研究近来也取得了一些成果，[7]研究了在不同密度的淤泥质床面上水流运动的猝发周期并和刚性床面的结果作了比较。结果表明，按内部参量T+B=u2*/v无量纲化的猝发周期，较同条件的清水在近壁区明显增大。
　　文献[8]的研究结果表明，悬浮泥沙的尺寸和波数增加，将使底壁水流更容易猝发，流动雷诺数增加将抑制猝发；泥沙的纵向流速比水流纵向流速大得愈多，愈不容易导致流体猝发的形成，但当泥沙的纵向流速比水流的纵向流速为小时(天然情形中常常这样)，较易导致猝发的产生。[9]的研究表明，泥沙尺寸在一定范围内愈大，将使猝发次数增加，使湍流度和雷诺应力增加；泥沙