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1、1,第六章 燃烧过程的基本理论,2,燃烧反应是一种发光放热的高速化学反应，同时伴随各种物理过程 均相燃烧 燃料和氧化剂物态相同，如气体燃料在空气中燃烧 多相燃烧 燃料和氧化剂物态不同，如固体燃料在空气中燃烧,第一节 化学反应速度及其影响因素,一、化学反应速度,化学反应速度 在反应系统单位体积中物质（反应物或生成物）浓度的变化率，单位是mol /（m3s） 对于反应式 反应速度为 CA、CB、CG、CH 分别为反应物A、B和生成物G、H的浓度，mol/m3 、b、g、h 分别为相应的化学计量系数,3,化学反应速度不仅取决于参加反应的原始反应物的性质，而且与反应系统的条件有关。重要条件是： （1）
2、反应物的浓度； （2）温度； （3）压力； （4）是否有催化反应或连锁反应。,4,二 质量作用定律,质量作用定律 反映浓度对化学反应速度的影响 质量作用定律: 在温度不变时，化学反应速度与参加反应各反应物浓度乘积成正比，各反应物浓度的幂指数等于其相应的化学计量系数,对反应 质量作用定律可用下式表示 式中：k 为反应速度常数，表示单位物质浓度时的反应速度,在温度不变的情况下，反应物的浓度越高，分子的碰撞机会越多，化学反应速度就越快。,5,对于以下的化学计量方程式：其中正反应速度为 逆反应速度为 化学反应平衡时， ，平衡常数 化学反应的合成速度等于正、逆反应速度之差，它在反应过程中不断减少，最后变
3、为零。这时正、逆反应速度相等，也就是达到化学平衡状态,6,多相反应质量作用定律,7,三 阿累尼乌斯定律,阿氏定律 反映温度对化学反应速度的影响,反应物浓度不变时，反应速度常数k 随温度变化的关系 式中 k0频率因子，近似为一常数 R、T、 E 通用气体常数、热力学温度、活化能,活化能 E 能够破坏原有化学键并建立新化学键所必须消耗的能量，具有活化能的分子为活化分子。活化能 E与反应物种类有关，挥发分含量小的煤，E大。 在一定的温度下，活化能 E越大，则反应速度常数 k值越小，反应速率越小；而在一定的活化能 E下，温度越高，则反应速度常数k值越大，反应速率越大,8,四 压力对反应速度的影响,在反
4、应容积不变的情况下，反应系统压力增高，就意味着反应物浓度增加，化学反应速度增加 。,9,五、催化作用 如果把某些称为催化剂的少量物质加到反应系统去，使化学反应速度发生变化，则这种作用称为催化作用。 催化剂可以影响化学反应速度，但化学反应却不能改变催化剂本身。催化剂可以改变反应物的活化能。,10,连锁反应可以使化学反应自动连续加速进行。 机理：在化学反应中，由于某种作用（热力活化、光子作用或者某种激发作用），使反应物形成了初始的活化分子，在某些比较有利的情况下，活化分子能够使化学反应过程开始出现一系列的中间反应，这些中间反应大都是一些极简单的化学反应。在中间反应过程中，同时会产生一些新的活化分子
5、，形成活化链，而这些活化分子需要的活化能又较少，所以一旦形成了活化链，反应就可以自动连续加速进行，直到反应物耗尽或链锁中断为止。,从链锁反应机理可知，其反应过程可分为三个阶段： （1）链的激发形成过程。 （2）链的传递过程。 （3）链的断裂过程。 连锁反应按再生的活化分子数目等于或大于消耗的活化分子数目，可分成不分支连锁反应和分支连锁反应。,六、连锁反应,11,不分支链锁反应 氢和氯光化合反应，成为氯化氢，其化学反应计量方程式为,12,分支链锁反应最典型的例子是氢的燃烧反应,13,第二节 煤、焦炭和煤粉的燃烧 一、煤燃烧过程的四个阶段,预热干燥 煤被加热至100左右，煤粒表面及煤粒缝隙间的水被
6、逐渐蒸发出来。大量吸热,挥发份析出并着火 温度升至一定值，煤中挥发分析出，同时生成焦碳（固定碳）。挥发分的释放量及成分主要取决于升温速度。不同的煤，开始析出挥发分的温度不同，达到一定温度，析出的挥发分就着火、燃烧。对应的温度称煤的着火温度，不同煤的着火温度不同。少量吸热,燃烧 挥发份首先燃烧造成高温，包围焦炭的挥发分基本烧完且燃烧产物离析后，碳开始着火、燃烧。大量放热,燃尽 残余的焦炭最后燃尽，成为灰渣。少量放热,上述各阶段实际是交叉进行的；其中着火和燃尽是最重要的两个阶段，着火是前提，燃尽放热是目的 。,14,二、 碳的燃烧反应,附加反应 C 及 C O 与空气中的水蒸汽产生的反应 C +
7、H2 O CO + H2 C + 2 H2 O CO2 + 2 H2 CO + H2O CO2 + H2,一次反应 在一定温度下，碳和氧的化学反应可能有两种 C + O2 CO2 C + O2 CO,二次反应 一次反应的生成物CO2、CO与初始反应物碳和氧 再次发生反应 C + CO2 2 CO CO + O2 CO2,15,三、碳的多相燃烧特点 多相燃烧反应的特征是：物质在分界表面上发生反应，多相反应可以在物质外表面上进行，也可以在物质内部表面上进行。由下列几个连续的阶段组成：1）参与燃烧反应的气体分子（氧）向碳粒表面的转移与扩散；2）气体分子（氧）被吸附在碳粒表面上；3）被吸附的气体分子（
8、氧）在碳表面发生化学反应，生成燃烧产物；4）燃烧产物从碳表面上解吸附；5）燃烧产物离开碳表面，扩散到周围环境中。,16,四、多相燃烧反应的燃烧区域 在多相燃烧中，根据燃烧条件的不同可以将多相燃烧分成三种燃烧区域：动力燃烧区域、扩散燃烧区域和过度燃烧区域。,1动力燃烧区域 在燃烧过程中，当燃烧反应的温度不高时，化学反应速度不快，此时氧的供应速度远远大于化学反应中氧的消耗速度，亦即扩散能力远大于化学反应能力，即远大于k,这时燃烧工况所处区域称为动力燃烧区域。 在动力燃烧区域中，燃烧反应速度决定于化学反应速度，可以认为与扩散速度无关。 动力燃烧区域发生在低温区，在此区域内，提升温度是强化燃烧反应的有
9、效措施。,17,图6-2 多相燃烧过程各燃烧区域的氧浓度变化1动力燃烧区域；2，3过渡燃烧区域；4扩散燃烧区域,图6-3 碳粒表面的燃烧速度,18,2扩散燃烧区域 如果影响燃烧过程进行的主要因素是扩散，此时燃烧反应的温度已经很高，化学反应能力远大于扩散能力，即k远大于，这时的燃烧区域称为扩散燃烧区域。 在扩散燃烧区域，要强化燃烧，就必须加大风速，加强碳粒与氧的扰动混合。,3过度燃烧区域 在过度燃烧区域内，氧的扩散速度和碳粒的化学反应速度较为接近，哪一个都不能忽略，参加反应的氧在碳粒表面的浓度小于周围介质的氧浓度。 要强化过度区域的燃烧，提高温度和强化碳粒与氧的扰动混合，同样都是重要措施。,19
10、,煤的燃烧特点,煤中含有水分 煤的燃烧过程中，水蒸气很易和C及燃烧产物CO作用，生成CO2和H2，H2再与CO或CO2反应。这种催化作用，使燃烧反应更加复杂并改变化学反应速度,煤中含有挥发分 挥发分对煤的着火燃烧有利；但另一方面，挥发分析出燃烧，消耗了大量氧气，并增加了氧气向煤粒表面的扩散阻力，使燃烧过程的初期焦碳的燃烧速度下降,煤中含有矿物杂质 在燃烧过程会生成灰，灰层包裹着碳粒，会妨碍氧向碳粒表面的扩散，或使碳粒反应表面减少，使燃烧难以进行，燃尽困难,20,煤是一种多孔性物质 它受热时产生的水蒸气和挥发分，不但向煤粒表面四周的空间扩散，而且还会向煤粒的内部空隙扩散。,21,煤粉的燃烧特点,
11、锅炉燃用煤粉的颗粒很小（30100m），炉膛温度又很高，煤粉在炉膛中的加热速度可以达到（104/s或更高），总的挥发分释放时间小于1秒，而且挥发分很快地由炭粒表面逸出,煤粉快速加热时，煤中挥发分的含量和成分都与慢速加热的挥发分常规测试方法不同,煤粉快速加热时，挥发分析出、着火和碳的着火燃烧几乎是同时的，其中极小的煤粉甚至可能先着火燃烧 煤燃烧的四个阶段不明显，挥发分析出过程几乎延续到燃烧的最后阶段,煤粉快速加热时，焦碳在孔隙结构方面与慢速加热有很大差别,煤粉火焰中挥发分的析出曲线,22,煤粉气流的着火 由缓慢的氧化状态转化到快速的燃烧状态的瞬间过程称为着火，转变时的瞬间温度称为着火温度,第三节
12、 燃烧过程着火和熄火的热力条件,23,煤粉气流的着火温度,放热曲线Q1是一条指数曲线，散热曲线Q2接近于直线,点2对应的温度即为着火温度Tzh,Tb=Tb1（很低），散热线 与 Q1 交点1为稳定平衡点，煤粉处于低温缓慢氧化状态,Tb=Tb2 ，散热线 与 Q1 交点2为不稳定平衡点，只要稍增加系统的温度， Q1 Q2 ，反应将自动加速过渡到点3高温稳定平衡点，此时，只要保证煤粉和空气的不断供应，最后将稳定在高温燃烧状态,24,煤粉气流的熄火温度,Tzh 、Txh是在一定测试条件下的相对特征值， Txh大于Tzh。 强化着火的措施 在散热条件不变的情况下，增加可燃混合物的初温、浓度和压力，加强
13、放热 在放热条件不变时，提高燃烧室的保温，减少放热,Tb=Tb2、强化散热，散热线 与 Q1 交点4为不稳定平衡点，只要反应系统温度稍降低， Q1 Q2 ，反应系统温度急剧下降过渡到点5低温稳定平衡点，此时，煤粉只能产生缓慢地氧化，而不能着火和燃烧，从而使燃烧过程中止（熄火） 点4对应的温度即为熄火温度Txh,25,煤粉气流通过湍流扩散和回流，卷吸周围高温烟气；同时受到炉膛四壁及高温火焰辐射，被迅速加热至着火。 着火过早，烧坏喷口，也易结渣；着火太迟，增大机械不完全燃烧损失，火焰中心上移，对流受热面结渣。 实验发现，煤粉气流的着火温度要比煤的着火温度高一些。 为了使煤粉气流被更快加热到煤粉颗粒
14、的着火温度，总是不把煤粉燃烧所需的全部空气都与煤粉混合来输送煤粉，而只是用其中一部分来输送。这部分空气称为一次风，其余的空气称为二次风和三次风。,第四节 影响煤粉气流着火的因素,26,煤粉气流着火热,式中 Br每台燃烧器的燃料消耗量，kg/h r燃烧器送入炉内的空气所对应的过量空气系数 rl一次风量占炉膛出口相应总风量的百分比；c1K 、 Cq 、 cd 一次风、蒸汽及煤的比热，J/Nm3K） Mar、 Mmf 煤的收到基水分，%、煤粉的水分，% Tzh着火温度，K T0煤粉一次风气流初温，K,煤粉气流的着火热为将煤粉气流加热到着火温度所需的热量对于热风送粉，煤粉气流的着火热为,27,第一项为加热煤粉和一次风所需热量 第二项为煤粉中水分蒸发、过热所需热量,煤粉气流着火热,28,煤特性、散热条件及初温对着火的影响,燃料的性质 挥发分含量Vdaf 小；水分、灰分含量高；煤粉细度大，则煤粉气流着火温度提高，着火热增大，着火所需时间长，着火点离开燃烧器喷口的距离增大,炉内散热条件 减少炉内散热，有利于着火。敷设卫燃带是稳定低挥发分煤着火的有效措施，但需预防结渣,
