第五章 燃燒理論基礎(chǔ)

第五章燃燒理論基礎(chǔ)第一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四復(fù)習(xí)1，幾種熱損失。為了減小熱損失，鍋爐燃燒需要作到：穩(wěn)定著火、快速燃盡。2，為實(shí)現(xiàn)該目的，需尋找強(qiáng)化燃燒的方法，這就要認(rèn)識(shí)燃燒過程的本質(zhì)。從而，需要學(xué)習(xí)基礎(chǔ)燃燒理論。第二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四第五章燃燒理論基礎(chǔ)【內(nèi)容】1化學(xué)反應(yīng)速度概念2影響化學(xué)反應(yīng)速度的因素3連鎖反應(yīng)理論4可燃混合物著火5火焰的傳播速度6煤的燃燒過程7碳粒的燃燒過程8煤粉氣流的著火和燃燒第三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四

第一節(jié)、化學(xué)反應(yīng)速度燃燒反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)一樣，根據(jù)參加反應(yīng)的物質(zhì)不同分為：均相燃燒—?dú)怏w燃料在空氣中燃燒多相燃燒—固體燃料在空氣中燃燒，煤粉燃燒第四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四一、反應(yīng)速度的定義根據(jù)質(zhì)量作用定律，反應(yīng)速度有不同的定義方式：第一種定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)和單位體積內(nèi)燃燒掉的燃料量或消耗的氧量第五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四舉例：在鍋爐燃燒技術(shù)采用爐膛容積熱負(fù)荷來表示燃燒反應(yīng)速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)和單位體積內(nèi)燃燒掉的燃料所釋放出的熱量第六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四在一定的溫度下，化學(xué)反應(yīng)速度和各反應(yīng)物的濃度成正比1867年由Guldberg和Wage提出對(duì)均相反應(yīng)：A+A+A+A++A+B+B+B+B+B++B→ba第二種定義：第七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四

對(duì)于多相燃燒反應(yīng)－煤粉與空氣混合物第八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)影響化學(xué)反應(yīng)速度的主要因素1，濃度從前面反應(yīng)速度的定義式，可知：濃度越大，反應(yīng)速度越快。原因：燃燒反應(yīng)屬雙分子反應(yīng)，只有當(dāng)兩個(gè)分子發(fā)生碰撞時(shí)，反應(yīng)才能發(fā)生。濃度越大，即分子數(shù)目越多，分子間發(fā)生碰撞的幾率越大。第九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四2．壓力氣態(tài)物質(zhì)參加的反應(yīng)，壓力升高，體積減少，濃度增加，壓力對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度的影響與濃度相同。對(duì)理想氣體混合物中的每個(gè)組分可以寫出其狀態(tài)方程：第十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四3．溫度3.1阿累尼烏斯定律溫度增加，反應(yīng)速度近似成指數(shù)關(guān)系增加，體現(xiàn)在反應(yīng)速度常數(shù)阿累尼烏斯定律(瑞典物理化學(xué)家1889年提出)第十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四3.2阿累尼烏斯定律的討論-活化分子、活化能氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度、動(dòng)能有大有?。粍?dòng)能超過某一數(shù)值（活化能E）足以破壞原有結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)的分子稱為活化分子；（能量達(dá)到或超過活化能E的分子）E——活化能，使分子達(dá)到活化狀態(tài)所需要的最小能量分子發(fā)生反應(yīng)，要提高能量，每摩爾氣體分子所吸收的這部分能量---活化能E；化學(xué)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。第十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四第十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四第十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)熱力著火

一．熱力著火理論的實(shí)用性煤粉燃燒過程的著火主要是熱力著火

著火過程有兩層意義：一是著火是否可能發(fā)生？二是能否穩(wěn)定著火？

第十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四二、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火的兩個(gè)條件

可燃混合物燃燒過程的發(fā)生與停止，即著火與滅火，燃燒能否穩(wěn)定地進(jìn)行，取決于燃燒過程中所提供的熱力條件。燃燒中同時(shí)存在著放熱和散熱，在不同的階段存在著二者的不同工況。第十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四A、放熱量和散熱量達(dá)到平衡，放熱量等于散熱量。

B、放熱量隨系統(tǒng)溫度的變化率大于散量熱隨系統(tǒng)溫度的變化率。

如果不具備這兩個(gè)條件，即使在高溫狀態(tài)下也不能穩(wěn)定著火，燃燒過程將因火焰熄滅而中斷，并不斷向緩慢氧化的過程發(fā)展。二、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火的兩個(gè)條件第十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四三、著火溫度與熄火溫度放熱>散熱，系統(tǒng)升溫，反應(yīng)加速，但同時(shí)散熱也在增加，必達(dá)到平衡；放熱<散熱，系統(tǒng)降溫，反應(yīng)減速，但同時(shí)散熱也在減少，也必達(dá)到平衡；系統(tǒng)在不同條件下達(dá)到不同的平衡狀態(tài)，可能是有利的，燃燒穩(wěn)定在正常工況，可能是不利的，燃燒處于熄火狀態(tài)。第十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四1、放熱與散熱曲線以強(qiáng)烈摻混的零維系統(tǒng)（煤粉空氣混合物在燃燒室內(nèi)）為例說明：1．放熱與溫度的關(guān)系，燃燒室內(nèi)可燃混合物單位容積燃燒放熱量為：tQQ1第十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四2．散熱與溫度的關(guān)系向周圍介質(zhì)散失的熱量（對(duì)流+輻射）tQQ2第二十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四第二十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四四、可燃混合物著火與滅火分析將兩組曲線綜合在一起，可能存在以下三種情況：1）熄火狀態(tài)；2）可能著火，正常燃燒；也可能熄火；3）正常燃燒第二十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四熱力著火的過程I、當(dāng)Tb1時(shí)（環(huán)境溫度很低時(shí)），Q2a，1點(diǎn)；Q1=Q2a為平衡點(diǎn)1點(diǎn)左邊，Q1>Q2a自動(dòng)回到1點(diǎn)1點(diǎn)右邊，Q1<Q2a自動(dòng)回到1點(diǎn)1點(diǎn)為穩(wěn)定的不著火狀態(tài)，發(fā)生緩慢化學(xué)反應(yīng)。第二十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四熱力著火的過程II、當(dāng)Tb2時(shí)（環(huán)境溫度提高時(shí)），Q2b，2點(diǎn)，Q1=Q2b；3點(diǎn)，Q1=Q2b；2點(diǎn)為不穩(wěn)定點(diǎn)2點(diǎn)左邊，Q1>Q2b自動(dòng)回到2點(diǎn)2點(diǎn)右邊，Q1>Q2b自動(dòng)回到3點(diǎn)3點(diǎn)對(duì)應(yīng)穩(wěn)定的著火狀態(tài)2點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度為著火臨界溫度——著火溫度Tzh。第二十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四熱力著火的過程III、Tb2不變，改變散熱條件時(shí)，Q2c，4點(diǎn)：Q1=Q2c，5點(diǎn)：Q1=Q2c4點(diǎn)右邊，Q1<Q2c，回到4點(diǎn)4點(diǎn)左邊，Q1<Q2c，自動(dòng)到5點(diǎn)，5點(diǎn)為穩(wěn)定不著火狀態(tài)5點(diǎn)左邊，Q1>Q2c，自動(dòng)回到5點(diǎn)4點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度為臨界滅火溫度——熄火溫度Tmh。Tmh>Tzh第二十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四五、關(guān)于著火溫度的說明著火溫度不是物性參數(shù)，隨所處熱力條件的變化而不同，各種實(shí)驗(yàn)方法所測(cè)得的著火溫度值的出入很大，過分強(qiáng)調(diào)著火溫度意義不大，如，褐煤堆，如果通風(fēng)不良，接近于絕熱狀態(tài)，孕育時(shí)間長(zhǎng)，著火溫度可低于大氣溫度。第二十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四著火溫度的概念可以使著火過程的物理模型大大簡(jiǎn)化。嚴(yán)格上，只說著火的臨界條件或著火條件：使系統(tǒng)在某個(gè)瞬時(shí)或空間某部分達(dá)到高溫的反應(yīng)狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)這一過渡過程的初始條件或邊界條件為著火條件。第二十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四第二十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四六、放熱反應(yīng)與吸熱反應(yīng)隨反應(yīng)的進(jìn)行，放出能量，抵償E后，多余的為反應(yīng)熱（發(fā)熱量）——放熱反應(yīng)反之為吸熱反應(yīng)活化能小，化學(xué)反應(yīng)速度較快，當(dāng)E<4×104kJ/mol，極快；活化能大，化學(xué)反應(yīng)速度較慢，當(dāng)E>4×104kJ/mol，極慢；第二十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四第四節(jié)、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（連鎖反應(yīng)）一、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論的產(chǎn)生許多化學(xué)反應(yīng)，幾乎所有的燃燒反應(yīng)，均不簡(jiǎn)單地服從質(zhì)量作用定律和阿累尼烏斯定律。如：氫氣與空氣的反應(yīng)在某些溫度和壓力下爆炸，在另一些溫度和壓力下不爆炸，如：冷焰，低溫時(shí)，磷、乙醚的蒸汽氧化。第三十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四二、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理活化來源在反應(yīng)過程中產(chǎn)生，中間產(chǎn)物—活化中心，活化中心與反應(yīng)物分子發(fā)生反應(yīng)，本身消失，反應(yīng)的結(jié)果又產(chǎn)生新的活化中心通過活化中心進(jìn)行反應(yīng)要比原作用物直接反應(yīng)容易得多，只需較少的活化能第三十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四三、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的分類新的活化中心的數(shù)目等于或大于原有的活化中心的數(shù)目不分支反應(yīng)分支反應(yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)分為第三十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四四、氫氣與空氣的反應(yīng)——分支鏈?zhǔn)?/p>

爆炸反應(yīng)反應(yīng)開始H原子為活化中心，M為任何活化分子中間反應(yīng)一個(gè)H參加反應(yīng)，經(jīng)過一個(gè)鏈后形成H2O，又同時(shí)產(chǎn)生三個(gè)H活化中心，再引起三個(gè)分支反應(yīng)第三十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四五、分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的特點(diǎn)1、存在孕育期（誘導(dǎo)期，感應(yīng)期），當(dāng)活化中心積累到一定程度，才發(fā)生反應(yīng)。2、反應(yīng)自動(dòng)加速，并可以在等溫下加速到極大的數(shù)值。第三十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四第五節(jié)火焰?zhèn)鞑?/p>

一．火焰?zhèn)鞑ダ碚摰膶?shí)用性燃料燃燒過程中，火焰的穩(wěn)定性與火焰?zhèn)鞑ニ俣汝P(guān)系極大。電廠燃燒系統(tǒng)的安全運(yùn)行也與火焰?zhèn)鞑ニ俣汝P(guān)系密切。例如，煤粉管道中某一處著火后，火焰迅速蔓延、擴(kuò)散，導(dǎo)致制粉系統(tǒng)著火或爆炸。了解火焰?zhèn)鞑サ闹R(shí)，有助于掌握燃燒過程的調(diào)整要領(lǐng)，對(duì)穩(wěn)定著火和防止爆燃極為重要。第三十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四二、火焰?zhèn)鞑サ男问綄恿骰鹧鎮(zhèn)鞑?/p>

緩慢燃燒的火焰?zhèn)鞑ナ且揽繉?dǎo)熱或擴(kuò)散使未燃?xì)怏w混合物溫度升高。層流火焰?zhèn)鞑ニ俣纫话銥?0～100cm/s。湍流火焰?zhèn)鞑ヒ话銥?00cm/s以上。

第三十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四三、爐膛內(nèi)的火焰?zhèn)鞑?．正常的火焰?zhèn)鞑ィň徛紵┦侵缚扇嘉镌谀骋痪植繀^(qū)域著火后，火焰從這個(gè)區(qū)域向前移動(dòng)，逐步傳播和擴(kuò)散出去2．反應(yīng)速度失去控制的高速爆炸性燃燒出現(xiàn)爆炸性燃燒時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O快，達(dá)1000~3000m/s，溫度極高，達(dá)6000℃；壓力極大，達(dá)2.0265ＭPa(20.67大氣壓)。3．正常燃燒向爆炸性燃燒的轉(zhuǎn)變當(dāng)未燃混合物數(shù)量增多時(shí)，絕熱壓縮將逐漸增強(qiáng)，緩慢的火焰?zhèn)鞑ミ^程就可能自動(dòng)加速，轉(zhuǎn)變?yōu)楸ㄐ匀紵?/p>

第三十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四四、煤粉氣流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩?/p>

揮發(fā)分含量

灰分、水分

煤粉細(xì)度

爐膛溫度

第三十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四第三十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四

第六節(jié)煤粉的燃燒

一、煤粉的燃燒過程

煤粉受熱，水分析出→繼續(xù)受熱，絕大部分揮發(fā)分析出，揮發(fā)分首先著火→引燃焦碳，并繼續(xù)析出殘余的部分揮發(fā)分，揮發(fā)分與焦碳一道燃盡→形成灰渣。第四十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四

二、煤粉的燃燒時(shí)間

著火過程主要取決于煤中可燃基揮發(fā)分的大小，而燃盡過程主要取決于焦碳的燃燒速度。

第四十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四三、煤粉燃燒的主要特征

煤粉顆粒必須首先吸熱升溫，通過對(duì)流、輻射、熱傳導(dǎo)方式使新鮮燃料受熱升溫。煤粉顆粒中水分首先析出，大約在120-450℃的溫度范圍內(nèi)，煤中的揮發(fā)分析出，揮發(fā)分析出后，剩余的固態(tài)物形成焦碳。

第四十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四第四十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四一、煤燃燒的主要階段揮發(fā)份釋放及大部分燒掉所占時(shí)間約為總?cè)紵龝r(shí)間的十分之一，絕大部分時(shí)間為焦碳的燃燒。一般認(rèn)為是串聯(lián)，也有交叉過程加熱蒸發(fā)揮發(fā)份釋放焦化蒸發(fā)揮發(fā)份燃燒焦碳燃燒空氣煤煙氣灰渣第七節(jié)碳粒燃燒的動(dòng)力區(qū)、擴(kuò)散區(qū)和過渡區(qū)第四十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四

一、碳燃燒的反應(yīng)環(huán)節(jié)

大致分為幾個(gè)串聯(lián)環(huán)節(jié)：1）氧氣擴(kuò)散到焦碳表面；2）氧氣被碳表面吸附；3）在碳表面化學(xué)反應(yīng)4）燃燒產(chǎn)物由焦碳表面解吸附，5）二氧化碳向周圍擴(kuò)散。碳反應(yīng)速度決定于（1）和（3），總體速度決定于二者較慢的一個(gè)。第四十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四二、燃燒反應(yīng)的動(dòng)力區(qū)和擴(kuò)散區(qū)

描述異相燃燒過程中混合擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)環(huán)節(jié)第四十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四1．碳粒表面化學(xué)反應(yīng)速度表達(dá)式異相化學(xué)反應(yīng)：碳表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所消耗氧量應(yīng)等于擴(kuò)散到表面氧量二者相等：第四十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四固體表面氧氣濃度Cb隨化學(xué)反應(yīng)速度不同而變化的關(guān)系復(fù)雜，且不必知道不同反應(yīng)區(qū)域分析—?jiǎng)恿εc擴(kuò)散燃燒理論第四十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四1）動(dòng)力區(qū)（化學(xué)動(dòng)力控制區(qū)）溫度較低：碳表面化學(xué)反應(yīng)速度遠(yuǎn)小于氧氣向表面的擴(kuò)散速度，氧氣供應(yīng)充分，足夠反應(yīng)所需。燃燒速度取決于化學(xué)反應(yīng)速度，反應(yīng)處于動(dòng)力區(qū)。K很?。囟群艿停?，1/k很大，所以氧氣從遠(yuǎn)處擴(kuò)散到固體表面，消耗不多k服從阿定律的，與k的規(guī)律一樣第四十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四2）擴(kuò)散區(qū)（擴(kuò)散控制區(qū)）溫度增加，k急劇增大，耗氧量急劇增加，消耗掉擴(kuò)散來的氧氣，還處于“待料”，燃燒速度取決于擴(kuò)散，反應(yīng)處于擴(kuò)散區(qū)。k很大（溫度很高），1/k很小，所以，

與溫度T的關(guān)系十分微弱，而且擴(kuò)散燃燒速度隨的增大而增大第五十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四3）過渡區(qū)k與αks大小相差不多，服從：第五十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四第五十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四第五十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四動(dòng)力與擴(kuò)散燃燒理論應(yīng)用討論不同溫度區(qū)域內(nèi)，為提高反應(yīng)速度，有不同的措施：溫度較低時(shí)，提高燃燒速度的關(guān)鍵：提高溫度，氧氣很充足，不必大量鼓風(fēng)；溫度較高時(shí)，提高燃燒速度的關(guān)鍵：提高，缺氧是關(guān)鍵，要提高出力，應(yīng)大量鼓風(fēng)。第五十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四

第八節(jié)碳粒的一次反應(yīng)和二次反應(yīng)機(jī)理一、碳粒一次反應(yīng)機(jī)理將碳和氧氣之間的直接反應(yīng)稱為一次反應(yīng)。一次反應(yīng)產(chǎn)物繼續(xù)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)稱為二次反應(yīng)。

第五十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四1、溫度在1300℃以下時(shí)的反應(yīng)第一步是形成碳氧絡(luò)合物。即被碳粒所吸附的氧分子溶入碳粒晶格中，形成碳氧絡(luò)合物：

(5-24)第五十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四第二步是碳氧絡(luò)合物的離解。即在高能量氧分子撞擊下，碳氧絡(luò)合物發(fā)生離解：

第五十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四以上兩個(gè)方程式相加：第五十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四2、溫度在1600℃以上時(shí)的反應(yīng)

第一步仍然是形成碳氧絡(luò)合物。第二步同樣是碳氧絡(luò)合物在高溫下受熱分解：以上兩式相加：第五十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星