第五章 燃燒理論基礎

第五章燃燒理論基礎第一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四復習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，為實現(xiàn)該目的，需尋找強化燃燒的方法，這就要認識燃燒過程的本質(zhì)。從而，需要學習基礎燃燒理論。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【內(nèi)容】1化學反應速度概念2影響化學反應速度的因素3連鎖反應理論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)、化學反應速度燃燒反應和化學反應一樣，根據(jù)參加反應的物質(zhì)不同分為：均相燃燒—氣體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、反應速度的定義根據(jù)質(zhì)量作用定律，反應速度有不同的定義方式：第一種定義：單位時間內(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：在鍋爐燃燒技術采用爐膛容積熱負荷來表示燃燒反應速度：單位時間內(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，化學反應速度和各反應物的濃度成正比1867年由Guldberg和Wage提出對均相反應：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

對于多相燃燒反應－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)影響化學反應速度的主要因素1，濃度從前面反應速度的定義式，可知：濃度越大，反應速度越快。原因：燃燒反應屬雙分子反應，只有當兩個分子發(fā)生碰撞時，反應才能發(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，壓力升高，體積減少，濃度增加，壓力對化學反應速度的影響與濃度相同。對理想氣體混合物中的每個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，反應速度近似成指數(shù)關系增加，體現(xiàn)在反應速度常數(shù)阿累尼烏斯定律(瑞典物理化學家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動速度、動能有大有??；動能超過某一數(shù)值（活化能E）足以破壞原有結(jié)構發(fā)生反應的分子稱為活化分子；（能量達到或超過活化能E的分子）E——活化能，使分子達到活化狀態(tài)所需要的最小能量分子發(fā)生反應，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；化學動力學的基礎。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、實現(xiàn)穩(wěn)定著火的兩個條件

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)定地進行，取決于燃燒過程中所提供的熱力條件。燃燒中同時存在著放熱和散熱，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、實現(xiàn)穩(wěn)定著火的兩個條件第十七頁，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，反應加速，但同時散熱也在增加，必達到平衡；放熱<散熱，系統(tǒng)降溫，反應減速，但同時散熱也在減少，也必達到平衡；系統(tǒng)在不同條件下達到不同的平衡狀態(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．散熱與溫度的關系向周圍介質(zhì)散失的熱量（對流+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Tb1時（環(huán)境溫度很低時），Q2a，1點；Q1=Q2a為平衡點1點左邊，Q1>Q2a自動回到1點1點右邊，Q1<Q2a自動回到1點1點為穩(wěn)定的不著火狀態(tài)，發(fā)生緩慢化學反應。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Tb2時（環(huán)境溫度提高時），Q2b，2點，Q1=Q2b；3點，Q1=Q2b；2點為不穩(wěn)定點2點左邊，Q1>Q2b自動回到2點2點右邊，Q1>Q2b自動回到3點3點對應穩(wěn)定的著火狀態(tài)2點對應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，Q2c，4點：Q1=Q2c，5點：Q1=Q2c4點右邊，Q1<Q2c，回到4點4點左邊，Q1<Q2c，自動到5點，5點為穩(wěn)定不著火狀態(tài)5點左邊，Q1>Q2c，自動回到5點4點對應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，各種實驗方法所測得的著火溫度值的出入很大，過分強調(diào)著火溫度意義不大，如，褐煤堆，如果通風不良，接近于絕熱狀態(tài)，孕育時間長，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化。嚴格上，只說著火的臨界條件或著火條件：使系統(tǒng)在某個瞬時或空間某部分達到高溫的反應狀態(tài)。實現(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、放熱反應與吸熱反應隨反應的進行，放出能量，抵償E后，多余的為反應熱（發(fā)熱量）——放熱反應反之為吸熱反應活化能小，化學反應速度較快，當E<4×104kJ/mol，極快；活化能大，化學反應速度較慢，當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)、鏈式反應（連鎖反應）一、鏈式反應理論的產(chǎn)生許多化學反應，幾乎所有的燃燒反應，均不簡單地服從質(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，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、鏈式反應原理活化來源在反應過程中產(chǎn)生，中間產(chǎn)物—活化中心，活化中心與反應物分子發(fā)生反應，本身消失，反應的結(jié)果又產(chǎn)生新的活化中心通過活化中心進行反應要比原作用物直接反應容易得多，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、鏈式反應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)目不分支反應分支反應鏈式反應分為第三十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四四、氫氣與空氣的反應——分支鏈式

爆炸反應反應開始H原子為活化中心，M為任何活化分子中間反應一個H參加反應，經(jīng)過一個鏈后形成H2O，又同時產(chǎn)生三個H活化中心，再引起三個分支反應第三十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四五、分支鏈式反應的特點1、存在孕育期（誘導期，感應期），當活化中心積累到一定程度，才發(fā)生反應。2、反應自動加速，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)鞑ダ碚摰膶嵱眯匀剂先紵^程中，火焰的穩(wěn)定性與火焰?zhèn)鞑ニ俣汝P系極大。電廠燃燒系統(tǒng)的安全運行也與火焰?zhèn)鞑ニ俣汝P系密切。例如，煤粉管道中某一處著火后，火焰迅速蔓延、擴散，導致制粉系統(tǒng)著火或爆炸。了解火焰?zhèn)鞑サ闹R，有助于掌握燃燒過程的調(diào)整要領，對穩(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峄驍U散使未燃氣體混合物溫度升高。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，火焰從這個區(qū)域向前移動，逐步傳播和擴散出去2．反應速度失去控制的高速爆炸性燃燒出現(xiàn)爆炸性燃燒時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O快，達1000~3000m/s，溫度極高，達6000℃；壓力極大，達2.0265ＭPa(20.67大氣壓)。3．正常燃燒向爆炸性燃燒的轉(zhuǎn)變當未燃混合物數(shù)量增多時，絕熱壓縮將逐漸增強，緩慢的火焰?zhèn)鞑ミ^程就可能自動加速，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，通過對流、輻射、熱傳導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間約為總?cè)紵龝r間的十分之一，絕大部分時間為焦碳的燃燒。一般認為是串聯(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)碳粒燃燒的動力區(qū)、擴散區(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、碳燃燒的反應環(huán)節(jié)

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

描述異相燃燒過程中混合擴散與化學反應環(huán)節(jié)第四十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四1．碳粒表面化學反應速度表達式異相化學反應：碳表面發(fā)生化學反應所消耗氧量應等于擴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隨化學反應速度不同而變化的關系復雜，且不必知道不同反應區(qū)域分析—動力與擴散燃燒理論第四十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四1）動力區(qū)（化學動力控制區(qū)）溫度較低：碳表面化學反應速度遠小于氧氣向表面的擴散速度，氧氣供應充分，足夠反應所需。燃燒速度取決于化學反應速度，反應處于動力區(qū)。K很小（溫度很低），1/k很大，所以氧氣從遠處擴散到固體表面，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）擴散區(qū)（擴散控制區(qū)）溫度增加，k急劇增大，耗氧量急劇增加，消耗掉擴散來的氧氣，還處于“待料”，燃燒速度取決于擴散，反應處于擴散區(qū)。k很大（溫度很高），1/k很小，所以，

與溫度T的關系十分微弱，而且擴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，星期四動力與擴散燃燒理論應用討論不同溫度區(qū)域內(nèi)，為提高反應速度，有不同的措施：溫度較低時，提高燃燒速度的關鍵：提高溫度，氧氣很充足，不必大量鼓風；溫度較高時，提高燃燒速度的關鍵：提高，缺氧是關鍵，要提高出力，應大量鼓風。第五十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四

第八節(jié)碳粒的一次反應和二次反應機理一、碳粒一次反應機理將碳和氧氣之間的直接反應稱為一次反應。一次反應產(chǎn)物繼續(xù)發(fā)生的化學反應稱為二次反應。

第五十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期四1、溫度在1300℃以下時的反應第一步是形成碳氧絡合物。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合物的離解。即在高能量氧分子撞擊下，碳氧絡合物發(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℃以上時的反應

第一步仍然是形成碳氧絡合物。第二步同樣是碳氧絡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