第六章 燃燒過程的基本理論

1、第六章 燃燒過程的基本理論1. 阿累尼烏斯定律：k0頻率因子，表征反應(yīng)物質(zhì)分子碰撞的總次數(shù)；E活化能，使分子接近和破壞反應(yīng)分子化學(xué)鍵所必須消耗的能量，也就是發(fā)生反應(yīng)所需要的能量。不同反應(yīng)的活化能不同，且正反應(yīng)和逆反應(yīng)的活化能也是不同的；T熱力學(xué)溫度，K；R通用氣體常數(shù)，8.31kJ/(Kmol.K)。2. 煤燃燒過程的四個階段：1) 預(yù)熱干燥階段：水分蒸發(fā)，吸熱過程，溫度<200；2) 揮發(fā)分析出并著火階段：高分子碳?xì)浠衔镂鼰幔瑹岱纸?，分解出一種混合可燃?xì)怏w，及揮發(fā)分。揮發(fā)分一經(jīng)析出，便馬上著火，開始放熱，溫度>200300；3) 燃燒階段：揮發(fā)分和焦炭的燃燒，大量放熱，溫度急劇

2、上升；4) 燃燼階段：焦炭燃盡成灰渣。3. 碳的多相燃燒過程：1) 參與燃燒反應(yīng)的氣體分子(氧)向碳粒表面的轉(zhuǎn)移與擴(kuò)散；2) 氣體分子(氧)被吸附在碳粒表面上；3) 被吸附的氣體分子(氧)在碳表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成燃燒產(chǎn)物；4) 燃燒產(chǎn)物從碳表面上解吸附；5) 燃燒產(chǎn)物離開碳表面，擴(kuò)散到周圍環(huán)境中。吸附與解吸附最快；擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)最慢，但最主要。因此，碳的多相燃燒速度決定于氧向碳粒表面的擴(kuò)散速度和氧與碳粒的化學(xué)反應(yīng)速度中速度最慢的一個。4. 多相燃燒反應(yīng)的燃燒區(qū)域在碳的多相燃燒中，多相化學(xué)反應(yīng)速度，用氣相O2消耗速度w1表示化學(xué)反應(yīng)速度：燃燒化學(xué)反應(yīng)速度也可用氧向碳粒表面擴(kuò)散速度表示：式中：

3、 碳粒表面上氧的濃度，kg/m2； 周圍介質(zhì)中氧的濃度， kg/m2； k 化學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)； 擴(kuò)散速度常數(shù)。燃燒過程穩(wěn)定時，氧氣擴(kuò)散速度等于氧氣消耗速度： w1 = w2 = w經(jīng)推到：1) 動力燃燒區(qū)域：在燃燒過程中，當(dāng)燃燒反應(yīng)溫度不高時，化學(xué)反應(yīng)速度不快，此時氧的供應(yīng)速度遠(yuǎn)大于化學(xué)反應(yīng)中氧的消耗速度，亦即擴(kuò)散能力遠(yuǎn)大于化學(xué)反應(yīng)能力，即 >> k。這時燃燒工況所處區(qū)域稱為動力燃燒區(qū)域。特征及措施： 碳粒表面氧濃度基本上等于周圍介質(zhì)中氧濃度： = 燃燒反應(yīng)速度w = k 燃燒反應(yīng)速度決定于化學(xué)反應(yīng)速度，與擴(kuò)散速度無關(guān)； 燃燒溫度不高，提高溫度是強化燃燒的有效措施。2) 擴(kuò)散燃燒區(qū)

4、域：如果影響燃燒過程進(jìn)行速度的主要因素是擴(kuò)散，也就是說，此時燃燒反應(yīng)的溫度已經(jīng)很高，化學(xué)反應(yīng)能力遠(yuǎn)大于擴(kuò)散能力，即k >> 時，這時的燃燒區(qū)域稱為擴(kuò)散燃燒區(qū)域。特征及措施：碳粒表面氧濃度基本上等于零： = 0燃燒反應(yīng)速度w = 燃燒反應(yīng)速度決定于擴(kuò)散速度，反應(yīng)速度常數(shù)與T無關(guān)，燃燒反應(yīng)速度與T關(guān)系不大，強化措施，加大風(fēng)速，加強碳粒與氧的擾動混合。燃燒溫度很高，>>環(huán)境溫度3) 過渡燃燒區(qū)域：實際情況大部分是該區(qū)域，T適中。提高溫度&加大風(fēng)速，加強碳粒與氧的擾動混合同樣重要。4) 判斷： /，謝苗諾夫準(zhǔn)則： /k = SM；上述三種不同的燃燒區(qū)域并不是固定不變的，

5、而是隨著外界條件的變化而相互轉(zhuǎn)移。5. 放熱量Q1與散熱量Q2隨溫度變化曲線1點：穩(wěn)定的低溫緩慢氧化狀態(tài)2點：熱力著火點(不穩(wěn)定狀態(tài))3點：高溫燃燒狀態(tài)4點：熱力熄火點5點：低溫緩慢氧化狀態(tài)點穩(wěn)定著火條件： Ø 一般熄火溫度Txh大于著火溫度Tzh；Ø 熄火點和著火點隨反應(yīng)系統(tǒng)的熱力條件(散熱和放熱)而變；Ø 各種實驗方法所測得的著火溫度值的出入較大，相同測試條件下，不同燃料的著火、熄火溫度不同；對同一燃料，不同的測試條件也有不同，過分強調(diào)著火溫度意義不大；Ø 對煤：反應(yīng)能力越強（揮發(fā)分Vdaf越高，焦炭活化能越小）的煤，著火點低，容易著火，也易燃燼。反

6、應(yīng)能力弱的無煙煤著火溫度高，也難燃燼。Ø 加快著火的措施：加強放熱、減少散熱。散熱不變時，提高可燃物初溫，增加可燃物濃度和壓力，使放熱強化，如濃淡燃燒器穩(wěn)燃；放熱不變時，可降低氣流速度、燃燒室保溫等措施，如增加衛(wèi)燃帶等。6. 著火熱：把煤粉氣流加熱到著火溫度所需的熱量稱為著火熱。需要加熱：煤粉、空氣(一次風(fēng))、煤粉中水分的蒸發(fā)和過熱。Br 燃料消耗量，kg/h； V0 理論空氣量，Nm3/kg；1 過量空氣系數(shù)； r1 一次風(fēng)比例；c1k 一次風(fēng)比熱，J/(Kg.K)； q4 機械不完全燃燒熱損失，cd 煤干燥基比熱，J/(Kg.K)； Mar 煤收到基水分，；Tzh 著火溫度，K；

7、 T0 煤粉一次風(fēng)初溫，K；cq 蒸汽比熱容，J/(Kg.K)； Mmf 煤粉的水分，著火熱的來源：Ø 對流換熱煤粉氣流卷吸回來的高溫回流煙氣(包括內(nèi)回流及外回流)，這部分熱煙氣和新噴入的煤粉空氣強烈混合，將熱量以對流方式迅速傳遞給新燃料，約占總著火熱的70-90%；Ø 輻射換熱火焰、煙氣、爐墻對煤粉氣流形成輻射傳熱，占10-30%。7. 煤粉氣流著火影響因素1) 燃料性質(zhì)a) 揮發(fā)分：影響最大，Vdaf增加，著火溫度點下降；（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。煤粉氣流的著火位置：200300 mm，不大于500mm著火太遲：火焰

8、中心上移，造成爐膛上部結(jié)渣，汽溫偏高，q3，q4增加著火太早：燒壞燃燒器，燃燒器附近結(jié)渣）b) 原煤水分：水分增加，著火熱增加，爐內(nèi)溫度水平下降，理論燃燒溫度下降。c) 原煤灰分：灰分要吸熱，還會使熱值降低，爐內(nèi)溫度水平下降，著火推遲，影響穩(wěn)定性。d) 煤粉細(xì)度：煤粉越細(xì)，燃燒反應(yīng)表面積越大，煤粉升溫速度加快著火更快更容易；煤粉氣流相對速度加快，擴(kuò)散反應(yīng)加快；2) 爐內(nèi)散熱條件a) 在燃燒器區(qū)域增加衛(wèi)燃帶（燃燒帶）b) 改善保溫條件3) 煤粉氣流的初溫：提高初溫可減少著火熱。4) 一次風(fēng)量和一次風(fēng)速一次風(fēng)速：過高，降低煤粉氣流加熱速度，影響著火，著火延長；過低，燃燒器噴口燒壞，煤粉堵塞。有一個

9、合理的選擇。一次風(fēng)溫：低揮發(fā)分煤,越高越好;高揮發(fā)分煤,不能太高，防止燒噴口。5) 燃燒器結(jié)構(gòu)特性a) 主要是指一、二次風(fēng)混合的情況：二次風(fēng)混入一次風(fēng)的位置要合適混合過早，增加冷風(fēng)，增加著火熱，會推遲著火；混合過遲，焦炭著火后不能及時燃燒，使整個燃燒過程延長。對高揮發(fā)分煤，早混入，否則影響燃燒效率；對低揮發(fā)分煤，遲混入，否則會影響著火燃燒穩(wěn)定性。二次風(fēng)速要較高：增強對煤粉的擾動和擴(kuò)散，加快后期混合過程和強度。一般控制動量比J2/J1 = 2-4b) 燃燒器的尺寸：燃燒器出口截面積愈大，煤粉氣流著火時離開噴嘴的距離就愈遠(yuǎn)，著火拉長了。6) 鍋爐負(fù)荷：鍋爐負(fù)荷與爐內(nèi)火焰溫度直接相關(guān)，負(fù)荷降低，爐內(nèi)

10、燃燒火焰溫度下降。8. 燃燒完全的條件1) 供應(yīng)充足而又適量的空氣 這是燃料完全燃燒的必要條件?？諝饬砍Ｓ眠^量空氣系數(shù)來表示，過量空氣系數(shù)有個最佳值。2) 適當(dāng)高的爐溫 爐溫高，著火快，燃燒速度快，燃燒易于趨向完全。但過分地提高爐溫也是不可取的，過高容易引起結(jié)渣等。3) 空氣和煤粉的良好擾動和混合 化學(xué)反應(yīng)速度和氧氣擴(kuò)散速度是決定燃燒反應(yīng)速度的兩大因素。良好的擾動和混合，氧氣更快擴(kuò)散到煤粒表面，一、二次風(fēng)配合好，不僅著火階段充分混合，燃盡階段也有利。4) 在爐內(nèi)要有足夠的停留時間 煤粉自燃燒器出口一直到爐膛出口行程所經(jīng)歷的時間。取決于爐膛容積、爐膛截面積、爐膛高度及煙氣在爐內(nèi)的流動速度。在鍋爐

11、設(shè)計時確定。Ø 質(zhì)量作用定律：在溫度不變時，化學(xué)反應(yīng)速率與該瞬間各反應(yīng)物濃度冪的乘積成正比。各反應(yīng)物濃度的冪指數(shù)等于其相應(yīng)的化學(xué)計量系數(shù)。Ø 一次風(fēng)：輸送煤粉進(jìn)入爐膛的風(fēng)（首先與燃料接觸的風(fēng)）。作用：輸送煤粉；保證揮發(fā)分燃燒所需的氧氣。Ø 二次風(fēng)：直接進(jìn)入爐膛助燃的風(fēng)。作用： 滿足焦炭燃燒所需的氧氣； 組織風(fēng)粉進(jìn)行擴(kuò)散混合。Ø 三次風(fēng)：除一次風(fēng)、二次分外的送入爐膛的風(fēng)。類型和作用：中儲式熱風(fēng)送粉中的乏氣；抑制氮氧化物的生成，分級送風(fēng)：燃盡風(fēng)(OFA、SOFA等)；沿爐壁送入，保護(hù)水冷壁防止結(jié)渣和高溫腐蝕；控制火焰中心溫度，協(xié)助調(diào)節(jié)汽溫。Ø 燃燒效率可用下式表示： h hr = 100-(q3 + q4)，% hhg = 100-(q2 + q3 + q4 + q5 + q6)，%q2排煙熱損失，%；q3化學(xué)不完全燃燒熱損失，%；q4機械不完全燃燒熱損失，%；q5鍋爐散熱損失，%；q6其他熱損失，%Ø 劣質(zhì)煤強化著火措施一、無煙煤著火和穩(wěn)燃問題增強高溫?zé)煔獾幕亓?，提高著火區(qū)溫度；提高一次風(fēng)中的煤粉濃度和熱風(fēng)溫度；采用分級配風(fēng)(一次風(fēng)集中)，推遲一、二