1、第五章第五章 燃烧理论基础燃烧理论基础 电站锅炉的燃烧理论，解决如下问题：电站锅炉的燃烧理论，解决如下问题：l 判断燃料的着火可能性，分析影响着火的因素，判断燃料的着火可能性，分析影响着火的因素，保证入炉燃料稳定着火、燃烧；保证入炉燃料稳定着火、燃烧；l 提高燃料燃烧速度，分析影响燃烧速度的因素，提高燃料燃烧速度，分析影响燃烧速度的因素，保证燃尽；保证燃尽；l 降低燃烧产物中污染物排放。降低燃烧产物中污染物排放。燃烧：燃烧：一种发光发热化学反应，燃烧速度即化学反一种发光发热化学反应，燃烧速度即化学反应速度应速度5.1 化学反应速度化学反应速度一、质量作用定律一、质量作用定律1，质量作用定律，质
2、量作用定律对于化学反应对于化学反应 aA+bB=gG+hH33ABAB33GHGHdd mol/(m s)mol/(m s)dddd mol/(m s)mol/(m s)ddCCwwttCCwwtt 2，质量作用定律的的意义，质量作用定律的的意义反应物浓度对化学反应速度的影响：反应物浓度对化学反应速度的影响：均相反应，均相反应，一定温度下，化学反应速度与参加反应的各反应一定温度下，化学反应速度与参加反应的各反应物浓度乘积成正比，各反应物浓度的方次等于化物浓度乘积成正比，各反应物浓度的方次等于化学反应式中相应的反应系数。学反应式中相应的反应系数。ab3AAAABab3BBBABd=mol/(m
3、s)dd=mol/(m s)dCwk C CtCwk C Ct 二、多相燃烧的化学反应速度二、多相燃烧的化学反应速度l 燃烧反应在固体表面进行，反应速度取决于燃燃烧反应在固体表面进行，反应速度取决于燃料表面附近氧化剂浓度和固相物质表面积。料表面附近氧化剂浓度和固相物质表面积。b3BBBABd=mol/(m s)dCwk f Ct 三、阿累尼乌斯定律及活化能三、阿累尼乌斯定律及活化能1，阿累尼乌斯定律，阿累尼乌斯定律注：反应物质浓度不变的条件下的燃烧反应注：反应物质浓度不变的条件下的燃烧反应2，活化能，活化能 E：具有平均能量的分子：具有平均能量的分子 转变为活化分子所需的最低能量。转变为活化分
4、子所需的最低能量。活化分子：能够发生有效碰撞活化分子：能够发生有效碰撞 的分子的分子画出吸热、放热反应的活化能画出吸热、放热反应的活化能s0Eexp kg/(ms Pa)RTkk kT0k0化学反应中能量的变化化学反应中能量的变化5.2 影响化学反应速度的主要因素影响化学反应速度的主要因素一、反应物浓度的影响一、反应物浓度的影响二、活化能对燃烧速度的影响二、活化能对燃烧速度的影响三、温度对燃烧速度的影响三、温度对燃烧速度的影响5.3 热力着火热力着火一、热力着火理论的实用性一、热力着火理论的实用性1，能否着火？，能否着火？2，燃烧是否稳定？，燃烧是否稳定？二、实现稳定着火的两个条件二、实现稳定
5、着火的两个条件1，放热量等于散热量，放热量等于散热量 Q1=Q22，放热量对温度的导数大于散热量对温度的，放热量对温度的导数大于散热量对温度的导数导数12dd ddQQTT燃烧时的放热量燃烧时的放热量Q1nm310O2frexp kJ/(ms)EQkC C QRT320 kJ/(ms)SQTTV根据有关化学反应速度的原理：根据有关化学反应速度的原理：Q1T向周围介质散热量向周围介质散热量Q2 考虑一个综合辐射、对流的换热过程nm310O2frexp kJ/(ms)EQkC C QRTQ2TTb三、着火温度与熄火温度三、着火温度与熄火温度环境温度Tb1环境温度Tb2散热条件变化 环境温度较低时：
6、会达到一个稳定的放热、散热平衡点交点1：所以：低温下，只会缓慢氧化，不会着火 提高环境温度，会交于2、3两点。反应初期，向2点靠近；达到2点(不稳定)后只要稍加提高系统温度，反应将自动加速而转变到高速燃烧状态(着火)，最后稳定于高温燃烧状态点3。2点对应温度即着火温度Tzh 着火热力条件：在一定的放热、散热下，只要系统温度大于着火温度，燃烧反应会自动加速进行 对于高温燃烧下的反应，若散热加大（斜率）到一定程度，交于4、5点，系统温度随之下降达到不稳定的4点，只要温度稍微下降，反应温度会急剧自动下降，直到5点（缓慢氧化状态）稳定。4点对应温度即熄火温度Txh 熄火热力条件：在一定的放热、散热下，
7、只要系统温度小于熄火温度，燃烧反应即会自动中断燃料挥发分与着火温度的关系燃料挥发分与着火温度的关系三、着火温度与熄火温度三、着火温度与熄火温度5.4 链锁反应链锁反应链锁反应链锁反应：气体燃料燃烧过程中，自动产生一系列活气体燃料燃烧过程中，自动产生一系列活化中心，活化中心不断再生，使反应进行一系列中间化中心，活化中心不断再生，使反应进行一系列中间过程，整个燃烧反应就象链一样一节一节传递下去。过程，整个燃烧反应就象链一样一节一节传递下去。链锁反应三个阶段：1、链的开始形成过程，反应物分子由于热力活化作用、光子作用或其它激发作用，开始形成活化分子（活化中心）2、链的传递过程，活化分子与反应物相互化
8、合，产生反应物的同时又生成新的活化分子，反应加速3、链的断裂过程，活化分子与器壁或与惰性分子相撞后失去能量，使活化分子消失的过程链锁反应链锁反应：分支链锁反应分支链锁反应再生活化分子数目大于消耗活再生活化分子数目大于消耗活化分子数化分子数不分支链锁反应不分支链锁反应 气体燃料的燃烧过程以及煤粉气流的爆燃过程气体燃料的燃烧过程以及煤粉气流的爆燃过程是链式反应。是链式反应。分支链锁反应分支链锁反应 氢的燃烧反应氢的燃烧反应2H2 O2 2H2Ol链的激发链的激发 H2M2HMl 链的传递链的传递 HO2OH+O H2OOH+H OHH2H2O+Hl链的中断链的中断 2H+MH2+M OHH+MH2
9、O+Ml总平衡式总平衡式H3H2O22H2O+3H5.5 火焰传播火焰传播一、火焰传播形式一、火焰传播形式1，层流火焰传播，层流火焰传播静止可燃气体混合物中，缓慢燃烧的火焰传播依靠导热或扩散使未静止可燃气体混合物中，缓慢燃烧的火焰传播依靠导热或扩散使未燃气体混合物温度升高，火焰是一层一层传播，燃气体混合物温度升高，火焰是一层一层传播，20100cm/s2，湍流火焰传播，湍流火焰传播火焰短，燃烧室尺寸小，易产生噪音，炉膛内火焰传播，火焰短，燃烧室尺寸小，易产生噪音，炉膛内火焰传播，200 cm/s二、炉膛内的火焰传播二、炉膛内的火焰传播1，正常的火焰传播（缓慢燃烧），正常的火焰传播（缓慢燃烧）1
10、3m/s2，反应速度失去控制的高速爆炸性燃烧，反应速度失去控制的高速爆炸性燃烧 10003000m/s,6000,2.065MPa3，正常燃烧向爆炸性燃烧的转变，正常燃烧向爆炸性燃烧的转变三、不同燃料的火焰传播速度三、不同燃料的火焰传播速度(气、液、固气、液、固)可燃混合物着火时的火焰传播速度即为着火速度可燃混合物着火时的火焰传播速度即为着火速度四、煤粉气流火焰传播速度的影响因素四、煤粉气流火焰传播速度的影响因素1，挥发分；，挥发分；2，发热量；，发热量；3，水分；，水分；4，灰分；，灰分；5，煤粉细度；，煤粉细度；6，煤粉气流混合物的初温；，煤粉气流混合物的初温；7，燃烧温度；，燃烧温度；煤
11、粉气流火焰传播速度的影响因素煤粉气流火焰传播速度的影响因素5.6 煤粉的燃烧煤粉的燃烧一、煤粉的燃烧过程一、煤粉的燃烧过程l 预热、干燥预热、干燥(吸热吸热)l 挥发分析出挥发分析出(热解热解)，并着火，并着火l 燃烧燃烧(挥发分、焦炭挥发分、焦炭)(保证保证O2、足够温度、足够温度)l 燃尽燃尽(残余焦炭残余焦炭灰渣灰渣)q4二、煤粉的燃烧时间二、煤粉的燃烧时间 挥发分析出着火燃尽，挥发分析出着火燃尽，0.20.5s 焦炭燃尽焦炭燃尽80%，12.8s三、煤粉燃烧的主要特征三、煤粉燃烧的主要特征1，煤粉吸热升温，煤粉吸热升温，13001600高温烟气高温烟气 水分析出，挥发分析出，焦炭，灰分
12、水分析出，挥发分析出，焦炭，灰分2，煤粉温升速率快：，煤粉温升速率快：500010000/s；0.10.2s即可达到炉内温度水平即可达到炉内温度水平3，挥发分、小颗粒首先燃烧；，挥发分、小颗粒首先燃烧；挥发分大的煤，挥发分析出后增大焦炭粒子与氧气接触挥发分大的煤，挥发分析出后增大焦炭粒子与氧气接触表面积；挥发分着火放出的热量多，焦炭充分加热，燃烧表面积；挥发分着火放出的热量多，焦炭充分加热，燃烧稳定。稳定。5.7 碳粒燃烧动力区、扩散区、过渡区碳粒燃烧动力区、扩散区、过渡区碳的多相燃烧反应研究对象：研究对象：固相表面上进行的多相反应（内、外表面）固相表面上进行的多相反应（内、外表面）(1)氧分
13、子扩散到反应表面；氧分子扩散到反应表面；(2)氧分子吸附于表面上；氧分子吸附于表面上；(3)在表面上发生燃烧反应，放出在表面上发生燃烧反应，放出CO2等燃烧产物；等燃烧产物；(4)燃烧产物解吸附；燃烧产物解吸附；(5)产物扩散到周围。产物扩散到周围。这些过程中哪些是瓶颈？这些过程中哪些是瓶颈？(2)、(4)、(5)快快(1)、(3)慢慢 (1)较慢较慢 扩散燃烧区扩散燃烧区 (3)较慢较慢 动力燃烧区动力燃烧区一、碳粒表面的燃烧过程一、碳粒表面的燃烧过程 碳粒的燃烧速度碳粒的燃烧速度(表面反应速度表面反应速度)：单位时间内单位碳粒外：单位时间内单位碳粒外表面积上所消耗碳的质量，或所消耗氧的质量
14、表面积上所消耗碳的质量，或所消耗氧的质量用化学反应速度和氧气扩散速度表示的燃烧速度：用化学反应速度和氧气扩散速度表示的燃烧速度：碳粒表面氧气浓度：碳粒表面氧气浓度：2OCbbkk30 kg/(ms)dwkCCC3 kg/mddCk碳粒表面氧气扩散速度常数碳粒表面氧气扩散速度常数碳粒表面燃烧动力碳粒表面燃烧动力-扩散公式扩散公式氧气扩散速度系数推导：氧气扩散速度系数推导：传质传质煤粉炉：煤粉炉：w=0,Re=0氧气扩散速度系数氧气扩散速度系数2O20b kg/(ms Pa)11dCkkCk 0.61/3mpNu20.37RePrpRew/dmNuD dmNu2D 2d2 kg/(ms Pa)D
15、二、碳粒燃烧的动力区、扩散区、过渡区二、碳粒燃烧的动力区、扩散区、过渡区1，动力区，动力区 1400，化学反应速度大于氧气向碳粒表面，化学反应速度大于氧气向碳粒表面的扩散速度，的扩散速度，增强混合增强混合3，过渡区：介于动力区与扩散区之间，过渡区：介于动力区与扩散区之间kdkdkd碳粒燃烧的动力区、扩散区、过渡区碳粒燃烧的动力区、扩散区、过渡区C/C00，扩散区C/C01，动力区谢苗诺夫准则：化学反应速度常数与氧气扩散速度系数之比dmSk5.8 碳粒的一次、二次反应机理碳粒的一次、二次反应机理一、碳粒的一次反应机理一、碳粒的一次反应机理Mayer理论：生成不稳定的碳氧络合物理论：生成不稳定的碳
16、氧络合物高能量氧分子撞击下的离解，或受热分解高能量氧分子撞击下的离解，或受热分解2mnnmCOC O2mn2C OCOCO1，1300以下的反应以下的反应被碳粒所吸附的氧分子溶入碳粒晶格中被碳粒所吸附的氧分子溶入碳粒晶格中高能量氧分子撞击下的离解高能量氧分子撞击下的离解总反应：总反应：2343C2OC O3422C OCO2CO2CO224C3O2CO2CO2，1600以上的反应以上的反应氧分子被碳的晶格边界化学吸附氧分子被碳的晶格边界化学吸附高温下分解高温下分解总反应总反应 3，13001600的反应的反应CO/CO2比例决定于上述两个反应的比例，可按照比例决定于上述两个反应的比例，可按照一级反应处理。一级反应处理。2343C2OC O342C OCOCO223C3OCO2CO二、碳粒的二次反应机理二、碳粒的二次反应机理1，8001200的反应的反应温度低，温度低，CO2与与C的还原反应的还原反应速度低，可忽略速度低，可忽略 224C3O2CO2CO222COO2CO2，12001300的反应的反应223C2OCO2CO222COO2CO第五章第五章 重点重点质量作用定律质量作用定律扩散燃烧扩散燃烧阿累尼乌斯定律阿累尼乌斯定律火焰传播速度火焰传播速度着火温度着火温度碳粒燃烧过程碳粒燃烧过程着火条件着火条件柴油燃烧过程柴油燃烧过程熄火条件熄火条件一次、二次反应一次、二次反应
