電廠鍋爐原理-燃燒理論基礎

1、第五章第五章 燃燒理論基燃燒理論基礎礎復 習v1，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。v2，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。從而，需要學習基礎燃燒理論。前言 燃燒概述燃燒概述一、燃燒本質v燃燒是氣體、液體或固體燃料與氧化劑之間發(fā)生的一種強烈的化學反應；v流動、傳熱、傳質和化學反應同時發(fā)生有相互作用的綜合現(xiàn)象；v典型的物理化學過程；v化學反應動力學、流體力學、傳熱傳質學是研究燃燒反應過程的基礎知識；二、燃燒學的發(fā)展歷史v直至18世紀中以前，發(fā)展緩慢，對燃燒現(xiàn)象的本質幾乎一無所知。v之后：燃素的概念出現(xiàn)（物質是否燃燒被歸于是否含有燃素

2、）v1765年燃燒是物質的氧化（燃燒理論的萌芽）v19世紀出現(xiàn)熱化學和化學熱力學（將燃燒作為熱力學系統(tǒng)，考察其初態(tài)和終態(tài)，靜態(tài)特性的研究）v20世紀初燃燒反應動力學（研究燃燒過程的動態(tài)過程的理論）v3040年代火焰?zhèn)鞑サ母拍钔牧魅紵碚摚ㄕJ識燃燒過程的限制因素往往不是反應動力學，而是傳熱傳質，即受限于物理過程）v5060年代德國人Von Karmen（對宇航也有巨大的貢獻）提出用連續(xù)介質力學來研究燃燒，稱為化學流體力學或反應流體力學。v將經(jīng)典流體力學的方法、邊界層、射流理論等應用與研究燃燒v70年代初，大型電子計算機出現(xiàn)，形成計算流體（計算燃燒）學，建立了燃燒的數(shù)學模擬方法和數(shù)值計算方法；v激

3、光測量技術的出現(xiàn)，使精密測量成為現(xiàn)實。v基本理論+數(shù)學模型和數(shù)值計算+先進的測量技術。三、當代對燃燒應用的要求v要求燃燒不斷強化和趨于更高能量水平；v探討高溫、高壓、高速、強湍流條件下的燃燒v要求燃燒過程高效率，節(jié)省燃料等；v潔凈燃燒，減輕環(huán)境污染v火災的起因與防治第一節(jié)、燃燒反應速度及其影響因素燃燒反應速度及其影響因素v燃燒反應和化學反應一樣，根據(jù)參加反應的物質不同分為：均相燃燒氣體燃料在空氣中燃燒異相燃燒固體燃料在空氣中燃燒，煤粉燃燒一、反應速度的定義v根據(jù)質量作用定律，反應速度有不同的定義方式：v第一種定義：單位時間內和單位體積內燃燒掉的燃料量或消耗的氧量hHgGbBaAdtdCbadt

4、dCwBAAv舉例：v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：v單位時間內和單位體積內燃燒掉的燃料所釋放出的熱量OHOH22222222OHww33/,/,mkWhmkcalVBQqydwVv在一定的溫度下，化學反應速度和各反應物的濃度成正比v1867年由Guldberg和Wage提出v對均相反應：vA+A+A+A+ +A + B+B+B+B+B+ +B.bBaAbabBaACkCw k反應速度常數(shù)；bBaACC ,反應物 A（燃料） ，B（氧化劑）的濃度（摩爾濃度或質量濃度） 。第二種定義：對于異相反應煤粉與空氣混合物nBACkfw Af 單 位 容 積 可 燃 混 合 物 內

5、煤 粉 的 表 面 積 ； BC 氧 氣 的 濃 度 。 二、影響化學反應速度的主要因素v1，濃度v從前面反應速度的定義式，可知：濃度越大，反應速度越快。v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。2壓力v氣態(tài)物質參加的反應，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。v對理想氣體混合物中的每個組分可以寫出其狀態(tài)方程：RTVpAARTpVCAAARTpVCBBBbBaAppwnbappw 3溫度v3.1 3.1 阿累尼烏斯定律阿累尼烏斯定律v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

6、數(shù)v阿累尼烏斯定律(瑞典物理化學家1889年提出)bBaACkCw RTEekk03.2 阿累尼烏斯定律的討論-活化分子、活化能活化分子、活化能v氣體分子的運動速度、動能有大有?。籿動能超過某一數(shù)值（活化能活化能E E）足以破壞原有結構發(fā)生反應的分子稱為活化分子；活化分子；v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；v化學動力學的基礎。第三節(jié) 熱力著火熱力著火v 一熱力著火理論的實用性一熱力著火理論的實用性v煤粉燃燒過程的著火主要是熱力著火 v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？ v二、實現(xiàn)穩(wěn)定著火的兩個條件實現(xiàn)穩(wěn)定著火的兩個條件 v可燃混合

7、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。v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。vA、放熱量和散熱量達到平衡，放熱量等于散熱量。v vB、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。vv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。21QQ dTdQdTdQ21三、熱力著火的條件放熱散熱，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； v系統(tǒng)在不同條件下達到不同的平衡狀態(tài)，v可

8、能是有利的，燃燒穩(wěn)定在正常工況，v可能是不利的，燃燒處于熄火狀態(tài)。1、放熱與散熱曲線放熱與散熱曲線v以強烈摻混的零維系統(tǒng)（煤粉空氣混合物在燃燒室內）為例說明：v1放熱與溫度的關系，v燃燒室內可燃混合物燃燒放熱量為：Tq 1rnORTEoVQCekQ21v2散熱與溫度的關系v加熱混合物本身所消耗并帶走的熱量：v向周圍介質散失的熱量（對流+輻射）Tq 2222qqq)(02TTCVGqp)()()(002bfdTTSTTVSTTVSq四、可燃混合物著火與滅火分析可燃混合物著火與滅火分析v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

9、五、關于著火溫度的說明關于著火溫度的說明v著火溫度不是物性參數(shù)，隨所處熱力條件的變化而不同，v各種實驗方法所測得的著火溫度值的出入很大，過分強調著火溫度意義不大，v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。v著火溫度的概念可以使著火過程的物理模型大大簡化。v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)。v實現(xiàn)這一過渡過程的初始條件或邊界條件為著火條件。六、放熱反應與吸熱反應v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v反之為吸熱反應v活化能小，化學反應速度較快，當E4104kJ/mol，極慢；第

10、三節(jié)、鏈式反應（連鎖反應）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。022222HOH二、鏈式反應原理v活化來源在反應過程中產(chǎn)生，中間產(chǎn)物活化中心，v活化中心與反應物分子發(fā)生反應，本身消失，反應的結果又產(chǎn)生新的活化中心v通過活化中心進行反應要比原作用物直接反應容易得多，只需較少的活化能三、鏈式反應的分類v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四、氫氣與空氣的反應分支鏈式

11、v爆炸反應v反應開始vH原子為活化中心，M為任何活化分子v中間反應v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022222HOHMHMH22OHOH02 （慢）OHHHO2OHHHOH22相加得，HOHOHH3322五、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。第五節(jié) 火焰?zhèn)鞑 一火焰?zhèn)鞑ダ碚摰膶嵱眯砸换鹧鎮(zhèn)鞑ダ碚摰膶嵱眯詖 燃料燃燒過程中，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，

12、火焰迅速蔓延、擴散，導致制粉系統(tǒng)著火或爆炸。v了解火焰?zhèn)鞑サ闹R，有助于掌握燃燒過程的調整要領，對穩(wěn)定著火和防止爆燃極為重要。二、火焰?zhèn)鞑サ男问絭層流火焰?zhèn)鞑恿骰鹧鎮(zhèn)鞑?v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?0100cm/s。 v湍流火焰?zhèn)鞑ネ牧骰鹧鎮(zhèn)鞑一般為 200cm/s以上。 三、爐膛內的火焰?zhèn)鞑1正常的火焰?zhèn)鞑ィň徛紵﹙是指可燃物在某一局部區(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 v2反應速度失去控制的高速爆炸性燃燒v出現(xiàn)爆炸性燃燒時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O快，達10003000m/s，溫度極高，達 6000；壓力極大，達

13、 2.0265Pa (20.67大氣壓)。v3正常燃燒向爆炸性燃燒的轉變v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，轉變?yōu)楸ㄐ匀紵?。v 四、煤粉氣流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩孛悍蹥饬骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩豽揮發(fā)分含量 v灰分、水分 v煤粉細度 v爐膛溫度 第六節(jié)第六節(jié) 煤粉的燃燒煤粉的燃燒 v一、煤粉的燃燒過程一、煤粉的燃燒過程 v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。二、煤粉的燃燒時間煤粉的燃燒時間v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

14、燃燒速度。 三、煤粉燃燒的主要特征煤粉燃燒的主要特征v 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。v煤粉顆粒中水分首先析出，大約在120-450的溫度范圍內，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。v 一、煤燃燒的主要階段一、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燃燒時間的十分之一，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)第七節(jié) 碳粒燃燒的動力區(qū)、擴散區(qū)和過渡區(qū)碳粒燃燒的動力區(qū)、擴散區(qū)和過渡區(qū)一、碳燃燒的反應環(huán)節(jié)碳燃燒的反應環(huán)節(jié)v大致分為幾個串聯(lián)環(huán)節(jié)：（1）氧

15、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，（5）二氧化碳向周圍擴散。v碳反應速度決定于（1）和（3），v總體速度決定于二者較慢的一個。二、燃燒反應的動力區(qū)和擴散區(qū)燃燒反應的動力區(qū)和擴散區(qū)v描述異相燃燒過程中混合擴散與化學反應環(huán)節(jié)1碳粒表面化學反應速度表達式v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v二者相等：)(0bksbCCkCwv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v不同反應區(qū)域分析動力與擴散燃燒理論0000111111CkkCkCCCkCCCwzksksbbbksb（1）動力區(qū)（化學動

16、力控制區(qū)）v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)。vK很?。囟群艿停?，1/k很大，所以v氧氣從遠處擴散到固體表面，消耗不多vk服從阿定律的， 與k的規(guī)律一樣ksk110kCw 0CCb0kCw （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，v v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ksk110Cwksks（3）過渡區(qū)vk與大小相差不多，服從：kCwks11動

17、力與擴散燃燒理論應用討論v不同溫度區(qū)域內，為提高反應速度，有不同的措施：v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；v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。ks 第八節(jié)碳粒的一次反應和二次反應機理v一、碳粒一次反應機理v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。 v1、溫度在1300以下時的反應v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：v v (5-24)43223OCOCv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：v COCOOCOC222243以上兩個方程式相加：COCOOC2234222、溫度在1600以上時的反應v第一步仍然是形成碳氧絡合物。 v第二步同樣是碳氧絡合物在高溫下受熱分解：v以上兩式相加：43223OCOCCOCOOC2243COCOOC223223、溫度范圍在13001600之間時的反應v由于同時存在氧分子溶于碳粒晶格和在晶格邊界上化學吸附。和