《鍋爐原理》課件第4章 燃燒理論基礎(chǔ)

第四章燃燒過程理論基礎(chǔ)

化學(xué)反應(yīng)速度及其影響因素

固體燃料的燃燒理論煤和煤粉的燃燒

煤粉氣流的著火與燃燒

化學(xué)反應(yīng)速度及其影響因素燃燒是一種發(fā)光發(fā)熱的劇烈化學(xué)反應(yīng)，燃燒速度可以用化學(xué)反應(yīng)速率來表示。

均相燃燒：燃料和氧化劑物態(tài)相同，如氣體燃料在空氣中燃燒。

多相燃燒：燃料和氧化劑物態(tài)不同，如固體燃料在空氣中燃燒。但無論哪種燃燒，都可以用如下的反應(yīng)方程式表示：燃料燃燒產(chǎn)物氧化劑1.質(zhì)量作用定律：反映濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響。反應(yīng)速度：在反應(yīng)系統(tǒng)單位體積中物質(zhì)濃度的變化率，一般可用燒掉的燃料量或消耗掉的氧量來表示。單位是mol/（m3·s）。質(zhì)量作用定律：對(duì)于均相反應(yīng)，在一定溫度下，化學(xué)反應(yīng)速度與參加反應(yīng)的各反應(yīng)物濃度冪的乘積成正比，各反應(yīng)物濃度冪的指數(shù)等于化學(xué)反應(yīng)式中相應(yīng)的反應(yīng)系數(shù)。注意：上式適用于均相反應(yīng)，并假定參與反應(yīng)的氣體為理想氣體。多相燃燒反應(yīng)速度：對(duì)于固體燃料在空氣中燃燒這一類多相燃燒，可認(rèn)為燃燒反應(yīng)發(fā)生在燃料的表面，固體燃料的濃度是不變的。反應(yīng)速度只取決于燃料表面處氧濃度。上式說明：對(duì)于煤粉燃燒，在相同的反應(yīng)條件（如溫度）下，提高燃料附近氧濃度，增大反應(yīng)物比表面積，都能提高化學(xué)反應(yīng)速度，縮短燃料燃盡時(shí)間?；瘜W(xué)反應(yīng)平衡：正逆反應(yīng)速率相等。平衡常數(shù)：化學(xué)反應(yīng)平衡時(shí)正逆反應(yīng)速度常數(shù)之比。2.阿累尼烏斯定律：反映溫度和燃料性質(zhì)對(duì)反應(yīng)速度的影響。活化能E：表征燃料的反應(yīng)能力。能夠破壞原有化學(xué)鍵并建立新化學(xué)鍵所必須消耗的能量，具有活化能的分子為活化分子?；罨蹺與反應(yīng)物種類有關(guān)，一般Vdaf含量小的煤活化能大，越不容易著火燃燒。放熱反應(yīng)吸熱反應(yīng)3.燃料化學(xué)反應(yīng)速度的影響因素：固體燃料多相燃燒反應(yīng)速度：①反應(yīng)物濃度：根據(jù)質(zhì)量作用定律，增加反應(yīng)物氧的濃度，可以提高化學(xué)反應(yīng)速度。但實(shí)際中，還要結(jié)合燃料燃燒時(shí)的特性綜合考慮。比如：著火區(qū)的可燃物濃度比較高，氧濃度不可過高，這是為了維持著火區(qū)的高溫狀態(tài)，使燃料盡快著火。但如果過分缺氧，又會(huì)熄火。因此在著火區(qū)控制燃料與空氣的合理比例，是實(shí)現(xiàn)燃料盡快著火和穩(wěn)定燃燒的重要條件。②活化能E：根據(jù)阿累尼烏斯定律，在一定溫度下，活化能E越小，則反應(yīng)速度常數(shù)k值越大，反應(yīng)速率越大，即燃料的反應(yīng)能力越強(qiáng)，即使在較低的溫度下容易著火和燃盡。而活化能大的燃料，不但著火困難，而且要在較高溫度和較長(zhǎng)時(shí)間下才能燃盡。燃料的活化能是決定燃燒反應(yīng)速度的內(nèi)因。一般活化能E與煤種有關(guān)。一般Vdaf含量小的煤活化能大。③溫度T：在一定的活化能E下，溫度越高，則反應(yīng)速度常數(shù)k值越大，反應(yīng)速率越大。這是因?yàn)殡S反應(yīng)溫度升高，分子的平均動(dòng)能增大，活化分子數(shù)目增加，有效碰撞頻率提高，反應(yīng)速度加快。④壓力：當(dāng)反應(yīng)溫度一定時(shí)，在反應(yīng)系統(tǒng)容積不變的條件下，提高反應(yīng)系統(tǒng)的壓力，相當(dāng)于提高反應(yīng)物濃度，從而提高化學(xué)反應(yīng)速度。因此，理論上可以采用正壓燃燒鍋爐來強(qiáng)化燃燒，但由于燃燒系統(tǒng)的密封問題解決不好，所以正壓鍋爐的使用并不普遍。⑤催化反應(yīng)：在反應(yīng)系統(tǒng)中加入少量催化劑可以大大提高反應(yīng)速度，因?yàn)榇呋瘎┛梢愿淖兎磻?yīng)途徑，降低反應(yīng)所需活化能，極大提高反應(yīng)速度。⑥連鎖反應(yīng)：可以使化學(xué)反應(yīng)自動(dòng)連續(xù)加速進(jìn)行。反應(yīng)機(jī)理是活化中心的繁殖。其過程包括：鏈的形成、鏈的分支、鏈的終止。

固體燃料的燃燒理論不同鍋爐中，煤的燃燒方式有多種，不論是哪種燃燒方式，都是固體煤與氣體之間的多相燃燒，反應(yīng)都是在固相表面進(jìn)行的（不考慮多孔性）。1.多相燃燒反應(yīng)過程：（1）氧分子擴(kuò)散到反應(yīng)表面。（2）氧分子被燃料表面吸附。（3）燃料表面進(jìn)行燃燒反應(yīng)。（4）燃燒產(chǎn)物由燃料表面解吸附。（5）燃燒產(chǎn)物擴(kuò)散到環(huán)境。2、4、5較快1、3較慢（瓶頸）2.多相燃燒化學(xué)反應(yīng)速度和燃燒區(qū)：以碳粒為例，燃燒反應(yīng)速度常數(shù)kap取決于碳粒表面的化學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)k和氧的擴(kuò)散速度常數(shù)αd。根據(jù)αd和k的相對(duì)大小，可進(jìn)行燃燒區(qū)域的劃分。動(dòng)力區(qū)擴(kuò)散區(qū)①動(dòng)力燃燒區(qū)（低溫）：定義：反應(yīng)溫度低于900~1000℃時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速度很低，燃燒所需氧量較少，氧氣供應(yīng)很充足，提高氧擴(kuò)散速度對(duì)燃燒影響不大，燃燒速度主要受制于燃燒反應(yīng)動(dòng)力因素（反應(yīng)溫度和碳的活化能），此時(shí)燃燒處于動(dòng)力燃燒區(qū)。強(qiáng)化燃燒的措施：提高反應(yīng)系統(tǒng)溫度。動(dòng)力區(qū)擴(kuò)散區(qū)②擴(kuò)散燃燒區(qū)（高溫）：定義：反應(yīng)溫度高于1400℃時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速度很高，以至于擴(kuò)散到碳粒表面的氧立刻被消耗掉，提高溫度對(duì)燃燒影響不大，燃燒速度主要受制于氧氣向碳粒表面的擴(kuò)散速度，此時(shí)燃燒處于擴(kuò)散燃燒區(qū)。強(qiáng)化燃燒的措施：增強(qiáng)空氣擾動(dòng)，采用煤粉燃燒。動(dòng)力區(qū)擴(kuò)散區(qū)③過渡燃燒區(qū)（中溫）：定義：介于動(dòng)力區(qū)和擴(kuò)散區(qū)之間。燃燒速度同時(shí)受制于氧氣向碳粒表面的擴(kuò)散速度和燃燒化學(xué)反應(yīng)速度。若氧擴(kuò)散速度不變，提高溫度，則燃燒過程向擴(kuò)散區(qū)轉(zhuǎn)化；若溫度不變，提高氧擴(kuò)散速度，則燃燒過程向動(dòng)力區(qū)轉(zhuǎn)化。強(qiáng)化燃燒的措施：提高擴(kuò)散速度，提高反應(yīng)溫度。過渡區(qū)3.燃燒過程著火和熄火的熱力條件：燃燒過程分兩個(gè)階段進(jìn)行，著火階段和燃燒階段。著火是燃燒的熱力準(zhǔn)備階段。著火：由緩慢的氧化狀態(tài)轉(zhuǎn)變到化學(xué)反應(yīng)能自動(dòng)加速到高速燃燒狀態(tài)的瞬間過程。轉(zhuǎn)變時(shí)的瞬間溫度稱為著火溫度。著火過程包括兩層含義，首先是能否發(fā)生著火，其次是能否穩(wěn)定著火。燃料燃燒時(shí)要放出熱量，同時(shí)又向周圍介質(zhì)散熱。這兩個(gè)互相矛盾過程的發(fā)展，可能使燃燒過程發(fā)生（著火）或者停止（熄火）。著火和熄火條件分析：燃燒室內(nèi)燃料與氧化劑反應(yīng)放熱量Q1

燃燒產(chǎn)物向周圍介質(zhì)的散熱量Q2（指數(shù)曲線）（直線）V-可燃混合物體積；Qbr-燃燒反應(yīng)熱；S-爐膛壁面面積α-混合物向爐膛壁面的綜合放熱系數(shù)T、Tw-分別為反應(yīng)系統(tǒng)溫度和爐膛壁面溫度①當(dāng)壁面溫度較低時(shí)（Tw=Tw1），散熱曲線Q2’：穩(wěn)定平衡點(diǎn)1：在點(diǎn)1右側(cè)，散熱大于放熱，系統(tǒng)溫度將降低，向點(diǎn)1靠近；在點(diǎn)1左側(cè)，放熱大于散熱，系統(tǒng)溫度升高，同樣靠近點(diǎn)1。點(diǎn)1代表穩(wěn)定的低溫氧化狀態(tài)。因此低溫下只會(huì)緩慢氧化，不會(huì)著火。②當(dāng)壁面溫度提高到Tw2，散熱曲線Q2’’：不穩(wěn)定平衡點(diǎn)2：反應(yīng)初期，系統(tǒng)放熱大于散熱，溫度升高，向點(diǎn)2靠近；到達(dá)點(diǎn)2后溫度稍提高，反應(yīng)自動(dòng)加速而轉(zhuǎn)變到高速燃燒狀態(tài)，即發(fā)生著火，只要保證煤粉和空氣的不斷供應(yīng)，最后將穩(wěn)定于高溫燃燒狀態(tài)點(diǎn)3。點(diǎn)2對(duì)應(yīng)溫度為著火溫度。著火熱力條件：在一定的放熱、散熱下，系統(tǒng)溫度大于著火溫度。③高溫燃燒時(shí)加大散熱（斜率），散熱曲線Q2’’’：不穩(wěn)定平衡點(diǎn)4：高溫燃燒時(shí)散熱加大，則系統(tǒng)溫度降至不穩(wěn)定平衡點(diǎn)4，溫度再稍降，反應(yīng)系統(tǒng)溫度會(huì)急劇下降至低溫平衡點(diǎn)5，燃料只能緩慢氧化，不能著火和燃燒，即發(fā)生熄火。點(diǎn)4對(duì)應(yīng)溫度為熄火溫度。熄火熱力條件：在一定的放熱、散熱下，系統(tǒng)溫度小于熄火溫度。注意：熄火溫度Text>著火溫度Tig，并且二者會(huì)隨反應(yīng)系統(tǒng)熱力條件的變化而變化，并非物理常數(shù)，只是一定條件下的相對(duì)特征值。在相同測(cè)試條件下，一般反應(yīng)能力越強(qiáng)的煤（Vdaf高，活化能E?。?，著火溫度越低，越易著火。強(qiáng)化著火防止熄火的措施：

加強(qiáng)放熱：增加可燃混合物的濃度、初溫、壓力。

減少散熱：增加可燃混合物初溫，降低氣流速度，增強(qiáng)燃燒室保溫。煤和煤粉的燃燒1.煤的燃燒過程：可分成三個(gè)階段。（1）著火前的準(zhǔn)備階段：新入爐煤吸收爐內(nèi)高溫?zé)煔獾臒崃浚瑴囟戎饾u升高，達(dá)到100℃左右水分逐漸析出，煤被干燥。煤繼續(xù)吸熱，達(dá)到一定溫度后，揮發(fā)分析出，同時(shí)生成焦炭。此階段吸熱不放熱。（2）燃燒階段：溫度繼續(xù)上升，揮發(fā)分著火燃燒，放出熱量加熱焦炭，焦炭溫度上升至著火溫度后開始燃燒，大量放熱。此階段是強(qiáng)烈放熱階段。（3）燃盡階段：大部分可燃物已燃盡，少量未燃燒的固定碳繼續(xù)燃燒，碳粒表面形成灰殼，燃盡階段中由于灰殼阻力、氧濃度降低、氣流擾動(dòng)混合減弱，使燃燒速度明顯下降，并占整個(gè)燃燒過程的時(shí)間最長(zhǎng)。此階段放熱較少，且易造成不完全燃燒熱損失。注意：上述各階段實(shí)際是交叉進(jìn)行的，并無明顯界限。2.碳的燃燒反應(yīng)機(jī)理：煤的燃燒過程基礎(chǔ)是碳的燃燒。因?yàn)椋孩偬际侵饕目扇汲煞郑虎谔嫉闹鹱钔?，燃燒持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，碳的燃燒時(shí)間基本決定了整個(gè)粒子的燃燒時(shí)間；③碳的發(fā)熱量占煤的發(fā)熱量很大份額。一次反應(yīng)：二次反應(yīng)：附加反應(yīng)：低于1200℃碳粒表面燃燒過程高于1200℃3.煤的燃燒特點(diǎn)：①煤中含有水分：煤的燃燒過程中，水蒸汽很易和C及燃燒產(chǎn)物CO作用，生成CO2和H2，H2再與CO或CO2反應(yīng)。這種催化作用，使燃燒反應(yīng)更加復(fù)雜并改變化學(xué)反應(yīng)速度。②煤中含有揮發(fā)分：揮發(fā)分對(duì)煤的著火燃燒有利；但另一方面，揮發(fā)分析出燃燒，消耗了大量氧氣，并增加了氧氣向煤粒表面的擴(kuò)散阻力，使燃燒過程的初期焦碳的燃燒速度下降。③煤中含有礦物雜質(zhì)：在燃燒過程會(huì)生成灰，灰層包裹著碳粒，會(huì)妨礙氧向碳粒表面的擴(kuò)散，或使碳粒反應(yīng)表面減少，使燃燒難以進(jìn)行，燃盡困難。④多孔性：煤受熱后產(chǎn)生水蒸氣和揮發(fā)分，增大比表面積，增加了反應(yīng)表面。4.煤粉的燃燒特點(diǎn)：揮發(fā)分析出、揮發(fā)分著火和碳的著火燃燒幾乎是同時(shí)的，其中極小的煤粉甚至可能先著火燃燒。煤燃燒的三個(gè)階段不明顯，揮發(fā)分析出過程幾乎延續(xù)到燃燒的最后階段。煤粉氣流的著火和燃燒煤粉氣流的著火：一般希望在離燃燒器出口約0.5m處能穩(wěn)定著火。

著火過早燃燒器噴口溫度過高而燒壞火焰中心上移，爐膛出口處結(jié)渣

著火過晚火焰中心上移，過熱汽溫升高燃燒不完全，q4增大爐膛出口煙氣溫度要比灰的軟化溫度低50~100℃著火熱源：①煤粉氣流卷吸回流的高溫?zé)煔?；②火焰、爐墻等對(duì)煤粉的輻射；③燃料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)釋放出的熱量。煤粉氣流的著火主要是靠煤粉氣流卷吸高溫回流煙氣的對(duì)流傳熱。著火熱：將煤粉氣流加熱到著火溫度所需的熱量。著火熱用于加熱一次風(fēng)粉混合物，以及煤粉中水分的蒸發(fā)過熱。加熱煤粉和一次風(fēng)所需熱量煤粉中水分蒸發(fā)、過熱所需熱量可見煤粉氣流的著火與下列因素有關(guān)：一次風(fēng)量V1、一次風(fēng)速煤粉氣流初溫t1燃料中Vdaf、Ad、Mar煤粉細(xì)度及顆粒分布爐內(nèi)散熱條件燃燒器結(jié)構(gòu)特性鍋爐負(fù)荷爐粉風(fēng)影響煤粉氣流著火的主要因素：①燃料性質(zhì)：揮發(fā)分Vdaf↓，著火溫度↑，著火熱↑，煤粉著火困難，著火時(shí)間長(zhǎng)，著火點(diǎn)離燃燒器噴口距離遠(yuǎn)。水分Mar↑，著火熱↑，爐溫↓，不利著火、制粉。水分Mar↓，制粉系統(tǒng)易爆燃。c.灰分Ad↑，爐溫↓，阻礙燃燒，推遲著火。d.細(xì)度Rx↑，比表面積↓，著火溫度↑，著火推遲。著火困難的煤，應(yīng)該磨細(xì)一些。②一次風(fēng)特性：一次風(fēng)溫↑，著火熱↓，著火加快，并保持爐內(nèi)高溫。因此燃用無煙煤、貧煤時(shí)采用熱風(fēng)送粉系統(tǒng)。一次風(fēng)量↑，著火熱↑，著火推遲；一次風(fēng)量↓，燃燒受制，輸粉堵塞。

一次風(fēng)率r1：一次風(fēng)量占輸入鍋爐總風(fēng)量的百分比。與煤種和制粉系統(tǒng)型式有關(guān)。著火性能好的煤，一次風(fēng)量可適當(dāng)增大。一次風(fēng)速↑，著火推遲，著火點(diǎn)離燃燒器噴口遠(yuǎn)；一次風(fēng)速↓，燃燒器噴口燒壞，煤粉管道堵塞。最佳一次風(fēng)速與煤種和燃燒器型式有關(guān)。

Vdaf↑，一次風(fēng)速↑；Vdaf↓，一次風(fēng)速↓。③爐內(nèi)特性：爐內(nèi)散熱條件：爐內(nèi)散熱↓，加快著火，穩(wěn)定燃燒。

衛(wèi)燃帶：為了低揮發(fā)分煤的及時(shí)著火和穩(wěn)定燃燒，常在燃燒器區(qū)域用耐火保溫材料將部分水冷壁遮蓋起來，構(gòu)成衛(wèi)燃帶，以減少水冷壁吸熱量，維持燃燒器區(qū)域煙氣的溫度水平，改善煤粉氣流著火條件。但衛(wèi)燃帶結(jié)渣嚴(yán)重，燃用無煙煤時(shí)才敷設(shè)衛(wèi)燃帶。鍋爐負(fù)荷D：D↓，則B↓，爐溫↓，對(duì)著火和燃燒穩(wěn)定性不利，甚至可能熄火。著火穩(wěn)定性條件限制了煤粉鍋爐負(fù)荷的調(diào)節(jié)范圍。固態(tài)排渣煤粉爐只能在高于70%額定負(fù)荷下運(yùn)行。燃燒器結(jié)構(gòu)和布置：

一二次風(fēng)混合時(shí)機(jī)：混合過早，在一次風(fēng)煤粉氣流著火前就混入二次風(fēng)，相當(dāng)于增大了一次風(fēng)量，著火熱↑，著火推遲；混合過晚，導(dǎo)致供氧不足，限制固定碳燃燒。并且為了保證一二次風(fēng)混合擾動(dòng)強(qiáng)烈，二次風(fēng)風(fēng)速高于一次風(fēng)風(fēng)速。燃用Vdaf低的煤種，二次風(fēng)混入一次風(fēng)的時(shí)間應(yīng)適當(dāng)推遲。

燃燒器出口截面積：過大，煤粉氣流卷吸能力小，著火點(diǎn)距離噴口遠(yuǎn)。多采用多個(gè)較小尺寸燃燒器替代大燃燒器。

總結(jié)：強(qiáng)化煤粉氣流穩(wěn)定著火的措施

保證供給熱量：組織強(qiáng)烈的煙氣回流，保證燃燒器出口附近煤粉一次風(fēng)氣流與熱煙氣的強(qiáng)烈混合，敷設(shè)衛(wèi)燃帶