電廠鍋爐原理-燃燒理論基礎(chǔ)

第五章燃燒理論基礎(chǔ)復(fù)習(xí)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(shí)現(xiàn)該目的，需尋找強(qiáng)化燃燒的方法，這就要認(rèn)識(shí)燃燒過(guò)程的本質(zhì)。從而，需要學(xué)習(xí)基礎(chǔ)燃燒理論。前言燃燒概述一、燃燒本質(zhì)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(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)；流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生有相互作用的綜合現(xiàn)象；典型的物理化學(xué)過(guò)程；化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)是研究燃燒反應(yīng)過(guò)程的基礎(chǔ)知識(shí)；二、燃燒學(xué)的發(fā)展歷史直至18世紀(jì)中以前，發(fā)展緩慢，對(duì)燃燒現(xiàn)象的本質(zhì)幾乎一無(wú)所知。之后：燃素的概念出現(xiàn)（物質(zhì)是否燃燒被歸于是否含有燃素）→1765年燃燒是物質(zhì)的氧化（燃燒理論的萌芽）→19世紀(jì)出現(xiàn)熱化學(xué)和化學(xué)熱力學(xué)（將燃燒作為熱力學(xué)系統(tǒng)，考察其初態(tài)和終態(tài)，靜態(tài)特性的研究）→20世紀(jì)初燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（研究燃燒過(guò)程的動(dòng)態(tài)過(guò)程的理論）→30~40年代火焰?zhèn)鞑サ母拍睢牧魅紵碚摚ㄕJ(rèn)識(shí)燃燒過(guò)程的限制因素往往不是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，而是傳熱傳質(zhì)，即受限于物理過(guò)程）→50~60年代德國(guó)人VonKarmen（對(duì)宇航也有巨大的貢獻(xiàn)）提出用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)來(lái)研究燃燒，稱為化學(xué)流體力學(xué)或反應(yīng)流體力學(xué)。將經(jīng)典流體力學(xué)的方法、邊界層、射流理論等應(yīng)用與研究燃燒→70年代初，大型電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，形成計(jì)算流體（計(jì)算燃燒）學(xué)，建立了燃燒的數(shù)學(xué)模擬方法和數(shù)值計(jì)算方法；激光測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，使精密測(cè)量成為現(xiàn)實(shí)?；纠碚?數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算+先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)。三、當(dāng)代對(duì)燃燒應(yīng)用的要求要求燃燒不斷強(qiáng)化和趨于更高能量水平；探討高溫、高壓、高速、強(qiáng)湍流條件下的燃燒要求燃燒過(guò)程高效率，節(jié)省燃料等；潔凈燃燒，減輕環(huán)境污染火災(zāi)的起因與防治第一節(jié)、燃燒反應(yīng)速度及其影響因素燃燒反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)一樣，根據(jù)參加反應(yīng)的物質(zhì)不同分為：均相燃燒—?dú)怏w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(yīng)速度的定義根據(jù)質(zhì)量作用定律，反應(yīng)速度有不同的定義方式：第一種定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)和單位體積內(nèi)燃燒掉的燃料量或消耗的氧量舉例：在鍋爐燃燒技術(shù)采用爐膛容積熱負(fù)荷來(lái)表示燃燒反應(yīng)速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)和單位體積內(nèi)燃燒掉的燃料所釋放出的熱量在一定的溫度下，化學(xué)反應(yīng)速度和各反應(yīng)物的濃度成正比1867年由Guldberg和Wage提出對(duì)均相反應(yīng)：A+A+A+A++A+B+B+B+B+B++B→ba第二種定義：

對(duì)于異相反應(yīng)－煤粉與空氣混合物二、影響化學(xué)反應(yīng)速度的主要因素1，濃度從前面反應(yīng)速度的定義式，可知：濃度越大，反應(yīng)速度越快。原因：燃燒反應(yīng)屬雙分子反應(yīng)，只有當(dāng)兩個(gè)分子發(fā)生碰撞時(shí)，反應(yīng)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．壓力氣態(tài)物質(zhì)參加的反應(yīng)，壓力升高，體積減少，濃度增加，壓力對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度的影響與濃度相同。對(duì)理想氣體混合物中的每個(gè)組分可以寫出其狀態(tài)方程：3．溫度3.1阿累尼烏斯定律溫度增加，反應(yīng)速度近似成指數(shù)關(guān)系增加，體現(xiàn)在反應(yīng)速度常數(shù)阿累尼烏斯定律(瑞典物理化學(xué)家1889年提出)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(yùn)動(dòng)速度、動(dòng)能有大有??；動(dòng)能超過(guò)某一數(shù)值（活化能E）足以破壞原有結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)的分子稱為活化分子；分子發(fā)生反應(yīng)，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(xué)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。第三節(jié)熱力著火一．熱力著火理論的實(shí)用性煤粉燃燒過(guò)程的著火主要是熱力著火

著火過(guò)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？

二、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火的兩個(gè)條件

可燃混合物燃燒過(guò)程的發(fā)生與停止，即著火與滅火，燃燒能否穩(wěn)定地進(jìn)行，取決于燃燒過(guò)程中所提供的熱力條件。燃燒中同時(shí)存在著放熱和散熱，在不同的階段存在著二者的不同工況。A、放熱量和散熱量達(dá)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(gè)條件，即使在高溫狀態(tài)下也不能穩(wěn)定著火，燃燒過(guò)程將因火焰熄滅而中斷，并不斷向緩慢氧化的過(guò)程發(fā)展。三、熱力著火的條件放熱>散熱，系統(tǒng)升溫，反應(yīng)加速，但同時(shí)散熱也在增加，必達(dá)到平衡；放熱<散熱，系統(tǒng)降溫，反應(yīng)減速，但同時(shí)散熱也在減少，也必達(dá)到平衡；系統(tǒng)在不同條件下達(dá)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)。1、放熱與散熱曲線以強(qiáng)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(shuō)明：1．放熱與溫度的關(guān)系，燃燒室內(nèi)可燃混合物燃燒放熱量為：2．散熱與溫度的關(guān)系加熱混合物本身所消耗并帶走的熱量：向周圍介質(zhì)散失的熱量（對(duì)流+輻射）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）正常燃燒五、關(guān)于著火溫度的說(shuō)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(shí)驗(yàn)方法所測(cè)得的著火溫度值的出入很大，過(guò)分強(qiáng)調(diào)著火溫度意義不大，如，褐煤堆，如果通風(fēng)不良，接近于絕熱狀態(tài)，孕育時(shí)間長(zhǎng)，著火溫度可低于大氣溫度。著火溫度的概念可以使著火過(guò)程的物理模型大大簡(jiǎn)化。嚴(yán)格上，只說(shuō)著火的臨界條件或著火條件：使系統(tǒng)在某個(gè)瞬時(shí)或空間某部分達(dá)到高溫的反應(yīng)狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)這一過(guò)渡過(guò)程的初始條件或邊界條件為著火條件。六、放熱反應(yīng)與吸熱反應(yīng)隨反應(yīng)的進(jìn)行，放出能量，抵償E后，多余的為反應(yīng)熱（發(fā)熱量）——放熱反應(yīng)反之為吸熱反應(yīng)活化能小，化學(xué)反應(yīng)速度較快，當(dāng)E<4×104kJ/mol，極快；活化能大，化學(xué)反應(yīng)速度較慢，當(dāng)E>4×104kJ/mol，極慢；第三節(jié)、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（連鎖反應(yīng)）一、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論的產(chǎn)生許多化學(xué)反應(yīng)，幾乎所有的燃燒反應(yīng)，均不簡(jiǎn)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(yīng)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(shí)，磷、乙醚的蒸汽氧化。二、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理活化來(lái)源在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生，中間產(chǎn)物—活化中心，活化中心與反應(yīng)物分子發(fā)生反應(yīng)，本身消失，反應(yīng)的結(jié)果又產(chǎn)生新的活化中心通過(guò)活化中心進(jìn)行反應(yīng)要比原作用物直接反應(yīng)容易得多，只需較少的活化能三、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)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(yīng)分支反應(yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)分為四、氫氣與空氣的反應(yīng)——分支鏈?zhǔn)?/p>

爆炸反應(yīng)反應(yīng)開始H原子為活化中心，M為任何活化分子中間反應(yīng)一個(gè)H參加反應(yīng)，經(jīng)過(guò)一個(gè)鏈后形成H2O，又同時(shí)產(chǎn)生三個(gè)H活化中心，再引起三個(gè)分支反應(yīng)五、分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的特點(diǎn)1、存在孕育期（誘導(dǎo)期，感應(yīng)期），當(dāng)活化中心積累到一定程度，才發(fā)生反應(yīng)。2、反應(yīng)自動(dòng)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?/p>

一．火焰?zhèn)鞑ダ碚摰膶?shí)用性燃料燃燒過(guò)程中，火焰的穩(wěn)定性與火焰?zhèn)鞑ニ俣汝P(guān)系極大。電廠燃燒系統(tǒng)的安全運(yùn)行也與火焰?zhèn)鞑ニ俣汝P(guān)系密切。例如，煤粉管道中某一處著火后，火焰迅速蔓延、擴(kuò)散，導(dǎo)致制粉系統(tǒng)著火或爆炸。了解火焰?zhèn)鞑サ闹R(shí)，有助于掌握燃燒過(guò)程的調(diào)整要領(lǐng)，對(duì)穩(wěn)定著火和防止爆燃極為重要。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?dǎo)熱或擴(kuò)散使未燃?xì)怏w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。

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(gè)區(qū)域向前移動(dòng)，逐步傳播和擴(kuò)散出去

2．反應(yīng)速度失去控制的高速爆炸性燃燒出現(xiàn)爆炸性燃燒時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O快，達(dá)1000～3000m/s，溫度極高，達(dá)6000℃；壓力極大，達(dá)2.0265ＭPa(20.67大氣壓)。3．正常燃燒向爆炸性燃燒的轉(zhuǎn)變當(dāng)未燃混合物數(shù)量增多時(shí)，絕熱壓縮將逐漸增強(qiáng)，緩慢的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程就可能自動(dòng)加速，轉(zhuǎn)變?yōu)楸ㄐ匀紵?/p>

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(xì)度

爐膛溫度

第六節(jié)煤粉的燃燒

一、煤粉的燃燒過(guò)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。

二、煤粉的燃燒時(shí)間

著火過(guò)程主要取決于煤中可燃基揮發(fā)分的大小，而燃盡過(guò)程主要取決于焦碳的燃燒速度。

三、煤粉燃燒的主要特征

煤粉顆粒必須首先吸熱升溫，通過(guò)對(duì)流、輻射、熱傳導(dǎo)方式使新鮮燃料受熱