燃烧过程基本理论

1、本章内容本章内容燃烧反应的质量作用定律与阿累尼乌斯定律燃烧反应的质量作用定律与阿累尼乌斯定律影响燃烧反应速度的因素影响燃烧反应速度的因素碳粒燃烧的一次反应与二次反应碳粒燃烧的一次反应与二次反应燃烧反应的动力区、扩散区、过渡区燃烧反应的动力区、扩散区、过渡区热力着火、熄火条件热力着火、熄火条件煤和煤粉气流的着火和燃烧特点煤和煤粉气流的着火和燃烧特点燃烧完全的条件燃烧完全的条件重点掌握重点掌握阿累尼乌斯定律阿累尼乌斯定律燃烧反应的动力区、扩散区、过渡区燃烧反应的动力区、扩散区、过渡区着火和熄火的热力条件着火和熄火的热力条件煤和煤粉气流的着火和燃烧特点煤和煤粉气流的着火和燃烧特点燃烧燃烧的定义：是通

2、过燃料和氧化剂在一定条件下，所进行的具有发光和发热特点的剧烈的氧化反应。燃烧学燃烧学的定义：是研究燃烧过程基本规律及其应用技术的科学。它包括两方面的内容：燃烧理论和燃烧技术。燃烧理论燃烧理论着重研究燃烧过程所包含的各个基本现象，主要运用化学、传热传质学和流体力学的有关理论，对基本现象的物理化学本质进行阐述。热能领域主要研究燃料的燃烧速度、燃烧热能领域主要研究燃料的燃烧速度、燃烧稳定性、火焰的流场和结构、燃烧污染物生成机理和燃烧过程稳定性、火焰的流场和结构、燃烧污染物生成机理和燃烧过程的数学模型的建立等等的数学模型的建立等等。燃烧技术燃烧技术主要是把燃烧理论中所阐述的物理概念和基本规律与工程技术

3、中的燃烧问题联系起来，对现有的燃烧方法进行分析和改进，探讨新的研究方法，提高燃料利用率和燃烧设备的水平。伴随着流动过程流体力学伴随着热量传输传热学伴随着新物质的生成和扩散传质学燃料和燃烧产物的热量转化及化学反应能够进行的程度化学热力学燃烧反应的速度化学动力学由此可见，燃烧过程是极其复杂的物理化学由此可见，燃烧过程是极其复杂的物理化学过程，是多门学科的综合和交叉过程，是多门学科的综合和交叉十八世纪中叶前对火的认识十八世纪中叶前对火的认识组成宇宙的四大元素，古希腊的四元论（空气、水、火、土）；我国组成宇宙的四大元素，古希腊的四元论（空气、水、火、土）；我国五行说（金、水、木、火、土）五行说（金、水

4、、木、火、土）德国化学家贝歇尔德国化学家贝歇尔/ /斯塔尔为代表斯塔尔为代表 ，燃素学说燃素学说（燃烧是分解过程，释（燃烧是分解过程，释放燃素，一种没有重量的物质在流动）放燃素，一种没有重量的物质在流动）十八世纪中叶十八世纪中叶俄国化学家罗蒙诺索夫（俄国化学家罗蒙诺索夫（17561756）、法国化学家拉瓦锡（）、法国化学家拉瓦锡（17771777）根据试）根据试验首先正确阐明燃烧的本质：可燃物质的验首先正确阐明燃烧的本质：可燃物质的氧化学说氧化学说十九世纪十九世纪热化学热化学及及热力学热力学的发展，燃烧过程被作为热力平衡系来研究，得出了的发展，燃烧过程被作为热力平衡系来研究，得出了燃烧过程中一

5、些重要的静态特性参数：燃烧反应热、绝热燃烧温度、燃烧过程中一些重要的静态特性参数：燃烧反应热、绝热燃烧温度、燃烧产物平衡成份的规律性等。燃烧产物平衡成份的规律性等。二十世纪初二十世纪初美国化学家刘易斯美国化学家刘易斯(B.Lewis)(B.Lewis)、苏联化学家谢苗诺夫研究了化学反应、苏联化学家谢苗诺夫研究了化学反应动力学机理，提出化学反应动力学机理，提出化学反应动力学动力学是影响燃烧速率的重要因素，并发是影响燃烧速率的重要因素，并发现燃烧反应具有链锁反应的特点，从而奠定了现燃烧反应具有链锁反应的特点，从而奠定了燃烧理论燃烧理论的基础。的基础。上世纪二十年代到四十年代上世纪二十年代到四十年代

6、俄国化学家谢苗诺夫等人由反应动力学和俄国化学家谢苗诺夫等人由反应动力学和传热传质传热传质相互作用的观点，相互作用的观点，首次从定量关系上建立了着火及火焰传播的首次从定量关系上建立了着火及火焰传播的经典燃烧理论经典燃烧理论。人们已逐渐认识到，限制燃烧过程的往往不仅是反应动力学而是传热人们已逐渐认识到，限制燃烧过程的往往不仅是反应动力学而是传热传质传质四十年代到五十年代四十年代到五十年代基于扩散燃烧或扩散基于扩散燃烧或扩散动力燃烧的观点开始研究了液滴和炭粒燃烧动力燃烧的观点开始研究了液滴和炭粒燃烧五十年代末到六十年代五十年代末到六十年代美国理学家冯美国理学家冯卡门（卡门（Vol KarmanVol

7、 Karman）和钱学森首先提出用连续介质力）和钱学森首先提出用连续介质力学来研究燃烧，逐步建立了学来研究燃烧，逐步建立了“化学流体力学化学流体力学”或者或者“反应流体力学反应流体力学”，许多学者根据这一方法来研究燃烧问题，如层流燃烧、湍流燃烧、火许多学者根据这一方法来研究燃烧问题，如层流燃烧、湍流燃烧、火焰稳定等，取得了广泛的研究成果，初步形成焰稳定等，取得了广泛的研究成果，初步形成燃烧流体力学燃烧流体力学。七十年代初七十年代初斯帕尔丁（斯帕尔丁（D BD BSpaldingSpalding）等一批学者系统地把）等一批学者系统地把计算流体力学计算流体力学方法方法用于研究层流及湍流气体燃烧，液

8、雾及煤粉燃烧，建立了燃烧的数学用于研究层流及湍流气体燃烧，液雾及煤粉燃烧，建立了燃烧的数学模拟方法及数值计算方法，形成了模拟方法及数值计算方法，形成了“计算燃烧学计算燃烧学”的新领域。能很好的新领域。能很好地定量预测燃烧过程和燃烧设备性能，使燃烧理论及其应用达到了新地定量预测燃烧过程和燃烧设备性能，使燃烧理论及其应用达到了新的高度。同时燃烧测试技术的发展改进了试验方法和测试精度，使人的高度。同时燃烧测试技术的发展改进了试验方法和测试精度，使人们有可能更深入、更全面和更精确地研究和掌握燃烧机理。们有可能更深入、更全面和更精确地研究和掌握燃烧机理。部分内容自学部分内容自学( (化学反应速度、影响化

9、学反应速度因素化学反应速度、影响化学反应速度因素) )燃烧反应二种类型：均相燃烧反应二种类型：均相( (气、液、固气、液、固) )反应和多反应和多( (异异) )相反应相反应主要解决化学反应速度。燃烧反应速度的大小取决于反应物质与进行主要解决化学反应速度。燃烧反应速度的大小取决于反应物质与进行反应的条件。反应的条件。化学条件：化学条件：燃料氧化反应的化学反应速度的影响因素有：燃料氧化反应的化学反应速度的影响因素有：温度温度、反应物质的、反应物质的浓度浓度及反应空间的及反应空间的压力压力等；等； 在锅炉燃烧技术中，其影响因素主要是在锅炉燃烧技术中，其影响因素主要是温度温度。物理条件：物理条件：燃

10、烧空气与燃料的燃烧空气与燃料的相对速度相对速度，气流扩散速度及热量传递速度等；，气流扩散速度及热量传递速度等； 在锅炉燃烧技术中，起主要作用的是气流扩散速度，包括氧气向碳粒表面的扩在锅炉燃烧技术中，起主要作用的是气流扩散速度，包括氧气向碳粒表面的扩散和燃烧产物的反向扩散。散和燃烧产物的反向扩散。质量作用定律：浓度对化学反应速度影响质量作用定律：浓度对化学反应速度影响 见书本公式3-4阿累尼乌斯阿累尼乌斯(Arrhenius)(Arrhenius)定律定律 ( (瑞典物理化学家瑞典物理化学家18891889年提出年提出) )bBaACkCw 温度对反应温度对反应( (燃烧燃烧) )速度的影响速度

11、的影响 温度愈高，化学反应速度愈快，试验表明，温度每增加温度愈高，化学反应速度愈快，试验表明，温度每增加10, 10, 化学反应化学反应速度可增加速度可增加1 12 2倍。倍。18891889年阿累尼乌斯在实验的基础上，总结出了速率常数与热力学温度关年阿累尼乌斯在实验的基础上，总结出了速率常数与热力学温度关系的经验公式系的经验公式阿累尼乌斯定律：阿累尼乌斯定律：k k0 0频率因子或指前因子频率因子或指前因子E E活化能，受温度影响，但影响不大活化能，受温度影响，但影响不大,kJ/kmol,kJ/kmolT T热力学温度热力学温度,K,KR R气体常数气体常数,8.31kJ/(Kmol,8.3

12、1kJ/(Kmol. .K)K)温度对反应速度的影响集中反映在反应速度温度对反应速度的影响集中反映在反应速度常数常数k k上。上。)/exp(/ln0RTEKKRTEKaa常数W=kCn化学反应的先决条件是反应物分子必须先发生碰撞，能引起化学反化学反应的先决条件是反应物分子必须先发生碰撞，能引起化学反应的碰撞称为应的碰撞称为有效碰撞有效碰撞，发生有效碰撞时形成的中间活化物分子称，发生有效碰撞时形成的中间活化物分子称为为活化分子活化分子，活化分子的平均能量，活化分子的平均能量(E*)与反应物分子的平均能量与反应物分子的平均能量(E)之差称为化学反应的之差称为化学反应的活化能活化能Ea。EaE*E

13、基元反应的能量变化示意图基元反应的能量变化示意图E = E1 E2温度一定时，活化能越大，活化分温度一定时，活化能越大，活化分子数就越少，反应速度越慢；子数就越少，反应速度越慢；活化活化能越小，反应速度越快能越小，反应速度越快。在相同条件下，燃料的焦炭燃烧反在相同条件下，燃料的焦炭燃烧反应的活化能是不同的，高挥发分煤应的活化能是不同的，高挥发分煤的活化能较小的活化能较小举例：某种煤燃烧反应活化能举例：某种煤燃烧反应活化能E=130kJ/molE=130kJ/mol，不同温度时发生有效碰撞，不同温度时发生有效碰撞的概率的概率在阿定律中，反应物碰撞总数在阿定律中，反应物碰撞总数 K0，有效碰撞在总

14、碰撞中的比例，有效碰撞在总碰撞中的比例 exp(-E/RT)，则反应物有效碰撞数，则反应物有效碰撞数(代表反应速度代表反应速度) K0exp(-E/RT)221043. 4130031. 8130000exp/expRTE当温度当温度T T=300K=300K时，有效碰撞数时，有效碰撞数/ /碰撞总数碰撞总数=161066. 9140031. 8130000exp/expRTE当温度当温度T T=400K=400K时，有效碰撞数时，有效碰撞数/ /碰撞总数碰撞总数=41076. 11160031. 8130000exp/expRTE当温度当温度T T=1500K=1500K时，有效碰撞数时，有

15、效碰撞数/ /碰撞总数碰撞总数=就是说每就是说每4.434.4310102222次碰撞中只有一次碰撞是有效的。次碰撞中只有一次碰撞是有效的。计算结果表明，温度升高计算结果表明，温度升高100K100K，有效碰撞几乎增加，有效碰撞几乎增加4545万倍。万倍。温度升高到实际燃煤锅炉燃烧温度温度升高到实际燃煤锅炉燃烧温度1500K1500K，有效碰撞增加，有效碰撞增加10108 8万倍以上。万倍以上。一般化学反应的活化能约在：一般化学反应的活化能约在：41.9-419kJ/mol，活化能小于，活化能小于41.9kJ/mol的反应，的反应，其速度快到难以测定其速度快到难以测定褐煤：褐煤：92-105k

16、J/mol；烟煤：；烟煤：117-134kJ/mol；贫煤、无烟煤：；贫煤、无烟煤：140-147kJ/mol热重法热重法(Thermo gravimetry(Thermo gravimetry，TG)TG)是在程序控制温度下是在程序控制温度下测量物质的质量和温度关系的一种技术，用于热重法测量物质的质量和温度关系的一种技术，用于热重法的仪器是热天平，它能连续记录质量与温度的函数关的仪器是热天平，它能连续记录质量与温度的函数关系（系（TGTG曲线）。曲线）。燃烧反应动力学方程：燃烧反应动力学方程：)()()1 (fTkdTd 为转化百分率，为转化百分率，为升温速率。为升温速率。 f( )为反应机

17、理函为反应机理函数，表示反应速率数，表示反应速率d /dT与转化率与转化率 之间所遵循的函之间所遵循的函数关系。数关系。k(T)为速率常数，与温度的关系通常认为符为速率常数，与温度的关系通常认为符合合Arrhenius公式公式)exp(RTEA010020030040050060070080090001020304050607080901001101 大柳塔2 石圪台3 布尔台4 保德5 大同煤6 混煤W/%T/645321升温速率为20 /min 失水阶段失水阶段挥发分析出与挥发分析出与焦炭燃烧阶段焦炭燃烧阶段剩余灰渣剩余灰渣200300400500600700800900100082848

18、6889092949698100102-0.22-0.20-0.18-0.16-0.14-0.12-0.10-0.08-0.06-0.04-0.020.000.02(2)DTG / (%-1) Loss percent w/%Reference temperature T/ (3)50/min(2)30/min(1)20/min TG(1)(2)(3)(1)(3) DTG煤样煤样转化率转化率E / (KJ/mol)RrSD云石煤云石煤0.2198.640.999870.010620.5168.070.998130.034060.8137.950.999660.01309江山煤江山煤0.2190

19、.250.999990.004980.5121.570.991510.092410.8210.150.999990.00429风川煤风川煤0.2210.090.998910.041290.5180.540.997540.064150.8113.080.988150.10371华亭煤华亭煤0.2114.570.996430.068590.541.590.988930.065650.816.910.972340.06368200300400500600700800900100020406080100-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.00.1(2)Loss perc

20、ent w/%DTG / (%-1)Reference temperature T/ (1)(3)(1)(2)(3)(3) 80/min(2) 50/min(1) 20/min TG DTG 20030040050060070080090010008486889092949698100102-0.12-0.10-0.08-0.06-0.04-0.020.00Loss percent w/%DTG / (%-1)Reference temperature T/ (3 )80/min(2) 50/min(1 )20/min TG(1)(2)(3)(1)(2)(3) DTG煤样煤样工业分析工业分析

21、w/%Qnet,ad kJ/kgMadAadVadVdafFCad云石煤云石煤1.1384.383.7726.0210.723574江山煤江山煤1.0281.686.4435.3511.783611风川煤风川煤0.9184.863.3123.3910.844063华亭煤华亭煤3.4320.7326.7235.2349.1222185鸿基煤鸿基煤0.8927.026.729.3265.3724421凤川煤华亭煤云石煤2SO2 + O2 =2SO3V2O5A+KAK+BAB+KE1E2EaA + B = AB 催化机理催化机理: :主要是改变了反应的途径，主要是改变了反应的途径，从而使反应的从而使

22、反应的活化能发生了改变活化能发生了改变。 反应反应 A+B=AB A+B=AB ，没有催化剂的活化能，没有催化剂的活化能为为Ea Ea ，有催化剂时活化能为，有催化剂时活化能为E1E1和和E2E2A+K = AK E1AK+B = AB +K E2煤燃烧、碳燃烧、煤粉燃烧（煤粉气流燃烧）概念不同煤燃烧、碳燃烧、煤粉燃烧（煤粉气流燃烧）概念不同一、煤燃烧过程的四个阶段一、煤燃烧过程的四个阶段 预热干燥阶段：水分蒸，吸热过程，预热干燥阶段：水分蒸，吸热过程， 温度温度200200200300300； 燃烧阶段：挥发分和焦碳燃烧阶段：挥发分和焦碳 燃烬阶段：焦炭燃尽成灰渣燃烬阶段：焦炭燃尽成灰渣说明

23、： (1)(1)实际上，四个阶段没有明显区别，特别是挥发分析出、着火及燃烧实际上，四个阶段没有明显区别，特别是挥发分析出、着火及燃烧和炭燃烧没有明显区别。和炭燃烧没有明显区别。 曾经有人在实验室做试验与加热速率有很大关系。曾经有人在实验室做试验与加热速率有很大关系。 10103 3/S /S 有明显的热分解有明显的热分解挥发分析出挥发分析出燃烧；燃烧； 10104 4/S /S 着火着火产生火焰产生火焰显著热分解。显著热分解。 煤粉炉煤粉炉 5000500010104 4/S /S 没有明显区别。没有明显区别。工业分析：水分、灰分、挥发分、固定碳工业分析：水分、灰分、挥发分、固定碳元素分析：碳

24、、氢、氧、氮、硫元素分析：碳、氢、氧、氮、硫(2) (2) 时间时间挥发分占比例小，干燥无灰基烟煤挥发分占比例小，干燥无灰基烟煤202030%30%，燃烧时间极短。，燃烧时间极短。挥发分析出挥发分析出+ +挥发分与空气混和挥发分与空气混和+ +着火燃烧着火燃烧10% 0.1s=100ms90% 190% 1秒左右秒左右煤粉在炉内停留时间煤粉在炉内停留时间 2 23S3S左右。左右。(3)(3)位置位置挥发分析出、着火燃烧挥发分析出、着火燃烧燃烧器区域前期（未到中心）；燃烧器区域前期（未到中心）；焦炭燃烧焦炭燃烧燃烧器区域后期至炉膛中心位置；燃烧器区域后期至炉膛中心位置；燃烬阶段燃烬阶段炉膛中部

25、到出口前；炉膛中部到出口前；(4)(4)挥发分组成挥发分组成COCO2 2、COCO、CHCH4 4、H H2 2、C C2 2H H2 2、C Cm mH Hm m、少量、少量H H2 2S S、N N2 2；(5)(5)最重要的是着火和燃烬两个阶段。最重要的是着火和燃烬两个阶段。二、碳的燃烧反应二、碳的燃烧反应煤中含有大量碳，煤中含有大量碳，50-95%50-95%，发热量，发热量，60-95%60-95%。关于碳燃烧，。关于碳燃烧，3 3 种种理论：理论： C + O2 CO2 C + 1/2O2 CO （一次反应）（一次反应） CO2 + C 2CO CO + 1/2O2 CO2 （二

26、次反应）（二次反应） xC + y/2O2 CxOy 分解生成分解生成CO、CO21.1.最终产物最终产物 COCO2 2，在氧气不足（还原性）部分，在氧气不足（还原性）部分COCO，衡量燃烧好坏指标。，衡量燃烧好坏指标。2.2.煤中有水：煤中有水：C + H2O CO + H2C + 2H2O CO2 + 2H2CO + H2O CO2 + H2完全燃烧最终完全燃烧最终 CO2 + H2O3.3.燃烧与气化燃烧与气化 气化就是生成气化就是生成COCO，而不是，而不是COCO2（人为）（人为）用物理模型来说明碳多相燃烧过程，一般认为用物理模型来说明碳多相燃烧过程，一般认为O O2 2扩散扩散燃

27、烧燃烧5 5个阶段，详见个阶段，详见书本书本6161。 (1)(1)参与燃烧反应的气体分子参与燃烧反应的气体分子( (氧氧) )向碳粒表面的转移与向碳粒表面的转移与扩散扩散； (2)(2)气体分子气体分子( (氧氧) )被吸附在碳粒表面上；被吸附在碳粒表面上； (3)(3)被吸附的气体分子被吸附的气体分子( (氧氧) )在碳表面上发生在碳表面上发生化学反应化学反应生成燃烧产物；生成燃烧产物； (4)(4)燃烧产物从碳表面上解吸附；燃烧产物从碳表面上解吸附； (5)(5)燃烧产物离开碳表面，扩散到周围环境中。燃烧产物离开碳表面，扩散到周围环境中。吸附与解吸附最快。吸附与解吸附最快。扩散与化学反应

28、最慢，但最主要。因此，碳的多相燃烧速度决扩散与化学反应最慢，但最主要。因此，碳的多相燃烧速度决定于氧向碳粒表面的扩散速度和氧与碳粒的化学反应速度中速定于氧向碳粒表面的扩散速度和氧与碳粒的化学反应速度中速度最慢的一个。度最慢的一个。在碳的多相燃烧中，多相化学反应速度，用气相在碳的多相燃烧中，多相化学反应速度，用气相O2消耗速度消耗速度w1表示化表示化学反应速度：学反应速度： 燃烧反应速度也可用氧向碳粒表面扩散速度表示：燃烧反应速度也可用氧向碳粒表面扩散速度表示： Cs 碳粒表面上氧的浓度，碳粒表面上氧的浓度，kg/m2；C0 周围介质中氧的浓度，周围介质中氧的浓度， kg/m2； k 化学反应速

29、度常数；化学反应速度常数； 扩散速度常数。扩散速度常数。燃烧稳定时燃烧稳定时 w1 = w2 = w经推到：经推到：s1kCw s02CCw0n0CkCkkwC0Cs k碳粒碳粒1.1.动力燃烧区域动力燃烧区域燃烧时燃烧时T不高不高(900-1000)，反应不强烈，反应不强烈， k，扩散能，扩散能力力 化学反应能力时，这是燃烧工况所处的区域称为动力化学反应能力时，这是燃烧工况所处的区域称为动力燃烧区燃烧区(阶段阶段)特征及措施特征及措施：碳粒表面氧浓度基本上等于周围介质中氧浓度：碳粒表面氧浓度基本上等于周围介质中氧浓度：Cs = C0燃烧反应速度燃烧反应速度w = kC0燃烧反应速度决定于化学

30、反应速度，与扩散速度无关；燃烧反应速度决定于化学反应速度，与扩散速度无关；燃烧温度不高，提高温度是强化燃烧的有效措施。燃烧温度不高，提高温度是强化燃烧的有效措施。2.2.扩散燃烧区域扩散燃烧区域燃烧燃烧T很高很高(1500-1600 )，化学反应非常激烈，化学反应非常激烈，k ，化学反应能力化学反应能力扩散能力，这是燃烧工况所处的区域称为扩散能力，这是燃烧工况所处的区域称为扩散燃烧区扩散燃烧区(阶段阶段)特征及措施：特征及措施：碳粒表面氧浓度基本上等于零：碳粒表面氧浓度基本上等于零： Cs = 0燃烧反应速度燃烧反应速度w =C0 燃烧反应速度决定于扩散速度，反应速度常数与燃烧反应速度决定于扩

31、散速度，反应速度常数与T无关，无关，燃烧反应速度与燃烧反应速度与T关系不大，强化措施关系不大，强化措施，加强风速，扰动，加强风速，扰动，减少碳粒直径。减少碳粒直径。燃烧温度很高，燃烧温度很高，环境温度环境温度多相燃烧各区氧浓度变化多相燃烧的反应区域3.3.过渡燃烧区域过渡燃烧区域实际情况大部分是该区域，实际情况大部分是该区域，T适中，过渡燃烧区域适中，过渡燃烧区域4.4.判断判断Cs/C0，谢苗诺夫准则：，谢苗诺夫准则： /k = SM，无烟煤的燃烧速度实验燃烧区域燃烧区域名称名称动力燃烧动力燃烧区域区域过渡燃烧过渡燃烧区域区域扩散燃烧扩散燃烧区域区域比值比值Cs/C0 0.90.1-0.9

32、0.1SM 值值 0.90.11-0.9 0.11上述三种不同的燃烧区域并不是固定不变的，而是随着外界条件的变化而相上述三种不同的燃烧区域并不是固定不变的，而是随着外界条件的变化而相互转移。例如，当温度提高时，化学反应速度急剧增加，原有的气流扩散速互转移。例如，当温度提高时，化学反应速度急剧增加，原有的气流扩散速度显得过于缓慢，氧气的供应满足不了要求，于是燃烧过程由动力燃烧区移度显得过于缓慢，氧气的供应满足不了要求，于是燃烧过程由动力燃烧区移向过渡燃烧区甚至移向扩散燃烧区；向过渡燃烧区甚至移向扩散燃烧区；反之，当气流扩散速度增大反之，当气流扩散速度增大(焦炭颗粒直径缩小焦炭颗粒直径缩小)，并超

33、过化学反应速度时，氧，并超过化学反应速度时，氧气的供应有了剩余，温度成了强化燃烧的阻力，于是燃烧过程由扩散燃烧区气的供应有了剩余，温度成了强化燃烧的阻力，于是燃烧过程由扩散燃烧区移向过渡燃烧区甚至移向动力燃烧区。移向过渡燃烧区甚至移向动力燃烧区。为了强化燃烧，层燃炉燃烧为了强化燃烧，层燃炉燃烧d1525mm的煤块时，温度只需达到的煤块时，温度只需达到10001100左右，燃烧即处于扩散燃烧区，在保证火床稳定的情况下，左右，燃烧即处于扩散燃烧区，在保证火床稳定的情况下，必须加强必须加强送风，提高空气与焦炭颗粒之间的相对速度即可。送风，提高空气与焦炭颗粒之间的相对速度即可。煤粉炉，由于煤粉颗粒很小

34、煤粉炉，由于煤粉颗粒很小(d100m)，温度达到，温度达到1700以上，燃烧才能进以上，燃烧才能进入扩散燃烧区。只有在燃烧中心区的粗颗粒煤粉才能处于扩散燃烧区，在燃入扩散燃烧区。只有在燃烧中心区的粗颗粒煤粉才能处于扩散燃烧区，在燃烧中心以外，特别是在炉膛出口处，煤粉均处于过渡燃烧区甚至动力燃烧区烧中心以外，特别是在炉膛出口处，煤粉均处于过渡燃烧区甚至动力燃烧区中燃烧。所以，中燃烧。所以，强化燃烧必须同时提高炉膛温度和加强燃料与空气的混合。强化燃烧必须同时提高炉膛温度和加强燃料与空气的混合。1.1.煤的燃烧特点煤的燃烧特点主要强调煤燃烧与纯碳燃烧区别。化学反主要强调煤燃烧与纯碳燃烧区别。化学反应

35、角度看：应角度看：(1) (1) 煤中含有水煤中含有水生成生成COCO、H H2 2，使反应复杂。，使反应复杂。(2) (2) 挥发分挥发分对煤粉燃烧有影响：产生热量，形成孔隙对煤粉燃烧有影响：产生热量，形成孔隙结构，更容易燃烧；消耗碳周围氧，增加结构，更容易燃烧；消耗碳周围氧，增加扩散阻力，不利于燃烧。扩散阻力，不利于燃烧。(3) (3) 产生灰渣产生灰渣阻碍扩散，如阻碍扩散，如TT，结渣，扩散就更困难。，结渣，扩散就更困难。(4)(4)水分和挥发分析出后，形成多孔结构，有水分和挥发分析出后，形成多孔结构，有利于燃烬。水煤浆比煤粉好烧就是这个道利于燃烬。水煤浆比煤粉好烧就是这个道理。理。灰灰

36、层层碳层碳层外扩散外扩散扩散燃烧灰层厚度 (a) 400mm (b) 700mm (c) 1200mm (d) 1900mm (e) 2500mm (f) 3100mm 密实团状样密实团状样多孔结构多孔结构团聚烧结团聚烧结剧烈燃烧剧烈燃烧/破碎破碎/球形灰粒球形灰粒高温熔融高温熔融/球形灰粒增加球形灰粒增加燃烧结束燃烧结束/球形飞灰颗粒球形飞灰颗粒(5)(5)燃烧过程与燃烧区域燃烧过程与燃烧区域 靠近碳表面的燃烧产物是靠近碳表面的燃烧产物是COCO，它扩散离开表面，与氧生成，它扩散离开表面，与氧生成COCO2 2, , COCO2 2向两个方向上扩散，并在碳表面发生反应还原成向两个方向上扩散，

37、并在碳表面发生反应还原成COCO。2.煤粉燃烧特点 颗粒很小，颗粒很小，30100m30100m，加热速度快，加热速度快 5000105000104 4/S/S，几个阶段，几个阶段已没有明显区别。已没有明显区别。在表面燃烧碳层中气体成分和温度的分布由缓慢氧化状态转变到高速燃烧状态的瞬间过程称为由缓慢氧化状态转变到高速燃烧状态的瞬间过程称为着火着火，转变的，转变的瞬间温度成为瞬间温度成为着火温度着火温度。燃料与空气组成的混合物，其燃烧过程的发生与停止燃料与空气组成的混合物，其燃烧过程的发生与停止(着火与熄火着火与熄火)、以及燃烧过程能否稳定地进行主要取决于燃烧过程所处的以及燃烧过程能否稳定地进行

38、主要取决于燃烧过程所处的热力条件热力条件。炉内煤粉空气混合物燃烧发热量炉内煤粉空气混合物燃烧发热量Q1 (kJ/s)：向周围介质散失的热量向周围介质散失的热量Q2：rRTEbOVQeCkwVQQ20r1)(2bTTAQ煤粉反应表面氧浓度，煤粉反应表面氧浓度，kmol/m3；V : 可燃混合物容积，可燃混合物容积，m3；Qr : 可燃物反应热，可燃物反应热，kJ/kmol； :混合物向炉膛壁面的综合放热系数，等于对流换热系数与辐射换热系数之和；混合物向炉膛壁面的综合放热系数，等于对流换热系数与辐射换热系数之和；A :炉膛壁面面积，炉膛壁面面积，m2；Tb :炉膛壁面的温度，炉膛壁面的温度，K。b

39、OC221QQ 1 1点：稳定的低温缓慢氧化状态点：稳定的低温缓慢氧化状态2 2点：热力着火点点：热力着火点( (不稳定状态不稳定状态) )3 3点：高温燃烧状态点：高温燃烧状态4 4点：热力熄火点点：热力熄火点5 5点：低温缓慢氧化状态点点：低温缓慢氧化状态点dTdQdTdQ21Q1和和Q2相切的数学条件：散热和放热相等，相切的数学条件：散热和放热相等，即即Q1 = Q2；在二曲线相切点；在二曲线相切点2处的斜率应处的斜率应相等，即相等，即dQ1/dT = dQ2/dT稳定着火条件稳定着火条件：放热及散热曲线有关着火的几个概念有关着火的几个概念：1.1.化学自热化学自热：不需要外界给入热量，

40、在常温下依靠自身的化学反应发生的着火。：不需要外界给入热量，在常温下依靠自身的化学反应发生的着火。2.2.热自燃热自燃( (热力着火热力着火) )：将燃料和氧化剂混合物迅速而均匀地加热，当混合物被：将燃料和氧化剂混合物迅速而均匀地加热，当混合物被加热到某一温度时便着火加热到某一温度时便着火( (全容积全容积) )3.3.点燃点燃( (强迫着火强迫着火) )：用电火花、电弧、热板等高温源使混合物局部地区受到强：用电火花、电弧、热板等高温源使混合物局部地区受到强烈地加热而首先着火、燃烧，随后这部分已燃火焰传播到整个反应体系的空间。烈地加热而首先着火、燃烧，随后这部分已燃火焰传播到整个反应体系的空间

41、。一般熄火温度一般熄火温度T Txhxh是大于着火温度是大于着火温度T Tzhzh；熄火点和着火点随反应系统的热力条件熄火点和着火点随反应系统的热力条件( (散热和发热散热和发热) )而变；而变；熄火温度和着火温度随热力条件而变，不是物理常数，是相对特征值；熄火温度和着火温度随热力条件而变，不是物理常数，是相对特征值；各种实验方法所测得的着火温度值的出入很大，相同测试条件下，不同燃料的着各种实验方法所测得的着火温度值的出入很大，相同测试条件下，不同燃料的着火、熄火温度不同；对同一燃料，不同的测试条件也有不同，过分强调着火温度火、熄火温度不同；对同一燃料，不同的测试条件也有不同，过分强调着火温度

42、意义不大；意义不大；对煤：对煤：反应能力越强反应能力越强（挥发份（挥发份V Vdafdaf越高，焦炭活化能越小）越高，焦炭活化能越小）的煤的煤，着火点低，容，着火点低，容易着火，也易燃烬。反应能力弱的无烟煤着火温度高，也难燃烬。易着火，也易燃烬。反应能力弱的无烟煤着火温度高，也难燃烬。加快着火的措施：加快着火的措施：加强放热、减少散热加强放热、减少散热。散热不变时，提高可燃物初温，增加可。散热不变时，提高可燃物初温，增加可燃物浓度和压力，使放热强化，如浓淡燃烧器稳燃；放热不变时，可降低气流速燃物浓度和压力，使放热强化，如浓淡燃烧器稳燃；放热不变时，可降低气流速度、燃烧室保温等措施，如增加卫燃带

43、等。度、燃烧室保温等措施，如增加卫燃带等。Wheeler 水平管试验装置Godbert Greenwald 垂直炉管简图Hartmann 试验装置点火器的改进要点：产生煤要点：产生煤粉气流方法、粉气流方法、点燃方法和着点燃方法和着火响应鉴别火响应鉴别不同点火试验比较不同点火试验比较沉降炉单颗粒试验台2004006008001000203040506070809010011001020304050-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.00.1时间 /minDTG /质量百分比 /温度 /Tmax失重速率最大点 着火点Ti(dW/dT)max0.98-500-400-300-200-

44、1000100烟气温度差值导数 OC/mm烟气温度差值 OC0200400600800100002 过 渡 阶 段高 速 燃 烧 阶 段温度差值导数曲线测点位置 mm 温度差值曲线缓 慢 氧 化 阶 段着 火 点020040060080010001002003004005006007008009001000110012001300 测点位置 mm烟气温度 OC 给 粉 后 温 度 曲 线给 粉 前 温 度 曲 线测试设备燃料着火温度()气体燃料着火温度标准测试仪高炉煤气530炼焦煤气300-500发生炉煤气530天然气530液体燃料着火温度标准测试仪石油360-400固体燃料着火温度测试炉泥煤

45、225褐煤250-450烟煤400-500无烟煤700-800煤粉气流着火温度测试设备褐煤(Vdaf 50%)550烟煤(Vdaf 40%)650烟煤(Vdaf 30%)750烟煤(Vdaf 20%)840贫煤(Vdaf 14%)900无烟煤(Vdaf 4%) 1000煤的着火温度煤的着火温度：无烟煤：无烟煤：700-800 700-800 烟煤：烟煤：400-500 400-500 褐煤：褐煤：250-450 250-450 煤的着火：热天平煤的着火：热天平煤粉气流：一维火焰炉煤粉气流：一维火焰炉作用：作用：启动时点燃煤粉气流启动时点燃煤粉气流低负荷稳燃低负荷稳燃辅助燃烧器辅助燃烧器种类：种

46、类：过度燃料型过度燃料型 （1 1）气）气油油煤粉三级点火系统：煤粉三级点火系统： 点火器点火器- -气体燃料气体燃料- -雾化油雾化油- -煤煤 （2 2）油）油煤粉二级点火系统：煤粉二级点火系统： 点火器点火器- -油油- -煤煤直接点火型直接点火型 等离子点火等离子点火 感应点火感应点火少油点火型少油点火型 马弗炉点火器马弗炉点火器 煤粉预燃室煤粉预燃室 少油、微油点火燃烧器少油、微油点火燃烧器微油气化小油枪着火微油气化小油枪着火投粉后猛烈着火投粉后猛烈着火把煤粉气流加热到着火温度所需的热量称为着火热；把煤粉气流加热到着火温度所需的热量称为着火热；需要加热：煤粉、空气需要加热：煤粉、空气

47、( (一次风一次风) )、煤粉中水分的蒸发和过热。、煤粉中水分的蒸发和过热。100251010010025101001001001001000qmfmfarzhqarr0zhard41k1r0rzhTcMMMTcMBTTMcqcrVBQ一次风一次风媒粉媒粉水分过热水分过热水分蒸发水分蒸发制粉干燥去制粉干燥去掉的水分掉的水分Br 燃料消耗量，燃料消耗量，kg/h；V0 理论空气量，理论空气量，Nm3/kg；1 过量空气系数；过量空气系数；r1 一次风比例；一次风比例；c1k 一次风比热，一次风比热，J/(Kg.K)q4 机械不完全燃烧热损失，机械不完全燃烧热损失，cd 煤干燥基比热，煤干燥基比热

48、，J/(Kg.K)；Mar 煤收到基水分，；煤收到基水分，；Tzh 着火温度，着火温度，K；T0 煤粉一次风初温，煤粉一次风初温，K；cq 蒸汽比热容，蒸汽比热容，J/(Kg.K)Mmf 煤粉的水分，煤粉的水分，着火热的来源：着火热的来源：对流换热对流换热煤粉气流卷吸回来的高温煤粉气流卷吸回来的高温回流回流烟气烟气( (包括内回包括内回流及外回流流及外回流) )，这部分热烟气和新喷入的煤粉空气强烈混，这部分热烟气和新喷入的煤粉空气强烈混合，将热量以对流方式迅速传递给新燃料，约占总着火热合，将热量以对流方式迅速传递给新燃料，约占总着火热的的70-90%70-90%；辐射换热辐射换热火焰、烟气、火

49、焰、烟气、炉墙对煤粉气流形成辐射炉墙对煤粉气流形成辐射传热，占传热，占10-30%10-30%。对流及辐射散热与介质的关系对流及辐射散热与介质的关系(a)(a)在相同加热时间下，对流加热所得煤粉温度比辐射加热时高在相同加热时间下，对流加热所得煤粉温度比辐射加热时高得多。因此，高温回流烟气是煤粉气流着火的主要热源。得多。因此，高温回流烟气是煤粉气流着火的主要热源。(b)(b)在相同加热方式下，细颗粒煤粉的温升速度比粗颗粒大得多，在相同加热方式下，细颗粒煤粉的温升速度比粗颗粒大得多，即细煤粉先达到着火温度，因此，煤粉愈细愈容易着火。即细煤粉先达到着火温度，因此，煤粉愈细愈容易着火。 不同加热方式时

50、煤粉颗粒的温升与加热时间不同加热方式时煤粉颗粒的温升与加热时间的关系曲线的关系曲线1一对流加热曲线；一对流加热曲线；2一辐射加热曲线；一辐射加热曲线；3一考虑向周围介质散热时一考虑向周围介质散热时的曲线的曲线煤粒着火温度与Vdaf的关系燃料性质：燃料性质：着火温度、燃料水分、灰分、煤粉着火温度、燃料水分、灰分、煤粉细度等细度等运行工况：运行工况：煤粉气流初温、一次风率煤粉气流初温、一次风率(煤粉浓煤粉浓度度)、传热条件、加热速率等、传热条件、加热速率等锅炉结构特性和运行情况锅炉结构特性和运行情况一、燃料性质一、燃料性质1.1.挥发分挥发分影响最大，影响最大，V Vdafdaf增加，着增加，着火

51、温度点下降火温度点下降挥发分析出温度与含量关系着火过程主要取决于煤中可燃基挥发分的大小，而燃尽过程主着火过程主要取决于煤中可燃基挥发分的大小，而燃尽过程主要取决于焦碳的燃烧速度。要取决于焦碳的燃烧速度。煤粉气流的着火位置：煤粉气流的着火位置：200300 mm，不大于500mm 着火太迟：火焰中心上移，造成炉膛上部结渣，汽温偏高，着火太迟：火焰中心上移，造成炉膛上部结渣，汽温偏高，q q3 3，q q4 4增加增加 着火太早：烧坏燃烧器，燃烧器附近结渣着火太早：烧坏燃烧器，燃烧器附近结渣2.2.煤粉细度煤粉细度煤粉越细，燃烧反应表面积越煤粉越细，燃烧反应表面积越大，煤粉升温速度加快着火大，煤粉

52、升温速度加快着火更快更容易；更快更容易；煤粉气流相对速度加快，扩散煤粉气流相对速度加快，扩散反应加快；反应加快；3.3.水分水分水分增加，着火热增加，炉内水分增加，着火热增加，炉内温度水平下降，理论燃烧温温度水平下降，理论燃烧温度下降度下降煤粉细度与升温过程水分水分(%)水分蒸发热占总水分蒸发热占总着火热的比例着火热的比例着火热增着火热增加比例加比例001.0200.341.44300.471.66400.581.871)SJ11)SJ1煤含灰量煤含灰量2.65%(2.65%(质量分数质量分数) 2)SJ5) 2)SJ5煤含灰量煤含灰量47.5%(47.5%(质量分数质量分数) )着火温度与含

53、灰量的影响着火温度与含灰量的影响4.4.灰分灰分 灰分要吸热，还会使热值降低，灰分要吸热，还会使热值降低，炉内温度水平下降，着火推迟，影响炉内温度水平下降，着火推迟，影响稳定性。稳定性。 二、炉内散热条件二、炉内散热条件在燃烧器区域增加卫燃带（燃在燃烧器区域增加卫燃带（燃烧带）烧带）改善保温条件改善保温条件流化床主要用于防磨损流化床主要用于防磨损液态排渣炉为了熔渣排出液态排渣炉为了熔渣排出减少炉膛漏风减少炉膛漏风三、一次风煤粉气流参数三、一次风煤粉气流参数温度、风率、风速温度、风率、风速 增加，相应增大着火热，着火延迟增加，相应增大着火热，着火延迟一次风量一次风量 着火热显著降低着火热显著降低

54、 减少减少 燃烧初期供氧不足，影响燃烧反应速度，阻碍着火燃烧燃烧初期供氧不足，影响燃烧反应速度，阻碍着火燃烧 要满足送粉要求，不能堵管要满足送粉要求，不能堵管最佳值最佳值一次风一次风：输送煤粉进入炉膛的风（首先与燃料接触的风）。输送煤粉进入炉膛的风（首先与燃料接触的风）。作用作用：输送煤粉；输送煤粉；保证挥发分燃烧所需的氧气。保证挥发分燃烧所需的氧气。二次风二次风：直接进入炉膛助燃的风。直接进入炉膛助燃的风。作用作用： 满足焦炭燃烧所需的氧气；满足焦炭燃烧所需的氧气； 组织风粉进行扩散混合。组织风粉进行扩散混合。三次风三次风：除一次风、二次分外的送入炉膛的风。除一次风、二次分外的送入炉膛的风。

55、类型和作用类型和作用：中储式热风送粉中的乏气；中储式热风送粉中的乏气；抑制氮氧化物的生成，分级送抑制氮氧化物的生成，分级送风：燃尽风风：燃尽风(OFA(OFA、SOFASOFA等等) )；沿炉壁送入，保护水冷壁防止结渣和高温腐蚀；沿炉壁送入，保护水冷壁防止结渣和高温腐蚀；控制火焰中心温度，协助调节汽温。控制火焰中心温度，协助调节汽温。一次风速：过高，降低煤粉气流加热速度，影响着火，着火延长；过低，燃烧器一次风速：过高，降低煤粉气流加热速度，影响着火，着火延长；过低，燃烧器喷口烧坏，煤粉堵塞。有一个合理的选择。喷口烧坏，煤粉堵塞。有一个合理的选择。风温风温()一次风率一次风率(%)煤浆煤浆煤粉煤

56、粉回流烟气与回流烟气与一次风比一次风比(%)回流烟气与回流烟气与总风量比总风量比(%)回流烟气与回流烟气与一次风比一次风比(%)回流烟气与回流烟气与总风量比总风量比(%)202070.522232.749.12030115.947.7457.8521.892040194.299.4294.7645.331502052.5816.425.857.21503080.9533.3443.9716.6415040122.2762.5968.1932.633002036.0711.2518.765.223003052.4721.6130.7111.623004073.3537.5545.3221.683

57、0050100.8761.7362.6236.80提高一次风初温，可减少着火热提高一次风初温，可减少着火热煤粉浓度与着火特性关系煤粉浓度与着火特性关系机组容量等级机组容量等级煤种煤种300MW300MW600MW 600MW 一次风温一次风温()()低低VdafVdaf煤煤90-13090-13090-13090-130烟煤烟煤70-10070-10070-10070-100褐煤褐煤80-18080-18080-18080-180一次风率一次风率(%)(%)低低VdafVdaf煤煤14-2514-2514-2514-25烟煤烟煤18-2518-2518-2518-25褐煤褐煤15-2515-2

58、520-3520-35一次风速一次风速(m/s)(m/s)低低VdafVdaf煤煤20-2420-2422-2622-26烟煤烟煤22-3022-3024-3224-32褐煤褐煤16-2216-2218-2518-25二次风温二次风温()()低低VdafVdaf煤煤350-380350-380350-380350-380烟煤烟煤300-360300-360300-360300-360褐煤褐煤300-320300-320290-380290-380二次风速二次风速(m/s)(m/s)低低VdafVdaf煤煤40-4840-4842-5042-50烟煤烟煤45-5245-5246-5646-56褐

59、煤褐煤45-5545-5546-5646-56二次风与一次风的配合二次风与一次风的配合二次风混入一次风的位置要合适二次风混入一次风的位置要合适混合过早，增加冷风，增加着火热，会推迟着火；混合过迟，混合过早，增加冷风，增加着火热，会推迟着火；混合过迟，焦炭着火后不能及时燃烧，使整个燃烧过程延长。焦炭着火后不能及时燃烧，使整个燃烧过程延长。对高挥发分煤，早混入，否则影响燃烧效率对高挥发分煤，早混入，否则影响燃烧效率对低挥发分煤，迟混入，否则会影响着火燃烧稳定性对低挥发分煤，迟混入，否则会影响着火燃烧稳定性二次风速要较高二次风速要较高增强对煤粉的扰动和扩散，加快后期混合过程和强度增强对煤粉的扰动和扩

60、散，加快后期混合过程和强度一般控制动量比一般控制动量比J J2 2/J/J1 1 = 2-4= 2-4五、锅炉负荷五、锅炉负荷锅炉负荷与炉内火焰温度直接相关，负荷降低，炉内燃烧火焰锅炉负荷与炉内火焰温度直接相关，负荷降低，炉内燃烧火焰温度下降。温度下降。404550556065707580机组负荷 %110011501200125013001350140014501500炉内平均温度 标高8米测孔标高6米测孔水平高度水平高度MM15800184002060030200测孔编号测孔编号691519233334工况工况3200MW1440150015951535155513651350工况工况41