第4章燃烧理论基础

第四章燃烧过程理论基础

化学反应速度及其影响因素

固体燃料的燃烧理论煤和焦炭的燃烧

煤粉气流的着火与燃烧

化学反应速度及其影响因素燃烧是一种发光发热的剧烈化学反应，燃烧速度可以用化学反应速率来表示。

均相燃烧：燃料和氧化剂物态相同，如气体燃料在空气中燃烧。

多相燃烧：燃料和氧化剂物态不同，如固体燃料在空气中燃烧。但无论哪种燃烧，都可以用如下的反应方程式表示：燃料燃烧产物氧化剂1.质量作用定律：反映浓度对反应速度的影响。反应速度：在反应系统单位体积中物质浓度的变化率，一般可用烧掉的燃料量或消耗掉的氧量来表示。单位是mol/（m3·s）。质量作用定律：对于均相反应，在一定温度下，化学反应速度与参加反应的各反应物浓度幂的乘积成正比，各反应物浓度幂的指数等于化学反应式中相应的反应系数。注意：上式适用于均相反应，并假定参与反应的气体为理想气体。多相燃烧反应速度：对于固体燃料在空气中燃烧这一类多相燃烧，可认为燃烧反应发生在燃料的表面，固体燃料的浓度是不变的。反应速度只取决于燃料表面处氧浓度。上式说明：对于煤粉燃烧，在相同的反应条件（如温度）下，提高燃料附近氧浓度，增大反应物比表面积，都能提高化学反应速度，缩短燃料燃尽时间。化学反应平衡：正逆反应速率相等。平衡常数：化学反应平衡时正逆反应速度常数之比。2.阿累尼乌斯定律：反映温度和燃料性质对反应速度的影响。活化能E：表征燃料的反应能力。能够破坏原有化学键并建立新化学键所必须消耗的能量，具有活化能的分子为活化分子。活化能E与反应物种类有关，一般Vdaf含量小的煤活化能大，越不容易着火燃烧。放热反应吸热反应3.燃料化学反应速度的影响因素：固体燃料多相燃烧反应速度：①反应物浓度：根据质量作用定律，增加反应物氧的浓度，可以提高化学反应速度。但实际中，还要结合燃料燃烧时的特性综合考虑。比如：着火区的可燃物浓度比较高，氧浓度不可过高，这是为了维持着火区的高温状态，使燃料尽快着火。但如果过分缺氧，又会熄火。因此在着火区控制燃料与空气的合理比例，是实现燃料尽快着火和稳定燃烧的重要条件。②活化能E：根据阿累尼乌斯定律，在一定温度下，活化能E越小，则反应速度常数k值越大，反应速率越大，即燃料的反应能力越强，即使在较低的温度下容易着火和燃尽。而活化能大的燃料，不但着火困难，而且要在较高温度和较长时间下才能燃尽。燃料的活化能是决定燃烧反应速度的内因。一般活化能E与煤种有关。一般Vdaf含量小的煤活化能大。③温度T：在一定的活化能E下，温度越高，则反应速度常数k值越大，反应速率越大。这是因为随反应温度升高，分子的平均动能增大，活化分子数目增加，有效碰撞频率提高，反应速度加快。④压力：当反应温度一定时，在反应系统容积不变的条件下，提高反应系统的压力，相当于提高反应物浓度，从而提高化学反应速度。因此，理论上可以采用正压燃烧锅炉来强化燃烧，但由于燃烧系统的密封问题解决不好，所以正压锅炉的使用并不普遍。⑤催化反应：在反应系统中加入少量催化剂可以大大提高反应速度，因为催化剂可以改变反应途径，降低反应所需活化能，极大提高反应速度。催化剂只能改变反应时间，不能改变反应程度。⑥连锁反应：可以使化学反应自动连续加速进行。反应机理是活化中心的繁殖。其过程包括：链的形成、链的分支、链的终止。

固体燃料的燃烧理论不同锅炉中，煤的燃烧方式有多种，不论是哪种燃烧方式，都是固体煤与气体之间的多相燃烧，反应都是在固相表面进行的（不考虑多孔性）。1.多相燃烧反应过程：（1）氧分子扩散到反应表面。（2）氧分子被燃料表面吸附。（3）燃料表面进行燃烧反应。（4）燃烧产物由燃料表面解吸附。（5）燃烧产物扩散到环境。2、4、5较快1、3较慢（瓶颈）速度：1>>3：动力燃烧区1<<3：扩散燃烧区2.多相燃烧化学反应速度和燃烧区：以碳粒为例，燃烧反应速度常数kap取决于碳粒表面的化学反应速度常数k和氧的扩散速度常数αd。根据αd和k的相对大小，可进行燃烧区域的划分。动力区扩散区①动力燃烧区（低温）：定义：反应温度低于900~1000℃时，化学反应速度很低，燃烧所需氧量较少，氧气供应很充足，提高氧扩散速度对燃烧影响不大，燃烧速度主要受制于燃烧反应动力因素（反应温度和碳的活化能），此时燃烧处于动力燃烧区。强化燃烧的措施：提高反应系统温度。动力区扩散区②扩散燃烧区（高温）：定义：反应温度高于1400℃时，化学反应速度很高，以至于扩散到碳粒表面的氧立刻被消耗掉，提高温度对燃烧影响不大，燃烧速度主要受制于氧气向碳粒表面的扩散速度，此时燃烧处于扩散燃烧区。强化燃烧的措施：增强空气扰动，采用煤粉燃烧。动力区扩散区③过渡燃烧区（中温）：定义：介于动力区和扩散区之间。燃烧速度同时受制于氧气向碳粒表面的扩散速度和燃烧化学反应速度。若氧扩散速度不变，提高温度，则燃烧过程向扩散区转化；若温度不变，提高氧扩散速度，则燃烧过程向动力区转化。强化燃烧的措施：提高扩散速度，提高反应温度。过渡区3.燃烧过程着火和熄火的热力条件：燃烧过程分两个阶段进行，着火阶段和燃烧阶段。着火是燃烧的热力准备阶段。

着火：由缓慢的氧化状态转变到化学反应能自动加速到高速燃烧状态的瞬间过程。转变时的瞬间温度称为着火温度。着火过程包括两层含义，首先是能否发生着火，其次是能否稳定着火。燃料燃烧时要放热，同时又向周围介质散热。这两个互相矛盾过程的发展，可能使燃烧过程发生（着火）或者停止（熄火）。着火和熄火条件分析：燃烧室内燃料与氧化剂反应放热量Q1

燃烧产物向周围介质的散热量Q2（指数曲线）（直线）k0-反应速度常数；V-可燃混合物体积；CO2-煤粉表面氧浓度n-氧的化学计量数；Qr-燃烧反应热；F-燃烧室壁面面积α-混合物向炉膛壁面的综合放热系数T、Tb-分别为反应系统温度和燃烧室壁面温度①当壁面温度较低时（Tb=Tb1），散热曲线Q2’：稳定平衡点1：在点1右侧，散热大于放热，系统温度将降低，向点1靠近；在点1左侧，放热大于散热，系统温度升高，同样靠近点1。点1代表稳定的低温氧化状态。因此低温下只会缓慢氧化，不会着火。

放热及散热曲线Q2’Q2’’Q2’’’Tb1Tb2TzhTxh②当壁面温度提高到Tb2，减小αF，散热曲线Q2’’：不稳定平衡点2：反应初期，系统放热大于散热，温度升高，向点2靠近；到达点2后温度稍提高，反应自动加速而转变到高速燃烧状态，即发生着火，只要保证煤粉和空气的不断供应，最后将稳定于高温燃烧状态点3。点2对应温度为着火温度。着火热力条件：在一定的放热、散热下，系统温度大于着火温度。③高温燃烧时加大散热（斜率），散热曲线Q2’’’：不稳定平衡点4：高温燃烧时散热加大，则系统温度降至不稳定平衡点4，温度再稍降，反应系统温度会急剧下降至低温平衡点5，燃料只能缓慢氧化，不能着火和燃烧，即发生熄火。点4对应温度为熄火温度。熄火热力条件：在一定的放热、散热下，系统温度小于熄火温度。注意：熄火温度Txh>着火温度Tzh，是因为熄火与着火时的热力条件不同。并且二者会随反应系统热力条件的变化而变化，并非物理常数，只是一定条件下的相对特征值。在相同测试条件下，一般反应能力越强的煤（Vdaf高，活化能E小），着火温度越低，越易着火。强化着火防止熄火的措施：

加强放热：增加可燃混合物的浓度、初温、压力。

减少散热：降低气流速度，增强燃烧室保温。煤和焦炭的燃烧1.煤的燃烧过程：可分成四个阶段。（1）预热干燥阶段：新入炉煤吸收炉内高温烟气的热量，温度逐渐升高，达到100℃左右水分逐渐析出，煤被干燥。此阶段吸热不放热。（2）挥发分析出与着火阶段：煤继续吸热，达到一定温度后，挥发分析出，同时生成焦炭。挥发分与空气混合达到一定的浓度和温度时，就会发生着火燃烧，此时的温度即为煤的着火温度。此阶段吸热。（3）燃烧阶段：温度继续上升，挥发分首先着火燃烧，放出热量加热焦炭，焦炭温度上升到一定程度就开始燃烧，大量放热。挥发分的燃烧速度很快，而焦炭的燃烧较为复杂，组织好焦炭的燃烧过程是优化燃烧的关键。此阶段强烈放热。（4）燃尽阶段：大部分可燃物已燃尽，少量未燃尽的固定碳继续燃烧，碳粒表面形成灰壳，燃尽阶段中由于灰壳阻力、氧浓度降低、气流扰动混合减弱，使燃烧速度明显下降，并占整个燃烧过程的时间最长。此阶段放热较少，且易造成不完全燃烧热损失。注意：上述各阶段实际是交叉进行的，并无明显界限。2.焦炭的燃烧反应机理：煤的燃烧基础是焦炭的燃烧。因为：①焦炭是主要的可燃成分；②焦炭着火最晚，燃烧持续时间最长，焦炭的燃烧时间基本决定了整个粒子的燃烧时间；③焦炭的发热量占煤的发热量很大份额。一次反应：二次反应：附加反应：碳粒表面燃烧过程低于1200℃高于1200℃3.煤的燃烧特点：①煤中含有水分：煤的燃烧过程中，水蒸汽很易和C及燃烧产物CO作用，生成CO2和H2，H2再与CO或CO2反应。这种催化作用，使燃烧反应更加复杂并改变化学反应速度。②煤中含有挥发分：挥发分对煤的着火燃烧有利；但另一方面，挥发分析出燃烧，消耗了大量氧气，并增加了氧气向煤粒表面的扩散阻力，使燃烧过程的初期焦碳的燃烧速度下降。③煤中含有矿物杂质：在燃烧过程会生成灰，灰层包裹着碳粒，会妨碍氧向碳粒表面的扩散，或使碳粒反应表面减少，使燃烧难以进行，燃尽困难。④多孔性：煤受热后产生水蒸气和挥发分，增大比表面积，增加了反应表面。煤粉气流的着火和燃烧煤粉气流的着火：一般希望在离燃烧器出口约0.5m处能稳定着火。

着火过早燃烧器喷口温度过高而烧坏火焰中心上移，炉膛出口处结渣

着火过晚火焰中心上移，过热汽温升高燃烧不完全，q4增大炉膛出口烟气温度要比灰的软化温度低50~100℃着火热源：①煤粉气流卷吸回流的高温烟气；②火焰、炉墙等对煤粉的辐射；③燃料进行化学反应释放出的热量。煤粉气流的着火主要是靠煤粉气流卷吸高温回流烟气的对流传热。着火热：将煤粉气流加热到着火温度所需的热量。着火热用于加热一次风粉混合物，以及煤粉中水分的蒸发过热。加热煤粉和一次风所需热量煤粉中水分蒸发、过热所需热量可见煤粉气流的着火与下列因素有关：一次风量V1、一次风速煤粉气流初温t0燃料中Vdaf、Ad、Mar煤粉细度及颗粒分布炉内散热条件燃烧器结构特性锅炉负荷炉粉风影响煤粉气流着火的主要因素：①燃料性质：挥发分Vdaf↓，着火温度↑，着火热↑，煤粉着火困难，着火时间长，着火点离燃烧器喷口距离远。水分Mar↑，着火热↑，炉温↓，不利着火、制粉。水分Mar↓，制粉系统易爆燃。c.灰分Ad↑，炉温↓，阻碍燃烧，推迟着火。d.细度Rx↑，比表面积↓，着火温度↑，着火推迟。着火困难的煤，应该磨细一些。②一次风特性：一次风温↑，着火热↓，着火加快，并保持炉内高温。因此燃用无烟煤、贫煤时采用热风送粉系统。一次风量↑，着火热↑，着火推迟；一次风量↓，燃烧受制，输粉堵塞。

一次风率r1：一次风量占输入锅炉总风量的百分比。与煤种和制粉系统型式有关。着火性能好的煤，一次风量可适当增大。一次风速↑，着火推迟，着火点离燃烧器喷口远；一次风速↓，燃烧器喷口烧坏，煤粉管道堵塞。最佳一次风速与煤种和燃烧器型式有关。

Vdaf↑，一次风速↑；Vdaf↓，一次风速↓。③炉内特性：炉内散热条件：炉内散热↓，加快着火，稳定燃烧。

卫燃带：为了低挥发分煤的及时着火和稳定燃烧，常在燃烧器区域用耐火保温材料将部分水冷壁遮盖起来，构成卫燃带，以减少水冷壁吸热量，维持燃烧器区域烟气的温度水平，改善煤粉气流着火条件。但卫燃带结渣严重，燃用无烟煤时才敷设卫燃带。锅炉负荷D：D↓，则B↓，炉温↓，对着火和燃烧稳定性不利，甚至可能熄火。着火稳定性条件限制了煤粉锅炉负荷的调节范围。固态排渣煤粉炉只能在高于70%额定负荷下运行。燃烧器结构和布置：

一二次风混合时机：混合过早，在一次风煤粉气流着火前就混入二次风，相当于增大了一次风量，着火热↑，着火推迟；混合过晚，导致供氧不足，限制固定碳燃烧。并且为了保证一二次风混合扰动强烈，二次风风速高于一次风风速。燃用Vdaf低的煤种，二次风混入一次风的时间应适当推迟。

燃烧器出口截面积：过大，煤粉气流卷吸能力小，着火点距离喷口远。多采用多个较小尺寸燃烧器替代大燃烧器。

总结：强化煤粉气流稳定着火的措施

保证供给热量：组织强烈的烟气回流，保证燃烧器出口附近煤粉一次风气流与热烟气的强烈混合，敷设卫燃带，维持炉内高温。保证供给足够的热量用于稳定着火。

降低着火热：提高煤粉气流初温，采用合适的一次风量和一次风速。

其他：采用合适的煤粉细度。例如，燃用无烟煤，常采用热风送粉系统，并减小煤粉细度Rx和敷设卫燃带来稳定着火。2.煤粉气流的完全燃烧：在煤粉气流着火后，是煤粉颗粒的强烈燃烧和焦炭的燃尽阶段。燃烧过程越良好，即燃烧过程越接近完全燃烧。

完全燃烧：在安全性上，要求不结渣，不出现膜态