燃烧理论基础

燃烧理论基础第1页，共65页，2023年，2月20日，星期六复习1、几种热损失。为了减小热损失，锅炉燃烧需要作到：稳定着火、快速燃尽。2、为实现该目的，需寻找强化燃烧的方法，这就要认识燃烧过程的本质。从而，需要学习基础燃烧理论。第2页，共65页，2023年，2月20日，星期六前言燃烧概述一、燃烧本质燃烧是气体、液体或固体燃料与氧化剂之间发生的一种强烈的化学反应；流动、传热、传质和化学反应同时发生有相互作用的综合现象；典型的物理化学过程；化学反应动力学、流体力学、传热传质学是研究燃烧反应过程的基础知识；第3页，共65页，2023年，2月20日，星期六二、燃烧学的发展历史直至18世纪中以前，发展缓慢，对燃烧现象的本质几乎一无所知。之后：燃素的概念出现（物质是否燃烧被归于是否含有燃素）1765年燃烧是物质的氧化（燃烧理论的萌芽）19世纪出现热化学和化学热力学（将燃烧作为热力学系统，考察其初态和终态，静态特性的研究）第4页，共65页，2023年，2月20日，星期六20世纪初燃烧反应动力学（研究燃烧过程的动态过程的理论）30~40年代火焰传播的概念→湍流燃烧理论（认识燃烧过程的限制因素往往不是反应动力学，而是传热传质，即受限于物理过程）50~60年代德国人VonKarmen（对宇航也有巨大的贡献）提出用连续介质力学来研究燃烧，称为化学流体力学或反应流体力学。第5页，共65页，2023年，2月20日，星期六将经典流体力学的方法、边界层、射流理论等应用与研究燃烧70年代初，大型电子计算机出现，形成计算流体（计算燃烧）学，建立了燃烧的数学模拟方法和数值计算方法；激光测量技术的出现，使精密测量成为现实。基本理论+数学模型和数值计算+先进的测量技术。第6页，共65页，2023年，2月20日，星期六三、当代对燃烧应用的要求要求燃烧不断强化和趋于更高能量水平；探讨高温、高压、高速、强湍流条件下的燃烧要求燃烧过程高效率，节省燃料等；洁净燃烧，减轻环境污染火灾的起因与防治第7页，共65页，2023年，2月20日，星期六第一节、燃烧反应速度及其影响因素燃烧反应和化学反应一样，根据参加反应的物质不同分为：均相燃烧—气体燃料在空气中燃烧异相燃烧—固体燃料在空气中燃烧，煤粉燃烧第8页，共65页，2023年，2月20日，星期六一、反应速度的定义根据质量作用定律，反应速度有不同的定义方式：第一种定义：单位时间内和单位体积内燃烧掉的燃料量或消耗的氧量第9页，共65页，2023年，2月20日，星期六举例：在锅炉燃烧技术采用炉膛容积热负荷来表示燃烧反应速度：单位时间内和单位体积内燃烧掉的燃料所释放出的热量第10页，共65页，2023年，2月20日，星期六在一定的温度下，化学反应速度和各反应物的浓度成正比1867年由Guldberg和Wage提出对均相反应：A+A+A+A++A+B+B+B+B+B++B→ba第二种定义：第11页，共65页，2023年，2月20日，星期六

对于异相反应－煤粉与空气混合物第12页，共65页，2023年，2月20日，星期六二、影响化学反应速度的主要因素1，浓度从前面反应速度的定义式，可知：浓度越大，反应速度越快。原因：燃烧反应属双分子反应，只有当两个分子发生碰撞时，反应才能发生。浓度越大，即分子数目越多，分子间发生碰撞的几率越大。第13页，共65页，2023年，2月20日，星期六2．压力气态物质参加的反应，压力升高，体积减少，浓度增加，压力对化学反应速度的影响与浓度相同。对理想气体混合物中的每个组分可以写出其状态方程：第14页，共65页，2023年，2月20日，星期六

3．温度3.1阿累尼乌斯定律温度增加，反应速度近似成指数关系增加，体现在反应速度常数阿累尼乌斯定律(瑞典物理化学家1889年提出)第15页，共65页，2023年，2月20日，星期六3.2阿累尼乌斯定律的讨论-活化分子、活化能气体分子的运动速度、动能有大有小；动能超过某一数值（活化能E）足以破坏原有结构发生反应的分子称为活化分子；分子发生反应，要提高能量，每摩尔气体分子所吸收的这部分能量---活化能E；化学动力学的基础。第16页，共65页，2023年，2月20日，星期六第17页，共65页，2023年，2月20日，星期六第18页，共65页，2023年，2月20日，星期六第三节热力着火一．热力着火理论的实用性煤粉燃烧过程的着火主要是热力着火

着火过程有两层意义：一是着火是否可能发生？二是能否稳定着火？

第19页，共65页，2023年，2月20日，星期六可燃混合物燃烧过程的发生与停止，即着火与灭火，燃烧能否稳定地进行，取决于燃烧过程中所提供的热力条件。燃烧中同时存在着放热和散热，在不同的阶段存在着二者的不同工况。二、实现稳定着火的两个条件第20页，共65页，2023年，2月20日，星期六A、放热量和散热量达到平衡，放热量等于散热量。

B、放热量随系统温度的变化率大于散量热随系统温度的变化率。

如果不具备这两个条件，即使在高温状态下也不能稳定着火，燃烧过程将因火焰熄灭而中断，并不断向缓慢氧化的过程发展。第21页，共65页，2023年，2月20日，星期六三、热力着火的条件放热>散热，系统升温，反应加速，但同时散热也在增加，必达到平衡；放热<散热，系统降温，反应减速，但同时散热也在减少，也必达到平衡；系统在不同条件下达到不同的平衡状态，可能是有利的，燃烧稳定在正常工况，可能是不利的，燃烧处于熄火状态。第22页，共65页，2023年，2月20日，星期六1、放热与散热曲线以强烈掺混的零维系统（煤粉空气混合物在燃烧室内）为例说明：1．放热与温度的关系，燃烧室内可燃混合物燃烧放热量为：第23页，共65页，2023年，2月20日，星期六

2．散热与温度的关系加热混合物本身所消耗并带走的热量：向周围介质散失的热量（对流+辐射）第24页，共65页，2023年，2月20日，星期六第25页，共65页，2023年，2月20日，星期六四、可燃混合物着火与灭火分析将两组曲线综合在一起，可能存在以下三种情况：（1）熄火状态；（2）可能着火，正常燃烧；也可能熄火；（3）正常燃烧第26页，共65页，2023年，2月20日，星期六五、关于着火温度的说明着火温度不是物性参数，随所处热力条件的变化而不同，各种实验方法所测得的着火温度值的出入很大，过分强调着火温度意义不大，如，褐煤堆，如果通风不良，接近于绝热状态，孕育时间长，着火温度可低于大气温度。第27页，共65页，2023年，2月20日，星期六着火温度的概念可以使着火过程的物理模型大大简化。严格上，只说着火的临界条件或着火条件：使系统在某个瞬时或空间某部分达到高温的反应状态。实现这一过渡过程的初始条件或边界条件为着火条件。第28页，共65页，2023年，2月20日，星期六第29页，共65页，2023年，2月20日，星期六六、放热反应与吸热反应随反应的进行，放出能量，抵偿E后，多余的为反应热（发热量）——放热反应反之为吸热反应活化能小，化学反应速度较快，当E<4×104kJ/mol，极快；活化能大，化学反应速度较慢，当E>4×104kJ/mol，极慢；第30页，共65页，2023年，2月20日，星期六第三节、链式反应（连锁反应）一、链式反应理论的产生许多化学反应，几乎所有的燃烧反应，均不简单地服从质量作用定律和阿累尼乌斯定律。如：氢气与空气的反应在某些温度和压力下爆炸，在另一些温度和压力下不爆炸，如：冷焰，低温时，磷、乙醚的蒸汽氧化。第31页，共65页，2023年，2月20日，星期六二、链式反应原理活化来源在反应过程中产生，中间产物—活化中心，活化中心与反应物分子发生反应，本身消失，反应的结果又产生新的活化中心通过活化中心进行反应要比原作用物直接反应容易得多，只需较少的活化能第32页，共65页，2023年，2月20日，星期六三、链式反应的分类新的活化中心的数目等于或大于原有的活化中心的数目不分支反应分支反应链式反应分为第33页，共65页，2023年，2月20日，星期六四、氢气与空气的反应——分支链式爆炸反应反应开始H原子为活化中心，M为任何活化分子中间反应一个H参加反应，经过一个链后形成H2O，又同时产生三个H活化中心，再引起三个分支反应第34页，共65页，2023年，2月20日，星期六五、分支链式反应的特点1、存在孕育期（诱导期，感应期），当活化中心积累到一定程度，才发生反应。2、反应自动加速，并可以在等温下加速到极大的数值。第35页，共65页，2023年，2月20日，星期六第五节火焰传播

一．火焰传播理论的实用性燃料燃烧过程中，火焰的稳定性与火焰传播速度关系极大。电厂燃烧系统的安全运行也与火焰传播速度关系密切。例如，煤粉管道中某一处着火后，火焰迅速蔓延、扩散，导致制粉系统着火或爆炸。了解火焰传播的知识，有助于掌握燃烧过程的调整要领，对稳定着火和防止爆燃极为重要。第36页，共65页，2023年，2月20日，星期六二、火焰传播的形式层流火焰传播

缓慢燃烧的火焰传播是依靠导热或扩散使未燃气体混合物温度升高。层流火焰传播速度一般为20～100cm/s。

湍流火焰传播一般为200cm/s以上。

第37页，共65页，2023年，2月20日，星期六三、炉膛内的火焰传播1．正常的火焰传播（缓慢燃烧）是指可燃物在某一局部区域着火后，火焰从这个区域向前移动，逐步传播和扩散出去2．反应速度失去控制的高速爆炸性燃烧出现爆炸性燃烧时，火焰传播速度极快，达1000～3000m/s，温度极高，达6000℃；压力极大，达2.0265ＭPa(20.67大气压)。3．正常燃烧向爆炸性燃烧的转变当未燃混合物数量增多时，绝热压缩将逐渐增强，缓慢的火焰传播过程就可能自动加速，转变为爆炸性燃烧。第38页，共65页，2023年，2月20日，星期六四、煤粉气流火焰传播速度的影响因素挥发分含量

灰分、水分

煤粉细度

炉膛温度

第39页，共65页，2023年，2月20日，星期六第40页，共65页，2023年，2月20日，星期六第六节煤粉的燃烧

一、煤粉的燃烧过程

煤粉受热，水分析出→继续受热，绝大部分挥发分析出，挥发分首先着火→引燃焦碳，并继续析出残余的部分挥发分，挥发分与焦碳一道燃尽→形成灰渣。第41页，共65页，2023年，2月20日，星期六

二、煤粉的燃烧时间

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。

第42页，共65页，2023年，2月20日，星期六三、煤粉燃烧的主要特征

煤粉颗粒必须首先吸热升温，通过对流、辐射、热传导方式使新鲜燃料受热升温。煤粉颗粒中水分首先析出，大约在120-450℃的温度范围内，煤中的挥发分析出，挥发分析出后，剩余的固态物形成焦碳。第43页，共65页，2023年，2月20日，星期六第44页，共65页，2023年，2月20日，星期六一、煤燃烧的主要阶段挥发份释放及大部分烧掉所占时间约为总燃烧时间的十分之一，绝大部分时间为焦碳的燃烧。一般认为是串联，也有交叉过程加热蒸发挥发份释放焦化蒸发挥发份燃烧焦碳燃烧空气煤烟气灰渣第七节碳粒燃烧的动力区、扩散区和过渡区第45页，共65页，2023年，2月20日，星期六

一、碳燃烧的反应环节大致分为几个串联环节：（1）氧气扩散到焦碳表面；（2）氧气被碳表面吸附；（3）在碳表面化学反应（4）燃烧产物由焦碳表面解吸，（5）二氧化碳向周围扩散。碳反应速度决定于（1）和（3），总体速度决定于二者较慢的一个。第46页，共65页，2023年，2月20日，星期六二、燃烧反应的动力区和扩散区描述异相燃烧过程中混合扩散与化学反应环节第47页，共65页，2023年，2月20日，星期六

1．碳粒表面化学反应速度表达式异相化学反应：碳表面发生化学反应所消耗氧量应等于扩散到表面氧量二者相等：第48页，共65页，2023年，2月20日，星期六固体表面氧气浓度Cb随化学反应速度不同而变化的关系复杂，且不必知道不同反应区域分析—动力与扩散燃烧理论第49页，共65页，2023年，2月20日，星期六（1）动力区（化学动力控制区）温度较低：碳表面化学反应速度远小于氧气向表面的扩散速度，氧气供应充分，足够反应所需。燃烧速度取决于化学反应速度，反应处于动力区。K很小（温度很低），1/k很大，所以氧气从远处扩散到固体表面，消耗不多k服从阿定律的，与k的规律一样第50页，共65页，2023年，2月20日，星期六（2）扩散区（扩散控制区）温度增加，k急剧增大，耗氧量急剧增加，消耗掉扩散来的氧气，还处于“待料”，燃烧速度取决于扩散，反应处于扩散区。k很大（温度很高），1/k很小，所以，

与温度T的关系十分微弱，而且扩散燃烧速度随的增大而增大第51页，共65页，2023年，2月20日，星期六3）过渡区k与大小相差不多，服从：第52页，共65页，2023年，2月20日，星期六第53页，共65页，2023年，2月20日，星期六第54页，共65页，2023年，2月20日，星期六动力与扩散燃烧理论应用讨论不同温度区域内，为提高反应速度，有不同的措施：温度较低时，提高燃烧速度的关键：提高温度，氧气很充足，不必大量鼓风；温度较高时，提高燃烧速度的关键：提高，缺氧是关键，要提高出力，应大量鼓风。第55页，共65页，2023年，2月20日，星期六第八节碳粒的一次反应和二次反应机理一、碳粒一次反应机理将碳和氧气之间的直接反应称为一次反应。一次反应产物继续发生的化学反应称为二次反应。

第56页，共65页，2023年，2月20日，星期六1、温度在1300℃以下时的反应第一步是形成碳氧络合物。即被碳粒所吸附的氧分子溶入碳粒晶格中，形成碳氧络合物：