2010第五章燃烧理论.ppt

1、第五章 燃烧理论基础,本章主要讲述有关电站锅炉的燃烧理论，其解决的主要问题是： (1) 判断各种燃料的着火性能，分析影响着火过程的主要因素，保证燃烧过程顺利进行。 (2) 研究如何提高燃料的燃烧速度，提出加速燃烧反应，提高燃烧效率的途径。 (3) 解决降低燃烧产物中污染物排放量的问题。,第一节 化学反应速度,第二节 影响化学反应速度的因素,第五节 火焰传播,第三节 热力着火,第六节 煤粉的燃烧,第七节 碳粒燃烧的动力区、扩散区和过渡区,第八节 碳粒的一次反应和二次反应机理,第四节 链锁反应,第一节 化学反应速度,一、质量作用定律,1质量作用定律,燃烧是一种发光发热的化学反应现象。燃烧速度可以用

2、化学反应速度来表示。,在等温条件下，化学反应速度可用质量作用定律表示。即反应速度一般可用单位时间，单位体积内烧掉燃料量或消耗掉的氧量来表示。可用下面的式子表示炉内的燃烧反应：,化学反应速度可用正向反应速度表示，也可用逆向反应速度来表示。即,CA 、CB 、CG、CH为摩尔组分浓度，kg/m3或mol/m3。,(燃料)(氧化剂) (燃烧产物),2. 质量作用定律的意义,质量作用定律说明了参加反应物质的浓度对化学反应速度的影响。,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的浓度乘积成正比，而各反应物浓度的方次等于化学反应式中相应的反应系数。,质量作用定律适用于理想气体，在均相反

3、应中，假定参与反应的气体为理想气体，则质量作用定律可以应用。,二 、多相燃烧的化学反应速度,对于多相反应，如煤粉燃烧，燃烧反应是在固体表面上进行的，反应速度取决于燃料表面附近氧化剂的浓度和固相物质的表面积。用下式表示：,上式说明，在一定温度下，提高固体燃料附近氧的浓度，就能提高化学反应速度。反应速度越高，燃料所需的燃尽时间就越短。,质量作用定律只反映了化学反应速度与参加反应物浓度的关系。实际上，反应速度不仅与反应物浓度有关，而且与参加反应的物质的活性和温度等因素有关。,化学反应速度与燃料活性及温度的关系可用阿累尼乌斯定律表示。,三 、阿累尼乌斯定律及活化能,1阿累尼乌斯定律,在实际燃烧过程中，

4、化学反应速度与燃料活性及温度的关系可用著名的阿累尼乌斯定律描述：,k0：频率因子； E：活化能； R：通用气体常数； T：热力学温度； 活化能E、频率因子k0都与温度无关；,什么是燃料的“活性”呢？,燃料的“活性”表示燃料着火与燃尽的难易程度。例如，气体燃料比固体燃料容易着火，也容易燃尽。而不同的固体燃料，“活性”也不同，燃料的“活性”也表现为燃料燃烧时的反应能力。各种燃料所具有的“活性”程度可用“活化能”的概念来描述。,2 .活化能,燃料的活化能表示燃料的反应能力。,活化能是参与化学反应的物质达到开始进行化学反应状态所需的最低能量，用表示。,把能够发生化学反应的碰撞称为有效碰撞，并把能够发生

5、有效碰撞的分子称为活化分子。,图5-1 表示出活化能的意义。,第二节 影响化学反应速度的因素,质量作用定律和阿累尼乌斯定律指出：影响燃烧反应速度的主要因素是:,反应物的浓度,反应温度,活化能,在燃料着火区，可燃物浓度比较高，而氧浓度比较低。这主要是为了维持着火区的高温状态，使燃料进入炉内后尽快着火。,燃料的活化能越小，反应能力就越强，反应速度随温度变化也较小，在低温下也能燃烧。 活化能愈大的燃料，其反应能力愈差，反应速度随温度的变化也愈大，即在较高的温度下才能达到较大的反应速度，这种燃料不仅着火困难，而且需要在较高的温度下经过较长的时间才能燃尽。,随着反应温度的升高，分子运动的平均动能增加，活

6、化分子的数目大大增加，有效碰撞频率和次数增多，因而反应速度加快。对于活化能愈大的燃料，提高反应系统的温度，也能提高反应速度。,第三节 热力着火,一、热力着火理论的实用性,锅炉炉内煤粉燃烧过程的着火主要是热力着火，热力着火过程是由于可燃物拥有足够的热量时温度不断升高而引起的。,着火过程有两层意义：,着火是否可能发生？,能否稳定着火？,只有稳定着火，才能保证燃烧过程持续稳定的进行，否则就可能中途熄火，使燃烧过程中断。,二、实现稳定着火的两个条件：,放热量和散热量达到平衡，放热量等于散热量。,放热量随系统温度的变化率大于散热量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

7、，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。,三、 着火温度与熄火温度,燃烧室内可燃混合物燃烧放热量为：,向周围环境散失的热量为：,图5-2表示了由可燃混合物燃烧放热量（5-9）式和不同散热条件（5-10）式下的热力着火曲线。,点1：缓慢氧化状态； 点2：着火点； 点3：高温燃烧状态； 点4：熄火点； 点5：氧化状态。,当环境温度很低时（Tb1），点1左边Q1 Q2a，使反应系统升温，达到平衡点1。但由于温度很低，放热量随温度的变化率小于散热量随温度的变化率， 即dQ1/DTdQ2a/DT，使点1右边出现Q1Q2a。在这种条件下，可燃物不能达到着火温度的状态，只能处于缓慢氧化状态

8、点1。,当环境温度提高时（b2），点2右边Q1Q2b，且在点2处dQ1/dTdQ2b/dT。此时，由于温度较高，放热量随温度的变化率增大，只要温度稍有增加，燃烧反应将自动加速，转变到高温燃烧状态点3。这时，点2对应的温度即为着火温度。在此条件下，只要连续供应燃料和空气，就能实现稳定的着火和燃烧。,当散热条件变化时，如由Q2b变为Q2c时，将出现着火中断的现象。点4对应的温度即为熄火温度。 虽然在点4反应系统温度很高，但由于点4左边与右边均出现Q1Q2c，且dQ1/dTd Q2c/dT，使反应系统温度最终变到点5的氧化状态。由图可知，熄火温度Xh总是比着火温度Zh高。,四、煤、煤粉气流和气体燃料

9、的着火温度,表5-2 各种煤的着火温度,表5-3 煤粉气流的着火温度,第四节 链锁反应,一 、连锁反应的基本概念,气体和有些液体燃料的燃烧反应速度很高，而且在常温下反应仍可以很高的速度进行。这种反应并不是按化学反应方程式那样一步完成的，也不需要给反应物质施加能量。在气体燃料燃烧反应过程中，可以自动产生一系列活化中心，这些活化中心不断繁殖，使反应进行一系列中间过程，整个燃烧反应就象链一样一节一节传递下去，故称这种反应为链锁反应。,第五节 火焰传播,一 、火焰传播形式,火焰传播的形式分为两种：即层流火焰传播和 湍流火焰传播。,在静止的可燃气体混合物中，缓慢燃烧的火焰传播是依靠导热或扩散使未燃气体混

10、合物温度升高，可认为火焰是一层一层的依次着火。层流火焰传播速度一般为20100cm/s。,湍流火焰传播速度较快，一般为 200cm/s以上。火焰短，燃烧室尺寸紧凑，湍流火焰易产生噪声。炉膛内火焰传播属于湍流火焰。,二、炉膛内的火焰传播,1正常的火焰传播（缓慢燃烧）,正常的火焰传播过程中，火焰传播速度比较缓慢，约为 13m/s，燃烧室内压力保持不变。炉内煤粉气流稳定燃烧时的火焰传播就属于正常的火焰传播。,2反应速度失去控制的高速爆炸性燃烧,锅炉炉膛内出现爆炸性燃烧时，火焰传播速度极快，达10003000m/s，温度极高，达 6000；压力极大，达 2.0265Pa (20.67大气压)。 压力的

11、急剧增大是由于高温烟气膨胀产生的压力波，使未燃混合物绝热压缩，火焰传播速度迅速提高，以致产生爆炸性燃烧。,3正常燃烧向爆炸性燃烧的转变,当火焰正常燃烧时，有时会发生响声。此时，如果绝热压缩很弱，不会引起爆炸性燃烧。但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。,四、煤粉气流火焰传播速度的影响因素,一般情况下，挥发分大的煤，火焰传播速度快；灰分大的煤火焰传播速度小；水分增大时，火焰传播速度降低。,图5-4表示了挥发分和灰分对煤粉气流火焰传播速度的影响。,提高煤粉细度时，挥发分析出快，并增加了燃料的反应面积，有利于提高火焰传播速度。,提高炉膛温度

12、时，火焰面向周围环境的散热减少，反应速度加快，有利于提高火焰传播速度。,锅炉在高负荷运行时，燃烧放热量较多，炉膛温度较高，容易稳定燃烧；低负荷运行时，这燃烧放热量减少，冷却散热条件增强，燃料着火稳定性变差。,煤的燃烧特点,煤中含有水分 煤的燃烧过程中，水蒸气很易和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。,煤中含有挥发分 挥发分对煤的着火燃烧有利；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。,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

13、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。,煤是一种多孔性物质 它受热时产生的水蒸气和挥发分，不但向煤粒表面四周的空间扩散，而且还会向煤粒的内部空隙扩散。,煤粉的燃烧特点, 锅炉燃用煤粉的颗粒很小（30100m），炉膛温度又很高，煤粉在炉膛中的加热速度可以达到（104/s或更高）,煤粉快速加热时，煤中挥发分的含量和成分都与慢速加热的挥发分常规测试方法不同,煤粉快速加热时，挥发分析出、着火和碳的着火燃烧几乎是同时的，其中极小的煤粉甚至可能先着火燃烧,煤粉快速加热时，焦碳在孔隙结构方面与慢速加热有很大差别,煤粉火焰中挥发分的析出曲线,第六节 煤粉的燃烧,一、煤粉的燃烧过程

14、,煤粉的燃烧过程如下：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。,二、煤粉的燃烧时间,大部分挥发分着火及燃尽时间仅占整个燃烧过程 的10，约为0.20.5秒；而焦碳燃尽程度达到98的 过程所占的时间很长，约为90，燃尽时间为12.8 秒。从燃烧放热量来看，焦碳占煤粉总放热量的 60 95。,三、煤粉燃烧的主要特征,煤粉着火燃烧过程的细节十分复杂，只能说明几个 阶段的主要特征。,煤粉颗粒必须首先吸热升温，热源来自炉内13001600的高温烟气，燃煤得到干燥，随着水分的蒸发，燃煤温度不断升高。挥发分析出后

15、，剩余的固态物形成焦碳。,可燃挥发分气体的着火温度比较低，450550以上就可着火、燃烧，同时释放热量，加热焦碳。焦碳温度升高到着火温度时，即着火燃烧，并放出大量热量。,当焦碳大半烧掉之后，内部灰分将对燃尽过程产生影响。其原因是：外层的灰分裹在内层焦碳上，形,成一层灰壳，甚至形成渣壳。从而阻碍氧向焦碳表面的扩散，使燃尽时间拖长。,煤粉气流的着火温度也随煤粉细度而变化，煤粉越细，加热速度越快，越容易着火。这是因为煤粉越细，燃烧反应的表面积越大。所以在煤粉气流燃烧时，细煤粉首先着火。,实验研究发现，煤粉在炉内的加热升温速度很快，升温速度为(0.51.0)104 /S，仅在0.10.2秒的时间内就能

16、达到炉内燃烧时的温度水平1500左右。在这种条件下，挥发分燃烧和焦碳燃烧这两个环节很难截然分开，在很大程度上可能是同时进行的。,图5-5表示了煤粉粒子的升温速度。,经验表明，干燥无灰基挥发分大的煤，是比较 容易着火和燃尽的，因为挥发分析出燃烧毕竟比焦碳 的燃烧迅速得多，而且挥发分析出后可增大焦碳粒子 与氧气接触的面积，提高焦碳粒子的反应活性。,煤燃烧过程的四个阶段,预热干燥 煤被加热至100左右，煤粒表面及煤粒缝隙间的水被逐渐蒸发出来。大量吸热,挥发份析出并着火 温度升至一定值，煤中挥发分析出，同时生成焦碳（固定碳）。挥发分的释放量及成分主要取决于升温速度。不同的煤，开始析出挥发分的温度不同，

17、达到一定温度，析出的挥发分就着火、燃烧。对应的温度称煤的着火温度，不同煤的着火温度不同。少量吸热,燃烧 挥发份首先燃烧造成高温，包围焦炭的挥发分基本烧完且燃烧产物离析后，碳开始着火、燃烧。大量放热,燃尽 残余的焦炭最后燃尽，成为灰渣。少量放热,上述各阶段实际是交叉进行的；着火和燃尽是最重要的两个阶段，着火是前提，燃尽是目的,第七节 碳粒燃烧的动力区、扩散区和过渡区,一 碳粒表面的燃烧过程,煤粉粒子由于热解析出挥发份后的剩余物质称为焦碳。焦碳由灰和固定碳组成，内部结构为多孔性。,碳粒的燃烧速度或表面反应速度，可以用单位时间内单位碳粒外表面积上所消耗碳的质量，或所消耗氧的质量来表示。,碳粒燃烧时，

18、距离碳粒较远处氧气浓度较高，设为Co，由于碳粒表面燃烧消耗氧量使表面处的氧气浓度降低为C，而气流中的氧气不断向碳粒表面扩散。,即：,kg/(m2.s.Pa) （5-11）,式中： 用碳的消耗量表示的表面反应速度， kg/(m2.s.Pa)； 用氧的消耗量表示的表面反应速度， kg/(m2.s.Pa)； 化学当量比。,式中 k化学反应速度常数，kg/(m2.s.Pa)； ad 氧气扩散速度系数，kg/(m2.s.Pa)； Co气流中氧气浓度，mol/m3或kg/m3； C碳粒表面氧气浓度，mol/m3或kg/m3。,用化学反应速度和氧气扩散速度表示的燃烧速度为 ， kg/(m3.s) （5-12

19、）,由(5-12)可导出：,kg/m3 (5-13）,碳粒表面氧气的扩散速度常数为：,，kg/(m2.s.Pa) （5-14）,将（5-13）式代入（5-14）式，可得,，kg/(m2.s.Pa) （5-15）,公式（5-15）即为碳粒表面燃烧动力-扩散公式。,公式（5-15）中的扩散传质系数可由球体传质规律的实验公式来确定。假定碳粒为球体，由传质测定的实验公式如下：,（5-16）,式中 相对球体颗粒的雷诺数； 气体的普朗特数； 质量传递努塞尔特数；,普朗特数为物性准则数，与气体的物性参数有关。雷诺数可写为,（5-17）,式中 气体和颗粒之间的相对速度,m/s。 碳颗粒直径,m； 气体运动黏性

20、系数, m2/s。,传质的努塞尔特数可写为,（5-18）,式中 气体的扩散系数,kg/(m.s.Pa)。,由公式（5-17）可知，气体和颗粒之间相对速度越高，雷诺数 越大，努塞尔特数越大，则扩散传质系数越大。通常煤粉炉内，煤粉与空气之间相对速度很小，可视为零，由公式（5-16）可知,（5-19）,即 , kg/(m2.s.Pa) （5-20）,由上式可知，扩散传质系数与碳粒直径成反比。碳粒直径越小，扩散传质系数越大。,二、碳粒燃烧的动力区、扩散区和过渡区,1 碳粒燃烧的动力区,温度低于9001000时，化学反应速度小于氧气向碳粒表面的扩散速度，氧气的供应十分充足，提高扩散速度对燃烧速度影响不大

21、，燃烧速度取决于反应温度和碳的活化能。此时，燃烧处于动力区。在动力燃烧区内，因为化学反应速度系数 很小， 故 。,2 碳粒燃烧的扩散区,温度高于1400时，化学反应速度大于氧气向碳粒表面的扩散速度，以至于扩散到碳粒表面的氧气立刻被消耗掉，碳粒表面处的氧浓度接近于0，提高温度对燃烧速度影响不大，燃烧速度取决于氧气向碳粒表面的扩散速度。此时，燃烧处于扩散区。在扩燃烧区内因为反应温度很高，化学反应速度系数 大， ，故 。,3 碳粒燃烧的过渡区,介于动力区和扩散区之间，称为燃烧处于过渡区。 在过渡区，提高温度和提高扩散速度都可以提高燃烧速度。即氧气向碳表面扩散速度与碳粒表面化学反应速度同时影响和控制碳

22、粒燃烧速度。 若扩散速度不变，只提高温度，燃烧过程向扩散区转化；若温度不变，只提高扩散速度，燃烧过程向动力区转化。,碳粒的燃烧为多相燃烧，多相燃烧反应的动力区、扩散区和过渡区表示于图5-6。图5-7是无烟煤粒的燃烧速度实数据。,化学反应速度常数和氧气扩散速度系数的比值称为谢苗诺夫（）准则，即：,(5-21),实际燃烧时，碳粒表面的氧气浓度一般接近于Co或接近于0。所以，前苏联学者丘哈诺()提出用 比值判别碳粒燃烧区域。其界限为：当 接近1时，燃烧处于动力区；当 接近零时，燃烧处于扩散区。,通常煤粉炉的燃烧均处于动力燃烧或过渡燃烧状态。,三、碳粒燃烧异相反应理论,由于吸附和解吸现象的存在，使碳粒

23、燃烧现象更为复杂。碳粒燃烧时，气固异相反应的物理化学过程包括下列步骤： 1、氧气向碳粒表面的扩散； 2、扩散到碳粒表面的氧被吸附； 3、吸附在碳粒表面上的氧，在碳表面上进行化学反应，形成燃烧产物； 4、燃烧产物从碳粒表面上解吸； 5、解吸后的燃烧产物向碳粒四周扩散。,动力区 燃烧反应的温度不高， kad，焦碳燃烧处于化学动力控制下，反应速率常数kbo2=k 燃烧反应速度w 取决于碳粒表面的化学反应速度,随温度的升高按指数增大。 强化燃烧的措施是:提高反应系统的温度,扩散区 燃烧反应温度较高， k ad，焦碳燃烧处于扩散控制下，反应速率常数kbo2=ad 燃烧反应速度w 取决于氧气向碳粒表面的扩散速度。 强化燃烧的措施是强化扰动，减小煤粉颗粒径。,根据燃烧条件的不同，多相燃烧分为三种