1、第五章第五章 燃燒理論基礎燃燒理論基礎復 習n1，幾種熱損失。為了減小熱損失，鍋爐燃燒需要作到： 穩定著火、快速燃盡。n2，為實現該目的，需尋找強化燃燒的方法，這就要認 識燃燒過程的本質。從而，需要學習基礎燃燒理論。前言 燃燒概述燃燒概述一、燃燒本質n燃燒是氣體、液體或固體燃料與氧化劑之間發生的一種強烈的化學反應；n流動、傳熱、傳質和化學反應同時發生有相互作用的綜合現象；n典型的物理化學過程；n化學反應動力學、流體力學、傳熱傳質學是研究燃燒反應過程的基礎知識；二、燃燒學的發展歷史n直至18世紀中以前，發展緩慢，對燃燒現象的本質幾乎一無所知。n之后：燃素的概念出現（物質是否燃燒被歸于是否含有燃素

2、）n1765年燃燒是物質的氧化（燃燒理論的萌芽）n19世紀出現熱化學和化學熱力學（將燃燒作為熱力學系統，考察其初態和終態，靜態特性的研究）n20世紀初燃燒反應動力學（研究燃燒過程的動態過程的理論）n3040年代火焰傳播的概念湍流燃燒理論（認識燃燒過程的限制因素往往不是反應動力學，而是傳熱傳質，即受限于物理過程）n5060年代德國人Von Karmen（對宇航也有巨大的貢獻）提出用連續介質力學來研究燃燒，稱為化學流體力學或反應流體力學。n將經典流體力學的方法、邊界層、射流理論等應用與研究燃燒n70年代初，大型電子計算機出現，形成計算流體（計算燃燒）學，建立了燃燒的數學模擬方法和數值計算方法；n激

3、光測量技術的出現，使精密測量成為現實。n基本理論+數學模型和數值計算+先進的測量技術。三、當代對燃燒應用的要求n要求燃燒不斷強化和趨于更高能量水平；n探討高溫、高壓、高速、強湍流條件下的燃燒n要求燃燒過程高效率，節省燃料等；n潔凈燃燒，減輕環境污染n火災的起因與防治第一節、燃燒反應速度及其影響因素燃燒反應速度及其影響因素n燃燒反應和化學反應一樣，根據參加反應的物質不同分為：均相燃燒氣體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、反應速度的定義n根據質量作用定律，反應速度有不同的定義方式：n第一種定義：單位時間內和單位體積內燃燒掉的燃料量或消耗的氧量hHgGbBaAdtdCbadt

4、dCwBAAn舉例：n在鍋爐燃燒技術采用爐膛容積熱負荷來表示燃燒反應速度：n單位時間內和單位體積內燃燒掉的燃料所釋放出的熱量OHOH22222222OHww33/,/,mkWhmkcalVBQqydwVn在一定的溫度下，化學反應速度和各反應物的濃度成正比n1867年由Guldberg和Wage提出n對均相反應：nA+A+A+A+ +A + B+B+B+B+B+ +B.bBaAbabBaACkCw k反應速度常數；bBaACC ,反應物 A（燃料） ，B（氧化劑）的濃度（摩爾濃度或質量濃度） 。第二種定義：對于異相反應煤粉與空氣混合物nBACkfw Af 單 位 容 積 可 燃 混 合 物 內

5、煤 粉 的 表 面 積 ； BC 氧 氣 的 濃 度 。 二、影響化學反應速度的主要因素n1，濃度n從前面反應速度的定義式，可知：濃度越大，反應速度越快。n原因：燃燒反應屬雙分子反應，只有當兩個分子發生碰撞時，反應才能發生。濃度越大，即分子數目越多，分子間發生碰撞的幾率越大。2壓力n氣態物質參加的反應，壓力升高，體積減少，濃度增加，壓力對化學反應速度的影響與濃度相同。n對理想氣體混合物中的每個組分可以寫出其狀態方程：RTVpAARTpVCAAARTpVCBBBbBaAppwnbappw 3溫度n3.1 3.1 阿累尼烏斯定律阿累尼烏斯定律n溫度增加，反應速度近似成指數關系增加，體現在反應速度常

6、數n阿累尼烏斯定律(瑞典物理化學家1889年提出)bBaACkCw RTEekk03.2 阿累尼烏斯定律的討論-活化分子、活化能活化分子、活化能n氣體分子的運動速度、動能有大有小；n動能超過某一數值（活化能活化能E E）足以破壞原有結構發生反應的分子稱為活化分子；活化分子；n分子發生反應，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；n化學動力學的基礎。第三節 熱力著火熱力著火n 一熱力著火理論的實用性一熱力著火理論的實用性n煤粉燃燒過程的著火主要是熱力著火 n著火過程有兩層意義：一是著火是否可能發生？二是能否穩定著火？ n二、實現穩定著火的兩個條件實現穩定著火的兩個條件 n可燃混合

7、物燃燒過程的發生與停止，即著火與滅火，燃燒能否穩定地進行，取決于燃燒過程中所提供的熱力條件。n燃燒中同時存在著放熱和散熱，在不同的階段存在著二者的不同工況。nA、放熱量和散熱量達到平衡，放熱量等于散熱量。n nB、放熱量隨系統溫度的變化率大于散量熱隨系統溫度的變化率。nn如果不具備這兩個條件，即使在高溫狀態下也不能穩定著火，燃燒過程將因火焰熄滅而中斷，并不斷向緩慢氧化的過程發展。21QQ dTdQdTdQ21三、熱力著火的條件放熱散熱，系統升溫，反應加速，但同時散熱也在增加，必達到平衡；n放熱散熱，系統降溫，反應減速，但同時散熱也在減少，也必達到平衡； n系統在不同條件下達到不同的平衡狀態，n

8、可能是有利的，燃燒穩定在正常工況，n可能是不利的，燃燒處于熄火狀態。1、放熱與散熱曲線放熱與散熱曲線n以強烈摻混的零維系統（煤粉空氣混合物在燃燒室內）為例說明：n1放熱與溫度的關系，n燃燒室內可燃混合物燃燒放熱量為：Tq 1rnORTEoVQCekQ21n2散熱與溫度的關系n加熱混合物本身所消耗并帶走的熱量：n向周圍介質散失的熱量（對流+輻射）Tq 2222qqq)(02TTCVGqp)()()(002bfdTTSTTVSTTVSq四、可燃混合物著火與滅火分析可燃混合物著火與滅火分析n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；（2）可能著火，正常燃燒；也可能熄火；（3）正常燃

9、燒五、關于著火溫度的說明關于著火溫度的說明n著火溫度不是物性參數，隨所處熱力條件的變化而不同，n各種實驗方法所測得的著火溫度值的出入很大，過分強調著火溫度意義不大，n如，褐煤堆，如果通風不良，接近于絕熱狀態，孕育時間長，著火溫度可低于大氣溫度。n著火溫度的概念可以使著火過程的物理模型大大簡化。n嚴格上，只說著火的臨界條件或著火條件：使系統在某個瞬時或空間某部分達到高溫的反應狀態。n實現這一過渡過程的初始條件或邊界條件為著火條件。六、放熱反應與吸熱反應n隨反應的進行，放出能量，抵償E后，多余的為反應熱（發熱量）放熱反應n反之為吸熱反應n活化能小，化學反應速度較快，當E4104kJ/mol，極慢；

10、第三節、鏈式反應（連鎖反應）鏈式反應（連鎖反應）一、鏈式反應理論的產生許多化學反應，幾乎所有的燃燒反應，均不簡單地服從質量作用定律和阿累尼烏斯定律。如：氫氣與空氣的反應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，磷、乙醚的蒸汽氧化。022222HOH二、鏈式反應原理n活化來源在反應過程中產生，中間產物活化中心，n活化中心與反應物分子發生反應，本身消失，反應的結果又產生新的活化中心n通過活化中心進行反應要比原作用物直接反應容易得多，只需較少的活化能三、鏈式反應的分類n新的活化中心的數目等于或大于原有的活化中心的數目不分支反應分支反應鏈式反應分為四、氫氣與空氣的反應分支鏈

11、式n爆炸反應n反應開始nH原子為活化中心，M為任何活化分子n中間反應n一個H參加反應，經過一個鏈后形成H2O，又同時產生三個H活化中心，再引起三個分支反應022222HOHMHMH22OHOH02 （慢）OHHHO2OHHHOH22相加得，HOHOHH3322五、分支鏈式反應的特點1、存在孕育期（誘導期，感應期），當活化中心積累到一定程度，才發生反應。2、反應自動加速，并可以在等溫下加速到極大的數值。第五節 火焰傳播n 一火焰傳播理論的實用性一火焰傳播理論的實用性n 燃料燃燒過程中，火焰的穩定性與火焰傳播速度關系極大。電廠燃燒系統的安全運行也與火焰傳播速度關系密切。例如，煤粉管道中某一處著火后

12、，火焰迅速蔓延、擴散，導致制粉系統著火或爆炸。n了解火焰傳播的知識，有助于掌握燃燒過程的調整要領，對穩定著火和防止爆燃極為重要。二、火焰傳播的形式n層流火焰傳播層流火焰傳播 n緩慢燃燒的火焰傳播是依靠導熱或擴散使未燃氣體混合物溫度升高。層流火焰傳播速度一般為20100cm/s。 n湍流火焰傳播湍流火焰傳播n一般為 200cm/s以上。 三、爐膛內的火焰傳播n1正常的火焰傳播（緩慢燃燒）n是指可燃物在某一局部區域著火后，火焰從這個區域向前移動，逐步傳播和擴散出去 n2反應速度失去控制的高速爆炸性燃燒n出現爆炸性燃燒時，火焰傳播速度極快，達10003000m/s，溫度極高，達 6000；壓力極大，

13、達 2.0265Pa (20.67大氣壓)。n3正常燃燒向爆炸性燃燒的轉變n當未燃混合物數量增多時，絕熱壓縮將逐漸增強，緩慢的火焰傳播過程就可能自動加速，轉變為爆炸性燃燒。n 四、煤粉氣流火焰傳播速度的影響因素煤粉氣流火焰傳播速度的影響因素n揮發分含量 n灰分、水分 n煤粉細度 n爐膛溫度 第六節第六節 煤粉的燃燒煤粉的燃燒 n一、煤粉的燃燒過程一、煤粉的燃燒過程 n煤粉受熱，水分析出繼續受熱，絕大部分揮發分析出，揮發分首先著火引燃焦碳，并繼續析出殘余的部分揮發分，揮發分與焦碳一道燃盡形成灰渣。二、煤粉的燃燒時間煤粉的燃燒時間n著火過程主要取決于煤中可燃基揮發分的大小，而燃盡過程主要取決于焦碳

14、的燃燒速度。 三、煤粉燃燒的主要特征煤粉燃燒的主要特征n 煤粉顆粒必須首先吸熱升溫，通過對流、輻射、熱傳導方式使新鮮燃料受熱升溫。n煤粉顆粒中水分首先析出，大約在120-450的溫度范圍內，煤中的揮發分析出，揮發分析出后，剩余的固態物形成焦碳。n 一、煤燃燒的主要階段一、煤燃燒的主要階段揮發份釋放及大部分燒掉所占時間約為總燃燒時間的十分之一，絕大部分時間為焦碳的燃燒。一般認為是串聯，也有交叉過程加熱蒸發揮發份釋放焦化蒸發揮發份燃燒焦碳燃燒空氣煤煙氣灰渣第七節第七節 碳粒燃燒的動力區、擴散區和過渡區碳粒燃燒的動力區、擴散區和過渡區一、碳燃燒的反應環節碳燃燒的反應環節n大致分為幾個串聯環節：（1）

15、氧氣擴散到焦碳表面；（2）氧氣被碳表面吸附；（3）在碳表面化學反應（4）燃燒產物由焦碳表面解吸，（5）二氧化碳向周圍擴散。n碳反應速度決定于（1）和（3），n總體速度決定于二者較慢的一個。二、燃燒反應的動力區和擴散區燃燒反應的動力區和擴散區n描述異相燃燒過程中混合擴散與化學反應環節1碳粒表面化學反應速度表達式n異相化學反應：碳表面發生化學反應所消耗氧量應等于擴散到表面氧量n二者相等：)(0bksbCCkCwn固體表面氧氣濃度Cb隨化學反應速度不同而變化的關系復雜，且不必知道n不同反應區域分析動力與擴散燃燒理論0000111111CkkCkCCCkCCCwzksksbbbksb（1）動力區（化學

16、動力控制區）n溫度較低：碳表面化學反應速度遠小于氧氣向表面的擴散速度，氧氣供應充分，足夠反應所需。燃燒速度取決于化學反應速度，反應處于動力區。nK很小（溫度很低），1/k很大，所以n氧氣從遠處擴散到固體表面，消耗不多nk服從阿定律的， 與k的規律一樣ksk110kCw 0CCb0kCw （2）擴散區（擴散控制區）溫度增加，k急劇增大，耗氧量急劇增加，消耗掉擴散來的氧氣，還處于“待料”，燃燒速度取決于擴散，反應處于擴散區。k很大（溫度很高），1/k很小，所以，n n與溫度T的關系十分微弱，而且擴散燃燒速度隨 的增大而增大ksk110Cwksks（3）過渡區nk與大小相差不多，服從：kCwks11

17、動力與擴散燃燒理論應用討論n不同溫度區域內，為提高反應速度，有不同的措施：n溫度較低時，提高燃燒速度的關鍵： 提高溫度，氧氣很充足，不必大量鼓風；n溫度較高時，提高燃燒速度的關鍵： 提高 ，缺氧是關鍵，要提高出力，應大量鼓風。ks 第八節碳粒的一次反應和二次反應機理n一、碳粒一次反應機理n將碳和氧氣之間的直接反應稱為一次反應。一次反應產物繼續發生的化學反應稱為二次反應。 n1、溫度在1300以下時的反應n第一步是形成碳氧絡合物。即被碳粒所吸附的氧分子溶入碳粒晶格中，形成碳氧絡合物：n n (5-24)43223OCOCn第二步是碳氧絡合物的離解。即在高能量氧分子撞擊下，碳氧絡合物發生離解：n COCOOCOC222243以上兩個方程式相加：COCOOC2234222、溫度在1600以上時的反應n第一步仍然是形成碳氧絡合物。 n第二步同樣是碳氧絡合物在高溫下受熱分解：n以上兩式相加：43223OCOCCOCOOC2243COCOOC223223、溫度范圍在13001600之間時的反應n由于同時存在氧分子溶于碳粒晶格和在晶格邊界上化學吸附。和