1、第四章第四章 燃燒過程理論基礎燃燒過程理論基礎v 燃燒是一種發光發熱的劇烈化學反應，燃燒速度可燃燒是一種發光發熱的劇烈化學反應，燃燒速度可以用化學反應速率來表示。以用化學反應速率來表示。均相燃燒：均相燃燒：燃料和氧化劑物態相同，如氣體燃料在燃料和氧化劑物態相同，如氣體燃料在空氣中燃燒。空氣中燃燒。多相燃燒：多相燃燒：燃料和氧化劑物態不同，如固體燃料在燃料和氧化劑物態不同，如固體燃料在空氣中燃燒?？諝庵腥紵?。但無論哪種燃燒，都可以用如下的反應方程式表示：但無論哪種燃燒，都可以用如下的反應方程式表示：aAbBgGhH燃料燃料燃燒產物燃燒產物氧化劑氧化劑1. 質量作用定律：質量作用定律：反映反映濃度

2、濃度對反應速度的影響。對反應速度的影響。反應速度：反應速度：在反應系統單位體積中物質濃度的變化在反應系統單位體積中物質濃度的變化率，一般可用率，一般可用燒掉的燃料量燒掉的燃料量或或消耗掉的氧量消耗掉的氧量來表示。來表示。單位是單位是mol /（m3s）。）。ABGHAdCa dCa dCa dCwdb dgdhd ababABAAABBBABdCdCwk C Cwk C Cdd 質量作用定律：質量作用定律：對于對于均相反應均相反應，在一定溫度下，化，在一定溫度下，化學反應速度與參加反應的各反應物濃度冪的乘積成學反應速度與參加反應的各反應物濃度冪的乘積成正比，各反應物濃度冪的指數等于化學反應式中

3、相正比，各反應物濃度冪的指數等于化學反應式中相應的反應系數。應的反應系數。注意：注意：上式適用于均相反應，并假定參與反應的氣上式適用于均相反應，并假定參與反應的氣體為理想氣體。體為理想氣體。多相燃燒反應速度：多相燃燒反應速度：對于固體燃料在空氣中燃燒這對于固體燃料在空氣中燃燒這一類多相燃燒，可認為燃燒反應發生在燃料的表面，一類多相燃燒，可認為燃燒反應發生在燃料的表面，固體燃料的濃度是不變的。反應速度只取決于固體燃料的濃度是不變的。反應速度只取決于燃料燃料表面處氧濃度表面處氧濃度。上式說明：上式說明：對于煤粉燃燒，在相同的反應條件（如對于煤粉燃燒，在相同的反應條件（如溫度）下，提高燃料附近氧濃度

4、，增大反應物比表溫度）下，提高燃料附近氧濃度，增大反應物比表面積，都能提高化學反應速度，縮短燃料燃盡時間。面積，都能提高化學反應速度，縮短燃料燃盡時間。bBBBBdCwk Cd 化學反應平衡：化學反應平衡：正逆反應速率相等。正逆反應速率相等。平衡常數：化學反應平衡時正逆反應速度常數之比。平衡常數：化學反應平衡時正逆反應速度常數之比。gGabABhHwk C Cwk C Cww正反應：逆反應：平衡時：gGhHCabABkC CKkC C2. 阿累尼烏斯定律：阿累尼烏斯定律：反映反映溫度溫度和和燃料性質燃料性質對反應速對反應速度的影響。度的影響?；罨芑罨蹺：表征燃料的反應能表征燃料的反應能力。

5、能夠破壞原有化學鍵并建力。能夠破壞原有化學鍵并建立新化學鍵所必須消耗的能量，立新化學鍵所必須消耗的能量，具有活化能的分子為具有活化能的分子為活化分子活化分子?；罨芑罨?E與反應物種類有關，與反應物種類有關，一般一般Vdaf含量小的煤活化能大，含量小的煤活化能大，越不容易著火燃燒。越不容易著火燃燒。0ERTkk e放熱反應放熱反應吸熱反應吸熱反應0expbBBEk CRT3. 燃料化學反應速度的影響因素：燃料化學反應速度的影響因素：固體燃料多相燃燒反應速度：固體燃料多相燃燒反應速度：反應物濃度：反應物濃度：根據質量作用定律，增加反應物氧根據質量作用定律，增加反應物氧的濃度，可以提高化學反應速

6、度。但實際中，還要的濃度，可以提高化學反應速度。但實際中，還要結合燃料燃燒時的特性綜合考慮結合燃料燃燒時的特性綜合考慮。比如：著火區的。比如：著火區的可燃物濃度比較高，氧濃度不可過高，這是為了維可燃物濃度比較高，氧濃度不可過高，這是為了維持著火區的高溫狀態，使燃料盡快著火。但如果過持著火區的高溫狀態，使燃料盡快著火。但如果過分缺氧，又會熄火。因此在著火區控制燃料與空氣分缺氧，又會熄火。因此在著火區控制燃料與空氣的合理比例，是實現燃料盡快著火和穩定燃燒的重的合理比例，是實現燃料盡快著火和穩定燃燒的重要條件。要條件?；罨芑罨蹺：根據阿累尼烏斯定律，在一定溫度下，根據阿累尼烏斯定律，在一定溫度下

7、，活化能活化能 E越小越小，則反應速度常數，則反應速度常數 k值越大，反應速率值越大，反應速率越大，即燃料的反應能力越強，即使在較低的溫度下越大，即燃料的反應能力越強，即使在較低的溫度下容易著火和燃盡容易著火和燃盡。而活化能大的燃料，不但著火困難，。而活化能大的燃料，不但著火困難，而且要在較高溫度和較長時間下才能燃盡。而且要在較高溫度和較長時間下才能燃盡。燃料的活燃料的活化能是決定燃燒反應速度的內因?；苁菦Q定燃燒反應速度的內因。一般活化能一般活化能E與煤與煤種有關。一般種有關。一般Vdaf含量小的煤活化能大。含量小的煤活化能大。溫度溫度T：在一定的活化能在一定的活化能 E下，下，溫度越高溫度

8、越高，則反應，則反應速度常數速度常數k值越大，值越大，反應速率越大反應速率越大。這是因為隨反應。這是因為隨反應溫度升高，分子的平均動能增大，活化分子數目增加，溫度升高，分子的平均動能增大，活化分子數目增加，有效碰撞頻率提高，反應速度加快。有效碰撞頻率提高，反應速度加快。壓力：壓力：當反應溫度一定時，在反應系統容積不變的當反應溫度一定時，在反應系統容積不變的條件下，提高反應系統的壓力，條件下，提高反應系統的壓力，相當于提高反應物濃相當于提高反應物濃度度，從而提高化學反應速度。因此，理論上可以采用，從而提高化學反應速度。因此，理論上可以采用正壓燃燒鍋爐來強化燃燒，但由于燃燒系統的密封問正壓燃燒鍋爐

9、來強化燃燒，但由于燃燒系統的密封問題解決不好，所以正壓鍋爐的使用并不普遍。題解決不好，所以正壓鍋爐的使用并不普遍。催化反應：催化反應：在反應系統中加入少量催化劑可以大大在反應系統中加入少量催化劑可以大大提高反應速度，因為催化劑可以改變反應途徑，降低提高反應速度，因為催化劑可以改變反應途徑，降低反應所需活化能，極大提高反應速度。催化劑只能改反應所需活化能，極大提高反應速度。催化劑只能改變反應時間，不能改變反應程度。變反應時間，不能改變反應程度。連鎖反應：連鎖反應：可以使化學反應自動連續加速進行。反可以使化學反應自動連續加速進行。反應機理是活化中心的繁殖。其過程包括：鏈的形成、應機理是活化中心的繁

10、殖。其過程包括：鏈的形成、鏈的分支、鏈的終止。鏈的分支、鏈的終止。v 不同鍋爐中，煤的燃燒方式有多種，不論是哪種燃不同鍋爐中，煤的燃燒方式有多種，不論是哪種燃燒方式，都是固體煤與氣體之間的多相燃燒，反應燒方式，都是固體煤與氣體之間的多相燃燒，反應都是在固相表面進行的（不考慮多孔性）。都是在固相表面進行的（不考慮多孔性）。1. 多相燃燒反應過程：多相燃燒反應過程：（1）氧分子擴散到反應表面。）氧分子擴散到反應表面。（2）氧分子被燃料表面吸附。）氧分子被燃料表面吸附。（3）燃料表面進行燃燒反應。）燃料表面進行燃燒反應。（4）燃燒產物由燃料表面解吸附。）燃燒產物由燃料表面解吸附。（5）燃燒產物擴散到

11、環境。）燃燒產物擴散到環境。2、4、5較快較快1、3較慢（瓶頸）較慢（瓶頸）速度：速度：13：動力燃燒區：動力燃燒區1著火溫度著火溫度Tzh，是因為熄火與著，是因為熄火與著火時的熱力條件不同。并且二者會隨反應系統熱力條火時的熱力條件不同。并且二者會隨反應系統熱力條件的變化而變化，并非物理常數，只是一定條件下的件的變化而變化，并非物理常數，只是一定條件下的相對特征值。相對特征值。在相同測試條件下在相同測試條件下，一般，一般反應能力越強反應能力越強的煤（的煤（Vdaf高，活化能高，活化能E小），著火溫度越低，越易?。?，著火溫度越低，越易著火。著火。強化著火防止熄火的措施：強化著火防止熄火的措施：l

12、 加強放熱：增加可燃混合物的濃度、初溫、壓力。加強放熱：增加可燃混合物的濃度、初溫、壓力。l 減少散熱：降低氣流速度，增強燃燒室保溫。減少散熱：降低氣流速度，增強燃燒室保溫。1. 煤的燃燒過程：煤的燃燒過程：可分成四個階段?？煞殖伤膫€階段。（1）預熱干燥階段：）預熱干燥階段：新入爐煤吸收爐內高溫煙氣的新入爐煤吸收爐內高溫煙氣的熱量，溫度逐漸升高，達到熱量，溫度逐漸升高，達到100左右水分逐漸析出，左右水分逐漸析出，煤被干燥。煤被干燥。此階段吸熱不放熱此階段吸熱不放熱。（2）揮發分析出與著火階段：）揮發分析出與著火階段：煤繼續吸熱，達到一煤繼續吸熱，達到一定溫度后，揮發分析出，同時生成焦炭。揮發

13、分與定溫度后，揮發分析出，同時生成焦炭。揮發分與空氣混合達到一定的濃度和溫度時，就會發生著火空氣混合達到一定的濃度和溫度時，就會發生著火燃燒，此時的溫度即為煤的著火溫度。燃燒，此時的溫度即為煤的著火溫度。此階段吸熱此階段吸熱。（3）燃燒階段：）燃燒階段：溫度繼續上升，揮發分首先著火燃溫度繼續上升，揮發分首先著火燃燒，放出熱量加熱焦炭，焦炭溫度上升到一定程度就燒，放出熱量加熱焦炭，焦炭溫度上升到一定程度就開始燃燒，大量放熱。揮發分的燃燒速度很快，而焦開始燃燒，大量放熱。揮發分的燃燒速度很快，而焦炭的燃燒較為復雜，組織好焦炭的燃燒過程是優化燃炭的燃燒較為復雜，組織好焦炭的燃燒過程是優化燃燒的關鍵。

14、燒的關鍵。此階段強烈放熱。此階段強烈放熱。（4）燃盡階段：）燃盡階段：大部分可燃物已燃盡，少量未燃盡大部分可燃物已燃盡，少量未燃盡的固定碳繼續燃燒，碳粒表面形成灰殼，燃盡階段中的固定碳繼續燃燒，碳粒表面形成灰殼，燃盡階段中由于灰殼阻力、氧濃度降低、氣流擾動混合減弱，使由于灰殼阻力、氧濃度降低、氣流擾動混合減弱，使燃燒速度明顯下降，并占整個燃燒過程的時間最長。燃燒速度明顯下降，并占整個燃燒過程的時間最長。此階段放熱較少，此階段放熱較少，且易造成不完全燃燒熱損失。且易造成不完全燃燒熱損失。注意：上述各階段實際是交叉進行的，并無明顯界限。注意：上述各階段實際是交叉進行的，并無明顯界限。2. 焦炭的燃

15、燒反應機理：焦炭的燃燒反應機理：煤的燃燒基礎是焦炭的燃燒。因為：煤的燃燒基礎是焦炭的燃燒。因為：焦炭是主要的焦炭是主要的可燃成分；可燃成分；焦炭著火最晚，燃燒持續時間最長，焦焦炭著火最晚，燃燒持續時間最長，焦炭的燃燒時間基本決定了整個粒子的燃燒時間；炭的燃燒時間基本決定了整個粒子的燃燒時間；焦焦炭的發熱量占煤的發熱量很大份額。炭的發熱量占煤的發熱量很大份額。一次反應：一次反應：二次反應：二次反應：附加反應：附加反應：22212COCOCOCO ， 222122CCOCOCOOCO ， 2222222222CH OCOHCH OCOHCOH OCOH碳粒表面燃燒過程碳粒表面燃燒過程低于低于120

16、0高于高于12003. 煤的燃燒特點：煤的燃燒特點：煤中含有水分：煤中含有水分：煤的燃燒過程中，水蒸汽很易和煤的燃燒過程中，水蒸汽很易和C及燃燒產及燃燒產物物CO作用，生成作用，生成CO2和和H2，H2再與再與CO或或CO2反應。這種催化反應。這種催化作用，使燃燒反應更加復雜并改變化學反應速度。作用，使燃燒反應更加復雜并改變化學反應速度。煤中含有揮發分：煤中含有揮發分：揮發分對煤的著火燃燒有利；但另一方面，揮發分對煤的著火燃燒有利；但另一方面，揮發分析出燃燒，消耗了大量氧氣，并增加了氧氣向煤粒表面揮發分析出燃燒，消耗了大量氧氣，并增加了氧氣向煤粒表面的擴散阻力，使燃燒過程的初期焦碳的燃燒速度下

17、降。的擴散阻力，使燃燒過程的初期焦碳的燃燒速度下降。 煤中含有礦物雜質：煤中含有礦物雜質：在燃燒過程會生成灰，灰層包裹著碳在燃燒過程會生成灰，灰層包裹著碳粒，會妨礙氧向碳粒表面的擴散，或使碳粒反應表面減少，使粒，會妨礙氧向碳粒表面的擴散，或使碳粒反應表面減少，使燃燒難以進行，燃盡困難。燃燒難以進行，燃盡困難。多孔性：多孔性：煤受熱后產生水蒸氣和揮發分，增大比表面積，增煤受熱后產生水蒸氣和揮發分，增大比表面積，增加了反應表面。加了反應表面。 煤粉氣流的著火：煤粉氣流的著火： 一般希望在離燃燒器出口約一般希望在離燃燒器出口約0.5m處能穩定著火。處能穩定著火。 著火過早著火過早燃燒器噴口溫度過高而

18、燒壞燃燒器噴口溫度過高而燒壞 火焰中心上移，爐膛出口處結火焰中心上移，爐膛出口處結渣渣 著火過晚著火過晚火焰中心上移，過熱汽溫升高火焰中心上移，過熱汽溫升高 燃燒不完全，燃燒不完全，q4增大增大 爐膛出口煙氣溫度要比灰的軟化溫度低爐膛出口煙氣溫度要比灰的軟化溫度低50100著火熱源：著火熱源：煤粉氣流卷吸回流的高溫煙氣；煤粉氣流卷吸回流的高溫煙氣；火火焰、爐墻等對煤粉的輻射；焰、爐墻等對煤粉的輻射；燃料進行化學反應釋燃料進行化學反應釋放出的熱量。放出的熱量。煤粉氣流的著火主要是靠煤粉氣流卷煤粉氣流的著火主要是靠煤粉氣流卷吸高溫回流煙氣的對流傳熱。吸高溫回流煙氣的對流傳熱。著火熱：著火熱：將煤粉

19、氣流加熱到著火溫度所需的熱量。將煤粉氣流加熱到著火溫度所需的熱量。著火熱用于加熱一次風粉混合物，以及煤粉中水分著火熱用于加熱一次風粉混合物，以及煤粉中水分的蒸發過熱。的蒸發過熱。041 10010010010010025101002510100100100arzhrrkdzharmfarrqzhqmfqMQBVrccttMMMBctctM加熱煤粉和一次風所需熱量加熱煤粉和一次風所需熱量煤粉中水分蒸發、過熱所需熱量煤粉中水分蒸發、過熱所需熱量可見煤粉氣流的著火與下列因素有關：可見煤粉氣流的著火與下列因素有關：一次風量一次風量V1、一次風速、一次風速煤粉氣流初溫煤粉氣流初溫t0燃料中燃料中Vdaf

20、、Ad、Mar煤粉細度及顆粒分布煤粉細度及顆粒分布爐內散熱條件爐內散熱條件燃燒器結構特性燃燒器結構特性鍋爐負荷鍋爐負荷爐爐粉粉風風影響煤粉氣流著火的主要因素：影響煤粉氣流著火的主要因素：燃料性質：燃料性質： 揮發分揮發分Vdaf，著火溫度，著火溫度，著火熱，著火熱，煤粉著火困難，煤粉著火困難，著火時間長，著火點離燃燒器噴口距離遠。著火時間長，著火點離燃燒器噴口距離遠。 水分水分Mar，著火熱，著火熱，爐溫，爐溫，不利著火、制粉。，不利著火、制粉。 水分水分Mar，制粉系統易爆燃。，制粉系統易爆燃。 c. 灰分灰分Ad，爐溫，爐溫，阻礙燃燒，推遲著火。，阻礙燃燒，推遲著火。a. d. 細度細度R

21、x，比表面積，比表面積，著火溫度，著火溫度，著火推遲。，著火推遲。著火困難的煤，應該磨細一些。著火困難的煤，應該磨細一些。一次風特性：一次風特性： 一次風溫一次風溫，著火熱，著火熱，著火加快，并保持爐內高溫。，著火加快，并保持爐內高溫。因此燃用無煙煤、貧煤時采用熱風送粉系統。因此燃用無煙煤、貧煤時采用熱風送粉系統。 一次風量一次風量，著火熱，著火熱，著火推遲；，著火推遲； 一次風量一次風量，燃燒受制，輸粉堵塞。，燃燒受制，輸粉堵塞。 一次風率一次風率r1：一次風量占輸入鍋爐總風量的百分一次風量占輸入鍋爐總風量的百分比。與煤種和制粉系統型式有關。比。與煤種和制粉系統型式有關。 著火性能好的煤，一

22、次風量可適當增大。著火性能好的煤，一次風量可適當增大。 一次風速一次風速，著火推遲，著火點離燃燒器噴口遠；，著火推遲，著火點離燃燒器噴口遠； 一次風速一次風速，燃燒器噴口燒壞，煤粉管道堵塞。，燃燒器噴口燒壞，煤粉管道堵塞。 最佳一次風速與煤種和燃燒器型式有關。最佳一次風速與煤種和燃燒器型式有關。a. Vdaf，一次風速，一次風速； Vdaf，一次風速，一次風速。爐內特性：爐內特性： 爐內散熱條件：爐內散熱條件：爐內散熱爐內散熱，加快著火，穩定燃燒。，加快著火，穩定燃燒。 衛燃帶：衛燃帶：為了低揮發分煤的及時著火和穩定燃燒，為了低揮發分煤的及時著火和穩定燃燒，常在燃燒器區域用耐火保溫材料將部分水

23、冷壁遮蓋常在燃燒器區域用耐火保溫材料將部分水冷壁遮蓋起來，構成衛燃帶，以減少水冷壁吸熱量，維持燃起來，構成衛燃帶，以減少水冷壁吸熱量，維持燃燒器區域煙氣的溫度水平，改善煤粉氣流著火條件。燒器區域煙氣的溫度水平，改善煤粉氣流著火條件。但衛燃帶結渣嚴重，燃用無煙煤時才敷設衛燃帶。但衛燃帶結渣嚴重，燃用無煙煤時才敷設衛燃帶。 鍋爐負荷鍋爐負荷D ：D，則，則B，爐溫，爐溫，對著火和燃燒穩，對著火和燃燒穩定性不利，甚至可能熄火。定性不利，甚至可能熄火。 著火穩定性條件限制了煤粉鍋爐負荷的調節范圍。著火穩定性條件限制了煤粉鍋爐負荷的調節范圍。a. 固態排渣煤粉爐只能在高于固態排渣煤粉爐只能在高于70%

24、額定負荷下運額定負荷下運行。行。 燃燒器結構和布置：燃燒器結構和布置：一二次風混合時機：一二次風混合時機：混合過早，在一次風煤粉氣流混合過早，在一次風煤粉氣流著火前就混入二次風，相當于增大了一次風量，著著火前就混入二次風，相當于增大了一次風量，著火熱火熱，著火推遲；混合過晚，導致供氧不足，限，著火推遲；混合過晚，導致供氧不足，限制固定碳燃燒。并且為了保證一二次風混合擾動強制固定碳燃燒。并且為了保證一二次風混合擾動強烈，二次風風速高于一次風風速。燃用烈，二次風風速高于一次風風速。燃用Vdaf低的煤低的煤種，二次風混入一次風的時間應適當推遲。種，二次風混入一次風的時間應適當推遲。燃燒器出口截面積：

25、燃燒器出口截面積：過大，煤粉氣流卷吸能力小，過大，煤粉氣流卷吸能力小，著火點距離噴口遠。多采用多個較小尺寸燃燒器替著火點距離噴口遠。多采用多個較小尺寸燃燒器替代大燃燒器。代大燃燒器?？偨Y：強化煤粉氣流穩定著火的措施總結：強化煤粉氣流穩定著火的措施保證供給熱量：保證供給熱量：組織強烈的煙氣回流，保證燃燒器組織強烈的煙氣回流，保證燃燒器出口附近煤粉一次風氣流與熱煙氣的強烈混合，敷出口附近煤粉一次風氣流與熱煙氣的強烈混合，敷設衛燃帶，維持爐內高溫。保證供給足夠的熱量用設衛燃帶，維持爐內高溫。保證供給足夠的熱量用于穩定著火。于穩定著火。降低著火熱：降低著火熱：提高煤粉氣流初溫，采用合適的一次提高煤粉氣

26、流初溫，采用合適的一次風量和一次風速。風量和一次風速。其他：其他：采用合適的煤粉細度。采用合適的煤粉細度。例如，燃用無煙煤，常采用熱風送粉系統，并減小例如，燃用無煙煤，常采用熱風送粉系統，并減小煤粉細度煤粉細度Rx和敷設衛燃帶來穩定著火。和敷設衛燃帶來穩定著火。2. 煤粉氣流的完全燃燒：煤粉氣流的完全燃燒：在煤粉氣流著火后，是煤粉顆粒的強烈燃燒和焦炭在煤粉氣流著火后，是煤粉顆粒的強烈燃燒和焦炭的燃盡階段。燃燒過程越良好，即燃燒過程越接近的燃盡階段。燃燒過程越良好，即燃燒過程越接近完全燃燒。完全燃燒。完全燃燒完全燃燒：在安全性上，要求不結渣，不出現膜態：在安全性上，要求不結渣，不出現膜態沸騰；在

27、經濟性上，要求燃燒效率最高。沸騰；在經濟性上，要求燃燒效率最高。34100rqq煤粉氣流的完全燃燒條件：煤粉氣流的完全燃燒條件：供應合適的空氣量：供應合適的空氣量：爐膛出口最佳過量空氣系數。爐膛出口最佳過量空氣系數。q2q4q3q2+ q3+ q4l最佳最佳過量空氣系數使最佳過量空氣系數使得得q2+q3+q4最小。一最小。一般通過燃燒調整試驗般通過燃燒調整試驗來確定。煙煤一般取來確定。煙煤一般取1.15；無煙煤、貧煤；無煙煤、貧煤一般取一般取1.2。適當高的爐溫：適當高的爐溫：不產生水冷壁結渣和膜態沸騰的前不產生水冷壁結渣和膜態沸騰的前提下，適當提高爐溫，可提高燃燒速度，促使燃燒提下，適當提高