燃料燃烧原理
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Page 2 Principles of Boiler 2015-7-16
七台河职业学院
煤粉燃烧的一般过程
煤粉喷入炉内后，煤粉粒子经历的过程： 加热升温 挥发分着火燃烧 水分析出 挥发分析出
焦碳着火、燃烧与燃烬。
挥发分的析出、着火燃烧，对煤粉气流的着火与燃烧稳 定性具有重要的影响； 焦碳燃烧过程决定了煤粉燃烧过程的长短与燃烧效率。
碳粒与氧的燃烧化学反应是在碳粒表面进行的。 氧向燃料表面扩散过程的快慢用氧的扩散速度
ks 来表示。
扩散速度：表示单位时间向单位碳料表面输送的氧量，即碳粒单位
表面上的供氧速度。 由于化学反应消耗氧，炭粒反应表面氧浓度 氧浓度
b 小于周围介质中的 CO 2
o ，周围环境中的氧不断向碳粒表面扩散。其扩散速度 CO 2
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Principles of Boiler
2015-7-16
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二、煤粉迅速完全燃烧的条件
㈠燃烧效率
燃烧效率是指输入锅炉机组的热量扣除机械不完全燃烧热损失和化 学不完全燃烧热损失后占输入热量的百分比，用符号 r 表示。即
r 100 (q3 q4 ) ％
（6—3）
着火过程：是指煤粉气流从初始温度加热至着火温度的过程。
着火热：是指在着火过程中吸收的热量。它包括加热煤粉和一次风 所需的热量、煤粉中水分蒸发和过热所需的热量。
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Principles of Boiler
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四、强化煤粉气流燃烧的措施
㈠煤粉气流的着火
煤粉气流着火热的来源：
Page 20 Principles of Boiler 2015-7-16
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三、煤粉气流的燃烧过程
㈢燃尽阶段——是燃烧过程的继续。
煤粉经过燃烧后，炭粒变小，表面形成灰壳，大部分 可燃物已经燃尽，只剩少量未燃尽炭继续燃烧。 在燃尽阶段中，氧浓度相应减少，气流的扰动减弱， 燃烧速度明显下降，燃烧放热量小于水冷壁吸热量，烟
⑴煤粉气流卷吸高温烟气进行对流换热（是主要的热源）。
⑵炉内高温火焰和炉膛四壁的辐射热（是次要的热源）。
通过两种换热使进入炉膛的煤粉气流的温度迅速提高，达到着
火温度并开始燃烧。
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四、强化煤粉气流燃烧的措施
㈠煤粉气流的着火
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三、煤粉气流的燃烧过程
㈠着火前的准备阶段
着火前的准备阶段是吸热阶段。在此阶段内，煤 粉气流被烟气不断加热，温度逐渐升高。煤粉受 热后，首先是水分蒸发，接着干燥的煤粉进行热 分解并析出挥发分。挥发分析出的数量和成分取 决于煤的特性、加热温度和速度。
ks ks (CO2 CO2 )
o b
式中： Page 11
（6—1）
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ks ——扩散速度常数。 Principles of Boiler
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㈢氧的扩散速度及其影响因素
影响氧扩散速度的因素：
根据传质理论可知，氧的扩散速度系数与燃料颗粒与气流 冲刷ห้องสมุดไป่ตู้径 、燃料颗粒与气流的相对运动速度 有关 d
r ↑，表明燃烧产物中的可燃物就越少，煤粉燃烧
完全程度越高。
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Principles of Boiler
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二、煤粉迅速完全燃烧的条件
㈡迅速完全燃烧的条件
要做到完全燃烧，其原则性条件为：
⒈ 适当高的炉内温度
⒉ 供应充足而又合适的空气量
⒊ 燃料与空气的良好扰动和混合 ⒋ 足够的炉内停留时间
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㈢氧的扩散速度及其影响因素
㈣燃烧区域
⒈ 动力燃烧区
当温度较低时（ ＜1000℃）， 燃烧速度主要决定 于化学反应动力因素（温度和燃料的反应特性），而 与氧的扩散速度关系不大，这种燃烧反应温度区称为 动力燃烧区。 在动力燃烧区内，温度对燃烧速度起着决定性的作 用。因此，提高反应系统的温度是强化动力燃烧工况 的有效措施。
ks
2 3
d
12
（6—2）
燃料颗粒燃烧过程中，气流与燃料颗粒的相对速度越大，扰动越剧烈，不仅氧向燃料 颗粒表面的供应速度增大，而且燃烧产物离开燃料颗粒表面扩散出去的速度也增大， 使氧的扩散速度加快。由于碳的燃烧是在燃料颗粒表面进行的，燃料颗粒直径愈小， 单位质量燃料颗粒的表面积愈大，与氧的反应面积也愈大，化学反应消耗的氧就愈多， 燃料颗粒表面的氧浓度就会降低。燃料颗粒表面与周围环境的氧浓度差愈大时氧的扩 散速度愈大。因此，供应燃烧足够的空气量、增大燃料颗粒与气流的相对速度和减小 炭粒直径都可增大氧的扩散速度。
着火是良好燃烧的前提，在煤粉炉中，希望着火过程迅速而稳定。
⑴着火迅速：是指煤粉气流最好在离燃烧器喷口不远处
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燃料化学反应速度及其影响因素
燃料化学反应速度是指单位时间内反应物浓度的减少或生
成物浓度的增加，其常用的单位是 mol／(m3﹒s)。
影响燃料化学反应速度的因素：
• ⑴反应物的浓度
• ⑵反应系统压力 • ⑶反应系统温度
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Principles of Boiler
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㈢氧的扩散速度及其影响因素
㈣燃烧区域
由于温度对化学反应条件 和气体扩散条件的影响不 同，因此，按照氧的扩散 速度与化学反应速度两者 随温度的变化情况，可以 明显地区分出碳粒的燃烧 有三个不同的区域（动力 燃烧区、扩散燃烧区、过 渡燃烧区），如图 6—1 所 示。
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三、煤粉气流的燃烧过程
㈡燃烧阶段 煤粉气流温度升高至着火温度，且煤粉 浓度适宜时，煤粉气流就开始着火燃烧， 进入燃烧阶段。 燃烧阶段是一个强烈的放热阶段。它包 括挥发分和焦炭的燃烧。首先是挥发分着 火燃烧，放出热量，并对焦炭进行加热， 使焦炭的温度迅速升高并燃烧起来。
温逐渐降低，因此燃尽阶段占整个燃烧阶段的时间最长，
且不容易造成不完全燃烧损失。
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三、煤粉气流的燃烧过程
对应煤粉燃烧的三个阶段，在炉膛中划分出三个区： 煤粉气流喷入炉膛后，从燃烧器出口至炉膛出口， 沿火炬行程可分为三个区域: ⑴着火区：燃烧器出口附近，距离最短 ⑵燃烧区：与燃烧器处于同一水平的炉膛中部及稍高区域 ⑶燃尽区：高于燃烧区直至炉膛出口的区域，距离最短长
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一、燃烧及燃烧区域
燃烧的概念：
燃烧是指燃料中的可燃物与空气中的氧进行的
剧烈发热发光的化学反应。
均相（或单相）燃烧： 非均相（或多相）燃烧： 气体燃料在空气中的燃烧 固体燃料或液体燃料在空气中的燃烧
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第六章 燃烧原理和燃烧设备
§1 燃料燃烧的基本原理 §2 直流煤粉燃烧器
§3 旋流煤粉燃烧器
§4 煤粉炉炉膛 §5 煤粉炉点火系统 §6 煤粉燃烧新技术
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§1 燃料燃烧的基本原理
一、燃烧及燃烧区域 ㈠燃烧 ㈡燃料化学反应速度及其影响因素 ㈢氧的扩散速度及其影响因素 ㈣燃烧区域 二、煤粉迅速完全燃烧的条件 ㈠燃烧效率 ㈡迅速完全燃烧的条件 三、煤粉气流的燃烧过程 ㈠着火前的准备阶段 ㈡燃烧阶段 ㈢燃尽阶段 四、强化煤粉气流燃烧的措施 ㈠煤粉气流的着火 ㈡煤粉气流的着火强化 ㈢煤粉气流的燃烧与强化 ㈣煤粉气流的燃尽与强化
无烟煤：126～ 147kJ/gmol；
烟煤：104～ 褐煤：84～
126kJ/gmol；
104kJ/gmol；
煤龄越长，反应的活化能越大，反应越难进行；
煤龄越短，反应的活化能越小，反应越易进行。
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㈢氧的扩散速度及其影响因素
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物理意义
E e RT
-有效碰撞占总 碰撞次数的比例
k
T
反应物的活化能越低，反应速度越快，反应越能
在相对较低的温度下进行。 反应的环境温度越高，则反应的速度越快。
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典型煤种的反应活化能E
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阿累尼斯( Arrhinius)定律
数学描述
升温后反应物分子的碰撞总次数：
K K 0e
R－通用气体常数； T－反应环境的温度。
Page 8
E RT
K0—指前因子，或升温前反应物分子的碰撞总次数；
E－反应物的反应活化能或发生反应所要求的最低能量；
Principles of Boiler
燃烧时间（ R90 5% 的煤粉试验证明）
97%的可燃质是在25%的时间内燃尽的，其余的 3%的可燃质是在75%的时间内燃尽的。
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四、强化煤粉气流燃烧的措施
㈠煤粉气流的着火
煤粉气流燃烧的机理：
煤粉气流经燃烧器以射流方式喷入炉内，通过紊流扩散和回
流，卷吸高温烟气进行对流换热以获得热量，同时又受到炉膛四
壁及高温火焰的辐射换热，使煤粉气流被迅速加热，当加热到一 定温度时，煤粉气流开始着火。此温度称为着火温度。
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四、强化煤粉气流燃烧的措施
㈠煤粉气流的着火
着火：是指由缓慢氧化状态转变到高速燃烧状态的瞬间过程。 着火温度：是指着火转变的瞬间温度。 非常数，见表6-1、6-2
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Principles of Boiler
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㈢氧的扩散速度及其影响因素
㈣燃烧区域
⒉ 扩散燃烧区
当温度很高时（＞1400℃）， 化学反应速度随温度升 高而急剧增大。由于扩散到炭碳粒表面的氧远不能满足化 学反应的需要，氧的扩散速度已成为制约燃烧速度的主要 因素，而与温度关系不大，这种燃烧反应温度区称为扩散 燃烧区。 在扩散燃烧区内，改善扩散混合条件，加大气流与炭 粒的相对速度，或减小炭粒直径都可提高燃烧速度。
⑶反应系统温度
当反应物浓度不变时，化学反应速度与温度成指数关系，随着温度 升高，化学反应速度迅速加快。这种现象可这样来解释：化学反应是通
过反应物分子间的碰撞而进行的，但并不是所有的碰撞都能引起化学反应， 只有其中具有较高能量活化分子的碰撞才能发生化学反应。
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燃料化学反应速度及其影响因素
影响燃料化学反应速度的因素：
⑴反应物的浓度
质量作用定律说明，在一定温度下而反应容积不变时，增加反应物 的浓度即增大反应物分子数，分子间碰撞机会增多，故反应速度加 快
⑵反应系统压力
在反应容积不变的情况下，反应系统压力的增高，就以意味着反应 物浓度增加了，从而使反应速度加快。正压燃烧技术，就是通过提 高炉膛压力来强化燃烧的。
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㈢氧的扩散速度及其影响因素
㈣燃烧区域
⒊ 过渡燃烧区
介于上述两种燃烧区的中间温度区，化学反应速度常 数与氧的扩散速度系数处于同一数量级，因而氧的扩散速 度与炭粒表面的化学反应速度相差不多，这时化学反应速 度和氧的扩散速度都对燃烧速度有影响。将这个反应温度 区称为过渡（中间）燃烧区。 在过渡（中间）燃烧区内，提高反应系统温度和改善 碳粒与氧的扩散混合条件，都可使燃烧速度增大。
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燃料化学反应速度及其影响因素
为使化学反应得以进行，分子活化所需的最低能量称
为活化能，以E表示。 能量达到或超过活化能E的分子称为活化分子。 活化分子的碰撞才是发生化学反应的有效碰撞。 当温度升高时，分子从外界吸收能量，活化分子急剧 增多，化学反应速度因此加快。
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煤粉燃烧的一般过程
煤粉喷入炉内后，煤粉粒子经历的过程： 加热升温 挥发分着火燃烧 水分析出 挥发分析出
焦碳着火、燃烧与燃烬。
挥发分的析出、着火燃烧，对煤粉气流的着火与燃烧稳 定性具有重要的影响； 焦碳燃烧过程决定了煤粉燃烧过程的长短与燃烧效率。
碳粒与氧的燃烧化学反应是在碳粒表面进行的。 氧向燃料表面扩散过程的快慢用氧的扩散速度
ks 来表示。
扩散速度：表示单位时间向单位碳料表面输送的氧量，即碳粒单位
表面上的供氧速度。 由于化学反应消耗氧，炭粒反应表面氧浓度 氧浓度
b 小于周围介质中的 CO 2
o ，周围环境中的氧不断向碳粒表面扩散。其扩散速度 CO 2
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二、煤粉迅速完全燃烧的条件
㈠燃烧效率
燃烧效率是指输入锅炉机组的热量扣除机械不完全燃烧热损失和化 学不完全燃烧热损失后占输入热量的百分比，用符号 r 表示。即
r 100 (q3 q4 ) ％
（6—3）
着火过程：是指煤粉气流从初始温度加热至着火温度的过程。
着火热：是指在着火过程中吸收的热量。它包括加热煤粉和一次风 所需的热量、煤粉中水分蒸发和过热所需的热量。
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四、强化煤粉气流燃烧的措施
㈠煤粉气流的着火
煤粉气流着火热的来源：
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三、煤粉气流的燃烧过程
㈢燃尽阶段——是燃烧过程的继续。
煤粉经过燃烧后，炭粒变小，表面形成灰壳，大部分 可燃物已经燃尽，只剩少量未燃尽炭继续燃烧。 在燃尽阶段中，氧浓度相应减少，气流的扰动减弱， 燃烧速度明显下降，燃烧放热量小于水冷壁吸热量，烟
⑴煤粉气流卷吸高温烟气进行对流换热（是主要的热源）。
⑵炉内高温火焰和炉膛四壁的辐射热（是次要的热源）。
通过两种换热使进入炉膛的煤粉气流的温度迅速提高，达到着
火温度并开始燃烧。
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四、强化煤粉气流燃烧的措施
㈠煤粉气流的着火
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三、煤粉气流的燃烧过程
㈠着火前的准备阶段
着火前的准备阶段是吸热阶段。在此阶段内，煤 粉气流被烟气不断加热，温度逐渐升高。煤粉受 热后，首先是水分蒸发，接着干燥的煤粉进行热 分解并析出挥发分。挥发分析出的数量和成分取 决于煤的特性、加热温度和速度。
ks ks (CO2 CO2 )
o b
式中： Page 11
（6—1）
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ks ——扩散速度常数。 Principles of Boiler
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㈢氧的扩散速度及其影响因素
影响氧扩散速度的因素：
根据传质理论可知，氧的扩散速度系数与燃料颗粒与气流 冲刷ห้องสมุดไป่ตู้径 、燃料颗粒与气流的相对运动速度 有关 d
r ↑，表明燃烧产物中的可燃物就越少，煤粉燃烧
完全程度越高。
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二、煤粉迅速完全燃烧的条件
㈡迅速完全燃烧的条件
要做到完全燃烧，其原则性条件为：
⒈ 适当高的炉内温度
⒉ 供应充足而又合适的空气量
⒊ 燃料与空气的良好扰动和混合 ⒋ 足够的炉内停留时间
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㈢氧的扩散速度及其影响因素
㈣燃烧区域
⒈ 动力燃烧区
当温度较低时（ ＜1000℃）， 燃烧速度主要决定 于化学反应动力因素（温度和燃料的反应特性），而 与氧的扩散速度关系不大，这种燃烧反应温度区称为 动力燃烧区。 在动力燃烧区内，温度对燃烧速度起着决定性的作 用。因此，提高反应系统的温度是强化动力燃烧工况 的有效措施。
ks
2 3
d
12
（6—2）
燃料颗粒燃烧过程中，气流与燃料颗粒的相对速度越大，扰动越剧烈，不仅氧向燃料 颗粒表面的供应速度增大，而且燃烧产物离开燃料颗粒表面扩散出去的速度也增大， 使氧的扩散速度加快。由于碳的燃烧是在燃料颗粒表面进行的，燃料颗粒直径愈小， 单位质量燃料颗粒的表面积愈大，与氧的反应面积也愈大，化学反应消耗的氧就愈多， 燃料颗粒表面的氧浓度就会降低。燃料颗粒表面与周围环境的氧浓度差愈大时氧的扩 散速度愈大。因此，供应燃烧足够的空气量、增大燃料颗粒与气流的相对速度和减小 炭粒直径都可增大氧的扩散速度。
着火是良好燃烧的前提，在煤粉炉中，希望着火过程迅速而稳定。
⑴着火迅速：是指煤粉气流最好在离燃烧器喷口不远处
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燃料化学反应速度及其影响因素
燃料化学反应速度是指单位时间内反应物浓度的减少或生
成物浓度的增加，其常用的单位是 mol／(m3﹒s)。
影响燃料化学反应速度的因素：
• ⑴反应物的浓度
• ⑵反应系统压力 • ⑶反应系统温度
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㈢氧的扩散速度及其影响因素
㈣燃烧区域
由于温度对化学反应条件 和气体扩散条件的影响不 同，因此，按照氧的扩散 速度与化学反应速度两者 随温度的变化情况，可以 明显地区分出碳粒的燃烧 有三个不同的区域（动力 燃烧区、扩散燃烧区、过 渡燃烧区），如图 6—1 所 示。
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三、煤粉气流的燃烧过程
㈡燃烧阶段 煤粉气流温度升高至着火温度，且煤粉 浓度适宜时，煤粉气流就开始着火燃烧， 进入燃烧阶段。 燃烧阶段是一个强烈的放热阶段。它包 括挥发分和焦炭的燃烧。首先是挥发分着 火燃烧，放出热量，并对焦炭进行加热， 使焦炭的温度迅速升高并燃烧起来。
温逐渐降低，因此燃尽阶段占整个燃烧阶段的时间最长，
且不容易造成不完全燃烧损失。
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三、煤粉气流的燃烧过程
对应煤粉燃烧的三个阶段，在炉膛中划分出三个区： 煤粉气流喷入炉膛后，从燃烧器出口至炉膛出口， 沿火炬行程可分为三个区域: ⑴着火区：燃烧器出口附近，距离最短 ⑵燃烧区：与燃烧器处于同一水平的炉膛中部及稍高区域 ⑶燃尽区：高于燃烧区直至炉膛出口的区域，距离最短长
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一、燃烧及燃烧区域
燃烧的概念：
燃烧是指燃料中的可燃物与空气中的氧进行的
剧烈发热发光的化学反应。
均相（或单相）燃烧： 非均相（或多相）燃烧： 气体燃料在空气中的燃烧 固体燃料或液体燃料在空气中的燃烧
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第六章 燃烧原理和燃烧设备
§1 燃料燃烧的基本原理 §2 直流煤粉燃烧器
§3 旋流煤粉燃烧器
§4 煤粉炉炉膛 §5 煤粉炉点火系统 §6 煤粉燃烧新技术
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§1 燃料燃烧的基本原理
一、燃烧及燃烧区域 ㈠燃烧 ㈡燃料化学反应速度及其影响因素 ㈢氧的扩散速度及其影响因素 ㈣燃烧区域 二、煤粉迅速完全燃烧的条件 ㈠燃烧效率 ㈡迅速完全燃烧的条件 三、煤粉气流的燃烧过程 ㈠着火前的准备阶段 ㈡燃烧阶段 ㈢燃尽阶段 四、强化煤粉气流燃烧的措施 ㈠煤粉气流的着火 ㈡煤粉气流的着火强化 ㈢煤粉气流的燃烧与强化 ㈣煤粉气流的燃尽与强化
无烟煤：126～ 147kJ/gmol；
烟煤：104～ 褐煤：84～
126kJ/gmol；
104kJ/gmol；
煤龄越长，反应的活化能越大，反应越难进行；
煤龄越短，反应的活化能越小，反应越易进行。
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㈢氧的扩散速度及其影响因素
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物理意义
E e RT
-有效碰撞占总 碰撞次数的比例
k
T
反应物的活化能越低，反应速度越快，反应越能
在相对较低的温度下进行。 反应的环境温度越高，则反应的速度越快。
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典型煤种的反应活化能E
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阿累尼斯( Arrhinius)定律
数学描述
升温后反应物分子的碰撞总次数：
K K 0e
R－通用气体常数； T－反应环境的温度。
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E RT
K0—指前因子，或升温前反应物分子的碰撞总次数；
E－反应物的反应活化能或发生反应所要求的最低能量；
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燃烧时间（ R90 5% 的煤粉试验证明）
97%的可燃质是在25%的时间内燃尽的，其余的 3%的可燃质是在75%的时间内燃尽的。
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四、强化煤粉气流燃烧的措施
㈠煤粉气流的着火
煤粉气流燃烧的机理：
煤粉气流经燃烧器以射流方式喷入炉内，通过紊流扩散和回
流，卷吸高温烟气进行对流换热以获得热量，同时又受到炉膛四
壁及高温火焰的辐射换热，使煤粉气流被迅速加热，当加热到一 定温度时，煤粉气流开始着火。此温度称为着火温度。
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四、强化煤粉气流燃烧的措施
㈠煤粉气流的着火
着火：是指由缓慢氧化状态转变到高速燃烧状态的瞬间过程。 着火温度：是指着火转变的瞬间温度。 非常数，见表6-1、6-2
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㈢氧的扩散速度及其影响因素
㈣燃烧区域
⒉ 扩散燃烧区
当温度很高时（＞1400℃）， 化学反应速度随温度升 高而急剧增大。由于扩散到炭碳粒表面的氧远不能满足化 学反应的需要，氧的扩散速度已成为制约燃烧速度的主要 因素，而与温度关系不大，这种燃烧反应温度区称为扩散 燃烧区。 在扩散燃烧区内，改善扩散混合条件，加大气流与炭 粒的相对速度，或减小炭粒直径都可提高燃烧速度。
⑶反应系统温度
当反应物浓度不变时，化学反应速度与温度成指数关系，随着温度 升高，化学反应速度迅速加快。这种现象可这样来解释：化学反应是通
过反应物分子间的碰撞而进行的，但并不是所有的碰撞都能引起化学反应， 只有其中具有较高能量活化分子的碰撞才能发生化学反应。
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燃料化学反应速度及其影响因素
影响燃料化学反应速度的因素：
⑴反应物的浓度
质量作用定律说明，在一定温度下而反应容积不变时，增加反应物 的浓度即增大反应物分子数，分子间碰撞机会增多，故反应速度加 快
⑵反应系统压力
在反应容积不变的情况下，反应系统压力的增高，就以意味着反应 物浓度增加了，从而使反应速度加快。正压燃烧技术，就是通过提 高炉膛压力来强化燃烧的。
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㈢氧的扩散速度及其影响因素
㈣燃烧区域
⒊ 过渡燃烧区
介于上述两种燃烧区的中间温度区，化学反应速度常 数与氧的扩散速度系数处于同一数量级，因而氧的扩散速 度与炭粒表面的化学反应速度相差不多，这时化学反应速 度和氧的扩散速度都对燃烧速度有影响。将这个反应温度 区称为过渡（中间）燃烧区。 在过渡（中间）燃烧区内，提高反应系统温度和改善 碳粒与氧的扩散混合条件，都可使燃烧速度增大。
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燃料化学反应速度及其影响因素
为使化学反应得以进行，分子活化所需的最低能量称
为活化能，以E表示。 能量达到或超过活化能E的分子称为活化分子。 活化分子的碰撞才是发生化学反应的有效碰撞。 当温度升高时，分子从外界吸收能量，活化分子急剧 增多，化学反应速度因此加快。
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