第4章 煤的燃烧理论分解
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《煤炭燃烧》PPT课件
（四）煤和空气的混合 具备煤和空气只是燃烧的必要条件，但还不充分。二者 必须充分接触和混合，才能保证煤完全燃烧。层燃炉的缺点 是煤和空气不能充分混合。块煤在燃烧过程中，外表面会形 成一定厚度的灰层，阻碍了空气和内层煤可燃质的接触，使 煤很难燃烧完全。另一方面，其燃烧产物（RO2、CO等）一 般因结构关系亦不能及时离开煤表面，这也阻挡周围空气与 煤继续接触，影响完全燃烧。这是层燃炉固体不完全燃烧热 损失较高的原因。解决这类问题的办法是对层燃炉加强拨火、 提高风速，促进燃烧产物的分离和煤块表面灰层的脱落。
（五）燃烧时间 足够的燃烧时间是保证煤燃尽的必要条件 之一。任何燃烧均需要有一定的时间，否则 就不能燃烧完全。实际操作中，足够的时间 往往是用足够的燃烧空间来实现的。例如煤 粉悬
第二节 煤炭燃烧方式
• 根据煤在燃烧过程中的运动状态，将其燃 烧方式分为三种：层状燃烧、悬浮燃烧和 流态化燃烧
• 当空气自下而上通过燃料层时，如果风速 不同，会出现三种不同的床层状态：（1） 固定床；（2）流态化；（3）气力输送状 态。
三）氧化剂（空气量）
一定量的煤燃烧需要一定量的空气。空气量不够， 会使有些可燃物得不到氧气而燃烧不完全。反之，过量 则造成排烟热损失增加。理论所需空气量可由化学计量 法得到。理论上，所供空气中的氧应与煤中可燃质按化 学方程式恰好完全反应。计算中取气体标准状态，认为 所有的气体都与理想气体一样。煤中可燃质分别按C、H、 S进行考虑，同时考虑N不参与燃烧，煤中O的存在使得 空气用量减少。由此计算理论所需空气量。
要保持料层流态化，关
键在于有一个适当的风
量。把布风板面积当作
空气流通面积计算出来
的风速叫做空截面气流
速度。使料层恰能开始
沸腾的空截面气流速度
煤粉燃烧理论及燃烧设备
五、煤粉燃烧理论及燃烧设备
Pulverized coal combustion
煤粉燃烧理论及燃烧设备
1. 燃烧基本理论 2. 煤粉气流着火燃烧 3. 煤粉燃烧器及点火设备 4. 煤粉炉的炉膛 5. 煤粉炉燃烧调整
1、燃烧基本理论
燃烧：燃料+氧化剂的发光发热的剧烈 化学反应
燃料：煤、油、可燃气体 氧化剂：空气或富氧
随着反应温度的升高，分子运动的平均动能增加，活化分 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。
反应温度
② 燃烧速度与燃烧区域
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。
dQ1 ≥ dQ2 dT dT
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，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。
② 燃烧过程的着火、熄火条件
Hale Waihona Puke 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。
燃烧放热量为（T、Qr）：
轴向叶片旋流煤粉燃烧器
注：适用于Vdaf≥25%，Qar,net,p ≥ 16800kJ/kg的烟煤和褐
切向叶片旋流 煤粉燃烧器
一次风： 直流
二次风： 切叶片旋流 器旋转
对理想气体混合物中的每个组分可以写出其状态方程：
pAV ART
CA
A
V
pA RT
CB
B
V
pB RT
w
p
a A
pBb
Pulverized coal combustion
煤粉燃烧理论及燃烧设备
1. 燃烧基本理论 2. 煤粉气流着火燃烧 3. 煤粉燃烧器及点火设备 4. 煤粉炉的炉膛 5. 煤粉炉燃烧调整
1、燃烧基本理论
燃烧：燃料+氧化剂的发光发热的剧烈 化学反应
燃料：煤、油、可燃气体 氧化剂：空气或富氧
随着反应温度的升高，分子运动的平均动能增加，活化分 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。
反应温度
② 燃烧速度与燃烧区域
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。
dQ1 ≥ dQ2 dT dT
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，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。
② 燃烧过程的着火、熄火条件
Hale Waihona Puke 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。
燃烧放热量为（T、Qr）：
轴向叶片旋流煤粉燃烧器
注：适用于Vdaf≥25%，Qar,net,p ≥ 16800kJ/kg的烟煤和褐
切向叶片旋流 煤粉燃烧器
一次风： 直流
二次风： 切叶片旋流 器旋转
对理想气体混合物中的每个组分可以写出其状态方程：
pAV ART
CA
A
V
pA RT
CB
B
V
pB RT
w
p
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pBb
徐通模燃烧学--第4章
是由于反应物在非人为状态下自发地进行分解（或氧 化等）反应，反应时放出一定的热量，并且反应放热 大于散热，造成了热积累，使得反应温度进一步升高。
11
第二节 热自燃理论
➢着火条件 ➢谢苗诺夫热自燃理论 ➢绝热条件下的自燃过程 ➢影响着火的因素 ➢热自燃界限
热能与动力工程系
热自燃现象频发
自燃的情况非常多。例如2010年夏天，我国各地温度屡创新高，汽车自 燃事故频发。
在实际应用中，燃料喷进去就着火时的环境温度， 常常把T0 当做自燃温度。
着火温度和熄火温度不是物性参数，随热力条件变 化而变化。
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，着火温度只表示了着火 的临界条件。
当然，着火温度的概念使着火过程的物理模型大大 简化，对于燃烧理论研究有重要意义。
大多数碳氢化合物燃料的燃烧反应都接近于二级反 应，二级反应的反应速率为
w kx f xox
p2 (RT )2
E
k0e RT x f xox
p2 R2T 2
VQk0Ex f xox
AF R3TC4
p2
E
e RT
1
压力增大，自燃温度降低；压力下降，
自燃温度升高，不易着火。高原地区发动机着火困难。
点1前的反应初始阶段，放热>散热，反 应系统开始升温，到达点1达到放热、 散热平衡。点1为稳定的平衡态。
系统处在点1左边时，Q1>Q2a，系统会 升高温度到达点1；在右边时，Q1<Q2a ，系统会降温回到点1。由于此时系统 温度低，处于缓慢氧化状态，不能进行 燃烧。此时不满足条件2。
热力着火曲线
点2就称为着火点，其对应的系统温度 Tzh称为燃料的着火温度。
11
第二节 热自燃理论
➢着火条件 ➢谢苗诺夫热自燃理论 ➢绝热条件下的自燃过程 ➢影响着火的因素 ➢热自燃界限
热能与动力工程系
热自燃现象频发
自燃的情况非常多。例如2010年夏天，我国各地温度屡创新高，汽车自 燃事故频发。
在实际应用中，燃料喷进去就着火时的环境温度， 常常把T0 当做自燃温度。
着火温度和熄火温度不是物性参数，随热力条件变 化而变化。
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，着火温度只表示了着火 的临界条件。
当然，着火温度的概念使着火过程的物理模型大大 简化，对于燃烧理论研究有重要意义。
大多数碳氢化合物燃料的燃烧反应都接近于二级反 应，二级反应的反应速率为
w kx f xox
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E
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1
压力增大，自燃温度降低；压力下降，
自燃温度升高，不易着火。高原地区发动机着火困难。
点1前的反应初始阶段，放热>散热，反 应系统开始升温，到达点1达到放热、 散热平衡。点1为稳定的平衡态。
系统处在点1左边时，Q1>Q2a，系统会 升高温度到达点1；在右边时，Q1<Q2a ，系统会降温回到点1。由于此时系统 温度低，处于缓慢氧化状态，不能进行 燃烧。此时不满足条件2。
热力着火曲线
点2就称为着火点，其对应的系统温度 Tzh称为燃料的着火温度。
煤炭的燃烧过程
煤炭的燃烧过程一、煤碳的燃烧过程煤从进入炉膛到燃烧完毕，一般经历四个阶段：水分蒸发阶段，当温度达到105℃左右时，水分全部被蒸发；挥发物着火阶段，煤不断吸收热量后，温度继续上升，挥发物随之析出，当温度达到着火点时，挥发物开始燃烧。
挥发物燃烧速度快，一般只占煤整个燃烧时间的1/10左右；焦碳燃烧阶段，煤中的挥发物着火燃烧后，余下的碳和灰组成的固体物便是焦碳。
此时焦碳温度上升很快，固定碳剧烈燃烧，放出大量的热量，煤的燃烧速度和燃烬程度主要取决于这个阶段；燃烬阶段，这个阶段使灰渣中的焦碳尽量烧完，以降低不完全燃烧热损失，提高效率。
良好燃烧必须具备三个条件：1、温度。
温度越高，化学反应速度快，燃烧就愈快。
层燃炉温度通常在1100~1300℃。
2、空气。
空气冲刷碳表面的速度愈快，碳和氧接触越好，燃烧就愈快。
3、时间。
要使煤在炉膛内有足够的燃烧时间。
碳燃烧时在其周围包上一层灰壳，碳燃烧形成的一氧化碳和二氧化碳往往透过灰壳向外四周扩散运动，其中一氧化碳遇到氧后又继续燃烧形成二氧化碳。
也就是说，碳粒燃烧时，灰壳外包围着一氧化碳和二氧化碳两层气体，空气中的氧必须穿过外壳才能与碳接触。
因此，加大送风，增加空气冲刷碳粒的速度，就容易把外包层的气体带走；同时加强机械拨动，就可破坏灰壳，促使氧气与碳直接接触，加快燃烧速度。
如果氧气不充足，搅动不够，煤就烧不透，造成灰渣中有许多未参与燃烧的碳核，另外还会使一部分一氧化碳在炉膛中没有燃烧就随烟气排出。
对于大块煤，必须有较长的燃烧时间，停留时间过短，燃烧不完全。
因此，实际运行中，一般采取供给充足的氧气，采用炉拱和二次风来加强扰动，提高燃烧温度，炉膛容积不宜过小等措施保证煤充分燃烧。
二、链条炉排的燃烧特点链条炉排着火条件较差，主要依靠炉膛火焰和炉拱的辐射热。
煤的上面先着火，然后逐步向下燃烧，在炉排上就出现了明显的分层区域，如图共分五个区。
燃料在新燃烧区1中预热干燥，在炉排上占有相当长的区域。
煤炭的燃烧过程分析苗媛
大致分为三个阶段 第一阶段 120℃以前脱去煤中游离水，120~200℃脱去 煤所
吸附的气体如CO、CO2和CH4等，200℃以后年轻的煤如褐 煤发生部分脱羧反应，有热解水生成，并开始分解放出气态 产物如CO、CO2和H2S等，300℃时开始热分解反应有微量 焦油产生。烟煤和无烟煤在这一阶段没有显著变化。
③ Wiser模型—— 20世纪70年代中期，W. H. Wiser（美）提出的
被认为是比较全面合理的模型。
特点：引入了用以解释煤热解、加氢、氧化等化学反应的弱键和桥键，较为全面和
合理。
④ 本田模型
特点：考虑了低分子化合物的存在，缩合环以菲环为主，由较长的次甲基键相连接。
但没有考虑氮和硫的结构。
H2O(l)→H2O(g)-44kJ/mol(g)
随温度继续增高，煤中有机质开始热分解，热分解形成两 种产物：一种是从煤大分子上断裂下来的侧链和官能团所 形成的挥发分，在挥发分气体中主要有CO、CO2、H2、 H2O、CH4及各种烃类化合物、含硫、含氮化合物等，另 一种是稠环芳香核缩聚为焦炭（固定碳）。这一阶段煤要 吸收热量，其热源由火种或原燃烧着的煤供给。
煤分子的基本结构单元类似于聚合物的聚合单体，分规则和不规则 两部分：
规则部分——由几个或十几个苯环、脂环、氢化芳香环及杂环（含氮、 氧、硫等元素）缩聚而成，称为基本结构单元的核或芳香核。
不规则部分——连接在芳香核周围的烷基侧链和各种官能团。
基本结构单元
➢ 煤的大分子是由若干基本结构单 元通过化学键连接而成的三维结 构，结构单元之间的连接是通过 次甲基键、醚键、硫醚、次甲基 醚以及芳香碳—碳键等桥键实现 的。
第二阶段 300~600℃，特征是活泼分解，以分解和解聚为 主，生成和排出大量挥发物，气体主要是CH4及同系物，还 有H2、CO、CO2及不饱和烃等。
最新煤的燃烧过程及燃烧条件
煤的燃烧过程及燃烧条件------------------------------------------作者xxxx------------------------------------------日期xxxx煤的燃烧过程及燃烧条件煤的燃烧是复杂的物理化学过程,煤进入炉内,收到高温烟气的加热,温度逐渐升高,在此期间经历干燥、干馏、挥发分着火燃烧、焦炭燃烧、焦炭燃尽等各个阶段.1、干燥：煤被加热时，首先是水分不断蒸发,煤被干燥，显然,煤中水分多，干燥多消耗的热量也多,时间也长。
2、干馏:煤被干燥后,继续被加热,达到一定温度就开始析出挥发分,同时生成焦炭，即是煤的干馏过程,每种挥发分越多,开始析出挥发分的温度越低，加热的温度越高,时间越长，析出的挥发分越多,因此，测定挥发分时规定了加热的温度和时间。
挥发分多，其中碳氢化合物也越多，重碳氢化合物在高温、缺氧的条件下,会进行热分解，形成微笑的碳粒，称为炭黑。
由于碳粒很小很轻，在炉内不易烧掉而随烟排走,形成黑烟,为了使燃烧充分,不冒黑烟，必须保证挥发分燃烧所需足够高的温度和充足的空气,例如加装二次风。
只有当挥发分达一定浓度,而且到一定温度时，才能着火燃烧，干馏阶段为燃烧前的准备阶段。
煤在燃烧的准备阶段中,非但不放热而且要吸收热量，所以必须组织好热量供应,其热源来自炉膛火焰或高温烟气、炽热的炉墙和炉拱等.热量供应情况就决定了准备阶段的时间长短。
3、挥发分着火燃烧:煤继续被加热，挥发分不断析出，而且温度也随之提高，挥发分中可燃物质与氧气的化学反应也在逐渐加快,当挥发分达到一定温度和浓度时，化学反应速度急速加快，着火燃烧，形成明亮的黄色火焰,这里，挥发分要加热到一定的温度时个重要条件.不同的煤的挥发分着火温度时不一样的，通常我们将挥发分着火温度看成煤的着火温度，挥发分燃烧时放出热量,将焦炭加热到赤红程度(已达到能够着火的温度），但是焦炭并不会立刻燃烧，因为挥发分包围了焦炭，挥发分首先遇氧将氧耗掉了,氧气不能扩散到焦炭的表面，焦炭只能被加热而不能燃烧。
煤的燃烧基本理论
低位发热量(Qnet)：指燃烧产物中的水以20℃蒸气存在时
的发热量。 (net—实得的) 实际上，Qnet更接近于实际，因此，燃烧计算中用Qnet 。不特指时
发热量一般均指Qnet 。
二、发热量的测定和计算 1. 发热量的测定 对于固、液体燃料，用氧弹量热计测定。
2. 发热量的计算
根据煤的组成，可用经验公式计算发热量。 (1)当已知燃料的元素分析值时，经验公式为： Qnet,ar = 339Car + 1030 Har-109 (Oar-Sar)-25 Mar
注：在煤的燃烧计算中必须用此基准的组成 。
(2)空气干燥基（又称为分析基）:
air dried
指分析实验室里所用的空气干燥煤样的组成，用下角标“ad”表示 。
即 Cad％+Had％+Sad％+ Oad％+Nad％+Aad％+Mad％=100％ 注：将煤样在20℃和相对湿度为70%的空气中连续干燥1h后质量变化
第一部分
煤的燃烧基本理论
河北联合大学
2013.8
裴秀娟
主要内容
§1-1
§1-2
煤的种类和组成
煤的发热量
§1-3
§1-4
燃烧计算
煤燃烧的基本理论
§1-1 煤的种类和组成
一、煤的种类和特点
按其挥发分含量，煤可分为褐煤、烟煤和无烟煤三类。
煤 种
Vdaf /％
褐 煤
＞37
烟 煤
10～45
若煤的挥发分过低(＜18%)，着火缓慢，形成的黑火头过长，使高温部 分火焰变短，影响熟料质量； 若挥发分过高(＞30%)，火焰变长，同时在对煤进行烘干时，会有一部 分挥发分溢出，造成浪费。 注意：当采取有效措施（如提高二次风温度、调整煤粉细度等）改善燃 烧条件时，对煤质的要求也可适当放宽。
煤炭的燃烧与能量转化
影响因素分析
燃料性质
煤炭的种类、成分、粒度 、水分等都会影响其燃 烧时间等条件对燃烧效率 有重要影响。
锅炉设计
锅炉的结构、受热面积、 热传导方式等也会影响煤 炭的燃烧效率。
提高燃烧效率的措施
01
02
03
04
选用优质煤炭
选择热值高、灰分低、硫分低 的优质煤炭，以提高燃烧效率
03
燃烧效率与影响因素
燃烧效率评估方法
01
02
03
热效率法
通过测量燃烧产生的热量 与燃料完全燃烧时释放的 理论热量之比来评估燃烧 效率。
排放物分析法
通过分析燃烧产生的废气 成分，如二氧化碳、一氧 化碳、氮氧化物等，来间 接评估燃烧效率。
燃料消耗率法
通过测量单位时间内消耗 的燃料量与产生的能量之 比来评估燃烧效率。
煤炭的燃烧与能量转化
汇报人：XX 2024-01-15
目录
• 煤炭燃烧基本原理 • 能量转化过程分析 • 燃烧效率与影响因素 • 污染物排放与控制技术 • 清洁能源替代与前景展望
01
煤炭燃烧基本原理
煤炭成分及性质
煤炭的组成
煤炭主要由碳、氢、氧、氮和硫 等元素组成，其中碳元素含量最 高。
煤炭的性质
。
优化燃烧条件
通过调整燃烧温度、氧气浓度 和燃烧时间等条件，使煤炭充
分燃烧。
改进锅炉设计
采用先进的锅炉结构和受热面 设计，提高热传导效率，减少
热损失。
采用先进技术
如采用富氧燃烧、流化床燃烧 等先进技术，可进一步提高煤
炭的燃烧效率。
04
污染物排放与控制技术
污染物种类及危害
硫氧化物（SOx）
煤炭中含硫，燃烧时会产生硫 氧化物，是酸雨的主要成因， 对人体呼吸系统和环境均有严
燃烧基本理论
直接观察 失重分析
分别记录煤粉、挥发分及煤焦的失重曲线，对比三条失 重曲线，进行着火方式判断。
温升曲线分析
借鉴付维标，曾桃芳所采用的碳粒着火实验方法，同 时考虑分解炉内煤粉实际加热状况，将实验炉温设置 升温到850℃。
关于着火现象观察的结果
a c b d
关于着火方式研究的结果
1#» Ó · ¢ · Ý Ê §Ö Ø Ê ±¼ ä Ç ú Ï ß 0.012
在过去的研究中，都是根据TET简化理论所得的公式及 K 0,ch值。 实验所测的临界着火气体或碳粒温度，来反算E、
表2.1是部分研究者的结果。可以看到，即使对同一种
煤，E值范围也是很离散的。
傅维标的研究
原因是：在前人处理数据中，将化学因素及物理因素引起对炭粒着火的 K o,c 中。其次，在用着火温度来确定反应动力学参数时， 影响都归入E、 许多研究者常以观察到火焰出现或者炭粒发光作为着火的标志，但此刻 与理论上定义的着火时刻相距较远，所以导致误差也较大。 E应是颗粒表面温度的函数，由煤焦与氧的化学特性决定，而与煤质无 关；
章明川等在沉降炉中，认为刚好形成炉内稳定的火焰时是临界着火状态。 此时，测量炉内投粉与不投粉时沿轴向距离气体的温度，两温度曲线在 一定位置会发生分离，定义此分离点即着火点。
单颗粒煤着火的实验方法
Tomeczck与Wojcik[10] 利用热电偶测量颗粒的温度。但在判 断着火方法上仍以光电探测器探测到火焰为准
0.015 0.01 0.005 0 0 10 20 30 40 ±¼ Ê ä £ ¨min£ ©
Ø §Ö Ê
1#» Ó · ¢ · Ý Ê §Ö Ø Î Â ¶ È Ç ú Ï ß 0.012
分别记录煤粉、挥发分及煤焦的失重曲线，对比三条失 重曲线，进行着火方式判断。
温升曲线分析
借鉴付维标，曾桃芳所采用的碳粒着火实验方法，同 时考虑分解炉内煤粉实际加热状况，将实验炉温设置 升温到850℃。
关于着火现象观察的结果
a c b d
关于着火方式研究的结果
1#» Ó · ¢ · Ý Ê §Ö Ø Ê ±¼ ä Ç ú Ï ß 0.012
在过去的研究中，都是根据TET简化理论所得的公式及 K 0,ch值。 实验所测的临界着火气体或碳粒温度，来反算E、
表2.1是部分研究者的结果。可以看到，即使对同一种
煤，E值范围也是很离散的。
傅维标的研究
原因是：在前人处理数据中，将化学因素及物理因素引起对炭粒着火的 K o,c 中。其次，在用着火温度来确定反应动力学参数时， 影响都归入E、 许多研究者常以观察到火焰出现或者炭粒发光作为着火的标志，但此刻 与理论上定义的着火时刻相距较远，所以导致误差也较大。 E应是颗粒表面温度的函数，由煤焦与氧的化学特性决定，而与煤质无 关；
章明川等在沉降炉中，认为刚好形成炉内稳定的火焰时是临界着火状态。 此时，测量炉内投粉与不投粉时沿轴向距离气体的温度，两温度曲线在 一定位置会发生分离，定义此分离点即着火点。
单颗粒煤着火的实验方法
Tomeczck与Wojcik[10] 利用热电偶测量颗粒的温度。但在判 断着火方法上仍以光电探测器探测到火焰为准
0.015 0.01 0.005 0 0 10 20 30 40 ±¼ Ê ä £ ¨min£ ©
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煤的燃烧理论ppt课件
强迫对流条件下碳粒燃烧速率 的分析方法
• 在实际的燃烧过程中，煤焦（碳粒）往往是
处于对流的环境之中，此时，碳粒燃烧速率
的计算就无法在球对称条件下进行分析，在
自然对流条件下，球形颗粒燃煤的情形，采
用边界层近似假设及边界层厚设比颗粒半径
小得多的假设，建立方程后采用的是数值的
求解方法，在强迫对流条件下球形颗粒燃烧
2-58
Sn 19-4250 10-825
.
40
.
41
有CO空间反应时碳球燃烧速率 的计算
• 存在有二次反应时碳燃烧速率的计算是 十分复杂的，考虑到二次反应结果是CO2 被C还原成CO，而一次反应本身也会产生 CO，如果我们已能确定所产生CO的总数 量，则对燃烧产生的影响主要是这些CO 在碳球附近空间燃烧形成一个包复火焰 的影响。
.
42
- 0.11
0.2-4 0.132
- 3.016
P2O3 (%)
-
-
褐煤 6-40 4-26 1-34 0.0- 12.4- 2.8- 0.2-28 0.1- 8.3- -
0.8 52 14
1.3 32
.
63
B煤灰中痕量元素的范围（PPm
，以灰分为基础）
元素 无烟煤 Ag 1
高挥发份烟 低挥发份烟煤
• 由于挥发物能够在较低的温度下析出和燃烧，使煤粒周
围温度迅速提高，为煤焦的着火与燃烧创造了极为有利
的条件。在挥发物析出过程。使煤焦膨胀。增大了内部
孔隙及外都反应表面积。有如上述，也有利于提高煤焦
的燃烧速度。挥发物是煤中可燃物的一部分，挥发物的
燃烧也是煤的一部份的燃烧，而这一切都有利于整个燃
料燃烧速度的提高。但是，另一方面，因为挥发物在煤
燃烧理论第4章
第4章着火（自燃与引燃）本章内容：着火的概念谢苗诺夫的热着火理论（热）自燃的着火延迟链着火理论强制着火着火范围4.1 着火的概念燃烧过程一般可分为两个阶段，第一阶段为着火阶段，第二阶段为着火后的燃烧阶段。
在第一阶段中，燃料和氧化剂进行缓慢的氧化作用，氧化反应所释放的热量只是提高可燃混合物的温度和累积活化分子，并没有形成火焰。
在第二阶段中，反应进行得很快，并发出强烈的光和热，形成火焰。
与连续、稳定的燃烧阶段不同，着火是一个从不燃烧到燃烧的自身演变或外界引发的过渡过程，是可燃混合物的氧化反应逐渐加速、形成火焰或爆炸的过程。
在这个过渡过程中，反应物的消耗及产物的生成尚不明显，它们之间的相互扩散的量级不大，扩散速度对此过渡过程的化学反应影响极微。
因此，着火是一个化学动力学控制的过程。
火焰的熄火过程也是一个化学反应速度控制的过程。
但与着火过程相反，它是一个从极快的燃烧化学反应到反应速度极慢，以至不能维持火焰或几乎停止化学反应的过程。
4.1.1 两种着火类型有两种使可燃混合物着火的方式：自发着火及强制着火。
自发着火有时又叫自动着火或自燃(以后统称为自燃)。
它是依靠可燃混合物自身的缓慢氧化反应逐渐累积热量和活化分子，从而自行加速反应，最后导致燃烧。
自燃有两个条件：1）可燃混合物应有一定的能量储蓄过程。
2）在可燃混合物的温度不断升高，以及活化分子的数量不断积累后，从不显著的反应自动转变到剧烈的反应。
有许多燃料与氧化剂在高温下迅速混合并导致自燃的例子。
例如，柴油喷到高温的压缩空气中在极短的时间内，部分地蒸发并与空气混合，在经历一定的延迟后反应便进行得非常快而着火燃烧；在冲压式喷气发动机及涡轮喷气发动机中燃料喷雾在加力燃烧器中的着火；汽油机中的爆震等。
强制着火是靠外加的热源（外部点火源）向混合物中的局部地方加入能量，使之提高温度和增加活化分子的数量，迫使局部地方的可燃混合物完成着火过程而达到燃烧阶段，然后火焰向可燃混合物的其他部分传播，导致全部可燃混合物燃烧。
煤的燃烧
煤的着火温度
燃料种类 着火温度 /℃ ℃ 250～350 ～ 225～ 225～280 200～350 ～ 200～400 ～ 燃料种类 着火温度 /℃ ℃ 300～500 ～ 600～ 600～700 700 560～600 ～
木柴 泥炭 褐煤 高挥发分烟煤
低挥发烟煤 无烟煤 焦炭 炭黑
火焰点燃理论
火焰点燃主要用于着火比较困难的燃料(如低发热量的煤气、重池、煤粉 等)。通常采用多级点火方式。即首先内引燃器(通常指电火花点燃设备)发火， 远级点燃比较容易着火的气体燃料或轻质液体燃料，形成点火能量较大的引 燃火焰，再由引燃火焰点燃重油、煤粉等。 如图所示火焰点燃的物理模型。 设由直径为do的圆管中射出一股高温燃烧产 物，其温度为Tm，速度为um 而周围的环境 为可燃混合物，它的温度、速度分别为To和 <1。可知，外 边界0—1线上温度是来流温度To ，浓度为 来流燃料之浓度CO。。而内边界0—2线上 温度是热气流温度Tm，燃料浓度则为零。因 此，在外边界上浓度很高，但温度很低，所 以化学反应不能进行。在内边界上温度很高， 但浓度却为零，所以化学反应也不能进行。 化学反应只能发生在温度和浓度最有利的区 域，这个区域只能在边界层中某个特定地区 (阴影部分）
炽热物体点燃理论
对炽热物体点燃可燃混合物的机理可采用零值边界梯度物理模型进 行说明。假设将一温度恒定的炽热物体放入可燃混合物中．混合物 的温度为T0．当炽热物体的温度分别为TI、T2、T3时，则经过热传导 后．在可燃混合物与炽热物体接触的边界层内将出现如下所示的温 度分布。
电火花点燃理论
电火花点燃是工程上最常用的点燃方法之一。电火花能量可以用电容放电(即快 速释放电容器中贮藏的能量) 而产生。 如果C1是电容器的电容、V1和V2分别表示产生火花前后电容器 的电压。则放电的能量为
燃烧理论与基础 04第四章 着火理论
Q1 k 0 e
E RT
n COVQr
Q2 S (T Tb )
着火温度和熄火温度不是物性参数，随热力 条件变化而变化。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，着火温度只表示了着火的临界条件。 如，褐煤堆，如果通风不良，接近于绝热状 态，孕育时间长，着火温度可为大气环境温 度。当然，着火温度的概念使着火过程的物 理模型大大简化，对于燃烧理论研究有重要 意义。
2、链着火机理
如果进行的反应是链式反应，且链式反应中 自由基的生成速率大于自由基的消耗速率 （即分支链式反应），则其反应速度不断加 快，此时反应在定温条件下也会导致着火 （或爆炸）。例如H2和O2的化合反应，它满 足了分支链式反应的条件，只要反应一旦开 始它就会着火，如果满足一定的浓度条件， 还会发生爆炸。属于这样类型的反应还有甲 烷、乙烯、乙炔等在空气中的氧化反应。
第三节 强迫着火理论
一、强迫着火条件
在燃烧技术中，为了加速和稳定着火，往往 由外界对局部的可燃混合物进行加热，并使 之着火。之后，火焰便自发传播到整个可燃 混合物中，这种使燃料着火的方法称为强迫 着火。
通常，实现强迫着火的方法有：组织良好的 炉内空气动力结构，使高温烟气向火炬根部 回流来加热由喷嘴喷出的燃料；采用炉拱、 卫燃带或其他炽热物体，保证炉内有高温水 平，向火炬根部辐射热量；采用附加的重油 或其他的点火火炬，或应用电火花点火等。
2、强迫着火（点燃）
强迫着火是可燃混合物从外界获得能量（如 电火花、灼热质点、烟火药剂的火焰等）而 产生着火的现象，也称为点燃。这时的燃烧 是首先由靠近点火源引发并传播到可燃混合 物的其他部分。因此可以认为强迫着火是外 界能源加热下火焰的局部点燃，然后再进行 火焰传播的过程。
煤燃烧
1．1 提高初参数，采用超超临界
初参数的提高主要受金属材料在高温下性能是否 稳定的限制，目前，超临界机组初温可达538℃～ 576℃。随着冶金技术的发展，耐高温性能材料的 不断出现，初温可提高到600℃～700℃。如日本 东芝公司1980年着手开发两台0型两段再热的 700MW超超临界汽轮机，并相继于1989年和 1990年投产，运行稳定，达到提高发电端热效率 5％的预期目标，即发电端效率为41％，同时实现 了在140分钟内启动的设计要求，且可在带10％ 额定负荷运行。在此基础上，该公司正推进1型 （30．99MPa、593／593／593℃）、2型 （34．52MPa、650／593／593℃）机组的实用 化研究。据推算，超超临界机组的供电煤耗可降 低到279g／kWh。
谢谢！！
央企分行业2010“成绩单”公布 火 电业务亏损118亿元
国资委称，由于煤炭价格高位运行，电 力企业中的火电行业处于严重亏损状态， 2010 年火电业务亏损118亿元。
人类已进入21世纪，“能源、环境、发展” 是新世纪人类所面临的三大主题。这三者 之中，能源的合理开发与利用将直接影响 到环境的保护和人类社会的可持续发展。 作为能源开发与利用的电力工业正处在大 发展的阶段，火力发电是电力工业的重要 领域，环境保护和社会发展要求火力发电 技术不断发展、提高。在已经开始的21世 纪，火力发电技术发展趋势是我们十分关 注的问题 。
从煤的燃烧到火力发电
煤的燃烧是指煤中的可燃的有机质， 在一定温度下与空气中的氧发生剧烈 的化学反应，放出光和热，并转化为 不可燃烧的烟气和灰渣的过程。 火力发电厂是利用化石燃料燃烧 释放的热能发电的动力设施，包括燃 料燃烧释热和热能电能转换以及电能 输出的所有设备、装置、仪表器件， 以及为此目的设置在特定场所的建筑 物、构筑物和所有有关生产和生活的 附属设施。主要有 蒸汽动力发电厂、 燃气轮机发电厂、内燃机发电厂几种 类型.
第4章 煤的燃烧理论
12
TG
20K/min
1.4 1.2 1.0
10
dG/dt(mg/min)
G(mg)
0.8 8 0.6 0.4 6
DTG
4 0 200 400 600 800
0.2 0.0 -0.2 1000
temperature(c)
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11 10 9 8 7
15 C/min
o
1 2 3 4
dG/dt(%/min)
煤粉越细，Vdaf越大。
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挥发分对燃烧的影响
无 油 稳 燃 负 荷 （ ）
着 火 温 度 （ ）
%
℃
Vdaf (%)
挥发分对稳燃负荷的影响
Vdaf （%,） 挥发分对着火温度的影响
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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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7、典型煤种的反应活化能E
无烟煤：126～ 147kJ/gmol；
烟煤：104～ 褐煤：84～
加热速率对热解特性的影响
12
参考煤种-20 C/min
10 8
12 10
o
14
参考煤种-30oC/min
dG/dt(%/min)
dG/dt(%/min)
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煤种特性 加热环境的温度 加热时间的长短 煤粉颗粒的直径
煤龄越长，Vdaf越小。 T越高，Vdaf越大。 时间越长，Vdaf越大。 煤粉越细，Vdaf越大。
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挥发分对燃烧的影响
无
油
稳
燃
负
荷
着
（
火
温
）
度
（
） Vdaf (%)
2、燃烧化学反应速度描述
设有两种物质A、B，其化学反应方程式如下：
化学反应速度的大小用反应物或生成物浓度的变化来表示：
aA bB gG hH
燃料 氧化剂
燃烧产物
w dC dt
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3、均相反应，质量作用定律
工程上采用一些技术指标定性、近似描述煤的着火与燃烧 特性。
➢ 燃料特性指标 ➢ 着火难易指标 ➢ 热解特性指标 ➢ 燃烬性指标
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3、燃料特性指标
Vdaf： C/H： FC/Vdaf：
越高，着火越容易，燃 烧稳定性越好。
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用各组分的分压力来表示的反应系统中各 反应物的浓度
KP
pgGphH ＝ CgGChH
paA
p
b B
CaACbB
(RT )(gh)-(ab)
KC (RT)(gh)-(ab)
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第四章 煤的燃烧理论
一、燃烧基本理论 二、煤的着火与燃烧特性 三、煤粉气流的着火与燃烧
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一、燃烧基本理论
1、燃烧的概念 2、燃烧化学反应速度描述 3、均相反应，质量作用定律 4、非均（多）相反应 5、燃烧反应平衡常数 6、阿累尼斯( Arrhinius)定律 7、典型煤种的反应活化能E
挥发分对稳燃负荷的影响
℃ %
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Vdaf （%,） 挥发分对着火温度的影响
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煤粉气流着火指数与挥发分间的关系
1000
800
FI(℃ )
600
400
200 0
5 10 15 20 25 30 35
V (%) daf
物理意义
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-E
e RT
-有效碰撞占总
k
碰撞次数的比例
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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7、典型煤种的反应活化能E
fA
CB
—单位容积可燃混合物内煤粉的表面积；
—氧的浓度。
CB
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5、燃烧反应平衡常数
可逆反应，当正逆反应达到平衡时有：
kCaA C bB＝k , CgG C hH
CgGCh H源自＝kCaA
C
b B
k,
KC
KC即为反应系统达到 平衡时的平衡常数。
越高，煤化程度越高， 着火越难。
越高，煤中的挥发分相对含 量越低，着火越困难。
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Vdaf
煤着火温度、燃烧稳定性及燃烧效率的重要指标。
燃烧过程中实际释放的Vdaf量、成分有别于工 业分析中得到的Vdaf，其控制因素：
w - dCA dt
kCaACbB
CA、CB－反应物A、B的浓度； a、b—反应物A、B的反应系数； k—反应的速度常数。
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4、非均（多）相反应
• 炭或煤的反应速度可用下式描述：
w
- dCB dt
kfACBb
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1、燃烧的概念
燃烧是伴随有发光发热的一种特殊的氧化 反应，其反应物为氧气与各种燃料。
均相燃烧：
气体燃料的燃烧
非均相燃烧：
固体燃料的燃烧
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无烟煤：126～ 147kJ/gmol；
烟煤：104～ 126kJ/gmol； 褐煤：84～ 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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4、着火难易指标
煤的反应活化能E：
燃料的反应活化能越低，着火越容易，燃烧速度越快；
着火温度Ti：
煤粉粒子或煤粉气流开始着火燃烧时的温度，为着火温度。 着火的显著标志就 是反应系统的温度一阶跃升高。
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6、阿累尼斯( Arrhinius)定律
数学描述
-E
k K0e RT
K0—指前因子，或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； R－通用气体常数； T－反应环境的温度。
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燃烧特性
反映燃料着火难易、燃烧稳定性、燃烧速度、燃 烧效率、不同阶段燃烧动力学规律的燃烧技术指标。
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2、燃烧特性指标
各种燃料在不同条件下燃烧反应动力学的准确数学描述， 即阿累尼乌斯定律中K0、E的准确数学描述。
二、煤的着火与燃烧特性
➢ 着火与燃烧特性的概念 ➢ 燃烧特性指标 ➢ 燃料特性指标 ➢ 着火难易指标 ➢ 热解特性指标 ➢ 煤的燃烬特性
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1、着火与燃烧特性的概念
着火
由缓慢的氧化反应迅速过渡到剧烈自动加速反应过 程，反应系统的温度出现阶跃性升高。