第4章 燃烧过程的基本知识

W 为化学反应速度；R 为通用气体常数； T 为反应温度；k 0 为频率因子，与 k 的 单位相同；E 为活化能。
化学反应速度与反应系统压力 p 的 n 次方
成正比，即
w dCA pn dt
n 为反应级数。
反应速度与压力的关系在一般的锅炉燃烧过程中常 可予以忽略，因为燃烧室中的压力接近常压。
活化能：超过分子平均能量可使分子活化而发生 反应的能量。
温度越高，分子的热运动越剧烈，分子所具有的 能量就越大，具有活化能或能量超过活化能的分 子数越多，化学反应也就进行得越剧烈、迅速。
温度对反应速度的影响集中反映在反应速 度常数k上。
阿累尼乌斯定律：
E
k k0e RT
k 的单位与反应级数有关，k W C n ；
kc
k1 k2
CGg CHh CAa CBb
也是质量作用定律的一种表示形式，它可以用来确 定在一定温度下各平衡混合物的浓度。
仅适用于理想气体
燃烧反应可由均相反应或多相反应所组成。
均相时可假定反应物及生成物都为理想气体, 可适 用!
多相反应，即气相的反应物在单位时间内降低速度，
并不是对单位容积而言，而是对两种相态的物质交
第4章 燃烧过程的基本知识
4.1燃 烧及其基本原理 1. 燃烧的基本条件
燃烧是燃料中的可燃物质与氧气发生剧烈的、伴随发光发热的 一种化学反应。
燃烧过程包括化学反应的放热过程、物质间的相互运动、热量 传递、质量传递、能量相互转化等一系列的物理、化学过程。
燃烧过程能持续进行，除了必须有燃料和燃烧所需要的足够数 量的氧气外，还必须有： （1）足够高的温度； （2）足够的传质动力，以使需要的氧气能及时到达燃烧区域； （3）足够的时间，以使反应能够完成。
点燃
在冷的可燃混合物中，用一个不大的点热 源，使可燃混合物局部升温并着火燃烧， 然后将火焰传播到整个可燃混合物中去， 这一过程称为点燃，或称为被迫着火，或 称为强制点火，或简称点火。
实际的燃烧组织中，一般都靠点火使可燃 混合物着火燃烧。
影响可燃混合物的热力着火的因素: ➢燃料的物理化学性质 ➢系统中的热力条件
2. 化学反应速度及其影响因素
燃烧遵循化学反应动力学的基本原理。
化学反应速度是指单位时间内反应物质(或生成物质) 浓度的变化，即
W dC
d
W—反应速度，mol／(m3·s)； C—浓度，mol／m3；
τ—时间，s。
浓度、温度、压力及催化剂影响化学反应速度。 对于简单反应或复杂反应中任一基元步骤，均可 用以下的化学计量方程式表示，如
容器容积 V，内壁温度 T0，反应物温度 T，
反应物的浓度 CA ， CB 。单位时间内化学
反应所产生热量为
QAa CBb QV
W —化学反应速度； Q —燃料的热值。
着火前，T 不高，反应速度很小，可认
为反应物的浓度没有变化。各常数项
的乘积用 A 表示，则得容器内由于化 学反应而产生的热量与温度 T 的关系。
链式着火
可燃物反应过程中存在链载体，当链产生的速度 超过其销毁的速度，或者反应本身为支链反应， 由于链载体的大量产生，使反应速度迅速增大， 同时又产生更多的链载体，最终使反应物着火.
两类着火方式：
自燃
缓慢氧化反应基础上，不断积聚热量和 活性粒子，温度不断升高，反应速度不 断加快，一旦反应生成热量的速率超过 散热速率而且不可逆转时，整个容积的 可燃混合物就会同时着火，这一过程称 为自燃着火。
称为着火点，相应的温度 Ti
称为着火温度或自燃温度。
稳定平 衡状态
图4.5 两种平衡状态的分析
着火温度表示可燃混合物系统化学反应可以自动加速 而达到自燃着火的最低温度。
着火温度并不是可燃物质化学常数或物理常数，但对 各种物质的着火温度进行实验测定，并将所测定的着 火温度数值作为可燃物质的燃烧和爆炸性能的参考性 指标。
对于增压燃烧锅炉及对在高原地区运行的锅炉，应 考虑压力对燃烧的影响。
4.2 着火和点火
1. 基本理论
着火阶段是燃烧的准备阶段。
缓慢氧化，不断积聚热量和活性粒子，达 一定程度，燃料就会着火燃烧。是燃烧的 一种临界现象.
如果所生的热量等于散失的热量或者活化中 心浓度增加的数量正好补偿其销毁的数量， 这一反应过程称为稳定的氧化反应过程。
aA+bB gG+hH
a、b—反应物A、B的化学反应计量系数； g、h—生成物G、H的化学反应计量系数。
反应物浓度对化学反应速度的影响可用 质量作用定律来描述：
正反应速度 逆反应速度
w1 k1CAa CBb w2 k2CGgCHh
CA，CB，CG，CH 反应物 A、B 和生成物 G、H 的浓度；
k1 ， k 2 正反应速度常数和逆反应速度常数。对于一定化
学反应，与反应物或生成物浓度无关，而只取决于温度。
合成速度等于正、逆反应速度之差，它在反应过 程中不断减少，最后变为零。这时正、逆反应速 度相等，也就是达到化学平衡状态。
W1 W2 或 k1CAa CBb k2CGgCHh ， k1 与 k 2 的比值 称为平衡常数 k c ，即
E
Q1 Ae RT
单位时间内可燃混合 由于容器中混合物的温度
物通过容器壁向外界 T 变化不大，可认为 近似
散失的热量为
为常数。用 B 表示 F，则
Q2 aF T T0 Q2 BT T0
散热线在图中为一直线 M， 斜率取决于散热条件。
不稳定的 平衡状态
图4.4 可燃混合物的热力着火过
程产热曲线与散热曲线的切点 i
如果氧化反应所产生的热量大于散失的热量， 或者活化中心浓度增加的数量大于其销毁的 数量，这一反应过程称为不稳定的氧化反应 过程。
由稳定的氧化反应转变为不稳定的氧化反应 从而引起燃烧的一瞬间，称为着火。
着火机理：
热力着火
可燃混合物由于自身的氧化反应放热或者由于外 部热源的加热，使得温度不断升高，导致氧化反 应加快，从而聚积更多的热量，最终导致着火。
界处(反应气体与固体表面)的单位面积而言。多相
反应速度是指在单位时间、单位表面上参加反应的
物质浓度的变化，即
也适用!
w
dCB dt
kfACBb
f A —单位容积两相混合物中固相物质的表面积； CB —气相反应物质的浓度。
温度对化学反应速度的影响很大。
分子只有碰撞才能发生化学反应。但互相碰撞的 不一定都能发生反应。只有少数具有较大能量的 活化分子能够产生化学反应。