第4章 燃烧过程的基本知识

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1一对流加热曲线;2一辐射加热曲线; 3一考虑向周围介质散热时的曲线
用干燥剂送粉,即乏气送粉时,着火热 Qzh 可用下式来计算:
100 M ar 100 q4 0 Qzh Br V r r1c1k cd Mcq tzh t0 100 100 M ar h) Br M 4.186 100 t0 2510 cq tzh 100 J/(kg· 100
2. 碳的燃烧反应 煤的燃烧主要是碳的燃烧。但
碳的燃烧和气化的反应很复杂。 存在多种理论。
3. 碳的多相燃烧特点
碳的燃烧反应是多相燃烧反应。 由于燃料与氧化剂的相态不同,在碳表面上发生的多相 反应由几个连续的阶段组成: (1) 参与燃烧反应的气体分子 (氧 )向碳粒表面的转移与扩 散; (2)气体分子(氧)被吸附在碳粒表面上; (3) 被吸附的气体分子 (氧 )在碳表面上发生化学反应生成 燃烧产物; (4)燃烧产物从碳表面上解吸附; (5)燃烧产物离开碳表面,扩散到周围环境中。
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 RT
k k0 e
k 的单位与反应级数有关, k W Cn ; 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
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
称为着火点,相应的温度 Ti 称为着火温度或自燃温度。
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。
煤粉气流着火后就开始燃烧,形成火炬,着火以前是 吸热阶段,需要吸收一定的热量来提高煤粉气流的温 度,着火以后才是放热过程。 将煤粉气流加热到着火温度所需的热量称为着火热。 它包括加热煤粉及空气(一次风),并使煤粉中水分蒸 发、过热所需要的热量。 着火热主要有两个来源: 煤粉气流卷吸回来的高温回流烟气(包括内回流及 外回流),这部分热烟气和新喷入的煤粉空气强烈混 合,将热量以对流方式迅速传递给新燃料; 高温火焰及炉壁对煤粉气流的辐射加热。
cd —燃料的干燥基比热容,单位为 kJ/(kg·℃);
M —原煤在制粉系统中蒸发掉的水分,单位为 kg/kg(煤) 。
可见:着火热随燃 料性质(挥发分, 水分、灰分、煤 粉细度)和运行工 况(煤粉气流初温、 一次风率和风速 ) 的变化而变化, 也与燃烧器结构 特性及锅炉负荷 等有关。(展开讨 论)
(a) 在相同加热时间下,对 流加热所得煤粉温度比辐 射加热时高得多。因此, 高温回流烟气是煤粉气流 着火的主要热源。 (b)在相同加热方式下,细 颗粒煤粉的温升速度比粗 颗粒大得多,即细煤粉先 达到着火温度,因此,煤 粉愈细愈容易着火。
图4.6 不同加热方式时煤粉颗粒的 温升与加热时间的关系曲线。
Q1 Ae

E RT
单位时间内可燃混合 由于容器中混合物的温度 可认为 近似 物通过容器壁向外界 T 变化不大, 为常数。用 B 表示 F,则 散失的热量为
Q2 aFT 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
稳定平 衡状态
点火要求点火源处的火焰能够传至整个可燃混合 物容积,因此着火条件不仅与点火源的性质有关, 而且还与火焰的传播条件有关。点火源主要有: 灼热固体颗粒、电热线圈、电火花、小火焰等。
2. 煤粉气流的着火
煤粉空气混合物经燃烧器以射流方式被喷入炉膛后, 通过湍流扩散和回流,卷吸周围的高温烟气,同时受 到炉膛四壁及高温火焰的辐射,被迅速加热,当达到 一定温度后就开始着火。
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。
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。
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。 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。
4.3 煤、焦炭和煤粉的燃烧
1. 煤燃烧过程的四个阶段
( 1 )预热干燥阶段。煤受热升温后,煤中水分蒸发 出来。燃料要吸收热量。
(2)挥发分析出并着火阶段。挥发分一旦析出,会 马上着火。 (3)燃烧阶段。包括挥发分和焦炭的燃烧。 (4)燃尽阶段。这个阶段主要是残余焦炭的最后燃 尽,成为灰渣。 实际燃烧过程中,各个阶段是交错进行的。
煤粉气流的着火温度要比煤的着火温度高一些。
煤 种 着火温度(℃) 表 5-2 无 烟 煤 700~800 表 5-3 煤 种 无 烟 煤 1000 煤的着火温度 烟 煤 400~500 褐 煤 250~450
煤粉气流中煤粉颗粒的着火温度 贫煤( Vdaf =14%) 900 烟 煤 褐 550 煤
着火温度(℃)
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:
b B
w1 k1C C
a A
w2 k2C C
g G
h H
CA,CB,CG,CH 反应物 A、B 和生成物 G、H 的浓度; k 1 , 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。
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
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
(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。
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
dC W d
W—反应速度,mol/(m3·s); 3 C—浓度,mol/m ; τ —时间,s。
Br —每只燃烧器的燃煤量(以原煤计),单位为 kg/h;
V 0 —理论空气量,单位为 m3/h;
r —由燃烧器送入炉中并参与燃烧的空气所对应的过量空气系数;
r1 —一次风风率; c1k —一次风比热容,单位为 kJ/(m3.℃); tzh —着火温度,单位为 K; t 0 —煤粉与一次风气流的初温,单位为℃; cq —过热蒸汽的比热容,单位为 kJ/(kg·℃);
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
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
Q1 WQV k0e
W —化学反应速度; Q —燃料的热值。

E RT
C C QV
a A
b B
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。
650~840
煤粉空气混合物较难着火。
希望煤粉气流能在燃烧器喷口附近稳定着火。 着火过早,可能使燃烧器喷口因过热而被烧坏,也易 使喷口附近结渣;
着火太迟,就会推迟整个燃烧过程,致使煤粉来不及 烧完就离开炉膛,增大机械不完全燃烧损失,
着火推迟还会使火焰中心上移,造成炉膛出口处的对 流受热面结渣。 为将煤粉气流更快地加热到煤粉颗粒的着火温度,一 般并不是将煤粉燃烧所需的全部空气都与煤粉混合来 输送煤粉,而只是用其中一部分来输送煤粉。 这部分空气称为一次风,其余的空气称为二次风和三 次风。
dCA n w p 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。 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.
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。
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。
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。
a b g h W1 W2 或 k1CA CB k2CGCH , k 1 与 k 2 的比值 称为平衡常数 kc ,即
k1 C C kc k2 C C
g G a A
h H bΒιβλιοθήκη BaiduB
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 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!
dCB b w kf A C B dt
f A —单位容积两相混合物中固相物质的表面积; C B —气相反应物质的浓度。
物质名称 氢(H2) 一氧化碳(CO) 甲烷(CH4) 乙烷(C2H6) 乙烯(C2H4) 乙炔(C2H2) 表 5-1 各种可燃物质的着火温度(常压下在空气中燃烧) 着火温度,℃ 物质名称 着火温度,℃ 510~590 高炉煤气 530 610~658 发生炉煤气 530 537~750 焦炉煤气 500 510~630 天然气 530 540~547 汽 油 390~685 335~480 煤 油 250~609
在相同的测试条件下,不同燃料的着火、 熄火温度不同,而对同一种燃料而言,不 同的测试条件也会得出不同的着火温度。 对煤,反应能力愈强 ( 越高,焦炭活化能越 小 ) 的煤,其着火温度越低,越容易着火, 也越容易燃尽;
反之,反应能力越低的煤,例如无烟煤, 其着火温度越高,越难于着火和燃尽。
要加快着火,可以加强放热或减少散热。 若散热条件不变,可增加可燃混合物的浓度和压 力,初温,使放热加强; 若放热条件不变,可增加可燃混合物初温和减少 气流速度、燃烧室保温等减少散热措施来实现。
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