燃料与燃烧原理

热力着火理论的实用性 煤粉燃烧过程的着火主要是热力着火， 煤粉燃烧过程的着火主要是热力着火，热力着火 过程是由于温度不断升高而引起的。 过程是由于温度不断升高而引起的。因为煤粉燃烧 速度很快， 速度很快，燃烧时放出的大量热量使炉膛温度升高 而炉温升高促使燃烧速度加快；反应放热增加， ，而炉温升高促使燃烧速度加快；反应放热增加， 又使炉温进一步提高。这样相互作用、反复影响， 又使炉温进一步提高。这样相互作用、反复影响， 达到一定温度时，就会发生着火。 达到一定温度时，就会发生着火。 着火过程有两层意义：一是着火是否可能发生， 着火过程有两层意义：一是着火是否可能发生， 二是能否稳定着火。只有稳定着火， 二是能否稳定着火。只有稳定着火，才能保证燃烧 过程持续稳定的进行，否则就可能中途熄火， 过程持续稳定的进行，否则就可能中途熄火，使燃 烧过程中断。 烧过程中断。 在炉膛四周布置的水冷壁直接吸收火焰的辐射热 因而燃料燃烧时放出的热量， ，因而燃料燃烧时放出的热量，同时向周围介质和 炉膛壁面散热。这时， 炉膛壁面散热。这时，要使可燃物着火并连续着火 必须使可燃物升温。 ，必须使可燃物升温。
燃 烧 理 论 基 础
燃烧理论基础
燃烧的概念
所谓燃烧，不论是煤或油的燃烧， 所谓燃烧，不论是煤或油的燃烧，都是指燃料 中的可燃质同空气中的氧激烈进行的放热和发光的 化学反应过程。 化学反应过程。 在锅炉技术中，研究燃烧的目的， 在锅炉技术中，研究燃烧的目的，就是要尽可 能的使燃料在锅炉的炉膛内迅速而又良好的燃烧， 能的使燃料在锅炉的炉膛内迅速而又良好的燃烧， 以求将化学能最迅速而又最大限度的转化为热能。 以求将化学能最迅速而又最大限度的转化为热能。 燃烧时，如果可燃物质与氧化剂充分混合， 燃烧时，如果可燃物质与氧化剂充分混合，把 热量全部释放出来称为完全燃烧， 热量全部释放出来称为完全燃烧，反之可燃物质与 氧化剂因各种原因不能充分混合， 氧化剂因各种原因不能充分混合，在燃烧产物中还 会有部分可燃物质称为不完全燃烧。 会有部分可燃物质称为不完全燃烧。
燃烧理论基础
煤粉的燃烧阶段 1. 着火前的准备阶段
煤粉进入炉内至着火前的这一阶段为着火前的准备阶段。在这 煤粉进入炉内至着火前的这一阶段为着火前的准备阶段。 个阶段内，煤粉中的水分要蒸发，挥发分要析出， 个阶段内，煤粉中的水分要蒸发，挥发分要析出，煤粉的温度要升 高至着火温度。这个阶段为吸热阶段。 高至着火温度。这个阶段为吸热阶段。
燃烧理论基础
温度的影响 温度对化学反应的影响十分显著。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， 就能愈加显著地提高反应速度。
燃烧理论基础
火焰的传播
火焰传播形式 燃料燃烧过程中，火焰的稳定性与火焰传播速度 关系极大。电厂燃烧系统的安全运行也与火焰传播速度 关系密切。例如，煤粉管道中某一处着火后，火焰迅速 蔓延、扩散，导致制粉系统着火或爆炸。 火焰的传播分为两种:层流传播和湍流传播. 火焰的传播分为两种:层流传播和湍流传播. 层流火焰传播: 层流火焰传播:在静止的可燃气体混合物中，缓 慢燃烧的火焰传播是依靠导热或扩散使未燃气体混合物 温度升高，火焰一层一层的依次着火。火焰传播速度一 般为 20～100cm/s。 20～100cm/s。 湍流火焰传播: 湍流火焰传播:湍流火焰传播 速度加快，一般为 200cm/s以上。火焰短，燃烧室尺寸紧凑，湍流火焰易 200cm/s以上。火焰短，燃烧室尺寸紧凑，湍流火焰易 产生噪声。
燃烧理论基础
煤粉气流火焰传播速度的影响因素 煤粉气流的火焰传播速度受多种因素的影响， 其首先决定于燃料中可燃挥发分含量的大小，其次还与 水分、灰分、煤粉细度、煤粉浓度和煤粉气流混合物的 初温及燃烧温度有关。 一般情况下，挥发分大的煤，火焰传播速度快； 灰分大的煤火焰传播速度小；水分增大时，火焰传播速 度降低。 提高煤粉细度时，挥发分析出快，并增加了燃 料的反应面积，火焰传播速度可显著提高。 提高炉膛温度时，火焰面向周围环境的散热减 少，反应速度加快，因而提高了火焰传播速度。 锅炉在高负荷运行时，炉膛环境温度较高，容 易稳定燃烧；锅炉在低负荷运行时，燃烧放热量减少， 冷却散热条件增强，需要加强稳燃措施或增加易燃的液 体或气体燃料，来帮助煤粉气流稳定燃烧，其实质是提 高火焰传播速度。
2.
燃烧阶段
当煤粉温度升高至着火温度，而煤粉浓度又合适时，开始着火 当煤粉温度升高至着火温度，而煤粉浓度又合适时， 燃烧，进入燃烧阶段。在这个阶段，挥发分首先着火燃烧， 燃烧，进入燃烧阶段。在这个阶段，挥发分首先着火燃烧，并放出 大量热量，这些热量对焦炭进行加热，使焦炭也迅速燃烧。 大量热量，这些热量对焦炭进行加热，使焦炭也迅速燃烧。燃烧阶 段是一个强烈放热阶段,烟气温度迅速达到最大值, 段是一个强烈放热阶段,烟气温度迅速达到最大值,氧浓度及飞灰含 炭量则急剧下降。 炭量则急剧下降。
着火温度℃ 700～ 着火温度℃ 700～800
煤粉气流中煤粉颗粒的着火温度： 煤粉气流中煤粉颗粒的着火温度：
煤种
无烟煤
贫煤
烟煤
褐煤
着火温度℃ 着火温度℃
1000
900
650～ 650～840
550
燃烧理论基础
反应物浓度的影响 燃烧过程中，参加反应物质的浓度是不变的， 燃烧过程中，参加反应物质的浓度是不变的， 但实际上，在炉内各处．在燃烧反应的各个阶段中， 但实际上，在炉内各处．在燃烧反应的各个阶段中，参 加反应的物质的浓度变化很大。 加反应的物质的浓度变化很大。 在燃料着火区，可燃物浓度比较高， 在燃料着火区，可燃物浓度比较高，而氧浓度 比较低。这主要是为了维持着火区的高温状态， 比较低。这主要是为了维持着火区的高温状态，使燃料 进入炉内后尽快着火。 进入炉内后尽快着火。但着火区如果过分缺氧则着火就 会终止，甚至引起爆炸。 会终止，甚至引起爆炸。因此在着火区控制燃料与空气 的比例达到一个恰到好处的状态， 的比例达到一个恰到好处的状态，是实现燃料尽快着火 和连续着火的重要条件。 和连续着火的重要条件。反应物浓度对燃烧速度的影响 关系比较复杂。 关系比较复杂。
3.
燃ຫໍສະໝຸດ Baidu阶段
燃尽阶段是燃烧阶段的延续, 燃尽阶段是燃烧阶段的延续,在燃烧阶段未燃尽的少量残炭继续 燃烧.在燃尽阶段,氧浓度相应减少,气流的扰动减弱, 燃烧.在燃尽阶段,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,烟温逐渐降低. 下降,燃烧放热量小于水冷壁吸热量,烟温逐渐降低. 对应于煤粉燃烧的三个阶段，在炉内划分出三个区：着火区、 对应于煤粉燃烧的三个阶段，在炉内划分出三个区：着火区、 燃烧区及燃尽区。由于燃烧的三个阶段不是截然分开的， 燃烧区及燃尽区。由于燃烧的三个阶段不是截然分开的，因而对应 的三个区也没有明显的分界线，但是，大致可以这样认为： 的三个区也没有明显的分界线，但是，大致可以这样认为：燃烧器 出口附近是着火区， 出口附近是着火区，炉膛中部与燃烧器同一水平的区域及稍高的区 域是燃烧区，高于燃烧区直至炉膛出口为燃尽区。 域是燃烧区，高于燃烧区直至炉膛出口为燃尽区。
迅速而又完全燃烧的必要条件
煤粉在炉内的燃烧，因在保证稳定燃烧的基础上，提高燃烧的完善程度， 煤粉在炉内的燃烧，因在保证稳定燃烧的基础上，提高燃烧的完善程度，亦既因 使没煤粉在炉内达到迅速而又完全燃烧，必须具备以下几点条件： 使没煤粉在炉内达到迅速而又完全燃烧，必须具备以下几点条件： 1. 相当高的炉内温度 炉温越高，燃烧越快，着火区周围的温度高，可以促使煤粉很快着火， 炉温越高，燃烧越快，着火区周围的温度高，可以促使煤粉很快着火，在燃 烧阶段形成的火焰中心，温度很高、燃烧很快，燃尽阶段燃烧速度慢， 烧阶段形成的火焰中心 ， 温度很高 、 燃烧很快 ， 燃尽阶段燃烧速度慢， 此时 温度也不宜过低，否则会有部分焦炭燃烧不完全而造成损失； 温度也不宜过低，否则会有部分焦炭燃烧不完全而造成损失； 2. 合适的空气量 燃烧的好坏与送入炉内的空气量有很大关系，由于在炉膛中， 燃烧的好坏与送入炉内的空气量有很大关系，由于在炉膛中，不能保证每一 个可燃质与氧分子都能充分接触， 个可燃质与氧分子都能充分接触 ， 如果送入的实际空气量大于理论空气量过 会使排烟量增大，造成排烟热损失增加， 多 ， 会使排烟量增大 ， 造成排烟热损失增加 ， 甚至可能降低炉膛温度影响正 常燃烧，因此，为了保证燃料的完全燃烧，要保持合适的空气量； 常燃烧，因此，为了保证燃料的完全燃烧，要保持合适的空气量； 3.煤粉与空气的良好混合 送入炉膛的空气要与煤粉充分混合，使氧气与煤粉有足够的接触机会， 送入炉膛的空气要与煤粉充分混合 ，使氧气与煤粉有足够的接触机会 ， 以强 化燃烧反应，煤粉由一次风携带进入炉膛，由于高温烟气的辐射和混入， 化燃烧反应 ，煤粉由一次风携带进入炉膛， 由于高温烟气的辐射和混入 ，使 煤粉气流的温度很快达到着火点，而使煤粉着火， 煤粉气流的温度很快达到着火点 ， 而使煤粉着火 ， 所以一次风量只要能满足 挥发分燃烧需要即可，二次风以很快速度喷入炉内与煤粉混合形成强烈扰动， 挥发分燃烧需要即可 ，二次风以很快速度喷入炉内与煤粉混合形成强烈扰动 ， 使燃烧速度加快。 使燃烧速度加快。 4.充足的燃烧时间 煤粉的燃烧需要一定时间，煤粉从喷燃器出口到炉膛出口一般需要2 煤粉的燃烧需要一定时间， 煤粉从喷燃器出口到炉膛出口一般需要 2—3 秒时 在这段时间内，煤粉必须完全烧掉，否则到炉膛出口处受热面多， 间 ， 在这段时间内 ， 煤粉必须完全烧掉 ，否则到炉膛出口处受热面多， 烟气 温度很快下降，燃烧就会停止，从而造成不完全燃烧损失。 温度很快下降，燃烧就会停止，从而造成不完全燃烧损失。
煤、煤粉气流和气体燃料的着火温度
挥发份大的烟煤，活化能小，反应能力强，着 火温度低，即使周围散热条件较强，也容易稳定 着火； 挥发份很低的无烟煤，活化能大，反应能力低 ，着火温度最高，需要减小周围散热，维持高温 状态，才能稳定着火。 各种煤的着火温度： 各种煤的着火温度：
煤种 无烟煤 烟煤 400～ 400～500 褐煤 250～ 250～450
燃烧理论基础
②
燃料活化能的影响 在一定温度下，某一种燃料的活化能越 小，这种燃料的反应能力就越强，而且反应速 度随温度变化的可能性就减小，即使在较低的 温度下也容易着火和燃尽。 活化能愈大的燃料，其反应能力愈差，反应速 度随温度的变化也愈大，即在较高的温度下才 能达到较大的反应速度，这种燃料不仅着火困 难，而且需要在较高的温度下经过较长的时间 才能燃尽。 燃料的活化能水平是决定燃烧反应速度的内因 条件。
燃烧理论基础
2. ①
活化能的影响 活化能概念 燃料的活化能表示燃料的反应能力。 燃料的活化能表示燃料的反应能力。 活化能的概念是根据分子运动理论提出的， 活化能的概念是根据分子运动理论提出的，由于燃料的多数 反应都是双分子反应， 反应都是双分子反应，双分子反应的首要条件是两种分子必 须相互接触，相互碰撞。 须相互接触，相互碰撞。分子间彼此碰撞机会和碰撞次数很 但并不是每一个分子的每一次碰撞都能起到作用。 多，但并不是每一个分子的每一次碰撞都能起到作用。如果 每一个分子的每一次碰撞都能起到作用， 每一个分子的每一次碰撞都能起到作用，那么即使在低温条 件下，燃烧反应也将在瞬时完成。然而燃烧反应并非如此， 件下，燃烧反应也将在瞬时完成。然而燃烧反应并非如此， 而是以有限的速度进行。 而是以有限的速度进行。所以提出只有活化分子的碰撞才有 作用。这种活化分子是一些能量较大的分子。 作用。这种活化分子是一些能量较大的分子。这些能量较大 的分子碰撞所具有的能量足以破坏原有化学键， 的分子碰撞所具有的能量足以破坏原有化学键，并建立新的 化学键。但这些具有高水平能量的分子是极少数的。 化学键。但这些具有高水平能量的分子是极少数的。要使具 有平均能量的分子的碰撞也起作用， 有平均能量的分子的碰撞也起作用，必须使他们转变为活化 分子，这一转变所需的最低能量称为活化能。所以活化分子 分子，这一转变所需的最低能量称为活化能。 的能量比平均能量要大， 的能量比平均能量要大，而活化能的作用是使活化分子的数 目增加。 目增加。
燃烧理论基础
不同燃料的火焰传播速度 可燃混合物着火时的火焰传播速 度即为着火速度。对于不同的燃料，火焰 传播速度的差异很大。气体燃料和液体燃 料的火焰传播速度远远大于煤粉气流的火 焰传播速度。 就煤粉气流本身而言，火焰传播 速度的差别也很大。例如，燃用烟煤时的 火焰传播速度比贫煤、无烟煤的火焰传播 速度要大。因此，烟煤着火后，燃烧比较 稳定。