锅炉教案第五章燃烧理论

第五章 煤粉燃烧的理论基础和燃烧设备

（一）教学要求

1.掌握炭粒的三个燃烧区域，理解影响燃烧反应的化学因素和物理因素

2.掌握煤粉气流着火的影响因素和完全燃烧的条件

3.了解直流射流的特性，理解直流燃烧器的结构型式及其布置情况

4.了解旋流射流的特性，理解旋流燃烧器的结构型式及其布置情况

5.了解W 型火焰燃烧技术

（二）重点和难点

重点：1.炭粒燃烧的动力燃烧区、扩散燃烧区、过渡燃烧器三个区域

2.煤粉气流着火的影响因素

3.煤粉完全燃烧的条件

难点：1.直流燃烧器的结构型式及其布置情况

2. 旋流燃烧器的结构型式及其布置情况

（三）教学方式

课堂讲授、多媒体教学结合课堂讨论及现场模型讲授

(四)教学内容

第一节 燃烧的基本理论

复习几种热损失。为了减小热损失，锅炉燃烧需要作到：稳定着火、快速燃尽。为实现该目的，需寻找强化燃烧的方法，这就要认识燃烧过程的本质。从而，需要学习基础燃烧理论。

燃烧是气体、液体或固体燃料与氧化剂之间发生的一种强烈的化学反应；同时伴随各种物理过程

燃烧反应根据参加反应的物质不同分为：

一、化学反应速度

某一反应物浓度的减少速度或生成物浓度的增加速度表示。

1.浓度

浓度越大，反应速度越快。

质量作用定律：对于均相反应，在一定温度下化学反应速度与参加反应的各反应物的浓度乘积成正比，而各反应物浓度项的方次等于化学反应式中相应的反应系数。

对于异相反应：化学反应在炭粒表面进行，认为碳粒浓度不变，化学反应速度指单位时间内碳粒表面上氧浓度的变化。

质量作用定律说明：在温度不变的情况下，反应物的浓度越高，分子的碰撞hH gG bB aA +→+b B

a A C kC w =

b B

B k

C w =

机会越多，化学反应速度就越快。

2.温度

阿累尼乌斯定律：温度增加，反应速度近似成指数关系增加，体现在反应速度常数。反应物浓度不变时，反应速度常数k 随温度变化的关系

3.压力

在反应容积不变的情况下，反应系统压力增高，就意味着反应物浓度增加，化学反应速度增加。

4.催化反应

加入催化剂，化学反应速度增加

催化剂在化学反应中的作用主要是降低反应物分子发生反应所需的活化能并形成活化中心，从而使反应速度加快。

5.连锁反应

二、氧的扩散速度

氧的扩散速度与氧的浓度、碳粒直径、碳粒与气流相对速度有关。

)(B O ks ks C C w -=α

三、燃烧速度和燃烧区域

炭燃烧的反应环节：

大致分为几个串联环节：

⏹炭反应速度决定于（1）和（3），总体速度决定于二者较慢的一个。

扩散到表面的氧量)(B O ks ks C C w -=α

消耗的氧量 r ks B w w w ==

O z O ks r C k C k w =+=α111

式中z k —折算速度系数 1.动力区（化学动力控制区）

温度较低(<1000℃)：碳表面化学反应速度远小于氧气向表面的扩散速度，氧气供应充分，足够反应所需。燃烧速度取决于化学反应速度，反应处于动力区。

⏹ K 很小（温度很低），1/k 很大，所以

提高温度是强化动力燃烧工况的有效措施。

2.扩散区（扩散控制区）

温度增加(>1400 ℃)，k 急剧增大，耗氧量急剧增加，燃烧速度取决于扩散，反应处于扩散区。

k 很大（温度很高），1/k 很小，所以，

RT E e k k -=0B

B k

C w =ks

k α11>>0kC w =ks

k α11<<0C w ks α=

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。

3．过渡燃烧区

在过渡燃烧区内，既要改善化学反应条件，提高反应系统温度；又要改善氧的扩散混合条件，强化扩散，才能使燃烧速度加快。

图5-1. 一般的锅炉炉膛内的煤粉燃烧，是处于动力区，温度高的进入过渡燃烧区，只有高负荷时火焰中心的燃烧处于扩散燃烧区的初期。

第二节 煤粉气流的着火和燃烧

一．煤粉燃烧过程

（一）三个阶段

1 着火前的准备阶段

水分蒸发（大量吸热）～挥发分析出～挥发分着火（少量放热）

氧浓度和飞灰含碳量变化不大

2 燃烧阶段

碳粒着火燃烧，烟温迅速升高到最大（大量放热）

氧浓度和飞灰含碳量急剧下降

3 燃尽阶段

残余的焦炭最后燃尽，成为灰渣（少量放热）——时间最长

着火过程主要取决于煤中挥发分的大小，而燃尽过程主要取决于焦碳的燃烧速度。

对应于煤粉燃烧的三个阶段，从燃烧器出口至炉膛出口可分为三个区域．即着火区、燃烧区与燃尽区。图5-2

着火不可过早或过迟，根据煤种调节

二次风

延长停留时间 降低煤粉细度

二、燃烧过程着火和熄火的热力条件

由缓慢的氧化状态转化到快速的燃烧状态的瞬间过程称为着火，转变时的瞬间温度称为着火温度

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？

实现稳定着火的两个条件：

A 、放热量和散热量达到平衡，放热量等于散热量。

B 、放热量随系统温度的变化率大于散量热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。

燃烧室内煤粉空气混合物燃烧时的放热量Q1 r n O RT E Q VC e k Q 2

/01-= 燃烧过程中向周围介质的散热量Q2为：)(2b T T S Q -=α

放热曲线Q1是一条指数曲线，散热曲线Q2接近于直线

T b =T b1（很低），散热线2

Q ' 21Q Q =dT

dQ dT dQ 21≥