第五章-樊 燃烧理论基础

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质量作用定律只反映了化学反应速度与参加反应的反应 物浓度的关系。实际上,化学反应速度不仅与反应物浓 度有关,还和温度及反应物的活性有关。
三、阿罗尼乌斯定律及活化能
化学反应速度与温度和活化能的关系可以用阿罗 尼乌斯定律来反映 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:具有平均能量的分子转变为活化分子所需要的 最低能量。或:使某一化学反应得以进行所需要的最低外界 能量。 活化分子:动能超过某一数值(活化能E)足以破坏原有 结构发生反应的分子称为活化分子
w1 k1C C
a A
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。
二、多相燃烧的化学反应速度
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,
dC B b wB k B f AC B dt
f A —单位容积两相混合物中固相物质的表面积; C B —固体表面附近氧的浓度。
本章主要讲述电站锅炉的燃烧理论,主要解 决以下问题:
1.判断各种燃料的着火可能性,分析影响着火过程的内 因条件、外因条件及着火过程的基本原理保证燃料进入 炉内尽快稳定地着火,保证燃烧过程顺利进行。
2.研究如何提高燃料的燃烧速度,使一定量的燃料在有 限的空间和时间内尽快燃烧。分析影响燃烧速度的内因 条件和外因条件。
三、不同燃料的火焰传播速度 气体燃料和液体燃料的火焰传播速度要远远大 于煤粉气流的火焰传播速度。 不同煤种,煤粉气流的火焰传播速度差别很大
烟煤>贫煤>无烟煤
四、煤粉气流火焰传播速度的影响因素 要提高燃烧的稳定性,就要提高火焰传播速度, 使其与气流速度相当。影响煤粉燃烧的火焰传播速 度的因素有: 挥发分含量 灰分、水分 煤粉细度 、煤粉浓度、煤粉气流的速度。 炉膛温度
煤粉气流中煤粉颗粒的着火温度 daf V 贫煤 煤 烟 煤 ( =14%)


1000
900
650~840
550
第四节
一、链式反应理论的产生
连锁反应
许多化学反应,几乎所有的燃烧反应,均不简单 地服从质量作用定律和阿累尼乌斯定律。 如:氢气与空气的反应 在某些温度和压力下爆炸,在另一些温度和压力
下不爆炸。
2.反应速度失去控制的高速爆炸性燃烧
出现爆炸性燃烧时,火焰传播速度极快,达1000~3000m/s, 温度极高,达 6000℃;压力极大,达 2.0265MPa (20.67大气压)。
3.正常燃烧向爆炸性燃烧的转变
当未燃混合物数量增多时,绝热压缩将逐渐增强,缓慢的火 焰传播过程就可能自动加速,转变为爆炸性燃烧。
2H + M → H2 + M OH + H + M → H2 O + M H + 3H2 + O2 → 3H + 2H2 O
通过活化中心进行反应要比原作用物直接反应容 易得多,只需较少的活化能。
第五节 火焰传播
一.火焰传播的形式
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。 了解火焰传播的知识,有助于掌握燃烧过程的调整要领, 对稳定着火和防止爆燃极为重要。
dQ1 dQ2 dT dT
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。
三、着火温度与熄火温度
放热 > 散热,系统升温,反应加速,但同时散热也 在增加,必达到平衡; 放热 < 散热,系统降温,反应减速,但同时散热也 在减少,也必达到平衡; 系统在不同条件下达到不同的平衡状态, 可能是有利的,燃烧稳定在正常工况, 可能是不利的,燃烧处于熄火状态。
放热与温度的关系
q1 ~ e
Q1 koe
— E RT
T
燃烧室内可燃混合物燃烧放热量为:
n m CO C f VQr 2
散热与温度的关系
q2 ~ T
向周围介质散失的热量(对流+辐射)
Q2 S (T T0 )
四、煤、煤粉气流、液体燃料和气体燃料的着火温度
煤 种 着火温度(℃) 表 5-2 无 烟 煤 700~800 表 5-3 煤 种 着火温度(℃) 无 烟 煤的着火温度 烟 煤 400~500 褐 煤 250~450
活化链在反应过程中产 生,中间产物—活化中 心, 活化中心与反应物分子 发生反应,本身消失, 反应的结果又产生新的 活化中心 新的活化中心的数目等 于或大于原有的活化中 心的数目
H2 + M → 2H + M
H + 源自文库 2 → OH + O O + H 2 → OH + H OH + H 2 → H2 O + H
第二节 影响化学反应速度的主要因素
由质量定律和阿累尼乌斯定律指出了影响燃烧反应速 度的主要因素是反应物的浓度、活化能和反应温度。
一、反应物浓度的影响 在一定范围内,浓度越大,反应速度越快。 原因:燃烧反应属双分子反应,只有当两个分子发生碰
撞时,反应才能发生。浓度越大,即分子数目越多,分
子间发生碰撞的几率越大。
用质量作用定律来表示化学反应速度,是指单位时间、 单位体积内燃烧掉的燃料量或消耗掉的氧气量。
aA bB gG hH
燃料 氧化剂 燃烧产物
逆向反应速度 dC G dC A dC B dC H wA wB wG wH dt dt dt dt 3 单位:可以用摩尔浓度表示, mol / m s
a、b—反应物A、B的化学反应计量系数;
正向反应速度
g、h—生成物G、H的化学反应计量系数。
CA、CB、CG、CH 摩尔组分浓度,kg/m3,mol/m3
仅适用于理想气体 质量作用定律:在一定的温度下,化学反应速 度和各反应物的浓度的乘积成正比。
正反应速度
逆反应速度
b B
g h w2 k2CG CH
三、煤粉燃烧的主要特征
煤粉颗粒必须首先吸热升温(热源来自炉内13001600℃高温烟气),通过对流、辐射、热传导方式使新鲜 燃料受热升温。

煤粉颗粒中水分首先析出,大约在120-450℃的温度 范围内,煤中的挥发分析出,挥发分析出后,剩余的固态 物形成焦炭。
可燃挥发分气体的着火温度比较低,当氧气充足时, 大约加热到450-550℃以上可着火、燃烧释放热量,加热 焦炭。焦炭从挥发分燃烧的局部高温处和炉内高温烟区 吸收热量,温度升高,达到焦炭的着火温度时,即着火 燃烧,并放出大量的热。
(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。
一、质量作用定律
两个概念
燃烧反应和化学反应一样,根据参加反应的物质不同分为:
均相燃烧—气体燃料在空气中燃烧
多相燃烧—固体燃料在空气中燃烧,如:煤粉燃烧
质量作用定律说明了参加反应物质的浓度对化学反应速度的影响。
二、碳粒燃烧的动力区、扩散区和过渡区
(1)碳粒燃烧的动力区
温度低于 900-1000 ℃ :碳表面化学反应速度远小于
第六节 煤粉的燃烧
一、煤粉的燃烧过程
煤粉受热,水分析出 继续受热,绝大部分挥发分析出,挥发分首先着火 引燃焦炭,并继续析出残余的部分挥发分 挥发分与焦炭一起燃尽 形成灰渣。
二、煤粉的燃烧时间
着火过程主要取决于煤中可燃基挥发分的 大小,而燃尽过程主要取决于焦炭的燃烧速度。 大部分挥发分的着火及燃尽时间仅占整个燃 烧过程的10%,为0.2-0.5s;而焦炭燃尽程度达 98%的过程所占的时间很长,约为90%,燃尽时间 为1-2.8s。从燃烧放热量来看,焦炭占煤粉总放 热量的60%-95%, 根据实际经验,一般着火时间长的燃料,需 要的燃尽时间也较长
第五章 燃烧理论基础
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 化学反应速度 影响化学反应的速度的主要因素 热力着火 链锁反应 火焰传播 煤粉的燃烧 碳粒燃烧的动力区、扩散区和过渡区
复习:
1、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。 2、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。
二、实现稳定着火的两个条件
可燃混合物燃烧过程的发生与停止,即着火与灭 火,燃烧能否稳定地进行,取决于燃烧过程中所提供 的热力条件。 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。
A、放热量和散热量达到平衡,放热量等于散热量。 Q Q 1 2 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。
第七节 碳粒燃烧的动力区、扩散区和过渡区
一、煤的燃烧的主要过程
空 气 煤 加 热 蒸 发 挥发分 析出 焦化 挥发分 燃烧 焦炭燃 烧 烟 气 灰 渣
挥发分释放及大部分烧掉所占时间约为总燃烧时间的 十分之一,绝大部分时间为焦炭的燃烧。 一般认为是串联,也有交叉过程
碳粒表面的燃烧过程
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
第一节 化学反应速度
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;
不同煤种的活化能及频率因子是不一样的,见
表5-1(P100)
三、温度对燃烧速度的影响 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。
第三节
热力着火
一.热力着火理论的实用性 着火可分为自燃着火和热力着火(强燃)两种。 自燃着火指依靠可燃混合物自身的缓慢氧化反应逐渐 积累热能和活化分子,从而自行加速反应,最后导致 燃烧的过程。自燃不需要吸收外界热量。 热力着火指依靠外加热源向可燃混合物输送热量,提 高温度和增加活化分子数量,局部完成着火过程而燃 烧,向其他地区扩展而导致燃烧的过程。 煤粉燃烧过程的着火主要是热力着火。 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?
(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。

碳反应速度决定于(1)和(3), 总体速度决定于二者较慢的一个。
k0
阿罗尼乌斯定律
k k0 e

E RT
k0 —常数,频率因子,kg/(m2.s.Pa) ,由实验确定; R —通用气体常数,8.28kJ/molK,1.98kcal/molK; E —活化能,kJ/mol,由实验确定; k —反应物浓度不变时的反应速度常数,kg/(m2.s.Pa); T —反应温度,K。
可燃物浓度比 较高,氧浓度 比较低,维持 着火区的高温 状态
过渡缺氧, 可能导致 着火终止 着火区控制燃料和 空气的比例
浓度对化学反应的速度影响关系比较复杂
二、活化能对燃烧速度的影响 活化能越小,反应能力就越强,反应速度随温度 的变化也越小,在低温下也能燃烧 活化能越大,反应能力就越差,反应速度随温度的 变化也越大,在较高的温下才能达到较大的反应速度。 化学反应的活化能大约在42-420kJ /mol,低于42kJ /mol反应速度极快,无法测定,高于420kJ /mol的反应速 度缓慢,可认为不发生反应
火焰传播的形式分为层流火焰传播和湍流火焰传播
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。层流火焰传播速 度一般为20~100cm/s。 湍流火焰传一般为 200cm/s以上。
二、炉膛内的火焰传播 1.正常的火焰传播(缓慢燃烧)
是指可燃物在某一局部区域着火后,火焰从这个区域向前移 动,逐步传播和扩散出去。
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