燃烧原理及设备

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例如,某烟煤的活化能E 例如,某烟煤的活化能E=130MJ kmo1, 300K提高到400K时 提高到400K /kmo1,当T由300K提高到400K时, 45万倍 反应速度几乎增加45万倍。这就清 楚地说明了温度对反应速度影响十 分显著。对于燃烧反应来说, 分显著。对于燃烧反应来说,提高 炉温是加速燃烧反应、 炉温是加速燃烧反应、缩短燃烧时 间的重要方法。但炉温亦不宜过高, 间的重要方法。但炉温亦不宜过高, 过高的炉温会导致炉膛结渣。 过高的炉温会导致炉膛结渣。
第五章 燃烧原理及设备
• 本章重点
– 燃烧速度及影响燃烧速度的因素 – 动力燃烧、扩散燃烧、过渡燃烧 动力燃烧、扩散燃烧、 – 煤粉气流的燃烧过程
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直流煤粉燃烧器
结构 特点 适用范围
固态排渣煤粉炉
炉膛结构及炉膛热强度 炉内空气动力场
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第一节 燃烧基本概念
• • 一、燃烧程度 燃烧程度即燃烧的完全程度。 燃烧程度即燃烧的完全程度。燃烧有完全燃烧 与不完全燃烧之分。为了减少不完全燃烧热损失, 与不完全燃烧之分。为了减少不完全燃烧热损失, 提高锅炉热效率,应尽量使燃料燃烧达到完全程度。 提高锅炉热效率,应尽量使燃料燃烧达到完全程度。 • 燃烧的完全程度可用燃烧效率表示。 燃烧的完全程度可用燃烧效率表示。即输入锅 炉的热量扣除机械不完全燃烧损失的热量和化学不 完全燃烧损失的热量后占输入锅炉热量的百分比, 完全燃烧损失的热量后占输入锅炉热量的百分比, 用符号η 表示,并可用下式计算, 用符号ηr表示,并可用下式计算,即
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碳粒的燃烧机理: 碳粒的燃烧机理: 碳粒的燃烧机理是比较复杂的。 碳粒的燃烧机理是比较复杂的。大多数研究 认为,碳与氧作用同时生成C02和CO,其反应式 认为,碳与氧作用同时生成C0 CO, 为: C+02→C02 2C+02 →2CO 上述反应式称为一次反应,其反应生成的 CO还伴随有下述反应 还伴随有下述反应, C02和CO还伴随有下述反应,即: C02+C →2CO 2CO+02 →2CO2 反应中生成的CO 上述反应式称为二次反应,反应中生成的CO 称为二次产物。 和C02称为二次产物。
Q r − Q 3 − Q4 ηr = × 100% = 100 − q 3 − q 4 Qr
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%
(5 - 1)
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二、燃烧速度
燃烧的定义 当燃料与氧化剂属于同一形态, 当燃料与氧化剂属于同一形态,称为均相 燃烧或单相燃烧; 燃烧或单相燃烧;当燃料与氧化剂不属于同 一形态,称为多相燃烧, 一形态,称为多相燃烧,例如固体燃料在空 气中的燃烧。 气中的燃烧。 锅炉内的燃烧化学反应可用如下的通式来 表示: 表示: aA 十 bB gG 十 hH
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当温度高于1200℃以后,碳粒燃烧开 当温度高于1200℃以后 1200℃
始转向如下反应: 始转向如下反应: 3C+202 →2CO+C02 此时, 此时,由于温度升高加速了碳粒表面的 反应,生成更多的CO CO。 反应,生成更多的CO。同时气化反应也因 温度升高而显著地进行。CO在向外扩散途 温度升高而显著地进行。CO在向外扩散途 中遇到远处向碳粒表面扩散的氧而产生燃 反应生成的C0 烧,并将氧全部消耗掉。反应生成的C02同 时向碳粒表面和周围环境两方扩散。 时向碳粒表面和周围环境两方扩散。碳粒 表面周围氧浓度和燃烧产物浓度变化如上 (b)所示 所示。 图(b)所示。
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三、化学反应速度及其影响因素 •
对于多相燃烧, 对于多相燃烧,其化学反应速度用下式表示
w= dC B dt kmol/(m 3 ⋅ s)
影响燃烧化学反应速度的因素: 影响燃烧化学反应速度的因素: • 1.反应物质的浓度 1.反应物质的浓度 反应物质浓度对化学反应速度的影响用质量作用 定律来说明。由于煤粉的燃烧反应在其表面进行, 定律来说明。由于煤粉的燃烧反应在其表面进行, 可认为固体燃料的浓度不变, 可认为固体燃料的浓度不变,即燃烧化学反应速度 只与燃料表面的氧浓度成正比, 只与燃料表面的氧浓度成正比,并用下式表示 dC B b wB = − = kBC B dt
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对于多相燃烧, 对于多相燃烧,上式可变为
− dCB b wB = − = koCBe RT dt E

阿累尼乌斯键指出, 阿累尼乌斯键指出,分子间的碰撞不是都能 发生化学反应的, 发生化学反应的,只有那些碰撞能量足以破坏现 存化学键并建立新的化学键的才是有效的。 存化学键并建立新的化学键的才是有效的。为使 某一化学反应得以进行, 某一化学反应得以进行,分子所需的最低能量称 表示。能量达到或超过活化能E 为活化能,以E表示。能量达到或超过活化能E的 分子称为活化分子。活化分子的碰撞才是发生反 分子称为活化分子。 应的有效碰撞。 应的有效碰撞。所以反应只能在活化分于之间进 行。
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由于气流的冲刷,因而氧气供应充分, 由于气流的冲刷,因而氧气供应充分, 燃烧产物CO CO容易从碳表面被气流吹走 容易从碳表面被气流吹走, 燃烧产物CO2与CO容易从碳表面被气流吹走, 所以只要温度比较高,其燃烧速度比碳粒在 所以只要温度比较高, 静止空气流中的燃烧速度快得多, 静止空气流中的燃烧速度快得多,而且其燃 烧速度随相对速度的提高而增大。 烧速度随相对速度的提高而增大。 在煤粉炉中,炉内煤粉处于悬浮状态, 在煤粉炉中,炉内煤粉处于悬浮状态, 煤粉与空气流之间的相对速度很小,可认为 煤粉与空气流之间的相对速度很小, 焦炭粒子是在静止空气流中进行燃烧的;而 在旋风炉和沸腾炉中,煤粒是在空气流的强 在旋风炉和沸腾炉中, 烈冲刷下进行燃烧的。 烈冲刷下进行燃烧的。
燃料 氧化剂 燃烧产物
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对于均相燃烧, 对于均相燃烧,燃烧速度是指单位 时间内参与燃烧反应物质的浓度变化率, 时间内参与燃烧反应物质的浓度变化率, kmo1/(m³⋅s);对于多相燃烧, kmo1/(m ⋅s);对于多相燃烧,燃烧速度 是指单位时间内参与燃烧反应的氧浓度 变化率,kmo1/(m³⋅s)。 变化率,kmo1/(m ⋅s)。 燃烧速度的快慢取决于燃烧过程中 化学反应时间的快慢(即化学反应速度) 化学反应时间的快慢(即化学反应速度) 和氧化剂供给燃料时间的快慢, 和氧化剂供给燃料时间的快慢,最终取 决于两者之中较慢者。
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四、氧的扩散速度及其影响因素
• 扩散混合在燃烧中占有十分重要的地位, 扩散混合在燃烧中占有十分重要的地位, 现以炭粒为例加以说明。为使碳与氧发生反应, 现以炭粒为例加以说明。为使碳与氧发生反应, 就必须使氧能不断地从周围环境扩散到碳的表 才能和碳发生反应。 面,才能和碳发生反应。因而多相燃烧速度既 取决于炭粒表面上进行的燃烧化学反应情况, 取决于炭粒表面上进行的燃烧化学反应情况, 即化学反应速度; 即化学反应速度;又取决于氧向炭粒表面的扩 散混合情况,即扩散速度。 散混合情况,即扩散速度。
k = koe 这一关系式称为阿累尼乌斯定律。 这一关系式称为阿累尼乌斯定律。 式中 ko—频率因子,它是和分子碰撞数目有关的 ko 频率因子, 频率因子
− E RT
• •
一个常数; 一个常数; 反应活化能, E—反应活化能,kJ/(kmoI),其值可由实验 反应活化能 kJ/(kmoI), 确定; 确定; R—通用气体常数,R=8.314kJ/(kmol·K); 通用气体常数, 314kJ/(kmol K); 通用气体常数 K) 反应温度, T—反应温度,K。 反应温度
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碳粒在静止的空气中燃烧: 碳粒在静止的空气中燃烧: 碳粒在静止的空气中或碳粒与空气两者 无相对运动燃烧时,在不同温度下, 无相对运动燃烧时,在不同温度下,上述这 些反应以不同方式组合成碳粒的燃烧过程。 些反应以不同方式组合成碳粒的燃烧过程。 当温度低于1200℃时,按下示反应式进 当温度低于1200℃时 1200℃ 行燃烧反应: 行燃烧反应: 4C+302 → 2CO+2C02 此时由于温度较低,在碳粒表面生成的C0 此时由于温度较低,在碳粒表面生成的C02 不能与C 不能与C发生上式所示气化反应。 碳粒表面周围氧浓度和燃烧产物浓度变 化如下图(a)所示。 (a)所示 化如下图(a)所示。
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• •
2.温度 温度对化学反应速度有很大影响。 温度对化学反应速度有很大影响。当反应物质 的浓度不随时间变化时,反应速度就可用反应速度 的浓度不随时间变化时, 常数k来表示。 常数k来表示。而k值主要决定于反应温度和参加反 应的燃料性质,其相互关系如下: 应的燃料性质,其相互关系如下:

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扩散速度是指单位时间扩散到单位炭粒表 面的氧量,该速度可由下式确定: 面的氧量,该速度可由下式确定:
o b wks = αks (CO2 − CO2 )
式中
αks —扩散速度系数;
o CO2 —周围环境中氧的浓度; b CO2 —碳粒反应表面氧的浓度 。
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由上式可知, 由上式可知,扩散速度主要取决于扩散速 度系数, 度系数,而扩散速度系数则取决于炭粒与气 流的相对速度和炭粒直径, 流的相对速度和炭粒直径,即与炭粒与气流 的相对速度近乎成正比,与炭粒直径成反比。 的相对速度近乎成正比,与炭粒直径成反比。 所以,增大炭粒与气流的相对速度或减 所以, 小炭粒直径(即减小煤粉细度), ),均可增加 小炭粒直径(即减小煤粉细度),均可增加 扩散速度,强化氧向炭边表面的扩散过程。 扩散速度,强化氧向炭边表面的扩散过程。
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碳粒受到空气流冲刷时的燃烧: 碳粒受到空气流冲刷时的燃烧: 碳粒受到空气流冲刷, 碳粒受到空气流冲刷,即碳粒与空气流 两者之间有相对运动时的燃烧过程如图6 两者之间有相对运动时的燃烧过程如图6-5 所示。 所示。 在碳粒的迎风面上发生如下反应: 在碳粒的迎风面上发生如下反应: 4C+302→2C02+2CO 3C+202→2CO+C02 产生的C02也可能再引起如下气化反应: C02也可能再引起如下气化反应 产生的C02也可能再引起如下气化反应: C+C02→2CO
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活化能E与燃料性质有关, 活化能E与燃料性质有关,各类煤的 活化能的数值(MJ kmo1)为 (MJ/ 活化能的数值(MJ/kmo1)为: • 贫煤、 126—147 贫煤、无烟煤 126 147 • 104—126 烟煤 104 126 • 84一 褐煤 84一104 • 活化能一定,温度愈高, 活化能一定,温度愈高,反应速度 就愈快;反之,若温度愈低,反应速度 就愈快;反之,若温度愈低, 就会愈慢。对于活化能高的无烟煤, 就会愈慢。对于活化能高的无烟煤,要 强化其燃烧就必须提高温度 必须提高温度。 强化其燃烧就必须提高温度。

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பைடு நூலகம்

由上式可知, 由上式可知,当反应物浓度不随时 间变化时, 间变化时,反应速度主要取决于反应温 和活化能E的大小。 度T和活化能E的大小。 • 温度一定,活化能愈大, 温度一定,活化能愈大,反应速度 就愈慢,或者说, 就愈慢,或者说,反应要在更高温度下 才能进行;反之,若活化能愈小, 才能进行;反之,若活化能愈小,反应 速度就会愈快,或者说, 速度就会愈快,或者说,反应可在较低 温度下进行。 温度下进行。

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五、燃烧速度与燃烧区域

由上可知,燃烧速度的快慢, 由上可知,燃烧速度的快慢,既受化学 反应速度的影响,又受扩散速度的影响, 反应速度的影响,又受扩散速度的影响,而 且取决于两者之中较慢者。例如, 且取决于两者之中较慢者。例如,高温下本 来可以有很高的化学反应速度, 来可以有很高的化学反应速度,但如果扩散 速度很低,结果反应区域由于氧气供应不足, 速度很低,结果反应区域由于氧气供应不足, 实际的燃烧速度仍可能很低。 实际的燃烧速度仍可能很低。故温度较高情 况下的燃烧速度实际上等于扩散速度, 况下的燃烧速度实际上等于扩散速度,也就 条件起着决定的作用。 是扩散混合条件起着决定的作用。
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