第一節(jié)燃燒機(jī)理(熱工工藝)

1、第一章 燃燒過(guò)程及燃燒設(shè)備l燃燒過(guò)程的基本理論 l氣體燃料的燃燒過(guò)程及燃燒設(shè)備 l液體燃燒的燃燒過(guò)程及燃燒設(shè)備l 固體燃料的氣化過(guò)程及設(shè)備第一節(jié) 燃燒過(guò)程的基本理論 燃燒定義及燃燒類型著火溫度著火濃度范圍燃燒機(jī)理火焰?zhèn)鞑ニ俣龋怏w燃料的燃燒速度）一、燃燒定義及燃燒類型定義：燃料中的可燃物與空氣產(chǎn)生劇烈的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量并伴隨著強(qiáng)烈的發(fā)光現(xiàn)象?？扇嘉锟蓺w納為二類，即：固態(tài)炭和可燃?xì)怏w氣體燃料：可燃?xì)怏w液體燃料：加熱氣化，大分子氣態(tài)烴高溫裂化固態(tài)炭和小分子烴或氮?dú)猓扇細(xì)怏w）固體燃料：受熱揮發(fā)出可燃?xì)怏w，剩下固態(tài)炭粒燃燒類型普通燃燒： 靠燃燒層熱氣體傳導(dǎo)傳熱給鄰近的冷可燃?xì)怏w混合物而進(jìn)行火

2、焰的傳播?；鹧?zhèn)鞑ニ俣刃。瑑H為幾米/秒；壓力變化小，可視為等壓燃燒過(guò)程。一般窯爐內(nèi)進(jìn)行的燃燒過(guò)程均屬于普通燃燒過(guò)程。爆炸性燃燒： 靠壓力波將冷可燃?xì)怏w混合物加熱到著火溫度以上而燃燒?；鹧?zhèn)鞑ニ俣却?，約為10004000米/秒；通常在高溫、高壓下進(jìn)行。原子彈爆炸屬于爆炸性燃燒。 燃燒過(guò)程及條件：過(guò)程： 燃料和空氣預(yù)熱著火溫度燃燒火焰?zhèn)鞑l件： 燃料、空氣 著火溫度 著火濃度二、著火溫度定義： 任何燃料的燃燒都有“著火”和“燃燒”兩 個(gè)階段，由緩慢氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閯×已趸磻?yīng)的瞬間叫著火，轉(zhuǎn)變時(shí)的最低溫度稱為著火溫度（在一定條件下燃料穩(wěn)定燃燒的最低溫度） 。 用一容器內(nèi)煤氣與空氣的氧化反應(yīng)加以說(shuō)明

3、氧化反應(yīng) 產(chǎn)生熱量容器內(nèi)混合物溫度升高 溫度高于外部環(huán)境 向外散熱 熱平衡RTEKQ0TTK 討論：當(dāng)TATTB時(shí)，放散 ，T下降 TA（放=散）當(dāng)TTA時(shí)，放散，T上升 TA（放=散）A點(diǎn)是穩(wěn)定點(diǎn)，是低溫點(diǎn)，反應(yīng)速度慢，屬于緩慢氧化。稱為熄火點(diǎn)。當(dāng)TTB時(shí)，放散，T下降TA（熄火）當(dāng)TTB時(shí)，放散，T上升著火B(yǎng)點(diǎn)是不穩(wěn)定點(diǎn)，高溫點(diǎn)，反應(yīng)劇烈。稱為著火點(diǎn) T0 上升，（T- T0）下降，散下降 ，散熱曲線與放熱曲線線交點(diǎn)靠近兩曲線相切于C點(diǎn), C點(diǎn)是穩(wěn)定點(diǎn)的極限。 T0 再上升，散熱曲線與放熱曲線無(wú)相交點(diǎn)，放散，反應(yīng)劇烈，甚至于自燃。影響著火溫度的因素（1）與可燃?xì)怏w的組成及參數(shù)有關(guān)，壓力高著

4、火溫度低；可燃組分多著火溫度低；（2）與散熱條件有關(guān)，周圍介質(zhì)溫度高著火溫度低；（3）與空氣系數(shù)有關(guān)，燃料與接近理論需要量的空氣混合著火溫度低。表4-20某些氣體或燃料在空氣中的著火溫度范圍。三、著火濃度范圍定義氣體燃料與空氣的比例，必須在一定的范圍內(nèi)才能進(jìn)行燃燒，這一范圍叫著火濃度范圍或著火濃度極限。如果煤氣與空氣在容器內(nèi)混合均勻，且在著火濃度范圍內(nèi)，當(dāng)有明火存在時(shí)，瞬間會(huì)產(chǎn)生溫度很高的燃燒產(chǎn)物，壓力急劇增大，可產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象，故著火濃度極限又叫爆炸極限。 可燃?xì)怏w含量低于下限時(shí)，由于可燃?xì)怏w量太少，局部點(diǎn)燃時(shí)，其氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不足以使鄰近氣體加熱至著火溫度以上而燃燒。 可燃?xì)怏w含量高于上

5、限時(shí)，由于氧量太少，局部點(diǎn)燃時(shí)，其氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不足以使鄰近氣體加熱至著火溫度以上而燃燒。各種氣體的著火濃度范圍見(jiàn)表4-21影響著火濃度范圍的因素（1）空、煤氣噴入高溫空間時(shí)，不受著火濃度的限制；（2）預(yù)熱空、煤氣混合物，著火濃度范圍擴(kuò)大；（3）煤氣與純氧混合燃燒時(shí)，著火濃度范圍擴(kuò)大。四、燃燒機(jī)理固態(tài)炭的燃燒機(jī)理可燃?xì)怏w的燃燒機(jī)理固態(tài)炭的燃燒機(jī)理炭的燃燒反應(yīng)過(guò)程氣-固兩相的物理化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程如下：O2擴(kuò)散炭粒表面化學(xué)反應(yīng)生成CO和CO2，CO和CO2從炭粒表面擴(kuò)散達(dá)反應(yīng)達(dá)平衡。炭的燃燒速度燃燒速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位炭粒表面所燒掉的炭量?；瘜W(xué)反應(yīng)速度:單位時(shí)間內(nèi)，單位炭粒表面上氧化反應(yīng)消耗

6、的氧量。式中： 化學(xué)反應(yīng)速度系數(shù) 炭粒表面氣相中O2的濃度，2OkCVg k2OC擴(kuò)散速度: 單位時(shí)間內(nèi)，擴(kuò)散至單位炭粒表面的氧量 式中： 氣流中心氧的濃度， 擴(kuò)散速度系數(shù) 平衡條件下： 22CoCoVdd2oCdVVdVg整理后得： 設(shè)： 則：222OOdOCCkC222111OOdOCKKCkCVdkK111mVVcdOkmCmVVc112三個(gè)燃燒區(qū)：動(dòng)力燃燒區(qū)(800以下)低溫時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速度非常小，即： 動(dòng)力燃燒區(qū)內(nèi)，燃燒速度取決于化學(xué)反應(yīng)速度，與擴(kuò)散速度無(wú)關(guān)，即：燃燒速度隨溫度的升高而急劇增加，與氣流速度無(wú)關(guān)。dkdk11kK 2OCmkVc 擴(kuò)散燃燒區(qū)（1000以上）高溫時(shí)，擴(kuò)散速

7、度系數(shù)非常小，即： 擴(kuò)散燃燒區(qū)內(nèi)，燃燒速度取決于擴(kuò)散速度，與化學(xué)反應(yīng)速度無(wú)關(guān)，即：氣流速度增大，燃燒速度加快，不隨燃料性質(zhì)而變，與溫度關(guān)系也不大。kdkd11dK2OdCmVc過(guò)渡區(qū)（8001000）介于動(dòng)力燃燒區(qū)和擴(kuò)散燃燒區(qū)之間，與化學(xué)反應(yīng)速度及擴(kuò)散速度均有關(guān)系，情況復(fù)雜，影響因素較多。窯爐中實(shí)際燃燒情況：一般在擴(kuò)散燃燒區(qū)內(nèi)進(jìn)行。強(qiáng)化燃燒的途徑：加強(qiáng)煤粉與空氣的混合；提高空氣與煤氣的相對(duì)速度。 可燃?xì)怏w的燃燒機(jī)理可燃?xì)怏w主要是指氫氣、一氧化碳和烴類 反應(yīng)過(guò)程的實(shí)質(zhì)按鏈鎖反應(yīng)進(jìn)行，中間活化物的存在是鏈鎖反應(yīng)進(jìn)行的條件，H2的剌激物是H、OH、CO的剌激物是H、OH，烴類的剌激物是0。剌激物的產(chǎn)

8、生過(guò)程及特點(diǎn)氣體間分子之間互相碰撞、氣體分子在高溫下分解、電火花激發(fā)均能產(chǎn)生上述活化物，該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。 幾種氣體燃料的鏈鎖反應(yīng)過(guò)程延遲著火現(xiàn)象（氣體燃料的燃燒特點(diǎn)）氣體燃料的燃燒是按鏈鎖反應(yīng)進(jìn)行的，當(dāng)氣體燃料與空氣的混合物加熱至著火溫度后，要經(jīng)過(guò)一定的感應(yīng)期后才能迅速燃燒，在感應(yīng)期內(nèi)不斷產(chǎn)生含有高能量的鏈鎖剌激物,此時(shí)并不放出大量的熱量，故不能立即使鄰近層氣體溫度升高而燃燒，這種現(xiàn)象叫延遲著火現(xiàn)象。延遲著火的時(shí)間與氣體燃料的種類、溫度、壓力有關(guān)，溫度和壓力升高，延遲時(shí)間短。五、火焰?zhèn)鞑ニ俣龋怏w燃料）火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象及速度在靜止的可燃?xì)怏w與空氣的混合物中，當(dāng)某一局部地區(qū)著火燃燒時(shí)，在燃燒處會(huì)形

9、成焰面，并放出大量的熱，使焰面處溫度升高，并以導(dǎo)熱的方式傳熱給鄰近一層氣體，使其達(dá)到著火溫度而燃燒，并形成新的燃燒焰面，這種焰面不斷向末燃?xì)怏w方向移動(dòng)的現(xiàn)象叫火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象。傳播的速度叫火焰?zhèn)鞑ニ俣?，其方向與焰面垂直，故又叫法向火焰?zhèn)鞑ニ俣?。燃燒速度（火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?單位時(shí)間內(nèi)，在火焰單位面積上所燒掉的氣體的體積。流動(dòng)氣體燃燒時(shí)獲得穩(wěn)定火焰的條件：混合制氣體與空氣混合物以一定速度流動(dòng)時(shí)，當(dāng)氣流速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣确较蛳喾?，?shù)值相等時(shí)，即可得到穩(wěn)定的燃燒火焰。影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩貑我唤M成的氣體: 混合物中可燃?xì)怏w的含量、氣體種類，燃燒溫度，燃燒管道尺寸影響火焰?zhèn)鞑ニ俣?。?jiàn)圖4-6：H2的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?，遠(yuǎn)大于CH4。主要原因是H2的導(dǎo)溫系數(shù)大于CH4的導(dǎo)溫系數(shù)；由曲線可以看到，只有在一定濃度范圍內(nèi)，火焰才能傳播，該范圍就是著火濃度極限。CH4、C2H8的范圍??；火焰?zhèn)鞑ニ俣却嬖谝粯O值，常在接近于1而略小于1附近；見(jiàn)表4-22混合物的初溫提高，可使鄰近層氣體較早達(dá)著火溫度而燃燒，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤辉黾尤紵艿莱叽?，單位體積氣體的散熱量相對(duì)減少，火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣?；壓力的影響，一般窯內(nèi)壓力在1個(gè)大氣壓左右，其影響較小，可以不考慮。混合氣體燃料最大法向火焰?zhèn)鞑ニ俣炔缓栊詺怏w 最大法向火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?不含惰性氣體的煤氣中某一氣體的體積百分 數(shù)， 單一氣體相應(yīng)于時(shí)可燃?xì)怏w