第4章燃燒理論基礎

第四章燃燒過程理論基礎

化學反應速度及其影響因素

固體燃料的燃燒理論煤和焦炭的燃燒

煤粉氣流的著火與燃燒

化學反應速度及其影響因素燃燒是一種發(fā)光發(fā)熱的劇烈化學反應，燃燒速度可以用化學反應速率來表示。

均相燃燒：燃料和氧化劑物態(tài)相同，如氣體燃料在空氣中燃燒。

多相燃燒：燃料和氧化劑物態(tài)不同，如固體燃料在空氣中燃燒。但無論哪種燃燒，都可以用如下的反應方程式表示：燃料燃燒產(chǎn)物氧化劑1.質(zhì)量作用定律：反映濃度對反應速度的影響。反應速度：在反應系統(tǒng)單位體積中物質(zhì)濃度的變化率，一般可用燒掉的燃料量或消耗掉的氧量來表示。單位是mol/（m3·s）。質(zhì)量作用定律：對于均相反應，在一定溫度下，化學反應速度與參加反應的各反應物濃度冪的乘積成正比，各反應物濃度冪的指數(shù)等于化學反應式中相應的反應系數(shù)。注意：上式適用于均相反應，并假定參與反應的氣體為理想氣體。多相燃燒反應速度：對于固體燃料在空氣中燃燒這一類多相燃燒，可認為燃燒反應發(fā)生在燃料的表面，固體燃料的濃度是不變的。反應速度只取決于燃料表面處氧濃度。上式說明：對于煤粉燃燒，在相同的反應條件（如溫度）下，提高燃料附近氧濃度，增大反應物比表面積，都能提高化學反應速度，縮短燃料燃盡時間。化學反應平衡：正逆反應速率相等。平衡常數(shù)：化學反應平衡時正逆反應速度常數(shù)之比。2.阿累尼烏斯定律：反映溫度和燃料性質(zhì)對反應速度的影響?；罨蹺：表征燃料的反應能力。能夠破壞原有化學鍵并建立新化學鍵所必須消耗的能量，具有活化能的分子為活化分子。活化能E與反應物種類有關，一般Vdaf含量小的煤活化能大，越不容易著火燃燒。放熱反應吸熱反應3.燃料化學反應速度的影響因素：固體燃料多相燃燒反應速度：①反應物濃度：根據(jù)質(zhì)量作用定律，增加反應物氧的濃度，可以提高化學反應速度。但實際中，還要結(jié)合燃料燃燒時的特性綜合考慮。比如：著火區(qū)的可燃物濃度比較高，氧濃度不可過高，這是為了維持著火區(qū)的高溫狀態(tài)，使燃料盡快著火。但如果過分缺氧，又會熄火。因此在著火區(qū)控制燃料與空氣的合理比例，是實現(xiàn)燃料盡快著火和穩(wěn)定燃燒的重要條件。②活化能E：根據(jù)阿累尼烏斯定律，在一定溫度下，活化能E越小，則反應速度常數(shù)k值越大，反應速率越大，即燃料的反應能力越強，即使在較低的溫度下容易著火和燃盡。而活化能大的燃料，不但著火困難，而且要在較高溫度和較長時間下才能燃盡。燃料的活化能是決定燃燒反應速度的內(nèi)因。一般活化能E與煤種有關。一般Vdaf含量小的煤活化能大。③溫度T：在一定的活化能E下，溫度越高，則反應速度常數(shù)k值越大，反應速率越大。這是因為隨反應溫度升高，分子的平均動能增大，活化分子數(shù)目增加，有效碰撞頻率提高，反應速度加快。④壓力：當反應溫度一定時，在反應系統(tǒng)容積不變的條件下，提高反應系統(tǒng)的壓力，相當于提高反應物濃度，從而提高化學反應速度。因此，理論上可以采用正壓燃燒鍋爐來強化燃燒，但由于燃燒系統(tǒng)的密封問題解決不好，所以正壓鍋爐的使用并不普遍。⑤催化反應：在反應系統(tǒng)中加入少量催化劑可以大大提高反應速度，因為催化劑可以改變反應途徑，降低反應所需活化能，極大提高反應速度。催化劑只能改變反應時間，不能改變反應程度。⑥連鎖反應：可以使化學反應自動連續(xù)加速進行。反應機理是活化中心的繁殖。其過程包括：鏈的形成、鏈的分支、鏈的終止。

固體燃料的燃燒理論不同鍋爐中，煤的燃燒方式有多種，不論是哪種燃燒方式，都是固體煤與氣體之間的多相燃燒，反應都是在固相表面進行的（不考慮多孔性）。1.多相燃燒反應過程：（1）氧分子擴散到反應表面。（2）氧分子被燃料表面吸附。（3）燃料表面進行燃燒反應。（4）燃燒產(chǎn)物由燃料表面解吸附。（5）燃燒產(chǎn)物擴散到環(huán)境。2、4、5較快1、3較慢（瓶頸）速度：1>>3：動力燃燒區(qū)1<<3：擴散燃燒區(qū)2.多相燃燒化學反應速度和燃燒區(qū)：以碳粒為例，燃燒反應速度常數(shù)kap取決于碳粒表面的化學反應速度常數(shù)k和氧的擴散速度常數(shù)αd。根據(jù)αd和k的相對大小，可進行燃燒區(qū)域的劃分。動力區(qū)擴散區(qū)①動力燃燒區(qū)（低溫）：定義：反應溫度低于900~1000℃時，化學反應速度很低，燃燒所需氧量較少，氧氣供應很充足，提高氧擴散速度對燃燒影響不大，燃燒速度主要受制于燃燒反應動力因素（反應溫度和碳的活化能），此時燃燒處于動力燃燒區(qū)。強化燃燒的措施：提高反應系統(tǒng)溫度。動力區(qū)擴散區(qū)②擴散燃燒區(qū)（高溫）：定義：反應溫度高于1400℃時，化學反應速度很高，以至于擴散到碳粒表面的氧立刻被消耗掉，提高溫度對燃燒影響不大，燃燒速度主要受制于氧氣向碳粒表面的擴散速度，此時燃燒處于擴散燃燒區(qū)。強化燃燒的措施：增強空氣擾動，采用煤粉燃燒。動力區(qū)擴散區(qū)③過渡燃燒區(qū)（中溫）：定義：介于動力區(qū)和擴散區(qū)之間。燃燒速度同時受制于氧氣向碳粒表面的擴散速度和燃燒化學反應速度。若氧擴散速度不變，提高溫度，則燃燒過程向擴散區(qū)轉(zhuǎn)化；若溫度不變，提高氧擴散速度，則燃燒過程向動力區(qū)轉(zhuǎn)化。強化燃燒的措施：提高擴散速度，提高反應溫度。過渡區(qū)3.燃燒過程著火和熄火的熱力條件：燃燒過程分兩個階段進行，著火階段和燃燒階段。著火是燃燒的熱力準備階段。

著火：由緩慢的氧化狀態(tài)轉(zhuǎn)變到化學反應能自動加速到高速燃燒狀態(tài)的瞬間過程。轉(zhuǎn)變時的瞬間溫度稱為著火溫度。著火過程包括兩層含義，首先是能否發(fā)生著火，其次是能否穩(wěn)定著火。燃料燃燒時要放熱，同時又向周圍介質(zhì)散熱。這兩個互相矛盾過程的發(fā)展，可能使燃燒過程發(fā)生（著火）或者停止（熄火）。著火和熄火條件分析：燃燒室內(nèi)燃料與氧化劑反應放熱量Q1

燃燒產(chǎn)物向周圍介質(zhì)的散熱量Q2（指數(shù)曲線）（直線）k0-反應速度常數(shù)；V-可燃混合物體積；CO2-煤粉表面氧濃度n-氧的化學計量數(shù)；Qr-燃燒反應熱；F-燃燒室壁面面積α-混合物向爐膛壁面的綜合放熱系數(shù)T、Tb-分別為反應系統(tǒng)溫度和燃燒室壁面溫度①當壁面溫度較低時（Tb=Tb1），散熱曲線Q2’：穩(wěn)定平衡點1：在點1右側(cè)，散熱大于放熱，系統(tǒng)溫度將降低，向點1靠近；在點1左側(cè)，放熱大于散熱，系統(tǒng)溫度升高，同樣靠近點1。點1代表穩(wěn)定的低溫氧化狀態(tài)。因此低溫下只會緩慢氧化，不會著火。

放熱及散熱曲線Q2’Q2’’Q2’’’Tb1Tb2TzhTxh②當壁面溫度提高到Tb2，減小αF，散熱曲線Q2’’：不穩(wěn)定平衡點2：反應初期，系統(tǒng)放熱大于散熱，溫度升高，向點2靠近；到達點2后溫度稍提高，反應自動加速而轉(zhuǎn)變到高速燃燒狀態(tài)，即發(fā)生著火，只要保證煤粉和空氣的不斷供應，最后將穩(wěn)定于高溫燃燒狀態(tài)點3。點2對應溫度為著火溫度。著火熱力條件：在一定的放熱、散熱下，系統(tǒng)溫度大于著火溫度。③高溫燃燒時加大散熱（斜率），散熱曲線Q2’’’：不穩(wěn)定平衡點4：高溫燃燒時散熱加大，則系統(tǒng)溫度降至不穩(wěn)定平衡點4，溫度再稍降，反應系統(tǒng)溫度會急劇下降至低溫平衡點5，燃料只能緩慢氧化，不能著火和燃燒，即發(fā)生熄火。點4對應溫度為熄火溫度。熄火熱力條件：在一定的放熱、散熱下，系統(tǒng)溫度小于熄火溫度。注意：熄火溫度Txh>著火溫度Tzh，是因為熄火與著火時的熱力條件不同。并且二者會隨反應系統(tǒng)熱力條件的變化而變化，并非物理常數(shù)，只是一定條件下的相對特征值。在相同測試條件下，一般反應能力越強的煤（Vdaf高，活化能E?。?，著火溫度越低，越易著火。強化著火防止熄火的措施：

加強放熱：增加可燃混合物的濃度、初溫、壓力。

減少散熱：降低氣流速度，增強燃燒室保溫。煤和焦炭的燃燒1.煤的燃燒過程：可分成四個階段。（1）預熱干燥階段：新入爐煤吸收爐內(nèi)高溫煙氣的熱量，溫度逐漸升高，達到100℃左右水分逐漸析出，煤被干燥。此階段吸熱不放熱。（2）揮發(fā)分析出與著火階段：煤繼續(xù)吸熱，達到一定溫度后，揮發(fā)分析出，同時生成焦炭。揮發(fā)分與空氣混合達到一定的濃度和溫度時，就會發(fā)生著火燃燒，此時的溫度即為煤的著火溫度。此階段吸熱。（3）燃燒階段：溫度繼續(xù)上升，揮發(fā)分首先著火燃燒，放出熱量加熱焦炭，焦炭溫度上升到一定程度就開始燃燒，大量放熱。揮發(fā)分的燃燒速度很快，而焦炭的燃燒較為復雜，組織好焦炭的燃燒過程是優(yōu)化燃燒的關鍵。此階段強烈放熱。（4）燃盡階段：大部分可燃物已燃盡，少量未燃盡的固定碳繼續(xù)燃燒，碳粒表面形成灰殼，燃盡階段中由于灰殼阻力、氧濃度降低、氣流擾動混合減弱，使燃燒速度明顯下降，并占整個燃燒過程的時間最長。此階段放熱較少，且易造成不完全燃燒熱損失。注意：上述各階段實際是交叉進行的，并無明顯界限。2.焦炭的燃燒反應機理：煤的燃燒基礎是焦炭的燃燒。因為：①焦炭是主要的可燃成分；②焦炭著火最晚，燃燒持續(xù)時間最長，焦炭的燃燒時間基本決定了整個粒子的燃燒時間；③焦炭的發(fā)熱量占煤的發(fā)熱量很大份額。一次反應：二次反應：附加反應：碳粒表面燃燒過程低于1200℃高于1200℃3.煤的燃燒特點：①煤中含有水分：煤的燃燒過程中，水蒸汽很易和C及燃燒產(chǎn)物CO作用，生成CO2和H2，H2再與CO或CO2反應。這種催化作用，使燃燒反應更加復雜并改變化學反應速度。②煤中含有揮發(fā)分：揮發(fā)分對煤的著火燃燒有利；但另一方面，揮發(fā)分析出燃燒，消耗了大量氧氣，并增加了氧氣向煤粒表面的擴散阻力，使燃燒過程的初期焦碳的燃燒速度下降。③煤中含有礦物雜質(zhì)：在燃燒過程會生成灰，灰層包裹著碳粒，會妨礙氧向碳粒表面的擴散，或使碳粒反應表面減少，使燃燒難以進行，燃盡困難。④多孔性：煤受熱后產(chǎn)生水蒸氣和揮發(fā)分，增大比表面積，增加了反應表面。煤粉氣流的著火和燃燒煤粉氣流的著火：一般希望在離燃燒器出口約0.5m處能穩(wěn)定著火。

著火過早燃燒器噴口溫度過高而燒壞火焰中心上移，爐膛出口處結(jié)渣

著火過晚火焰中心上移，過熱汽溫升高燃燒不完全，q4增大爐膛出口煙氣溫度要比灰的軟化溫度低50~100℃著火熱源：①煤粉氣流卷吸回流的高溫煙氣；②火焰、爐墻等對煤粉的輻射；③燃料進行化學反應釋放出的熱量。煤粉氣流的著火主要是靠煤粉氣流卷吸高溫回流煙氣的對流傳熱。著火熱：將煤粉氣流加熱到著火溫度所需的熱量。著火熱用于加熱一次風粉混合物，以及煤粉中水分的蒸發(fā)過熱。加熱煤粉和一次風所需熱量煤粉中水分蒸發(fā)、過熱所需熱量可見煤粉氣流的著火與下列因素有關：一次風量V1、一次風速煤粉氣流初溫t0燃料中Vdaf、Ad、Mar煤粉細度及顆粒分布爐內(nèi)散熱條件燃燒器結(jié)構特性鍋爐負荷爐粉風影響煤粉氣流著火的主要因素：①燃料性質(zhì)：揮發(fā)分Vdaf↓，著火溫度↑，著火熱↑，煤粉著火困難，著火時間長，著火點離燃燒器噴口距離遠。水分Mar↑，著火熱↑，爐溫↓，不利著火、制粉。水分Mar↓，制粉系統(tǒng)易爆燃。c.灰分Ad↑，爐溫↓，阻礙燃燒，推遲著火。d.細度Rx↑，比表面積↓，著火溫度↑，著火推遲。著火困難的煤，應該磨細一些。②一次風特性：一次風溫↑，著火熱↓，著火加快，并保持爐內(nèi)高溫。因此燃用無煙煤、貧煤時采用熱風送粉系統(tǒng)。一次風量↑，著火熱↑，著火推遲；一次風量↓，燃燒受制，輸粉堵塞。

一次風率r1：一次風量占輸入鍋爐總風量的百分比。與煤種和制粉系統(tǒng)型式有關。著火性能好的煤，一次風量可適當增大。一次風速↑，著火推遲，著火點離燃燒器噴口遠；一次風速↓，燃燒器噴口燒壞，煤粉管道堵塞。最佳一次風速與煤種和燃燒器型式有關。

Vdaf↑，一次風速↑；Vdaf↓，一次風速↓。③爐內(nèi)特性：爐內(nèi)散熱條件：爐內(nèi)散熱↓，加快著火，穩(wěn)定燃燒。

衛(wèi)燃帶：為了低揮發(fā)分煤的及時著火和穩(wěn)定燃燒，常在燃燒器區(qū)域用耐火保溫材料將部分水冷壁遮蓋起來，構成衛(wèi)燃帶，以減少水冷壁吸熱量，維持燃燒器區(qū)域煙氣的溫度水平，改善煤粉氣流著火條件。但衛(wèi)燃帶結(jié)渣嚴重，燃用無煙煤時才敷設衛(wèi)燃帶。鍋爐負荷D：D↓，則B↓，爐溫↓，對著火和燃燒穩(wěn)定性不利，甚至可能熄火。著火穩(wěn)定性條件限制了煤粉鍋爐負荷的調(diào)節(jié)范圍。固態(tài)排渣煤粉爐只能在高于70%額定負荷下運行。燃燒器結(jié)構和布置：

一二次風混合時機：混合過早，在一次風煤粉氣流著火前就混入二次風，相當于增大了一次風量，著火熱↑，著火推遲；混合過晚，導致供氧不足，限制固定碳燃燒。并且為了保證一二次風混合擾動強烈，二次風風速高于一次風風速。燃用Vdaf低的煤種，二次風混入一次風的時間應適當推遲。

燃燒器出口截面積：過大，煤粉氣流卷吸能力小，著火點距離噴口遠。多采用多個較小尺寸燃燒器替代大燃燒器。

總結(jié)：強化煤粉氣流穩(wěn)定著火的措施

保證供給熱量：組織強烈的煙氣回流，保證燃燒器出口附近煤粉一次風氣流與熱煙氣的強烈混合，敷設衛(wèi)燃帶，維持爐內(nèi)高溫。保證供給足夠的熱量用于穩(wěn)定著火。

降低著火熱：提高煤粉氣流初溫，采用合適的一次風量和一次風速。

其他：采用合適的煤粉細度。例如，燃用無煙煤，常采用熱風送粉系統(tǒng)，并減小煤粉細度Rx和敷設衛(wèi)燃帶來穩(wěn)定著火。2.煤粉氣流的完全燃燒：在煤粉氣流著火后，是煤粉顆粒的強烈燃燒和焦炭的燃盡階段。燃燒過程越良好，即燃燒過程越接近完全燃燒。

完全燃燒：在安全性上，要求不結(jié)渣，不出現(xiàn)膜態(tài)