第4章 煤的燃燒理論

第四章煤的燃燒理論一、燃燒基本理論二、煤的著火與燃燒特性三、煤粉氣流的著火與燃燒4/8/20231PrinciplesofBoiler一、燃燒基本理論1、燃燒的概念2、燃燒化學(xué)反應(yīng)速度描述3、均相反應(yīng)，質(zhì)量作用定律4、非均（多）相反應(yīng)5、燃燒反應(yīng)平衡常數(shù)6、阿累尼斯(Arrhinius)定律7、典型煤種的反應(yīng)活化能E4/8/20232PrinciplesofBoiler1、燃燒的概念

燃燒是伴隨有發(fā)光發(fā)熱的一種特殊的氧化反應(yīng)，其反應(yīng)物為氧氣與各種燃料。均相燃燒：氣體燃料的燃燒非均相燃燒：固體燃料的燃燒4/8/20233PrinciplesofBoiler化學(xué)反應(yīng)速度的大小用反應(yīng)物或生成物濃度的變化來(lái)表示：設(shè)有兩種物質(zhì)A、B，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：燃料氧化劑燃燒產(chǎn)物2、燃燒化學(xué)反應(yīng)速度描述4/8/20234PrinciplesofBoiler

反應(yīng)物A、B的濃度；

a、b—反應(yīng)物A、B的反應(yīng)系數(shù)；

k—反應(yīng)的速度常數(shù)。3、均相反應(yīng)，質(zhì)量作用定律4/8/20235PrinciplesofBoiler4、非均（多）相反應(yīng)炭或煤的反應(yīng)速度可用下式描述：

—單位容積可燃混合物內(nèi)煤粉的表面積；

—氧的濃度。4/8/20236PrinciplesofBoiler5、燃燒反應(yīng)平衡常數(shù)可逆反應(yīng)，當(dāng)正逆反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)有：

KC即為反應(yīng)系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)的平衡常數(shù)。4/8/20237PrinciplesofBoiler

用各組分的分壓力來(lái)表示的反應(yīng)系統(tǒng)中各反應(yīng)物的濃度4/8/20238PrinciplesofBoiler6、阿累尼斯(Arrhinius)定律K0—指前因子，或反應(yīng)物分子的碰撞總次數(shù)；E－反應(yīng)物的反應(yīng)活化能或發(fā)生反應(yīng)所要求的最低能量；R－通用氣體常數(shù)；T－反應(yīng)環(huán)境的溫度。數(shù)學(xué)描述4/8/20239PrinciplesofBoiler反應(yīng)物的活化能越低，反應(yīng)速度越快，反應(yīng)越能在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行。反應(yīng)的環(huán)境溫度越高，則反應(yīng)的速度越快。物理意義Tk

-有效碰撞占總碰撞次數(shù)的比例4/8/202310PrinciplesofBoiler7、典型煤種的反應(yīng)活化能E無(wú)煙煤：126～

147kJ/gmol；煙煤：104～126kJ/gmol；褐煤：84～

104kJ/gmol；煤齡越長(zhǎng)，反應(yīng)的活化能越大，反應(yīng)越難進(jìn)行；煤齡越短，反應(yīng)的活化能越小，反應(yīng)越易進(jìn)行。4/8/202311PrinciplesofBoiler二、煤的著火與燃燒特性著火與燃燒特性的概念燃燒特性指標(biāo)燃料特性指標(biāo)著火難易指標(biāo)熱解特性指標(biāo)煤的燃燼特性4/8/202312PrinciplesofBoiler1、著火與燃燒特性的概念著火由緩慢的氧化反應(yīng)迅速過(guò)渡到劇烈自動(dòng)加速反應(yīng)過(guò)程，反應(yīng)系統(tǒng)的溫度出現(xiàn)階躍性升高。燃燒特性反映燃料著火難易、燃燒穩(wěn)定性、燃燒速度、燃燒效率、不同階段燃燒動(dòng)力學(xué)規(guī)律的燃燒技術(shù)指標(biāo)。4/8/202313PrinciplesofBoiler2、燃燒特性指標(biāo)各種燃料在不同條件下燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)描述，即阿累尼烏斯定律中K0、E的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)描述。工程上采用一些技術(shù)指標(biāo)定性、近似描述煤的著火與燃燒特性。燃料特性指標(biāo)著火難易指標(biāo)熱解特性指標(biāo)燃燼性指標(biāo)4/8/202314PrinciplesofBoiler3、燃料特性指標(biāo)Vdaf：C/H：FC/Vdaf：越高，著火越容易，燃燒穩(wěn)定性越好。越高，煤化程度越高，著火越難。越高，煤中的揮發(fā)分相對(duì)含量越低，著火越困難。4/8/202315PrinciplesofBoiler

燃燒過(guò)程中實(shí)際釋放的Vdaf量、成分有別于工業(yè)分析中得到的Vdaf，其控制因素：煤種特性加熱環(huán)境的溫度加熱時(shí)間的長(zhǎng)短煤粉顆粒的直徑Vdaf

煤著火溫度、燃燒穩(wěn)定性及燃燒效率的重要指標(biāo)。煤齡越長(zhǎng)，Vdaf越小。T越高，Vdaf越大。時(shí)間越長(zhǎng)，Vdaf越大。煤粉越細(xì)，Vdaf越大。4/8/202316PrinciplesofBoiler揮發(fā)分對(duì)燃燒的影響Vdaf

（%,）揮發(fā)分對(duì)著火溫度的影響著火溫度（℃）Vdaf

(%)揮發(fā)分對(duì)穩(wěn)燃負(fù)荷的影響無(wú)油穩(wěn)燃負(fù)荷（%）4/8/202317PrinciplesofBoiler煤粉氣流著火指數(shù)與揮發(fā)分間的關(guān)系FI(℃)4/8/202318PrinciplesofBoiler4、著火難易指標(biāo)煤的反應(yīng)活化能E：

燃料的反應(yīng)活化能越低，著火越容易，燃燒速度越快；著火溫度Ti：

煤粉粒子或煤粉氣流開始著火燃燒時(shí)的溫度，為著火溫度。著火的顯著標(biāo)志就是反應(yīng)系統(tǒng)的溫度一階躍升高。著火指數(shù)FI：

制取200×400目窄篩分煤粉試樣，使煤粉高度離散地緩慢通過(guò)熾熱的試驗(yàn)爐膛，取能使煤粉顆粒著火的最低爐膛溫度為煤粉顆粒的著火指數(shù)。4/8/202319PrinciplesofBoiler活化能E與煤種、燃燼度間的關(guān)系4/8/202320PrinciplesofBoiler典型煙煤、無(wú)煙煤的著火溫度(指數(shù))煤粉濃度對(duì)煤粉氣流著火指數(shù)(℃)的影響煤種陽(yáng)沁無(wú)煙煤黃陵煙煤無(wú)煙煤/煙煤=7/3無(wú)煙煤/煙煤=3/7著火指數(shù)/℃

710585605590煤粉濃度(kg/kg)陽(yáng)沁無(wú)煙煤黃陵煙煤無(wú)煙煤/煙煤=7/3無(wú)煙煤/煙煤=3/70.210007408007650.49707207757450.69507057607300.89406957507204/8/202321PrinciplesofBoiler5、熱解特性指標(biāo)揮發(fā)分初析溫度Ts：加熱過(guò)程中，揮發(fā)分開始析出的溫度。Ts越低，說(shuō)明煤種可以在較低的溫度下析出揮發(fā)分，有利于煤的著火。揮發(fā)分最大釋放速度峰值(dG/dt)max:

是DTG曲線上的最大峰值。該值越大，說(shuō)明煤種在單位時(shí)間內(nèi)釋放出的揮發(fā)分量越多，越易達(dá)到著火所要求的最低揮發(fā)分濃度煤的精確熱分解(簡(jiǎn)稱熱解)特性通常在差熱天平中進(jìn)行：4/8/202322PrinciplesofBoiler對(duì)應(yīng)于(dG/dt)max的溫度Tmax：

是DTG曲線上最大峰值所對(duì)應(yīng)的溫度。該溫度越低，說(shuō)明煤種在較低的溫度下就可以快速釋放出大量的揮發(fā)分。

Tmax是衡量煤種著火難易的一個(gè)重要指標(biāo)。

=1/3對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間：

該溫度區(qū)間越寬，說(shuō)明煤種可以在較寬的溫度范圍內(nèi)快速釋放大量的揮發(fā)分，對(duì)溫度的變化不很敏感，對(duì)穩(wěn)定著火有利。熱解特性指標(biāo)4/8/202323PrinciplesofBoiler熱重分析儀的TG、DTG曲線TGDTG4/8/202324PrinciplesofBoiler(dG/dt)max對(duì)應(yīng)于(dG/dt)max的溫度Tmax4/8/202325PrinciplesofBoiler(dG/dt)max1/3(dG/dt)maxΔT1/34/8/202326PrinciplesofBoiler加熱速率對(duì)熱解特性的影響4/8/202327PrinciplesofBoiler4/8/202328PrinciplesofBoiler幾種煤的燃燒DTG分布曲線4/8/202329PrinciplesofBoiler6、煤的燃燼特性煤粒從著火開始至完全燃燒時(shí)所需的時(shí)間t；從著火開始，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)所燃燼的份額r。燃燼特性通常在差熱天平中通過(guò)TG曲線得到。影響燃燼特性的主要因素：煤種、細(xì)度、燃燒溫度、氧氣濃度4/8/202330PrinciplesofBoiler溫度對(duì)燃燼率的影響時(shí)間(s)燃燼率（%）4/8/202331PrinciplesofBoiler爐膛熱負(fù)荷對(duì)燃燼率的影響燃燒時(shí)間（s）

圖2-13溫度、時(shí)間對(duì)焦碳燃燼率的影響Vdaf=20%Vdaf=30%Vdaf=40%Vdaf=48%未燃燼損失（%）爐膛容積熱強(qiáng)度（MW/m3）

4/8/202332PrinciplesofBoiler爐膛壁溫對(duì)NOx生成及燃燼率的影響4/8/202333PrinciplesofBoiler溫度與不同階段時(shí)的燃燼特性4/8/202334PrinciplesofBoiler溫度與不同階段時(shí)的燃燼特性4/8/202335PrinciplesofBoiler燃燒速率與煤種、燃燒進(jìn)程間的關(guān)系

1#煤2#煤4/8/202336PrinciplesofBoiler

燃燒速率與煤種、燃燒進(jìn)程間的關(guān)系3#煤種4#煤種4/8/202337PrinciplesofBoiler幾種煤的熱重曲線4/8/202338PrinciplesofBoiler三、煤粉氣流的著火與燃燒1煤粉燃燒的一般過(guò)程2煤粉流著火與燃燒的特點(diǎn)4/8/2023Page39PrinciplesofBoiler1、煤粉燃燒的一般過(guò)程煤粉噴入爐內(nèi)后，煤粉粒子經(jīng)歷的過(guò)程：揮發(fā)分的析出、著火燃燒，對(duì)煤粉氣流的著火與燃燒穩(wěn)定性具有重要的影響；焦碳的燃燒過(guò)程決定了煤燃燒過(guò)程的長(zhǎng)短與燃燒效率。

加熱升溫水分析出揮發(fā)分析出揮發(fā)分著火燃燒焦碳著火、燃燒與燃燼。4/8/202340PrinciplesofBoiler（1）煤粉粒子的熱分解熱解的概念及其種類概念：熱分解是指將煤加熱至600K以上溫度時(shí)，煤中的大分子斷裂成小分子或某些官能團(tuán)的化學(xué)鍵斷裂，產(chǎn)生小分子氣態(tài)有機(jī)物質(zhì)的現(xiàn)象或過(guò)程。快速熱分解：加熱速率大于104k/s，且熱解時(shí)間小于1s。對(duì)于100m以下粒徑的煤粉粒子，將其投入高溫爐膛中的加熱時(shí)。慢速熱分解：加熱速率在1～10K/S，熱解時(shí)間達(dá)幾分鐘或幾小時(shí)的過(guò)程。中速熱分解：介于以上兩種之間。如固定床、流化床及工業(yè)分析中的熱分解。種類4/8/202341PrinciplesofBoiler（2）煤粒熱解的主要產(chǎn)物及其物理化學(xué)變化熱分解過(guò)程中煤粒子會(huì)發(fā)生以下變化：

得到的焦碳成為多孔結(jié)構(gòu)，比表面積發(fā)生變化：

(a)溫度越高揮發(fā)分越多內(nèi)孔越多比表面積越大；

(b)因揮發(fā)分的析出，煤有著不同程度的膨脹;(c)當(dāng)快速熱分解時(shí)，煤粉粒子會(huì)產(chǎn)生爆裂現(xiàn)象。

熱解過(guò)程中產(chǎn)生氣態(tài)物質(zhì)的大致次序：4/8/202342PrinciplesofBoiler（3）影響揮發(fā)分?jǐn)?shù)量與產(chǎn)量的因素煤的種類：地質(zhì)年齡短的煤，揮發(fā)分產(chǎn)量高；加熱速率：(當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，主要通過(guò)煤粉粒子的細(xì)度來(lái)體現(xiàn))：速率越高，則產(chǎn)量越高；加熱終溫：終溫越高，則產(chǎn)量越高；加熱時(shí)間：時(shí)間越長(zhǎng)，則產(chǎn)量越高。4/8/202343PrinciplesofBoiler（4）煤粒子的著火機(jī)理與燃燒物理模型煤粒煤粒子周圍揮發(fā)分的濃度較低煤粒子周圍揮發(fā)分的濃度較高，達(dá)到著火所需的最低濃度煤粒子周圍的揮發(fā)分著火燃燒揮發(fā)分火焰焦碳煤粒4/8/202344PrinciplesofBoiler（5）燃燒過(guò)程中煤粒型態(tài)變化物理模型縮核模型：等徑模型：爆裂模型：4/8/202345PrinciplesofBoiler（6）基本結(jié)論小的煤粉顆粒比大顆粒更易于著火；不能熱分解的物質(zhì)，著火發(fā)生表面；完全熱分解的物質(zhì)，著火發(fā)生于氣相；煤粉粒子為部分熱分解物質(zhì)，其著火方式取決于粒徑、揮發(fā)分含量、環(huán)境氧濃度等因素的影響，既可能發(fā)生氣相著火、固相著火、氣固兩相同時(shí)著火。4/8/202346PrinciplesofBoiler2、煤粉氣流著火與燃燒的特點(diǎn)（1）在煤粉流中，煤粉流以兩相流的特點(diǎn)與周圍高溫?zé)煔獍l(fā)生換熱而使煤粉粒子著火燃燒。

傳統(tǒng)的觀點(diǎn)：是對(duì)流換熱為主；

最新的一種觀點(diǎn)：以輻射換熱為主。（2）著火后的煤粉顆粒流，粒子除了與周圍的氣體間發(fā)生對(duì)流換熱外，還有粒子間的輻射換熱。（3）因煤粉流的存在，一旦著火，則存在火焰的傳播。4/8/202347PrinciplesofBoiler（4）著火總是在熱交換最強(qiáng)烈的區(qū)域先發(fā)生，對(duì)于不同的燃燒器，具體如下：在約1500℃的高溫環(huán)境中，典型的煤粉氣流的著火時(shí)間為150～200ms。內(nèi)回流型燃燒器：在中心與外邊緣幾乎同時(shí)發(fā)生著火，有時(shí)中心區(qū)域先發(fā)生著火，其原因是中心回流使加熱溫度快速升高。簡(jiǎn)單直流煤粉燃燒器：著火在最外邊緣首先發(fā)生，然后向軸心傳播發(fā)展。煤粉氣流著火與燃燒的特點(diǎn)4/8/202348PrinciplesofBoiler鈍體煤粉燃燒器著火示意圖4/8/202349PrinciplesofBoiler穩(wěn)燃腔燃燒器出口燃燒器火焰示意圖4/8/202350PrinciplesofBoiler3、煤粉氣流的燃燒穩(wěn)定性（著火與熄火）控制理論的穩(wěn)定性概念

將燃燒室視為一控制系統(tǒng)，當(dāng)這個(gè)系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)(如燃料特性、風(fēng)煤配比、氣流初始溫度等)在一個(gè)有界的范圍內(nèi)變化時(shí)，如果該系統(tǒng)的輸出(如放熱量、燃燒室內(nèi)的溫度等)能維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，即燃燒是穩(wěn)定的。

傳統(tǒng)的穩(wěn)定性概念

即燃料在某一熱力環(huán)境中燃燒時(shí)燃燒過(guò)程能連續(xù)不斷地進(jìn)行，外觀表現(xiàn)為火焰不熄火。

（1）穩(wěn)定性概念4/8/202351PrinciplesofBoiler（a）直流煤粉燃燒器(b)鈍體煤粉燃燒器燃燒穩(wěn)定性（溫度）對(duì)燃料量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)4/8/202352PrinciplesofBoiler（2）燃燒穩(wěn)定性的理論解釋著火溫度理論：

當(dāng)燃料與氧化劑在不同的化學(xué)當(dāng)量配比條件下，其著火溫度是不同的，其內(nèi)

在原因可從反應(yīng)活化能與質(zhì)量作用角度來(lái)解釋。在某一瞬間，燃燒穩(wěn)定的條件為：

Te—燃燒室的環(huán)境溫度；

Ti—燃料的著火溫度。

此時(shí)的穩(wěn)定性指標(biāo)即為燃燒室內(nèi)的溫度水平。

4/8/202353PrinciplesofBoiler著火的熱平衡理論Q1—燃燒放熱量；Q2—燃燒產(chǎn)物與燃燒室壁面間的換熱；V—可