第5-燃烧过程的理论基础修改稿.ppt

第五章燃烧过程的理论基础n n 化学反应速度化学反应速度 化学反应速度化学反应速度n 固体燃料的燃烧固体燃料的燃烧 煤燃烧的四个阶段煤燃烧的四个阶段 煤和煤粉的燃烧特点煤和煤粉的燃烧特点n 煤粉气流的着火与燃烧煤粉气流的着火与燃烧 着火与熄火的热力条件着火与熄火的热力条件 煤粉气流的着火及影响因素煤粉气流的着火及影响因素 影响反应速度的因素影响反应速度的因素 焦碳的燃烧焦碳的燃烧 煤粉气流着火热源煤粉气流着火热源 完全燃烧的条件完全燃烧的条件第五章第五章 燃烧理论基础燃烧理论基础2化学反应速度化学反应速度 在反应系统单位体积中物质（反应物或生成物在反应系统单位体积中物质（反应物或生成物) )浓度的变化率，单位是浓度的变化率，单位是mol /mol /（cmcm3 3s s） 对于反应式对于反应式 A A B B G G H H 反应速度为反应速度为 C CA A、C CB B、C CG G、C CH H 分别为反应物分别为反应物A A、B B和生成物和生成物G G、H H的浓度，的浓度，mol/cmmol/cm3 3 、 分别为相应的化学计量系数分别为相应的化学计量系数 燃烧反应是一种发光放热的高速化学反应，同时伴随各种物理过燃烧反应是一种发光放热的高速化学反应，同时伴随各种物理过程程 均相燃烧均相燃烧 燃料和氧化剂物态相同，如气体燃料在空气中燃烧燃料和氧化剂物态相同，如气体燃料在空气中燃烧 多相燃烧多相燃烧 燃料和氧化剂物态不同，如固体燃料在空气中燃烧燃料和氧化剂物态不同，如固体燃料在空气中燃烧 第一第一节化学反化学反应速度速度3一、质量作用定律一、质量作用定律 反映反映浓度浓度对化学反应速度的影响对化学反应速度的影响 对于均相反应，在一定温度下，化学反应速度与参加反应对于均相反应，在一定温度下，化学反应速度与参加反应各反应物浓度乘积成正比，各反应物浓度的幂指数等于其相应各反应物浓度乘积成正比，各反应物浓度的幂指数等于其相应的化学计量系数的化学计量系数 对反应对反应 A A B B G G H H 质量作用定律可用下式表示质量作用定律可用下式表示 式中：式中：k k 为反应速度常数，表示单位物质浓度时的反应速度，为反应速度常数，表示单位物质浓度时的反应速度， 对于一定的化学反应，只取决于温度。

对于一定的化学反应，只取决于温度 在温度不变的情况下，反应物的浓度越高，分子的碰撞机在温度不变的情况下，反应物的浓度越高，分子的碰撞机会越多，化学反应速度就越快会越多，化学反应速度就越快均相反均相反应质量作用定律量作用定律4二、多相燃烧反应二、多相燃烧反应 在在固固体体表表面面进进行行，固固体体燃燃料料浓浓度度不不变变（C CA A= =常常数数），故故多多相相反反应应速度速度w w是指在单位时间、单位表面上反应物（气相）浓度的变化率是指在单位时间、单位表面上反应物（气相）浓度的变化率 式中式中 f fA A单位容积两相混合物中固相物质的表面积；单位容积两相混合物中固相物质的表面积； C CB B气相反应物质的浓度，气相反应物质的浓度，mol/mmol/m3 3第一节第一节 化学反应速度化学反应速度5 三、三、阿氏定律阿氏定律 反映温度对化学反应速度的影响反映温度对化学反应速度的影响 反应物浓度不变时，反应物浓度不变时，反应速度常数反应速度常数k k 随温度变化的关系随温度变化的关系 式中式中 k k0 0频率因子，近似为一常数频率因子，近似为一常数 R R、T T、 E E 通用气体常数、热力学温度、活化能通用气体常数、热力学温度、活化能 第一节第一节 化学反应速度化学反应速度6活活化化能能 E E 能能够够破破坏坏原原有有化化学学键键并并建建立立新新化化学学键键所所必必须须消消耗耗的的能能量量，具具有有活活化化能能的的分分子子为为活活化化分分子子。

活活化化能能 E E与与反反应应物物种种类有关，挥发分含量小的煤，类有关，挥发分含量小的煤，E E大大在在一一定定的的温温度度下下，活活化化能能E E越越大大，则则反反应应速速度度常常数数k k值值越越小小，反反应应速速率率越越小小；而而在在一一定定的的活活化化能能E E下下，温温度度越越高高，则则反反应应速速度度常数常数k k值越大，反应速率越大值越大，反应速率越大阿累尼乌斯定律阿累尼乌斯定律Kg/(m2.s.Pa)7在在反反应应容容积积不不变变的的情情况况下下，反反应应系系统统压压力力增增高高，就就意味着反应物浓度增加，化学反应速度增加意味着反应物浓度增加，化学反应速度增加 压力对反应速度的影响压力对反应速度的影响8n 预预热热干干燥燥 煤煤被被加加热热至至100100左左右右，煤煤粒粒表表面面及及煤煤粒粒缝缝隙隙间间的的水水被被逐逐渐渐蒸蒸发发出出来来大大量量吸吸热热 n 挥挥发发份份析析出出并并着着火火 温温度度升升至至一一定定值值，煤煤中中挥挥发发分分析析出出，同同时时生生成成焦焦碳碳（固固定定碳碳）挥挥发发分分的的释释放放量量及及成成分分主主要要取取决决于于升升温温速速度度。

不不同同的的煤煤，开开始始析析出出挥挥发发分分的的温温度度不不同同，达达到到一一定定温温度度，析析出出的的挥挥发发分分就就着着火火、燃燃烧烧对对应应的的温温度度称称煤煤的的着着火火温温度度，不不同同煤煤的的着着火温度不同火温度不同少量吸热少量吸热 第二节煤燃烧过程的四个阶段第二节煤燃烧过程的四个阶段9n 燃燃烧烧 挥挥发发份份首首先先燃燃烧烧造造成成高高温温，包包围围焦焦炭炭的的挥挥发发分分基基本本烧烧完完且且燃燃烧烧产产物物离离析析后后，碳碳开开始始着着火火、燃燃烧烧大量放热大量放热n 燃燃尽尽 残残余余的的焦焦炭炭最最后后燃燃尽尽，成成为为灰灰渣渣燃燃尽尽阶阶段的燃烧反应进行缓慢，易造成段的燃烧反应进行缓慢，易造成Q4Q4；少量放热少量放热上上述述各各阶阶段段实实际际是是交交叉叉进进行行的的；其其中中着着火火和和燃燃尽尽是是最最重要的两个阶段，着火是前提，燃尽放热是目的重要的两个阶段，着火是前提，燃尽放热是目的 煤燃烧过程的四个阶段煤燃烧过程的四个阶段10n 煤粉气流的着火煤粉气流的着火 由缓慢的氧化状态转化到快由缓慢的氧化状态转化到快速的燃烧状态的瞬间过程称为着火，转变时的瞬间温速的燃烧状态的瞬间过程称为着火，转变时的瞬间温度称为度称为着火温度着火温度n 煤粉气流着火、熄火的热力条件煤粉气流着火、熄火的热力条件 煤煤粉粉气气流流燃燃烧烧时时要要放放出出热热量量，同同时时又又向向周周围围介介质质散散热热。

这这两两个个互互相相矛矛盾盾过过程程的的发发展展，可可能能使使燃燃烧烧过过程程发发生生（着着火）或者停止（熄火）火）或者停止（熄火）第三节着火和熄火的热力条件第三节着火和熄火的热力条件11p 燃烧过程中向周围介质的散热量燃烧过程中向周围介质的散热量Q Q2 2为为式中式中 V V、 F F 分别为煤粉空气混合物容积和燃烧室壁面面积分别为煤粉空气混合物容积和燃烧室壁面面积 混合物向燃烧室壁面的综合放热系数混合物向燃烧室壁面的综合放热系数 T T、 T Tb b 分别为反应系统温度和燃烧室壁面温度分别为反应系统温度和燃烧室壁面温度 p 燃烧室内煤粉空气混合物燃烧时的放热量燃烧室内煤粉空气混合物燃烧时的放热量Q Q1 1为为第三节第三节 着火和熄火的热力条件着火和熄火的热力条件12放热曲线放热曲线Q Q1 1是一条指数曲线，散热曲线是一条指数曲线，散热曲线Q Q2 2接近于直线接近于直线点点2 2对应的温度即为着火温度对应的温度即为着火温度T Tzhzhn T Tb b=T=Tb1b1（很低），散热线（很低），散热线 与与 Q Q1 1交点交点1 1为稳定平衡点，煤粉处于为稳定平衡点，煤粉处于低温缓慢氧化状态低温缓慢氧化状态n T Tb b=T=Tb2 b2 ，散热线，散热线 与与 Q Q1 1交点交点2 2为不稳定平衡点，只为不稳定平衡点，只要稍增加系统的温度，要稍增加系统的温度， Q Q1 1 Q Q2 2 ，反应，反应将自动加速过渡到点将自动加速过渡到点3 3高温稳定平衡点，高温稳定平衡点，此时，只要保证煤粉和空气的不断供应，此时，只要保证煤粉和空气的不断供应，最后将稳定在高温燃烧状态最后将稳定在高温燃烧状态煤粉气流的着火温度煤粉气流的着火温度13 T Tzhzh 、T Txhxh是在一定测试条件下的相是在一定测试条件下的相对特征值，对特征值， T Txhxh大于大于T Tzhzh。

强化着火的措施强化着火的措施 在散热条件不变的情况下，增加可在散热条件不变的情况下，增加可燃混合物的初温、浓度和压力，加强放燃混合物的初温、浓度和压力，加强放热热 在放热条件不变时，提高燃烧室的在放热条件不变时，提高燃烧室的保温，减少放热保温，减少放热 n T Tb b=T=Tb2b2、强化散热，散热线、强化散热，散热线 与与 Q Q1 1 交点交点4 4为不稳定平衡点，只要反应系统温度稍降低，为不稳定平衡点，只要反应系统温度稍降低， Q Q1 1 Q Q2 2 ，反应系统温度急剧下降过渡到点，反应系统温度急剧下降过渡到点5 5低温稳定平衡点，此低温稳定平衡点，此时，煤粉只能产生缓慢地氧化，而不能着火和燃烧，从而使燃烧时，煤粉只能产生缓慢地氧化，而不能着火和燃烧，从而使燃烧过程中止（熄火）过程中止（熄火）点点4 4对应的温度即为熄火温度对应的温度即为熄火温度T Txhxh 煤粉气流的熄火温度煤粉气流的熄火温度14n 煤煤中中含含有有水水分分 煤煤的的燃燃烧烧过过程程中中，水水蒸蒸气气很很易易和和C C及及燃燃烧烧产产物物COCO作作用用，生生成成COCO2 2和和H H2 2，H H2 2再再与与COCO或或COCO2 2反反应应。

这这种种催催化化作作用用，使使燃燃烧烧反反应应更更加加复复杂杂并并改改变变化化学学反应速度反应速度n 煤煤中中含含有有挥挥发发分分挥挥发发分分在在燃燃烧烧初初期期由由于于其其能能够够在在低低温温下下析析出出并并燃燃烧烧，释释放放出出大大量量的的热热量量，提提高高反反应应系系统统的的温温度度，对对煤煤的的着着火火燃燃烧烧有有利利；但但另另一一方方面面，挥挥发发分分析析出出燃燃烧烧，消消耗耗了了大大量量氧氧气气，并并增增加加了了氧氧气气向向煤煤粒粒表表面面的的扩扩散散阻阻力力，使使燃燃烧烧过过程程的的初初期期焦焦碳碳的的燃燃烧烧速速度度下降下降煤的燃烧特点煤的燃烧特点15n 煤煤中中含含有有矿矿物物杂杂质质 在在燃燃烧烧过过程程会会生生成成灰灰，灰灰层层包包裹裹着着碳碳粒粒，会会妨妨碍碍氧氧向向碳碳粒粒表表面面的的扩扩散散，或或使使碳粒反应表面减少，使燃烧难以进行，燃尽困难碳粒反应表面减少，使燃烧难以进行，燃尽困难n 煤煤是是一一种种多多孔孔性性物物质质 它它受受热热时时产产生生的的水水蒸蒸气气和和挥挥发发分分，不不但但向向煤煤粒粒表表面面四四周周的的空空间间扩扩散散，而而且还会向煤粒的内部空隙扩散且还会向煤粒的内部空隙扩散. .煤的燃烧特点煤的燃烧特点16锅锅炉炉燃燃用用煤煤粉粉的的颗颗粒粒很很小小（3030100m100m），炉炉膛膛温温度度又又很很高高，煤煤粉粉在在炉炉膛膛中中的的加加热热速速度度可可以以达达到到（10104 4/s/s或或更更高高），总总的的挥挥发发分分释释放放时时间间小小于于1 1秒秒，而而且且挥挥发发分很快地由炭粒表面逸出分很快地由炭粒表面逸出 n 煤粉快速加热时，煤粉快速加热时，挥发分析出、挥发分析出、着火和碳的着火燃烧几乎是同时的，着火和碳的着火燃烧几乎是同时的，其中极小的煤粉甚至可能先着火燃其中极小的煤粉甚至可能先着火燃烧烧 n 四个阶段不明显，挥发分析出四个阶段不明显，挥发分析出过程几乎延续到燃烧的最后阶段过程几乎延续到燃烧的最后阶段煤粉火焰中挥发分的析出曲线 第六节煤粉的燃烧特点第六节煤粉的燃烧特点17煤粉气流着火热源煤粉气流着火热源 煤粉气流卷吸回流的高温烟气；火焰、炉墙等煤粉气流卷吸回流的高温烟气；火焰、炉墙等对煤粉的辐。