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第五章燃烧理论基础及燃烧设备(共13页).doc

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    • 第五章 煤粉燃烧理论基础及燃烧设备第一节 燃烧的基本理论燃烧一般是指燃料与氧化剂进行的发热与发光的高速化学反应狭义地讲,燃烧是指燃料与氧的剧烈化学反应燃料与氧化剂可以是同一形态的,如气体燃料在空气中的燃烧,称为单相(或均相)反应,燃料与氧化剂也可以是不同形态的,如固体燃料在空气中的燃烧,称为多相(或异相)燃烧一、化学反应速度任何化学反应,均可以用以下的化学计量方程式表示: ( 5—1 )化学反应速度可以用某一反应物浓度减少的速度(反应物消耗的速度)表示,也可以用生成物浓度增加的速度表示,其常用的单位是 mol/(m3•s)按不同反应物或生成物计算在时间t的瞬时反应速度为:(5—2) 化学反应速度不仅取决于参加反应的原始反应物的性质,而且与反应系统的条件有关,重要的条件是:①反应物的浓度;②温度;③压力;④是否有催化反应或连锁反应1、浓度对化学反应速度的影响化学反应速度与浓度的关系可以用质量作用定律来说明根据质量作用定律,对于均相反应,在一定温度下化学反应速度与参加化学反应的各反应物的浓度成正比,而各反应物浓度项的方次等于化学反应式中相应的反应系数。

      对式(5—1)表示的化学反应,其反应速度可表示为:(5—3) 对于炭粒的多相燃烧来说,化学反应是在炭粒的表面进行的,可以认为炭粒的浓度不变化因此,化学反应速度是指单位时间内炭粒表面上氧浓度的变化,即炭粒表面上的耗氧速度,其化学反应速度为: (5—4)质量作用定律说明,在一定温度下而反应容积不变时,增加反应物的浓度即增大反应物的分子数,分子间碰撞的机会增多,所以反应速度加快2、温度对化学反应速度的影响温度对化学反应速度有很大的影响可以用阿累尼乌斯定律表示: (5—5)这样,化学反应速度式(5—4)可写为: (5—6)式(5—6)说明,当反应物浓度不变时,化学反应速度与温度成指数关系,随着温度升高,化学反应速度迅速加快这种现象可这样来解释:化学反应是通过反应物分子间的碰撞而进行的,但并不是所有的碰撞都能引起化学反应,只有其中具有较高能量活化分子的碰撞才能发生化学反应为使化学反应得以进行,分子活化所需的最低能量称为活化能,以表示。

      3、压力对化学反应速度的影响在反应容积不变的情况下,反应系统压力的增高,就以意味着反应物浓度增加了,从而使反应速度加快化学反应速度与反应系统压力的次方成正比, 式中 ——速度反应常数; ——反应物质A的浓度比; ——反应级数4、催化反应如果把少量的催化剂加到反应系统中,使化学反应速度发生变化,则这种作用称为催化作用5、连锁反应连锁反应可以使化学反应自动连续加速进行连锁反应的机理是:在化学反应中,由于某种作用(热力活化、光子作用或者某种激发作用),使反应物形成了初始的活化分子,在某些有利的情况下,活化分子能够使化学反应过程开始出现一系列的中间反应,这些中间反应大都是一些极简单的化学反应在中间反应过程中,同时会产生一些新的活化分子,形成链,这些活化分子需要的活化能又较少,所以一旦形成了活化链,反应就可以自动连续加速进行,直到反应耗尽或连锁中断为止二、氧的扩散速度炭粒与氧的燃烧化学反应是在炭粒表面进行的由于化学反应消耗氧,炭粒反应表面氧浓度小于周围介质中的氧浓度,周围环境的氧不断向炭粒表面扩散氧扩散过程的快慢用氧的扩散速度来反映扩散速度可由下式确定: (5—8)根据传质理论可知,氧的扩散准则为: (5—9)式中 ——氧扩散的努谢尔特准则数; ——燃料颗粒的粒径; ——氧的分子扩散系数。

      由式(5—9)可得: (5—10)根据实验结果: (5—11)式中 ——根据燃烧粒子与主气流相对运动速度计算的雷诺数由式(5—10)、式(5—11)可知,氧的扩散速度不仅与氧的浓度差成正比;还与碳粒直径及气流与碳粒的相对速度有关炭粒燃烧过程中,气流与炭粒的相对速度越大,扰动越剧烈,不仅氧向炭粒表面的供应速度增大,同时燃烧产物离开炭粒表面扩散出去的速度也增大,使氧的扩散速度加快由于碳的燃烧是在炭粒表面进行的,炭粒直径愈小,单位质量炭粒的表面积愈大,与氧的反应面积也愈大,化学反应消耗的氧就愈多,炭粒表面的氧浓度就会降低炭粒表面与周围环境的氧浓度差愈大时氧的扩散速度愈大因此,供应燃烧足够的空气量、增大炭粒与气流的相对速度和减小炭粒直径都可增大氧的扩散速度三、燃烧速度与燃烧区域炭粒的多相燃烧反应由下列几个连续的阶段组成,即(1)参加燃烧的氧气从周围环境扩散到炭粒的反应表面;(2)氧气被炭粒表面吸附;(3)在炭粒表面进行燃烧化学反应;(4)燃烧产物由炭粒解吸附;(5)燃烧产物离开炭粒表面,扩散到周围环境中炭粒燃烧速度是指炭粒单位表面上的实际反应速度。

      炭的多相燃烧速度既决定于氧向炭粒表面的扩散速度和在反应表面上进行的燃烧化学反应,最终决定于其中速度最慢的一个:炭粒表面按完全燃烧反应的化学反应速度,氧向炭粒表面的扩散速度当燃烧过程稳定时,氧的扩散速度与化学反应速度应该相等,并都等于燃烧速度,即 (5—12)此时炭粒表面上氧的供应和消耗达到了平衡,炭粒表面的氧浓度固定不变用取代和,并消去该两式中的,炭粒表面燃烧速度的表达式如下: (5—13)在不同温度下,由于化学反应条件与气体扩散条件的影响不同,燃烧过程可能处于以下三种不同区域(图5—1)1、动力燃烧区当温度较低时(<1000℃), » , ≈,燃烧速度 这意味着燃烧速度主要决定于化学反应动力因素(温度和燃料的反应特性),而与氧的扩散速度关系不大,这种燃烧反应温度区称为动力燃烧区在该燃烧区内,温度对燃烧速度起着决定性的作用因此,提高温度是强化动力燃烧工况的有效措施2、扩散燃烧区当温度很高时(>1400℃), »,则 ≈, ≈由于扩散到炭粒表面的氧远不能满足化学反应的需要,氧的扩散速度已成为制约燃烧速度的主要因素,而与温度关系不大,这种燃烧反应温度区称为扩散燃烧区。

      在扩散燃烧区内,改善扩散混合条件,加大气流与炭粒的相对速度,或减小炭粒直径都可提高燃烧速度3、过渡燃烧区介于上述两种燃烧区的中间温度区,化学反应速度常数与氧的扩散速度系数处于同一数量级,因而氧的扩散速度与炭粒表面的化学反应速度相差不多,这时化学反应速度和氧的扩散速度都对燃烧速度有影响第二节 煤粉气流的着火和燃烧一、煤粉的燃烧过程 (一) 煤粉燃烧的三个阶段 1、着火前的准备阶段着火前的准备阶段是吸热阶段在此阶段内,煤粉气流被烟气不断加热,温度逐渐升高煤粉受热后,首先是水分蒸发,接着干燥的煤粉进行热分解并析出挥发分挥发分析出的数量和成分取决于煤的特性、加热温度和速度着火前煤粉只发生缓慢氧化,氧浓度和飞灰含碳量的变化不大一般认为,从煤粉中析出的挥发分先着火燃烧挥发分燃烧放出的热量又加热炭粒,炭粒温度迅速升高,当炭粒加热至一定温度并有氧补充到炭粒表面时,炭粒着火燃烧2、燃烧阶段煤粉着火以后进入燃烧阶段燃烧阶段是一个强烈的放热阶段煤粉颗粒的着火燃烧,首先从局部开始,然后迅速扩展到整个表面煤粉气流一旦着火燃烧,可燃质与氧发生高速的燃烧化学反应、放出大量的热量,放热量大于周围水冷壁的吸热量,烟气温度迅速升高达到最大值,氧浓度及飞灰含碳量则急剧下降。

      3、燃尽阶段燃尽阶段是燃烧过程的继续煤粉经过燃烧后,炭粒变小,表面形成灰壳,大部分可燃物已经燃尽,只剩少量未燃尽炭继续燃烧在燃尽阶段中,氧浓度相应减少,气流的扰动减弱,燃烧速度明显下降,燃烧放热量小于水冷壁吸热量,烟温逐渐降低,因此燃尽阶段占整个燃烧阶段的时间最长 煤粉气流喷入炉膛后,从燃烧器出口至炉膛出口,沿火炬行程可分为三个区域,即着火区、燃烧区与燃尽区 (二)炭粒的燃烧 炭粒的燃烧机理是比较复杂的,碳粒与氧之间的燃烧属于多相燃烧,其反应是在碳粒表面进行的周围环境中的氧不断向炽热碳粒表面扩散,在其表面进行燃烧,其反应式为: (5—15) (5—16)反应式(5-15)和式(5-16)称为一次反应 其反应生成的二氧化碳和一氧化碳即可通过炭粒周围的气体介质向外扩散出去,又可向炭粒表面扩散向外扩散时遇氧燃烧生成;向炭粒扩散时,在高温下与碳进行汽化反应生成,即 (5—17) (5—18) 反应式(5—17)和式(5—18)称为二次反应。

      应该指出,炭粒的实际燃烧过程是在更为复杂的情况下进行的除上述温度会影响反映进程外,其他因素,如整个过程是否等温、炭粒的几何形状和结构以及炭粒周围气流性质等,也会对反应进程有一定影响因此为强化燃烧过程,必须根据如前所述的三个燃烧阶段的特点和要求,采取不同的方式和措施 二、燃烧过程着火和熄火的热力条件 由缓慢氧化状态转变到高速燃烧状态的瞬间过程称为着火,转变的瞬间温度成为着火温度 煤粉与空气组成的可燃混合物的着火、熄火以及燃烧过程是否稳定地进行,都与燃烧过程的热力条件有关因为在燃烧过程中,必然同时存在放热和吸热两个过程,这两个互相矛盾过程的发展,对燃烧过程可能是有利的,它也可能是不利的,它会使燃烧过程发生(着火)或者停止(熄火)下面以煤粉空气混合物在燃烧室内的燃烧情况,来说明这个问题燃烧室内煤粉空气混合物燃烧时的放热量为 (5—21)在燃烧过程中向周围介质的散热量为 (5—22)根据放热量和散热量随温度的变化曲线(如图5—4)来说明,放热曲线是一条指数曲线,散热曲线则接近于直线。

      在相同的测试条件下,不同燃料的着火、熄火温度不同;而对同一种燃料而言,不同的测试条件也会得出不同的着火温度对煤而言,反应能力愈强(越高,焦炭活化能越小)的煤,其着火温度越低,越容易着火,也越容易燃尽;反之,反应能力越低的煤,例如无烟煤,其着火温度越高,越难于着火和燃尽 从上面的分析可知,要加快着火,可以从加强放热和减少散热两方面着手在散热条件不变的情况下,可以增加可燃混合物的浓度和压力,增加可燃混合物的初温,使放热加强;在放热条件不变时,则可采用增加可燃混合物初温和减少气流速度、燃烧室保温等减少放热措施来实现 三、煤粉气流的着火 在锅炉燃烧中,希望煤粉气流离开燃烧器喷口不远处就能稳定的着火,如果着火过早,可能使燃烧器喷口因过热被烧坏,也易使喷口附近结。

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