华北电力大学锅炉原理课件第五章燃烧过程及理论基础

1、1,第五章 燃烧理论基础,2,复 习,1，几种热损失。为了减小热损失，锅炉燃烧需要作到： 稳定着火、快速燃尽。 2，为实现该目的，需寻找强化燃烧的方法，这就要认 识燃烧过程的本质。从而，需要学习基础燃烧理论,3,前言 燃烧概述,一、燃烧本质 燃烧是气体、液体或固体燃料与氧化剂之间发生的一种强烈的化学反应； 流动、传热、传质和化学反应同时发生有相互作用的综合现象； 典型的物理化学过程； 化学反应动力学、流体力学、传热传质学是研究燃烧反应过程的基础知识,4,二、燃烧学的发展历史,直至18世纪中以前，发展缓慢，对燃烧现象的本质几乎一无所知。 之后：燃素的概念出现（物质是否燃烧被归于是否含有燃素） 1

2、765年燃烧是物质的氧化（燃烧理论的萌芽） 19世纪出现热化学和化学热力学（将燃烧作为热力学系统，考察其初态和终态，静态特性的研究,5,20世纪初燃烧反应动力学（研究燃烧过程的动态过程的理论） 3040年代火焰传播的概念湍流燃烧理论（认识燃烧过程的限制因素往往不是反应动力学，而是传热传质，即受限于物理过程） 5060年代德国人Von Karmen（对宇航也有巨大的贡献）提出用连续介质力学来研究燃烧，称为化学流体力学或反应流体力学,6,将经典流体力学的方法、边界层、射流理论等应用与研究燃烧 70年代初，大型电子计算机出现，形成计算流体（计算燃烧）学，建立了燃烧的数学模拟方法和数值计算方法； 激光

3、测量技术的出现，使精密测量成为现实。 基本理论+数学模型和数值计算+先进的测量技术,7,三、当代对燃烧应用的要求,要求燃烧不断强化和趋于更高能量水平； 探讨高温、高压、高速、强湍流条件下的燃烧 要求燃烧过程高效率，节省燃料等； 洁净燃烧，减轻环境污染 火灾的起因与防治,8,第一节、燃烧反应速度及其影响因素,燃烧反应和化学反应一样，根据参加反应的物质不同分为,9,一、反应速度的定义,根据质量作用定律，反应速度有不同的定义方式： 第一种定义：单位时间内和单位体积内燃烧掉的燃料量或消耗的氧量,10,举例： 在锅炉燃烧技术采用炉膛容积热负荷来表示燃烧反应速度： 单位时间内和单位体积内燃烧掉的燃料所释放

4、出的热量,11,在一定的温度下，化学反应速度和各反应物的浓度成正比 1867年由Guldberg和Wage提出 对均相反应： A+A+A+A+ +A + B+B+B+B+B+ +B,第二种定义,12,对于异相反应煤粉与空气混合物,13,二、影响化学反应速度的主要因素,1，浓度 从前面反应速度的定义式，可知：浓度越大，反应速度越快。 原因：燃烧反应属双分子反应，只有当两个分子发生碰撞时，反应才能发生。浓度越大，即分子数目越多，分子间发生碰撞的几率越大,14,2压力,气态物质参加的反应，压力升高，体积减少，浓度增加，压力对化学反应速度的影响与浓度相同。 对理想气体混合物中的每个组分可以写出其状态方

5、程,15,3温度,3.1 阿累尼乌斯定律 温度增加，反应速度近似成指数关系增加，体现在反应速度常数 阿累尼乌斯定律(瑞典物理化学家1889年提出,16,3.2 阿累尼乌斯定律的讨论-活化分子、活化能,气体分子的运动速度、动能有大有小； 动能超过某一数值（活化能E）足以破坏原有结构发生反应的分子称为活化分子； 分子发生反应，要提高能量，每摩尔气体分子所吸收的这部分能量-活化能E； 化学动力学的基础,17,18,19,第三节 热力着火,一热力着火理论的实用性 煤粉燃烧过程的着火主要是热力着火 着火过程有两层意义：一是着火是否可能发生？二是能否稳定着火,20,二、实现稳定着火的两个条件 可燃混合物燃

6、烧过程的发生与停止，即着火与灭火，燃烧能否稳定地进行，取决于燃烧过程中所提供的热力条件。 燃烧中同时存在着放热和散热，在不同的阶段存在着二者的不同工况,21,A、放热量和散热量达到平衡，放热量等于散热量。 B、放热量随系统温度的变化率大于散量热随系统温度的变化率。 如果不具备这两个条件，即使在高温状态下也不能稳定着火，燃烧过程将因火焰熄灭而中断，并不断向缓慢氧化的过程发展,22,三、热力着火的条件,放热散热，系统升温，反应加速，但同时散热也在增加，必达到平衡； 放热散热，系统降温，反应减速，但同时散热也在减少，也必达到平衡； 系统在不同条件下达到不同的平衡状态， 可能是有利的，燃烧稳定在正常工

7、况， 可能是不利的，燃烧处于熄火状态,23,1、放热与散热曲线,以强烈掺混的零维系统（煤粉空气混合物在燃烧室内）为例说明： 1放热与温度的关系， 燃烧室内可燃混合物燃烧放热量为,24,2散热与温度的关系 加热混合物本身所消耗并带走的热量： 向周围介质散失的热量（对流+辐射,25,26,四、可燃混合物着火与灭火分析,将两组曲线综合在一起，可能存在以下三种情况： 1）熄火状态； 2）可能着火，正常燃烧；也可能熄火； 3）正常燃烧,27,五、关于着火温度的说明,着火温度不是物性参数，随所处热力条件的变化而不同， 各种实验方法所测得的着火温度值的出入很大，过分强调着火温度意义不大， 如，褐煤堆，如果通

8、风不良，接近于绝热状态，孕育时间长，着火温度可低于大气温度,28,着火温度的概念可以使着火过程的物理模型大大简化。 严格上，只说着火的临界条件或着火条件：使系统在某个瞬时或空间某部分达到高温的反应状态。 实现这一过渡过程的初始条件或边界条件为着火条件,29,30,六、放热反应与吸热反应,随反应的进行，放出能量，抵偿E后，多余的为反应热（发热量） 放热反应 反之为吸热反应 活化能小，化学反应速度较快， 当E4104kJ/mol，极慢,31,第三节、链式反应（连锁反应,一、链式反应理论的产生 许多化学反应，几乎所有的燃烧反应，均不简单地服从 质量作用定律和阿累尼乌斯定律。 如：氢气与空气的反应 在

9、某些温度和压力下爆炸，在另一些温度和压力下不爆 炸，如：冷焰，低温时，磷、乙醚的蒸汽氧化,32,二、链式反应原理,活化来源在反应过程中产生，中间产物活化中心， 活化中心与反应物分子发生反应，本身消失，反应的结果又产生新的活化中心 通过活化中心进行反应要比原作用物直接反应容易得多，只需较少的活化能,33,三、链式反应的分类,新的活化中心的数目等于或大于原有的活化中心的数目,34,四、氢气与空气的反应分支链式,爆炸反应 反应开始 H原子为活化中心，M为任何活化分子 中间反应 一个H参加反应，经过一个链后形成H2O，又同时产生三个H活化中心，再引起三个分支反应,35,五、分支链式反应的特点,1、存在

10、孕育期（诱导期，感应期），当活化中心积累到一定程度，才发生反应。 2、反应自动加速，并可以在等温下加速到极大的数值,36,第五节 火焰传播,一火焰传播理论的实用性 燃料燃烧过程中，火焰的稳定性与火焰传播速度关系极大。电厂燃烧系统的安全运行也与火焰传播速度关系密切。例如，煤粉管道中某一处着火后，火焰迅速蔓延、扩散，导致制粉系统着火或爆炸。 了解火焰传播的知识，有助于掌握燃烧过程的调整要领，对稳定着火和防止爆燃极为重要,37,二、火焰传播的形式,层流火焰传播 缓慢燃烧的火焰传播是依靠导热或扩散使未燃气体混合物温度升高。层流火焰传播速度一般为20100cm/s。 湍流火焰传播 一般为 200cm/s

11、以上,38,三、炉膛内的火焰传播,1正常的火焰传播（缓慢燃烧） 是指可燃物在某一局部区域着火后，火焰从这个区域向前移动，逐步传播和扩散出去 2反应速度失去控制的高速爆炸性燃烧 出现爆炸性燃烧时，火焰传播速度极快，达10003000m/s，温度极高，达 6000；压力极大，达 2.0265Pa (20.67大气压)。 3正常燃烧向爆炸性燃烧的转变 当未燃混合物数量增多时，绝热压缩将逐渐增强，缓慢的火焰传播过程就可能自动加速，转变为爆炸性燃烧,39,四、煤粉气流火焰传播速度的影响因素,挥发分含量 灰分、水分 煤粉细度 炉膛温度,40,41,第六节 煤粉的燃烧,一、煤粉的燃烧过程 煤粉受热，水分析出

12、继续受热，绝大部分挥发分析出，挥发分首先着火引燃焦碳，并继续析出残余的部分挥发分，挥发分与焦碳一道燃尽形成灰渣,42,二、煤粉的燃烧时间,着火过程主要取决于煤中可燃基挥发分的大小，而燃尽过程主要取决于焦碳的燃烧速度,43,三、煤粉燃烧的主要特征,煤粉颗粒必须首先吸热升温，通过对流、辐射、热传导方式使新鲜燃料受热升温。 煤粉颗粒中水分首先析出，大约在120-450的温度范围内，煤中的挥发分析出，挥发分析出后，剩余的固态物形成焦碳,44,45,一、煤燃烧的主要阶段 挥发份释放及大部分烧掉所占时间约为总燃烧时间的十分之一，绝大部分时间为焦碳的燃烧。 一般认为是串联，也有交叉过程,第七节 碳粒燃烧的动

13、力区、扩散区和过渡区,46,一、碳燃烧的反应环节,大致分为几个串联环节： 1）氧气扩散到焦碳表面； 2）氧气被碳表面吸附； 3）在碳表面化学反应 4）燃烧产物由焦碳表面解吸， 5）二氧化碳向周围扩散。 碳反应速度决定于（1）和（3）， 总体速度决定于二者较慢的一个,47,二、燃烧反应的动力区和扩散区,描述 异相燃烧过程中混合扩散与化学反应环节,48,1碳粒表面化学反应速度表达式 异相化学反应：碳表面发生化学反应所消耗氧量应等于扩散到表面氧量 二者相等,49,固体表面氧气浓度Cb随化学反应速度不同而变化的关系复杂，且不必知道 不同反应区域分析 动力与扩散燃烧理论,50,1）动力区（化学动力控制区

14、） 温度较低：碳表面化学反应速度远小于氧气向表面的扩散速度，氧气供应充分，足够反应所需。燃烧速度取决于化学反应速度，反应处于动力区。 K很小（温度很低），1/k很大，所以 氧气从远处扩散到固体表面，消耗不多 k服从阿定律的， 与k的规律一样,51,2）扩散区（扩散控制区） 温度增加，k急剧增大，耗氧量急剧增加，消耗掉扩散来的氧 气，还处于“待料”，燃烧速度取决于扩散，反应处于扩散区。 k很大（温度很高），1/k很小，所以， 与温度T的关系十分微弱，而且扩散燃烧速度随 的增大而增大,52,3）过渡区 k与大小相差不多，服从,53,54,55,动力与扩散燃烧理论应用讨论,不同温度区域内，为提高反应

15、速度，有不同的措施： 温度较低时，提高燃烧速度的关键： 提高温度，氧气很充足，不必大量鼓风； 温度较高时，提高燃烧速度的关键： 提高 ，缺氧是关键，要提高出力，应大量鼓风,56,第八节碳粒的一次反应和二次反应机理,一、碳粒一次反应机理 将碳和氧气之间的直接反应称为一次反应。一次反应产物继续发生的化学反应称为二次反应,57,1、温度在1300以下时的反应 第一步是形成碳氧络合物。即被碳粒所吸附的氧分子溶入碳粒晶格中，形成碳氧络合物： (5-24,58,第二步是碳氧络合物的离解。即在高能量氧分子撞击下，碳氧络合物发生离解,59,以上两个方程式相加,60,2、温度在1600以上时的反应,第一步仍然是形成碳氧络合物。 第二步同样是碳氧络合物在高温下受热分解： 以上两式相加,61,3、温度范围在13001600之间时的反应,由于同时存在氧分子溶于碳粒晶格和在晶格边界上化学吸附。和的比例取决于和的综合作用。在常压下，若碳粒表面氧浓度不很大时