燃烧理论基础

燃烧理论基础第一节炉内燃烧过程的主要问题一、炉内燃烧与派生的问题锅炉运行中，首要问题是燃料的燃烧：燃烧过程中，最主要的是着火、燃尽这两步：伴随燃料燃烧过程的不断进行．在炉膛内还将派生一系列其他问题。这些问题是：(1)受热面积灰、结渣；(2)氧化氮等污染物的生成；(3)受热面金属表面的高温腐蚀；(4)蒸发受热面中水动力的安全性；(5)火焰在炉膛容积中的充满程度。二、炉内燃烧过程燃料的燃烧过程：1、首先取决于燃料自身的燃烧特性。燃烧特性：是指燃料的着火特性、燃尽特性和灰渣特性。2、同时，燃料的燃烧过程还与许多外部条件有关。例如：炉内温度水平、空气与燃料的混合比例、配风方式、燃料-空气的混合物与炉内高温烟气的热量交换、燃料燃烧时的放热速度、燃烧放热量、水冷壁的吸热能力等。

上述因素交织在一起，影响着燃料的着火、燃尽以及结渣等过程。可见，燃料的燃烧过程是一种十分复杂的物理、化学现象的发生与发展过程。由于各种燃料燃烧特性差别很大，其燃烧过程发展的差异也随之增大。对于固体燃料，其燃烧过程大致要经历以下几个阶段：(1)燃料的干燥与加热；(2)挥发物的析出与焦炭的形成(3)挥发物的着火与燃烧；(4)焦炭的着火燃烧；(5)灰渣的形成。

上述过程通常不是孤立进行的，即几个过程可能同时进行，相互影响。因而，实际的燃烧过程通常是按下述规律进行的：对于煤粉炉，当煤粉与空气的混合物进入炉内后，1、首先从高温烟气中吸收热量而升温；此时．煤粉中一部分挥发分开始释放出来，并继续加热新煤粉；当新燃料和空气的混合物拥有足够的着火热量时．最初析出的一部分挥发分首先开始着火；2、接着是残余挥发分的继续燃烧与焦炭的着火燃烧同时进行着；燃料燃烧过程中，不断释放热量，使炉膛升温，并促进燃烧过程加速发展；直到燃烧结束时，焦炭亦全部燃尽；最终形成灰渣。

保证燃料在炉膛内完全燃尽的条件：—

是着火要及时、稳定；二是要控制燃烧速度并使燃料在炉内有足够的燃烧时间。稳定着火是燃烧过程的良好开端，充分燃尽是实现锅炉经济燃烧的关键。锅炉炉内的燃烧过程是由燃烧设备实现的。燃烧设备：包括炉膛和燃烧器。为适应煤种变化、锅炉负荷变化、降低污染物的生成量、低负荷下不投油或少投油等需要．新型燃烧设备具有灵活、多种的调节手段。因此，要求运行人员掌握新设备、新技术的特点，同时掌握必要的燃烧理论知识，才能正确组织运行中的燃烧调整，这是保证锅炉安全经济运行的必备条件之一。三、结渣问题如何防止炉膛受热面结渣，无论对锅炉设计，还是对运行来说，既是重点，又是难点。结渣是由于燃料中的灰分引起的。积灰：燃料的灰分是由多种杂质化合而成，这些杂质虽然不能燃烧，但在高温火焰中可以熔化。在锅炉正常运行状态下，熔融的灰在贴近水冷壁时，被冷却而形成固态的灰或灰渣，细灰粒可能吸附在受热面上，形成积灰；大块渣从炉底冷灰斗落下，称为固态排渣。结渣：当熔融的灰渣接近受热面时，末被冷却凝固，并与受热面相碰，大块渣积聚在受热面外壁上，这时便形成了“结渣”现象。

1．积灰和结渣对锅炉运行的危害积灰和结渣对锅炉运行的危害是相当严重的，根据运行经验，归纳为下述几个方面；(1)使炉内传热变差，加剧结渣过程。水冷壁结渣后：1、由于灰渣层导热系数极小，即热阻很大．火焰辐射给受热面的热量不能及时传给管内工质，而聚集在灰渣层，使灰渣层表面温度急剧上升，高温烟气贴近灰渣层表面时，不能充分冷却，这就进一步加剧了结渣过程，产生了恶性循环。2、同时，水冷壁积灰、结渣严重时，还会使蒸发量减少。(2)炉膛内结渣或积灰时，炉膛出口烟温将升高，引起蒸气温度偏高或热偏差增大。(3)水冷壁积灰、结渣较多时，多数并发高温腐蚀。发生高温腐蚀的最重要的内在原因是燃料中的含硫量；而外部原因是由于水冷壁管处于高温烟气的环境中，壁面温度又很高，当火焰贴近炉墙时，壁面邻近的区域中形成还原性气氛，使灰的熔点温度降低，加剧结渣过程。并使管子表面产生高温腐蚀。腐蚀严重的现象通常出现在燃烧器区域。(4)使锅炉效率降低。受热面积灰，结渣后，各段受热面出口烟温相应提高，使排烟损失增大。炉内水冷壁结渣时，还有可能引起炉膛出口处的受热面结渣，致使锅炉不能满负荷运行，甚至被迫停炉。

(5)结渣严重时，大块渣落下，可能砸坏炉底水冷壁，造成恶性事故。

2．防止受热面结渣的办法防止受热面结渣，主要从以下两方面入手：

(1)炉内应有足够的受热面来冷却烟气，使烟气贴近受热面时，烟气温度降低到灰的熔点温度以下，即保证灰渣贴近受热面时被凝固。

(2)保证火焰不要直接冲刷受热面，因而要求合理组织燃烧，良好的空气动力工况。当然，结渣强弱的决定性因素，主要是煤中灰分的熔点温度，这又与灰的组成成分密切相关。

四、火焰充满度在组织与调整燃烧时，应同时注意组织好炉内气流的流动，确保火焰在整个炉膛容积具有较高水平的充满度，减少气流的死滞漩涡区域。因为死滞漩涡区的存在会给锅炉运行带来下述问题：

(1)炉膛容积利用不好，减少烟气的有效流通截面，使局部烟速提高，缩短燃料燃烧时间在炉内的停留时间。燃料在炉内的时间缩短，就会降低燃烧效率。在死滞漩涡区，还常常出现受热面积灰现象。

(2)造成热偏差。因为火焰充满度影响着炉内温度场分布，进而影响到传热，其结果不但使水冷壁吸热不均，使水循环处于不利条件，还会使炉膛出口烟温偏离正常值，引起过热器热偏差增大，导致过热器超温，这时运行调节将会十分困难和复杂，甚至迫使锅炉降负荷运行。五、受热面金属表面的高温腐蚀受热面金属表面的高温腐蚀问题将在第八章第七节叙述六、污染物的控制从保护环境的角度出发，还要求控制锅炉燃烧产物的生成量，从而控制烟气中污染物的排放量，达到达一目标，既经济又有效的手段是通过改变燃烧方式和燃烧技术来实现。烟气中的污染物包括氢氧化物NOx及由烟气中的SO3、SO2产生的硫酸蒸汽H2SO4、CO2以及粉尘等。国内有的电厂已经采用排烟脱硫装置，而降低烟气中的NOx主要是采用分级配风的燃烧技术。

本节先介绍有关生成NOx的简单机理。

NOx的生成机理有三种：温度型NOx，燃料型N0x，快速温度型N0x。

(1)温度型N0x：是指空气中的氮在超过1500℃的高温下，发生氧化反应．温度越高，NOx的生成量越多。如果局部区域的火焰温度很高，将产生大量N0x，这部分NOx占NOx总量的l0％一20％。要减少温度型NOx，就要求燃烧处于较低的燃烧水平，同时要求燃烧中心各处的火焰温度分部均匀。分级配风能沿火焰行程适量，分散送入空气恰好能满足这种需求。(2)燃料型NOx：是指燃料中的氮受热分解和氧化生成Nox，进一步说，主要指挥发分中的氮化合物生成NOx，其占NOx总量的80％一90％，这部分N0x在燃烧器出口处的火焰中心生成。由于大部分煤粒中的挥发分在30一50ms内析出，当煤粉气流的速度为10-15m／s时，挥发分析出的行程小于1m。要控制该区域中NOx的生成量，就应控制燃料着火初期的过量空气系数。采用双调风燃烧器能形成富燃料区，使煤粉在开始着火阶段处于缺氧状态，挥发分生成的一部分NOx被还原，这样实际生成的NOx数量大为减少。但是在富燃料区，由于煤粒处于弱还原性气氛中燃烧，煤中某些矿物质的熔点降低，可能使结渣倾向增加。

(3)快速温度型NOx：是指空气中的氮和碳氢燃料先在高温下反应生成中间产物N、NCH、CN

等，然后快速与氧反应，生成NOx这部分NOx

占NOx总量的5％。图4—1表示了煤粉燃烧过程中NOx的生成量与炉膛温度的关系。第二节燃烧过程的基础理论

一、燃烧理论的主要内容学习燃烧理论的目的是为了了解认识燃烧过程的本质及掌握燃烧过程的主要规律，以便控制燃烧过程的各个阶段和使其按照人们要求的速度进行。燃烧理论解决的问题有如下几项。

(1)判断各种燃料的着火可能性，分析影响着火的内因条件与外因条件以及着火过程基本原理，保证燃料进入炉内后尽快稳定地着火和燃烧过程顺利进行。(2)研究如何提高燃料的燃烧速度，使一定量的燃料在有限的空间和时间内尽快燃烧，分析影响燃烧速度的内因条件与外因条件，以及燃尽过程的基本原理，提出加速燃烧反应、提高燃烧效率的途径。

(3)燃烧理论来源于生产实践和科学试验，反过来又指示出燃烧技术进步与发展的方向。二、燃烧反应速度Ⅰ、燃烧：指燃料中的可燃元素和空气中的氧的强烈化学反应，放出大量热量的过程Ⅱ、分类：a)均相燃烧：燃料与氧化剂属同一形态，如气体在空气中的燃烧，其燃烧速度指单位时间内参加燃烧反应物质的浓度变化率b)多相燃烧：燃料与氧化剂不属同一形态，如，固体及油在空气中燃烧，其燃烧速度指单位时间内参与反应氧浓度变化率（因C浓度不变）Ⅲ、碳粒燃烧：

C+O2→CO2→→2C+O2→2CO→一次反应，其反应生成的CO2

和CO称为一次产物这些燃烧产物通过炭粒周围的气体介质扩散出去，也可能被炭粒表面从气体介质中重新吸附过来→则CO2与C进行气化反应生成CO→而在靠近炭粒表面的气体边界层中发生CO燃烧生成CO2，即C+CO2→CO→→2CO+O2→2CO2→二次反应，生成的CO和CO2成二次产物不同温度下，上述反应以不同的方式组合成炭粒的燃烧过程，见图5-1(a)T＜1200℃(b)T＞1200℃

当T＜1200℃时，燃烧反应式为：

4C+3O2→2CO+2CO2

由于温度较↓→在炭粒表面生成的CO2不能进行

C+CO2→CO的气化反应→而CO从炭粒表面向外扩散途中与O2相遇即行燃烧→只有与CO燃烧后剩余的O2才能扩散到炭粒表面炭粒表面生成的CO2和CO燃烧生成的CO2一起向周围环境扩散出去，炭粒表面周围O2浓度和燃烧产物浓度变化如图5-1（a）

当T＞1200℃时，炭粒燃烧反应如下：

3C+2O2→2CO+CO2由于T↑→加速了炭粒表面的反应→生成更多的CO→→→气化反应因T↑而显著地进行（C+CO2→CO）→→CO在向外扩散途中遇到远处向炭粒表面扩散的O2而产生燃烧，并将O2全部消耗掉→反应生成的CO2同时向炭粒表面和周围环境两方扩散见图5-1（b）由图5-1可看出，在离炭粒表面一定距离处→CO2达最大值→从周围环境扩散来的O2不断被消耗，炭粒表面缺O2或O2量不足，将限制燃烧过程进一步发展上述说明：碳粒的燃烧主要包括两个过程：

1）扩散过程，即O2扩散到碳粒表面和反应生成物从碳粒表面扩散离开

2）碳粒表面的化学反应过程。碳粒燃烧过程的快慢决定这两过程中较慢者碳粒的燃烧过程反应了煤粒的燃烧过程→其燃烧速度的快慢既取决于燃烧过程中化学反应时间的快慢（即化学反应速度），也取决与氧化剂供给燃料时间的快慢（即物理扩散速度）三、化学反应速度及影响因素化学反应速度：表化学反应过程的快慢，通常它是指单位时间内反应物或生成物浓度的变化。用Wh表示Wh=f（反应物的性质、反应进行时所处的条件，即浓度、

P和T）1、浓度对Wh的影响一定条件下，分子浓度越↑→分子间碰撞次数越↑→反应速度越↑

注：多相燃烧→化学反应在固相表面进行→可认为固体燃料（C）的浓度不变→因此，Wh指单位时间碳单位表面上O2浓度的变化一定温度下，反应容积不变时→反应物浓度↑→即反应物的分子数↑→分子间碰撞机会↑→Wh↑质量作用定律——化学反应速度化学反应速度可用正向反应速度表示，也可用逆向反应速度来表示。即质量作用定律说明了参加反应物质的浓度对化学反应速度的影响。其意义是：A、对于均相反应，在一定温度下，化学反应速度与参与反应的各反应物的浓度乘积成正比，而各反应物浓度的方次等于化学反应式中相应的反应系数。因此，反应速度又可以表示为中CA，Cb——反应物A，B的浓度；

a．b—

化学反应式中，反应物A，B的反应系数；

KA、KB——

反应速度常数。B、对于多相反应：如煤粉燃烧，燃烧反应是在固体表面上进行的，固体燃料的浓度不变，即CA＝l。反应速度只取决于燃料表面附近氧化剂的浓度。用下式表示：式中CB——固体燃料表面附近氧的浓度。

上式说明．在一定温度下，提高固体燃料附近氧的浓度，就能提高化学反应速度。反应速度越高，燃料所需的燃尽时间就越短。上述关系只反映了化学反应速度与参加反应物浓度的关系。质量作用定律指出了影响燃烧反应速度（化学反应速度）的主要因素是反应物的浓度

2、压力对Wh的影响P↑→单位体积内分子数↑→在T和V一定时，P↑→反应物浓度↑→Wh↑3、T对Wh的影响当反应物浓度不变时→T↑→O2浓度变化↑→Wh迅速↑

燃烧反应速度与燃料性质及温度的关系可用阿累尼乌斯定律表示。

阿累尼乌斯定律说明了燃料本身的“活性”与反应温度对化学反应速度的影响的关系。什么是燃料的“活性”呢?可以简单地理解为燃料着火与燃尽的难易程度。例如，气体燃料比固体燃料容易着火．也容易燃尽。而不同的固体燃料，“活性”也不同，烟煤比无烟煤容易着火，也容易燃尽。因此，燃料的“活性”也表现为燃料燃烧时的反应能力：燃料的“活性”程度可用“活化能”来表示。

2．阿累尼乌斯定律在实际燃烧过程中，由于燃料与氧化物(空气)是按一定比例连续供给的，当混合十分均匀时，可以认为燃烧反应是在反应物浓度不变的条件下进行的。这时，化学反应速度与燃料性质及温度的关系为式中K0——浓度不变时，反应物质分子间的碰撞频率及有效碰撞次数的系数

E——反应活化能；

R——通用气体常数；T——反应温度；

K——反应速度常数(浓度不变)

A．活化能对燃烧速度的影响燃料的活化能表示燃料的反应能力。活化能的概念是根据分子运动理论提出的。由于燃料的多数反应都是双分子反应．双分子反应的首要条件是两种分子必须相互接触、相互碰撞。分子间彼此碰撞机会和碰撞次数很多，但并不是每一个分子的每一次碰撞都能起到作用，如果每一个分子的每一次碰撞都能起到作用，那么即使在低温条件下，燃烧反应也将在瞬时完成。然而，燃烧反应并非如此，而是以有限的速度进行。所以，提出只有活化分子的碰撞才有作用。这种活化分子是一些能量较大的分子。这些能量较大的分子碰撞所具有的能量足以破坏原有化学键，并建立新的化学键。但这些具有高水平能量的分子是极少数的。原因：分子碰撞并非所有分子都能引起化学反应→只有其中具有较高能量的活化分子的碰撞才能发生反应活化能E：使分子活化所需最低能量成为活化能活化分子：能量达到或超过活化能E的分子称活化分子

→活化分子的碰撞才是发生反应的有效碰撞

→反应只能在活化分子间进行活化能：要使具有平均能量的分子的碰撞也起作用，必须使他们转变为活化分子，这一转变所需的最低能量称为活化能，用E表示。所以，活化分子的能量比平均能量要大，而活化能的作用是使活化分子的数目增加。图4-2表示出活化能的意义。从图可见，要使反应物变成燃烧产物，参加反应的分子必须首先吸收活化能E1，使活化分子数目增多，达到活化状态，数目较多的分子产生有效碰撞，发生反应而生成燃烧产物，并放出比E1(活化能)更多的能量E2，而燃烧反应的净放热量为△E。

在一定温度下，某一种燃料的活化能越小，这种燃料的反应能力就越强，而且反应速度随温度变化的可能性就减小，即使在较低的温度下也容易着火和燃尽。相反，活化能愈大的燃料，其反应能力愈差，反应速度随温度的变化也愈大，即在较高的温度下才能达到较大的反应速度，这种燃料不仅着火困难，而且需要在较高的温度下经过较长的时间才能燃尽。因此，燃料的活化能水平是决定燃烧反应速度的内因条件。一般化学反应的活化能大约在42—420kj／mol。

活化能小于42kj／mol的反应，反应速度极快，以至难于测定。活化能大于420kj／mol的反应，反应速度缓慢，可认为不发生反应。燃煤的活化能及频率固子可在沉降炉中测定，表4-1是国内4种典型煤种的测定结果。不同的测试仪器所测量的数据差别较大，因此，只有同一仪器测量的数据才具有可比性

B．温度对燃烧速度的影响温度对化学反应的影响十分显著。随着反应温度的升高，分子运动的平均动能增加，活化分子的数目大大增加，有效碰撞频率和次数增多，因而反应速度加快。对于活化能愈大的燃料，提高反应系统的温度，就能愈加显著地提高反应速度。四、链锁反应反应气体燃料的燃烧反应速度。可略

T↑→分子从外界吸收了能量→活化分子急剧↑→Wh↑

T一定：E越↑→活化分子数越↓→Wh↓

在相同条件下，不同燃料的C的燃烧反应如下：

Vdaf↑的煤E↓Vdaf↓的无烟煤E↑

可见无烟煤焦碳的燃烧反应速度↓EMJ/kmol

褐煤90～105

烟煤117～134

贫、无烟煤140～147

实际上在炉内燃烧过程中，反应物的浓度，炉膛P可基本不变→因此Wh主要与T有关→T对Wh影响相当显著

→在锅炉运行中，↑炉膛T是加速燃烧反应、Wh↑、缩短燃烧时间的重要方法五、热力着火煤粉燃烧过程的着火主要是热力着火。热力着火过程：是由于温度不断升高而引起的。因为煤粉燃烧速度很快，燃烧时放出的大量热量使炉膛温度升高，而炉温升高促使燃烧速度加快；反应放热增加，又使炉温进一步提高。这样相互作用、反复影响，达到一定温度时，就会发生着火。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。只有稳定着火，才能保证燃烧过程持续稳定的进行，否则就可能中途熄火，使燃烧过程中断。

在炉膛四周布置的水冷壁直接吸收火焰的辐射热，因而燃料燃烧时放出的热量，同时向周围介质和炉膛壁面散热。这时，要使可燃物着火并连续着火，必须使可燃物升温。因此，要实现着火和稳定着火，必须具备两个条件：一个条件是放热量和散热量达到平衡，即放热量等于散热量；另一个条件是放热变化率大于散热变化率。如果不具备这些条件，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。

以下进一步说明这个问题。燃烧室内可燃混合物燃烧放热量为向周围环境散失的热量为CO2—

煤粉反应表面氧浓度R—

燃烧反应中氧的反应系数；V——可燃混合物的容积；Qr—燃烧反应热；T——燃烧反应物温度；Tb——燃烧室壁面温度；

α——混合物向燃烧室壁面的放热系数

S——燃烧室壁面而积。

图4-3表示了放热量Q1与散热量Q2随温度的变化关系。当环境温度很低时(如Tb1)，点1左边Q1＞Q2a，使反应系统升温，达到平衡点1。但由于温度很低，放热变化率小于散热变化率，即dQ1／dT＜dQ2a／dT。使点1右边出现Q1＜Q2a在这种条件下，可燃物不能达到着火温度的状态，只能处于缓慢氧化状态点1。

当环境温度提高时(Tb2)，点2右边Q1＞Q2b，且在点2处dQ1／dT＞dQ2b／dT。此时，由于温度较高，放热变化率显著变化，只要温度稍有增加，燃烧反应将自动加速，转变到高温燃烧状态点3。这时．点2对应的温度即为着火温度。在此条件下，只要连续供应燃料和空气，就能实现稳定的着火和燃烧。

当散热条件变化时，如由Q2b，变为Q2c时，将出现着火中断的现象。点4对应的温度即为熄火温度。虽然在点4反应系统温度很高，但由于点4左边与右边均出现Ql＜Q2c。且dQl／dT＜dQ2c／dT，使反应系统温度最终变到点5的氧化状态。由图可知，熄火温度Txh总是比着火温度Tzh高。应该指出，着火温度和熄火温度并不是常数。它们随放热和散热条件而变。比如，挥发分大的烟煤，活化能小，反应能力强，着火能力低、即使用围散热条件较强，也容易稳定着火；而挥发分很低的无烟煤，活化能大，反应能力低，着火温度最高，需要减小周围散热，维持高温状态，才能稳定着火。各种煤的着火温度和煤粉气流的着火温度见表4-2、表4-3。表4-4给出了液体燃料和气体燃料的着火温度。

应该指出，放热速度与散热速度是相互作用的。在实际炉膛内．当燃烧处于高负荷状态时，由于燃煤量增加，燃烧放热量比较大，而散热量变化不大，因此使炉内维持高温状态。这也就说明，为什么在高负荷运行时，容易稳定着火。当燃烧处于低负荷运行时，由于燃煤量减少，燃烧放热量随之减小，这时相对于单位放热量的散热条件却大为增加．散热变化率加快，因此炉内火焰温度与水冷壁表面温度下降，使燃烧反应速度降低，因而放热变化率也就变慢，进一步使炉内处于低温状态。

这也就说明，为什么在低负荷运行状态下，稳定着火比较困难，需要投入助燃油等燃料来稳定着火燃烧。对于低反应能力的无烟煤和劣质烟煤，不但着火困难，而且难于稳燃，因而容易熄火“打炮”从以上分析可知：①着火和燃烧温度与水冷壁面积、进入炉内的新气流初温度相关；②在炉内可自动到达稳定着火状态，如果点火区的温度与燃料的活性不相适应，就需投入助燃油或采用强化着火的措施。图4-4示出挥发分含量Vdaf与着火温度的关系。即Vdaf越高，着火温度越低

六、火焰传播燃料燃烧过程中，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包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，这对稳定着火是非常有用的；火焰传播形式可分为两种，一种是正常的火焰传播、即缓慢燃烧；另一种是反应速度失去控制的高速爆炸性燃烧。

正常的火焰传播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，这种现象就称为火焰传播。在正常的火焰传播过程中，火焰传播速度比较缓慢，燃烧室内压力保持不变。炉内煤粉气流正常燃烧的火焰传播就属于正常的火焰传播。当炉膛内出现爆炸性燃烧时，火焰传播速度极快，达1000一3000m／s，温度极高，可达6000℃；压力极大，可达2.0265Xl03kPa(20．67个标准大气压)。爆燃是由于可燃物以极高的速度反应，以至于反应放热来不及散失，而使温度迅速升高，压力总剧增大。而压力的急剧增大是由于高温烟气的比容比未燃烧的可燃混合物的比容大得多，高温烟气膨胀产生的压力波使未燃混合物绝热压缩，火焰传播速度迅速提高，以致产生爆炸性燃烧。

可燃混合物着火时的火焰传播速度即为着火速度。对于不同的燃料，火焰传播速度的差异很大。1、气体燃料和液体燃料的火焰传播速度远远大于煤粉气流的火焰传播速度。2、就煤粉气流本身而言，差别也很大。例如，燃用烟煤时的火焰传播速度比贫煤、无烟煤的火焰传播速度要大。因此，烟煤着火后，燃烧比较稳定。但煤粉气流的火焰传播速度受多种因素的影响，其首先决定于燃料中可燃挥发分含量的大小，其次还与水分、灰分、煤粉细度、煤粉浓度和煤粉气流混合物的初混及燃烧温度有关。

一般情况下，1、挥发分大的煤火焰传播速度快，2、灰分大的煤火焰传播速度小，3、水分增大时，火焰传播速度降低。图4—5示出上述关系。图4—5(a)是用一次风速(即煤风气流的速度)来表示火焰传播速度的名义火焰传播速度。由图可见：挥发分大的煤火焰传播速度快图4—5(b)还表示出对挥发分含量不同的煤、存在一个与火焰传播速度最大值相对应的空气一煤粉的比值(kg空气/kg煤)。这表明，在着火区，煤粉与空气的混合比例对火焰传播速度影响极大。上述图中的数据未必具有普遍意义，但其指出的规律是有指导价值的。由图可见：灰分大的煤火焰传播速度小4、

提高煤粉细度时，挥发分析出快，并增加了燃料的反应面积，火焰传播速度可显著提高。

5、提高炉膛温度时，火焰面向周围环境的散热减少，反应速度加快，因而提高了火焰传播速度。由此也就说明，锅炉在高负荷运行时，炉膛环境温度较高，容易稳定燃烧；而在低负荷运行时，燃烧故热量减少，冷却散热条件增强，需要加强稳燃措施或增加易燃的液体或气体燃料，来帮助煤粉气流稳定燃烧，其实质是提高火焰传播速度。第三节煤粉的着火过程

如前所述，煤粉的燃烧过程可由下述过程粗略地描写：煤粉受热，水分析出→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。在上述过程中，大部分挥发分着火，燃尽时间仅约占整个燃烧过程的10％，约为0.2—0.5s；而焦碳燃尽程度达到98％的过程所占的时间很长，约占整个燃烧过程的90％，燃尽时间为1-2.8s，从燃烧放热量来看，焦碳占煤粉总放热量的60％-95％。

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。根据实际经验，一般着火时间长的燃料，所需的燃尽时间也相应地比较长。煤粉着火燃烧过程的细节十分复杂，只能说明几个阶段的主要特征。

1、煤粉颗粒必须首先吸热升温，热源来自炉内1300-1600℃的高温烟气，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，燃煤得到干燥，随着水分的蒸发，燃煤温度不断升高。对于不同煤种，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。2、可燃挥发分气体的着火温度比较抵，当氧气供应充足时，大约加热到450—550℃以上就可着火、燃烧，同时释放热量，加热焦碳。焦碳同时从挥发分燃烧的局部高温处和炉内高温烟气区吸收热量．温度升高，当达到焦碳的着火温度时，即着火燃烧，并放出大量热量。

3、当焦碳大半烧掉之后，内部灰分将对燃尽过程产生影响。其原因是：焦碳粒中内部灰分均匀分布在可燃质中，在焦碳粒从外表面到中心一层一层地燃烧的过程中，外层的内在灰分裹在内层焦碳上，形成一层灰壳，甚至形成渣壳，从而阻碍氧向焦碳表面的扩散，使燃尽时间拖长。因此，灰分对燃尽过程的影响主要表现在内部灰分的作用上，而绝大部分单独存在的外部灰分对可燃层的燃尽不产生直接的妨碍作用。

4、煤粉气流的着火温度也随煤粉细度而变化，煤粉越细，加热速度越快，越容易着火。图4-6是不同细度的煤粉粒子的升温过程：从图中可以看出，颗粒直径越小的煤粉能够以更快的速度达到着火温度。这是因为煤粉越细，燃烧反应的表面积越大。所以在煤粉气流燃烧时，细煤粉首先着火。煤粉在炉内的燃烧情况更为复杂。因为煤粉颗粒有粗有细，挥发分析出时，所需的时间也长短不一。当细粒煤粉已进入焦碳燃烧过程，而粗粒煤粉还在析出挥发分。即细的煤粒已经烧完、粗的煤粒才刚刚开始燃烧。

实验研究发现，煤粉在炉内的加热升温速度很快，升温速度为(0.5-1.0)x104℃/s，仅在0.1一0.2s的时间内就能达到炉内燃烧时的温度水平1500℃左右。在这种条件下，挥发分燃烧和焦碳燃烧这两个环节很难截然分开，在很大程度上可能是同时进行的。不过经验表明、可燃挥发分大的煤，还是比较容易着火和燃尽的，因为挥发分析出燃烧毕竟比焦碳的燃烧迅速得多，而且挥发分析出后可增大焦碳粒子与氧气接触的面积，提高焦碳粒子的反应活性。所以可以认为，可燃挥发分仍对煤粉着火起着决定性的作用。煤的挥发分愈多，挥发分着火燃烧时释放的热量也愈多，这样焦碳得到充分加热并增加了与氧气接触的机会，因而燃烧的稳定性也愈高。四、O2的扩散速度及影响因素O2的扩散速度：反映气体扩散程度的快慢，指单位时间向碳粒单位表面输送的氧量→即炭粒单位表面上的供氧速度1）炭粒燃烧过程中→气流与炭粒的相对速度越↑→扰动越↑→紊流扩散越↑→→O2向炭粒表面的供应速度↑→→→→→→→→燃烧产物离开炭粒表面扩散出去的速度↑→｝使O2的扩散速度↑2）炭粒越↓→单位质量炭粒的表面积越↑→与O2的反应面积越↑→化学反应消耗的O2越↑→炭粒表面的O2浓度会↓→炭粒表面与周围环境的O2浓度差越↑时→O2的扩散速度越↑

因此，供应燃烧足够的空气量，↑炭粒与气流的相对速度和↓炭粒直径都会加强炭粒燃烧的扩散速度五、燃烧速度与燃烧区域炭粒燃烧速度指单位表面上的实际反应速度，一般用耗O2速度来表示→它即决定于O2向炭粒表面的扩散速度→也决定于O2与炭粒的化学反应速度→最终决定于两者中的较慢者实际上，在炉内燃烧过程中→反应物的浓度、炉膛P

变化较小，可不考虑因此煤粉的燃烧速度主要与T和O2的扩散速度有关，在不同的T下，由于化学反应条件与气体扩散条件的影响不同→燃烧过程可能处于三个不同的区域：1、动力燃烧区→T↓T＜1000℃：炭粒表面化学反应速度Wh较慢→供应到炭粒表面的O2量＞＞化学反应所需的耗O2量

→意味着燃烧速度主要决定于化学反应动力因素（T和燃料反应特性），而与O2的扩散速度关系不大→这种燃烧工况称为处于动力燃烧区→该区域内，温度对燃烧速度起着决定性的作用，因此，↑T是强化动力燃烧工况的有效措施

2、扩散燃烧区→T↑T＞1400℃：炭粒表面化学反应速度Wh很快→以至耗O2

速度＞＞O2的供应速度→炭粒表面O2浓度实际为0→由于扩散到炭粒表面的O2远不能满足化学反应的需要，O2的扩散速度已成为制约燃烧速度的主要因素→而与T关系不大→这种燃烧工况称为处于扩散燃烧区在该区域内→改善扩散混合条件→↑气流与炭粒的相对速度，↓炭粒直径都可以↑燃烧速度

3、过渡燃烧区此区O2的扩散速度≈炭粒表面的化学反应速度→故化学反应速度和O2的扩散速度都对燃烧速度有影响→这种燃烧工况称处于过渡燃烧区→该区域要强化燃烧既要改善化学反应条件→↑反应系统T，又要改善炭粒与O2

的扩散条件在一定条件下→可以使燃烧过程由一个区域移向另一个区域，例：T一定时→煤粉气流相对速度↑或煤粉颗粒直径↓→可使燃烧过程由扩散区移向过渡区，甚至动力区ω1(d3)ω2(d2)燃烧速度过渡区温度扩散区动力区ω3(d1)图5.3多相燃烧速度ωr的变化风粉相对速度ω1＜ω2＜ω3碳粒直径d1＜d2＜d3

随炭粒直径d↓或气流与炭粒相对速度↑→O2向炭粒表面的扩散过程加强→从动力燃烧控制区过渡到扩散燃烧控制区的T将↑，即燃烧过程的动力区可扩展到更高的T范围→即更高T下仍是动力区就煤的燃烧→由块煤过渡到煤粉燃烧时→燃烧过程可从扩散区移到过渡区甚至动力区→故:a)煤粉炉只有粗煤粉在炉膛的高温区才有可能接近扩散燃烧→燃烧中心以外→煤粉处在过渡区甚至动力区中燃烧→因此T炉↑和扩散速度↑→可强化煤粉燃烧，

b)而层燃炉中煤颗粒↑燃料层T↑→煤粒一般处于扩散燃烧→因此↑气流相对速度强化扩散是强化层燃燃烧的主要途径

六、煤粉迅速而又完全燃烧的条件

1、相当高的炉温

T炉↑→燃烧速度↑→利于可燃物在炉内燃烧完全

T炉过↑→可能导致过多燃烧产物还原成燃烧反应物（2CO+O2→2CO2或CO2+C→2CO）

→燃烧不完全，见图5-1（b）

→引起炉膛结渣→→引起膜态沸腾→

试验证明：一般锅炉炉内燃烧P=0.101MPa时

Tmax=1500～1600℃，此温度下燃烧产物吸附量很小，可忽略不计→因此，可认为T炉越↑越好

2、合适的空气量

α↓→空气中O2不能及时补充到煤粉表面→燃烧速度↓→不完全燃烧损失↑α↑→T炉↓→燃烧速度↓→不完全燃烧损失也相应↑→排烟量↑→q2↑

因此，合适的空气量应根据最佳αl″来供应3、燃料与空气良好的混合供应炉内的空气量足够→若空气中的O2不能及时补充到炭粒表面→并保证每个O2分子与可燃物分子接触→

则仍不能实现完全燃烧→因此，一般常采用↑气流相对速度或↓煤粒直径→↑气流紊流扩散来达到良好强烈的混合

煤粉炉一般都采用一、二次风组织燃烧→煤粉由一次风携带进入炉膛→煤粉着火后→一次风很快被消耗→二次风应以较高的速度喷入炉内与煤粉混合→补充燃烧所需的空气→同时形成强烈的扰动→冲破或↓炭表面的烟气层和灰壳→以强行扩散代替自然扩散→从而↑扩散混合速度→使燃烧速度↑并完全燃烧

4、足够的炉内停留时间

a)煤粉从燃烧器出口到炉膛出口一般需2-3秒→在这段时间内煤粉必须完全烧掉→否则到炉出口处→受热面多

→烟温很快↓→燃烧就会停止→造成不完全燃烧损失

b)煤粉在炉内停留时间主要取决于炉膛容积、炉膛高度及烟气在炉内的流速→这都与炉膛容积热负荷和炉膛截面热负荷有关→即要在锅炉设计中选择合适的数据，而在锅炉运行时切不可以超负荷运行

c)为保证煤粉燃尽→除保持炉内火焰充满程度和使炉膛有足够的空间和高度外→还应设法缩短着火与燃烧阶段所需要的时间总之，要保证燃料的良好燃烧，就必须满足以上四个条件→为此就要求燃烧设备具有合理的结构和布置→以及在运行中科学地组织整个燃烧过程

良好的燃烧条件1.合适的炉内温度（1500-1600℃）：保证迅速着火、燃烧，充分燃尽；2.充足、合适的空气量（风量）；3.煤粉与空气的良好扰动与混合：冲破烟气层、灰壳，实现强制扩散；4.足够的炉内停留燃烧时间（2-3s）。

第二节、煤粉气流的燃烧过程一、煤粉气流的燃烧过程——分以下三个阶段

1、着火前的准备阶段

a)应尽量↓煤粉气流加热到着火T所需的热量→可以通过对燃料预先干燥→↓输送煤粉的一次风风量和↑

输送的一次风风温等方法来达到

b)尽快给煤粉气流提供着火所需的热量→可通过↑T炉和使煤粉气流与高温烟气强烈混合等方法来实现

2、燃烧阶段：煤粉气流着火以后进入燃烧阶段→包括挥发分和焦碳的燃烧→是一个强烈的放热阶段→当T↑到一定时→挥发分先着火燃烧→燃烧放热对煤粒直接加热→煤粒被

煤粉气流喷入炉内至着火这一阶段为着火前准备阶段

→此阶段是吸热阶段

→此阶段煤粉气流被炉膛中的烟气不断加热→T逐渐↑→煤粒受热后→首先水分蒸发→接着干燥的煤粉进行分解析出挥发分→挥发分析出的数量和成分决定于煤的特性，加热T与速度→挥发分析出过程一直延续到1100～1200℃，要使煤粉着火快，可从两方面着手：

加热到一定T并有O2补充到其表面→C燃烧时间↑，且不易燃烧完全→所以要使煤燃烧快又好，需对煤组织好燃烧

→因此使炉内保持足够高的T，保证空气充分供应并使之强烈混合3、燃尽阶段煤粉经燃烧后，炭变↓→表面形成灰壳→大部分可燃质已燃尽→只剩少量残余C继续燃烧成灰渣

1）由于残余C常被灰和烟气包围→空气很难与之接触

2）此阶段O2浓度↓→气流扰动↓→燃烧速度↓→Q放＜Q吸→θ烟↓→故此阶段燃烧反应缓慢→易造成不完全燃烧为使煤粉在炉内燃尽→应保证此阶段所需是时间→

并设法加强扰动来击破灰衣→以改善风粉混合，使灰渣中可燃物烧尽2.燃烧的3个阶段：着火前准备、燃烧、燃尽.燃烧3个阶段着火前准备阶段：是吸热阶段。燃烧阶段：包括挥发分与固定碳的燃烧，是急剧放热阶段。燃尽阶段：是缓慢放热阶段。按照燃烧阶段，可将炉膛划分3个区域：燃烧区燃尽区着火区

对应于煤粉燃烧的三个阶段，可在炉膛中划分出三个区，即着火区、燃烧区与燃尽区，由于燃烧的三个阶段不是截然分开的，因而对应的三个区无明确的分界线→大致可认为：燃烧器附近是着火区，炉膛中部及燃烧区同一水平的区域及稍高的区域是燃烧区，高于燃烧区直至炉膛出口的区域都是燃尽区。其中着火区很短，燃烧区也不长，而燃尽区却很长，根据R90=5%的煤粉实验，其中97%的可燃质在25%的时间内燃尽，其余3%的可燃质在75%的时间内燃尽图5-2表三个区域的火炬情况，图中表明：Ⅰ、气流温度θ→在着火区和燃烧区↑→在燃尽区↓

Ⅱ、煤粉中A在整个过程中↑

由于M、Vdaf析出，C燃烧→使A↑→到炉出口，飞灰中仍有少量未燃尽的CⅢ、气流中O2含量不断↓→O2含量在燃烧器出口处约为

21%→到炉膛出口处↓到3%～5%Ⅳ、燃烧产物RO2不断↑→RO2在燃烧器出口约为0→到炉膛出口处↑到16%～17%

这些参数在燃烧最剧烈的燃烧区变化最快，在着火区和燃尽区变化较缓慢→因此整个燃烧过程中，关键在于组织好焦碳中炭的燃烧二、煤粉气流的着火与强化煤粉气流经燃烧器以射流方式喷入炉内，通过紊流扩散和回流→卷吸高温烟气进行对流换热以获得热量，同时又受炉膛四壁及高温火焰的辐射热，使煤粉气流被迅速加热→当加热到一定T时→煤粉气流开始着火→此T称为着火T着火过程：煤粉气流从初始T加热至着火T的过程 着火热：着火过程吸收的热因着火热源主要来自煤粉卷吸高温烟气进行对流换热，故，着火首先从与烟气接触的边界层开始→然后以一定速度向射流轴心传播→形成稳定的着火面

煤粉气流最好离燃烧器不远处就能迅速稳定的着火，着火太迟→会使火焰中心上移→燃烧损失↑→炉上部结渣和t过热偏高着火太早→造成燃烧器周围结渣或烧坏燃烧器恰当的着火距离一般为距燃烧器喷口300～500

mm左右影响煤粉气流着火的主要因素有：燃料性质、设备结构、运行因素燃料：→燃料性质：Vdaf、M、A、Q→煤粉细度及颗粒分布运行：→锅炉负荷

→调节方式

结构：→燃烧器：→一次风量、风温、风速

→二次风速、风温

→配风方式及燃烧器结构型式

→单只燃烧器的功率

→炉膛：→qA、qf、qv→散热强度和放热强度1、燃料性质a)Vdaf↑→tzh↓→易着火在煤粉炉内相同加热条件下测出的煤粉气流tzh为：煤种tzh

褐煤Vdaf=50%550℃

烟煤Vdaf=20～40%840～650℃

贫煤Vdaf=14%900℃

无烟煤Vdaf=4%1000℃

可见，贫煤、无烟煤着火较困难

b)M↑→着火热↑→水分蒸发、过热要耗热→使烟温↓