燃烧学讲义2010-第五章固体

西安交通大学能源与动力工程学院1第五章固体燃料燃烧5.1概述5.2异相化学反响及碳化学反响速度5.3碳球燃烧过程与燃尽时间5.4气流燃烧的热工况5.5煤粉的火炬燃烧西安交通大学能源与动力工程学院25.1概述煤的燃烧过程有自己的特点：气态产物：挥发分V受热裂解着火燃烧加热剩余固态产物：焦炭C加热着火燃烧供O2燃尽放热Q煤西安交通大学能源与动力工程学院3可见：焦炭〔C〕无论在煤中的质量百分比或燃烧放热〔发热量〕的百分比都是占主要地位。①煤中焦炭量占55-96.5%，发热量占66-95%。②焦炭燃烧是异相化学反响，反响速度慢。焦炭燃烧的时间约占全部燃烧时间的90%，也就是说，挥发分燃烧时间仅约10%。这也说明了焦炭燃烧比气体燃料燃烧要困难的多。③从提供热量的角度，焦炭具有主要意义，∵它提供了大量的热量。焦炭占可燃成分的质量百分比，%焦炭发热量占煤总发热量的百分比，%无烟煤96.595烟煤57-7859.5-83.5褐煤5566泥煤3040.5木柴1520西安交通大学能源与动力工程学院4煤燃烧过程的特点总结挥发份的燃烧过程：先析出，然后遵循气体燃料燃烧的规律。——类似与液体燃料燃烧的过程，也存在一个“析出潜热〞。煤的燃烧过程主要是焦炭燃烧——一个异相〔非均相〕化学反响过程。遵循固体燃料燃烧特有的规律。所以，本章重点讨论焦炭的燃烧过程。西安交通大学能源与动力工程学院5煤中碳的结构特征1.41×10-10m3.345×10-10m第一层第二层第三层第四层在六角形基面中，碳原子间距1.41×10-10m，所以结合比较牢固。而六角形基面之间的距离较大，可达3.345×10-10m，故结合较弱，不能阻止其它原子〔如O原子〕的深入，而发生氧化反响。西安交通大学能源与动力工程学院6煤中碳的结构特征1.41×10-10m3.345×10-10m第一层第二层第三层第四层另外，六角形基面上的C原子都是以3个价电子与基面上其它C原子结合，结合紧密，反响活性就低。而周界和边缘上的C原子的结合键要少，因此活性较好，但是活化能仍然较高。西安交通大学能源与动力工程学院75.2异相化学反响动力学5.2.1异相化学反响根本步骤碳的燃烧是一种气固两相间在碳的外表上进行的化学反响(非均相化学反响)。通常气固异相反响包括如下步骤：西安交通大学能源与动力工程学院85.2.1异相化学反响根本步骤O2第一步：O2必须通过扩散到达碳的外表，并被碳外表吸附第二步：在碳外表上进行碳—氧反响，并生成反响产物第三步：反响产物从碳的外表上脱离〔解吸〕，并从碳外表向外扩散开去碳球而整个碳外表上的反响速度决定于其中最慢的一步。西安交通大学能源与动力工程学院9温度与吸附的关系温度条件吸附原理吸附的化学变化常温主要是物理吸附，并随T↑---吸附气体脱离无化学变化中温气体分子溶入晶格基面之间----形成固溶络合物发生化学变化（∵络合物与原来的气体--O2的性质不同）高温不存在物理吸附，仅有很少的固溶络合物。主要是晶体周界和边缘上的C原子对气体（O2）的化学吸附，但吸附活化能很大。∴只能在很高温下，化学吸附才显著。发生化学变化，产生新气体。化学吸附后的新气体可能自动或被撞击而解吸。西安交通大学能源与动力工程学院10焦炭反响活性由于碳晶体边界与中心的活性不同〔键能低〕——边界反响活性更好。基面上与基面间的活性不同〔间隙大〕——基面间反响活性更好。内、外外表积大小不同，活性不同——外表积大反响活性更好。所以不同的焦炭其化学反响速度相差甚大。一般密度小孔隙率高〔疏松〕的焦炭，粒径小的焦炭〔比外表积大，内空隙易暴露〕，反响活性更强。西安交通大学能源与动力工程学院11对C+CO2=2CO反响的焦炭活性顺序活性大活性小泥煤焦炭木炭褐煤焦炭烟煤焦炭无烟煤焦炭西安交通大学能源与动力工程学院125.2.2碳燃烧异相反响理论根据异相反响的步骤，首先需要建立的理论，是吸附〔解吸〕的理论O2第一步：O2必须通过扩散到达碳的外表，并被碳外表吸附碳球西安交通大学能源与动力工程学院13设碳外表上的吸附了氧的面积份额为q，那么

又称外表遮盖率。吸附了O2的碳外表上，不能再吸附新的O2分子，而只能把碳—氧反响产物解吸出去。因此，解吸的速率wj与碳外表上O2的吸附面积份额q成正比，即吸附面积率q愈大，反响物愈多，向外解吸速度wj愈快O2碳球或〔k-1——解吸的比例常数〕西安交通大学能源与动力工程学院14同样，在碳外表上(1-q)的面积份额上没有吸附O2，故碳外表附近的O2就有可能再吸附上去。吸附上去的速率wx决定于碳外表附近的O2浓度Cb和(1-q)的大小。O2碳球吸附与解吸的平衡或〔k1——吸附的比例常数〕当到达平衡时即其中西安交通大学能源与动力工程学院15q与K及Cb的关系西安交通大学能源与动力工程学院16碳外表O2浓度很低的情况显然：化学反响只能在吸附了O2的那一局部外表q上发生，因此q↑——发生碳燃烧反响的时机↑——燃烧速度↑。所以：碳燃烧化学反响速度 或讨论：①当碳外表附近O2浓度很低时，即，那么结论：a．化学反响速度wm与氧浓度Cb一次方成比例。反响级数为一级，n=1；b．，说明碳外表吸附的O2很少，吸附能力很弱。西安交通大学能源与动力工程学院17碳外表O2浓度很高的情况②当碳外表O2浓度CO2很高，即，那么结论：a．此时wm与Cb的0次方成比例，与碳外表附近O2浓度无关。此时为0级反响n=0b．此时，q≈1说明碳外表吸附O2的能力很强，几乎到达了饱和，同时说明解吸能力很弱。③当碳外表O2浓度CO2中等时，可认为

n=0～1即为分数的反响级数。西安交通大学能源与动力工程学院18温度对化学反响因素的影响通常，在处理碳的燃烧反响时，有时为简化问题起见，可以把它当作n=1的一级反响处理。即温度T碳表面O2浓度CO2吸附能力q反应级数n＜800℃（低温阶段）CO2高q≈1，吸附强n=0＞1200℃（高温阶段）CO2低q<<1，吸附弱n≥1800℃～1200℃中等q=0～1n=0～1西安交通大学能源与动力工程学院195.2.3碳燃烧异相化学反响动力学氧从远方向单位碳外表积单位时间内扩散的流量qm〔mol/m2·s〕为：质量交换系数远方O2浓度碳外表O2浓度O2碳球扩散到碳外表的O2与碳发生化学反响，当到达平衡时，消耗的O2量就是qm单位时间，单位碳外表积上燃烧消耗的氧量，mol/m2·s把此两式消去Cb

西安交通大学能源与动力工程学院20当温度T很低时很小

结论：①此时，燃烧反响速度决定于化学反响常数k(T)——称为动力燃烧〔区〕〔或动力燃烧控制〕；②由于k很小，化学反响很慢，碳外表上的Ｏ2消耗不掉，∴外表上的Ｏ2浓度=C∞化学反响速度与Ｏ2浓度无关，即为0级反响。③举例：气体燃料燃烧的全预混火焰中，燃料气与Ｏ2均匀充分混合在一起，只要火焰传播过来，通过导热就能把燃料混合物加热升温——着火燃烧掉，∴预混火焰燃烧属动力燃烧控制——即企图↑燃烧化学反响的唯一措施就是↑T〔即↑k〕西安交通大学能源与动力工程学院21当温度T很高时很大

结论：①此时燃烧反响速度完全决定于扩散〔αzl〕——称为扩散燃烧〔区〕〔或扩散燃烧控制〕②此时，碳外表化学反响很快，∴Ｏ2一扩散到碳外表就完全燃烧掉，∴燃烧决定于Ｏ2供给的多少，决定于碳外表的Ｏ2浓度，即为≥1级反响。③举例：气体燃料的扩散火焰中，只要Ｏ2一到火焰锋面就很快消耗掉。因此，强化燃烧唯一的方法就是增加扩散供Ｏ2，即↑αzl西安交通大学能源与动力工程学院22当T适当，k≈αzl时——过渡区总之：当处于动力区时〔n=0级〕，强化燃烧的措施是↑T而不是强化通风；当处于扩散区时，n≥1级，强化燃烧的措施就是强化湍流混合——送风；当处于过渡区控制时〔n=0～1〕，分别↑T和↑αzl都能起到强化燃烧的效果。西安交通大学能源与动力工程学院23判断燃烧区的谢苗诺夫准那么Sm和浓度准那么动力燃烧区过渡区扩散燃烧区谢苗诺夫准则>90.11～9<0.11浓度准则>0.90.1～0.9<0.1讨论：①颗粒直径δ0↓↑→向动力区移动；②当T↑↓→向扩散区移动；③当相对速度Re↑↑→向动力区移动；↑西安交通大学能源与动力工程学院24粒径对进入扩散区温度的影响设煤的E=126～168kJ/mol进入扩散区的温度Tδ0=10mm↓δ0=0.1mm≥1200K≥2000K西安交通大学能源与动力工程学院25思考题前面已经讨论过，比外表积大的细小煤粉反响活性好。家用煤球炉在800多℃就能稳定燃烧，而大型煤粉炉却在1200℃以上才能稳定燃烧。这与“煤粉反响活性好〞的结论矛盾吗？大容量锅炉为什么要使用煤粉燃烧的方式？西安交通大学能源与动力工程学院265.2.4碳燃烧化学反响机理根本的宏观反响1、一次反响——指碳与氧之间的直接反响C+O2=CO2+409MJ2C+O2=2CO+245MJ2、二次反响——指一次反响的产物在碳外表或空间的再反响2CO+O2=2CO2+571MJ〔放热反响〕CO2+C=2CO-162MJ〔吸热反响〕一次反响和二次反响是碳燃烧过程中的根本反响，实际过程中交叉平行进行着。西安交通大学能源与动力工程学院275.2.4碳燃烧化学反响机理CO2COO2CO2C反响机理1CO2或CO反响机理2O2西安交通大学能源与动力工程学院285.2.4碳燃烧化学反响机理温度不太高，气化反响尚不能发生，CO也不能与O2在空间发生反响。反响式为：4C+3O2=2CO2+2COCO2和CO由外表向远处扩散，浓度也是一路递减。O2浓度由远处向近处一路递减，直到碳球外表。o火焰锋面cO2CO浓度CO2x温度低于700℃西安交通大学能源与动力工程学院295.2.4碳燃烧化学反响机理温度还不够高，气化反响仍不能发生。反响式仍为：4C+3O2=2CO2+2COCO2

浓度高于CO浓度。O2浓度由远处向近处一路递减，只有和CO反响后剩余的O2才能扩散到碳球外表。但是，CO可以与O2在空间发生反响。火焰锋面以外没有CO。o火焰锋面cO2CO浓度CO2x温度在800~1200℃之间西安交通大学能源与动力工程学院305.2.4碳燃烧化学反响机理温度已足够高，碳球外表发生气化反响：C+CO2=2CO火焰锋面上CO2浓度最高。并向两侧扩散，向内供给气化反响所需的CO2。向外那么扩散到远处。碳球外表因为得不到O2只能发生气化反响。气化反响所需的吸热由CO燃烧的放热供给。CO与O2在空间发生反响，并把向碳球外表扩散的O2完全消耗掉。火焰锋面以外没有CO。而火焰锋面以内没有O2。o火焰锋面cO2CO浓度CO2x温度高于1200℃西安交通大学能源与动力工程学院315.2.4碳燃烧化学反响机理3、其它反响——在碳燃烧过程中如果有水蒸汽〔这是经常普遍存在的〕还会发生其他反响C+H2O=CO+H2〔吸热〕C+2H2O=CO2+2H23C+4H2O=2CO+CO2+4H2

以上反响究竟哪些是主要的，这需要看具体情况。实际上，一次反响只表示了反响的反响物和最终的生成物及其物质平衡及热平衡关系，并未说明碳和氧的燃烧反响的具体过程，因此应进一步研究。西安交通大学能源与动力工程学院32碳与氧燃烧的化学反响〔一次反响〕机理各国许多学者的研究由于实验条件的差异，结论是不尽相同。大致有三种观点：1、二氧化碳学说：CO2是一次反响的产物，而CO只是CO2+C的二次反响产物2、一氧化碳学说：CO是一次反响的产物，在碳外表附近CO+O2才生成了CO23、两步反响说：第一步生成络合物xC+y／2O2=CxOy〔碳氧络合物〕。第二步络合物的分解CxOy=mCO2+nCO其n／m随温度T升高而升高三种观点至今尚未统一，不过普遍接受第三种观点——即碳氧反响先生成碳氧络合物，然后络合物再同时生成CO2和CO结论：C与O2的异相化学反响过程是经历吸附—络合—热分解〔或离解—解吸〕一系列环节完成的。西安交通大学能源与动力工程学院33碳和CO2化学反响机理

——又称碳的气化反响或CO2的复原反响这是一个吸热的异相化学反响，所以在低温下〔如＜800℃〕化学反响速度≈0，且活化能很高，因此这个反响只能在＞1300℃的高温下才能进行。煤的气化反响常作为测定煤活性的根底。反应进程中的关键反应级数nT＜700℃（1）固溶络合+化学吸附表面（2）CO2浓度较高KbCO2与CCO2无关0级（3）CO生成很少，化学反应速度很慢T＞950℃表面CO2浓度不高，决定于化学吸附KbCO2∝CCO21级西安交通大学能源与动力工程学院34C气化和氧化反响的活化能〔E〕与温度〔T〕的关系结论：①关于活化能特性气化反响的活化能E2总是＞氧化反响的活化能E1对于同一种焦碳统计平均E2≈2.2E1②关于化学反响速度常数k的特性对同一种焦碳当气化反响的速度常数k2=氧化反响速度常数k1的临界温度T=2347℃T＜2347℃时，k2＜k1，氧化反响的速度大于气化反响T＞2347℃时，k2＞k1，气化反响的速度大于氧化反响在T=1200～1300℃区间k2=k1/10西安交通大学能源与动力工程学院35C气化和氧化反响的活化能〔E〕与温度〔T〕的关系结论：③氧化反响是放热反响——自我促进机制〔正反响〕促进反响速度再↑氧化反响速度↑放热↑温度↑西安交通大学能源与动力工程学院36C气化和氧化反响的活化能〔E〕与温度〔T〕的关系结论：③气化反响是吸热反响——自我抑制机制〔负反响〕促进反响速度↓气化反响速度↑吸热↑温度↓西安交通大学能源与动力工程学院37C和水蒸气的化学反响机理——水煤气发生原理这也是一个异相吸热化学反响C+H2O==CO+H2该反响与C+O2的氧化反响相比共同点：异相反响：吸附—络合—热解、离解—解吸过程反响级数：n=1不同点：EC+H2O≈1.6EC+O2西安交通大学能源与动力工程学院38C和水蒸气的化学反响机理——水煤气发生原理与C+CO2气化反响相比EC+H2O≈0.73EC+CO2(∵EC+CO2≡2.2EC+O2)所以经研究，水煤气反响比气化反响约快3倍。西安交通大学能源与动力工程学院395.3碳球燃烧速度与燃尽时间5.3.1碳球的燃烧一、假设①燃烧反响在扩散区燃烧，即C球外表O2浓度很低，Cb≈0②碳球外表进行氧化一次反响C+O2=CO2，生成物CO2向外扩散，没有气化反响CO2+C=2CO发生③碳球相对运动Re=0(与周围气体之间无相对运动)④碳球周围气体浓度分布均匀西安交通大学能源与动力工程学院40二、碳球外表扩散燃烧的燃烧速度kg/(m2s)那么单位时间单位C外表积上消耗的C量应为：单位时间内烧掉的C量应为西安交通大学能源与动力工程学院41三、单位时间内，碳球质量的减少量为两个

相等，移项积分积分区间τ：从0→τ

δ：从δ0→δ

式中西安交通大学能源与动力工程学院42这就是碳球扩散燃烧时的直径平方直线定律

讨论①当δ→0时,τ→τrj可知：煤燃烧时，磨得越细(↓δ0)，反响越快，燃尽时间τrj越短②K的实验结果对煤粉燃烧时K=0.0229mm2/s对单颗煤粉时K=0.16mm2/s〔大约是单个油滴的1/5~1/6〕西安交通大学能源与动力工程学院435.3.2有二次反响的情况考虑实际有二次反响(2CO+O2=2CO2及C+CO2=2CO)时的情况由于上述反响与温度区间有关，故分别讨论西安交通大学能源与动力工程学院441)当T<700℃，由于温度低，不发生气化反响和CO燃烧反响碳球与氧气反响式为：4C+3O2=2CO2+2COCO/CO2=1C外表O2浓度Cb高4C+3O2=2CO2+2COβ=(4×12)/(3×32)=0.5O2COCO2西安交通大学能源与动力工程学院452)当T=800～1200℃，由于温度仍较低，不发生气化反响碳球与氧气反响式为：4C+3O2=2CO2+2COCO/CO2=1空间中反响式为：2CO+O2=2CO2总反响式为4C+4O2=4CO2碳外表O2浓度Cb随T↑而逐渐↓β=(4×12)/(4×32)=0.375O2COCO2火焰锋面西安交通大学能源与动力工程学院463)当T>1200～1300℃，此时温度很高，Cb=0氧气还能扩散到碳球外表时，碳球与氧气反响式为：3C+2O2=CO2+2COCO/CO2=2气化反响发生：CO2+C=2CO总反响式为4C+2O2=4COβ=(4×12)/(2×32)=0.75温度进一步升高，气化反响速度加快，同时空间中CO的燃烧速度也加快，使得碳球说明只发生气化反响CO2+C=2CO，空间中发生反响为2CO+O2=2CO2，总反响为C+O2=CO2，此时β=(1×12)/(1×32)=0.375O2COCO2火焰锋面西安交通大学能源与动力工程学院474)碳球外表的C燃烧速度与与温度T的关系KcbT第1段：温度很低，动力控制区，只发生氧化反响氧化反响4C+3O2=2CO2+CO气化反响C+CO2=2CO第2段：温度上升，进入扩散控制区，反响速度与T无关第3段：温度很高，碳球外表发生气化反响，燃烧又转入动力控制第4段：温度继续提高，燃烧再次转入扩散控制西安交通大学能源与动力工程学院485)当碳球与周围气流存在相对运动时的燃烧特点当Re很小时，研究发现在碳球周围有浅蓝色火焰，说明CO在碳球周围燃烧西安交通大学能源与动力工程学院49当Re>100时燃烧情况有很大改变：碳球周围燃烧变的很不均匀当T<1200℃，迎着气流的局部，反响速度很高，火焰发亮火焰锋面COCOO2CO2O2O2O2O2CO2O2O2O2O2而后部回流区反响很弱，几乎不进行，尾迹上拖着较长的兰色火焰。这是因为正面燃烧生成的CO来不及燃烧，被吹到后部燃烧，即2CO+O2=2CO2西安交通大学能源与动力工程学院50当Re>100时燃烧情况有很大改变：碳球周围燃烧变的很不均匀当T>1200℃，碳球后部回流区中被CO和CO2包围，阻碍了扩散O2进去。后部有气化反响CO2+O2=2CO，而回流区中几乎不存在氧化反响。尾迹有CO在燃烧。2CO+O2=2CO2。O2扩散进不到回流区中。火焰锋面COCO2CO2O2O2O2O2O2CO2O2O2O2O2CO2CO西安交通大学能源与动力工程学院51实例层燃炉很接近Re比较大的燃烧特点(煤尺寸mm～cm级)旋风炉的煤尺寸是mm级，是极高温极高Re下的强化燃烧方法沸腾炉的煤尺寸是mm级，是在较低温度(800～950℃)下，靠着Re来强化燃烧煤粉炉中煤尺寸是m级，所以随风飘动，Re≈0，故可近似当作焦碳在静止空气中燃烧西安交通大学能源与动力工程学院525.3.3多孔焦炭球燃烧特点焦炭的结构特点在于多孔性，即使对于比较紧密的无烟煤，也存在大量内孔，不同煤种的焦炭内部孔隙率很不相同。单位体积的内部外表积估算数据如下：木炭电极炭无烟煤内比表面积Sn（m2/m3）

(0.57~1.14)×104(0.7~5)×104(1~3)×104西安交通大学能源与动力工程学院53焦炭燃烧的异相反响不仅能在外外表上进行，同样能在内外表与进行。所以，内反响是不能无视的。这就是多孔焦炭燃烧的特点。西安交通大学能源与动力工程学院541、反响总外表积S=S1+S2外外表积〔设碳球半径r〕内外表积(Sn为内比外表积m2/m3)总外表积，考虑总面积参与反响，相当于化学反响常数K增加了倍。用反响气体交换常数αb代替K，那么西安交通大学能源与动力工程学院55讨论：在低温下，化学反响速度慢。内外表上的O2浓度就等于外外表O2浓度Cb；随着温度T的↑化学反响速度↑↑，以至O2的扩散跟不上内外表的化学速度，此时内外表O2浓度↓到0。即Cb内=0。西安交通大学能源与动力工程学院56∴ 反响温度从低温→高温反响总面积的倍数从→1反响交换常数αb从→K西安交通大学能源与动力工程学院57引入一个调节参数可以推知：温度处于高~低温之间时，反响面积提高的倍数为反响交换常数αb为其中ε=0~1又称O2的有效渗入深度高温时低温时西安交通大学能源与动力工程学院58结论：在动力区中〔低温〕，内外表参与化学反响。在扩散区中〔高温〕，内外表对化学反响已无作用。西安交通大学能源与动力工程学院592．多孔焦炭的燃烧速度有人对燃用无烟煤的煤粉炉进行了计算：煤粉直径δ=100m，E=141kJ/mol，内部孔隙比外表积Sn=3×104m2/m3，炉温在1427℃下的系数≈0.2~0.3计算结果b≈〔1.2~1.3〕Kzl/b≈0.6~0.7处于过渡区西安交通大学能源与动力工程学院60各阶段C燃烧通用式

温度T反应方程β炭表面O2浓度Cb<700℃4C+3O2=2CO2+2CO0.5高：动力区，0级反应900~1200℃4C+3O2=2CO2+2CO+)

2CO+O2=2CO20.375Cb随T↑而↓n=0~14C+4O2=4CO2>1200℃~1300℃3C+2O2=CO2+2CO+)C+CO2=2CO0.75C表面温度很高，O2不足，即同时产生更多CO。3C+2O2=CO2+2CO进入扩散燃烧区，n=1

4C+2CO2=4CO西安交通大学能源与动力工程学院615.4气流燃烧的热工况热工况：讨论气流温度在某一系统中如何变化的问题。温度和燃烧反响速度这两个因素相互促进。燃烧加强以后使温度升高，温度升高以后更使燃烧加强．但是有时条件不利的话，也可能使这两个因素相互促退．西安交通大学能源与动力工程学院625.4.1零元系统的燃烧热工况零元系统：也称为“强烈搅拌的模型〞假设某一空间，例如一个炉膛，内部的气体极强烈地掺混以至炉内温度T、浓度C等物理参数非常均匀进口体积流量：qV气流温度：T0燃料或氧的浓度：C0体积：V温度：T浓度：C出口温度：T浓度：C西安交通大学能源与动力工程学院63系统产热情况炉膛容积中的产热率按气流可燃成分的消耗率计算消去C就得到Q：燃料与空气混合物的发热量

：气流的密度西安交通大学能源与动力工程学院64系统产热情况如把产热率分摊给每1m3流过炉膛的的气体，那么得单位产热量单位产热量q1与温度T的关系停留时间

0

=V/qV西安交通大学能源与动力工程学院65系统散热情况气流所带走的散热量：每1m3气体的单位散热量：TT0q2单位散热量q2与温度T的关系西安交通大学能源与动力工程学院66零元系统的热工况１)如果产热和散热曲线处于q1与q2I位置，气流熄火．２〕如果产热和散热曲线处于q1与q2III气流正常燃烧．３〕如果产热和散热曲线处于q1与q2II位置，气流可能熄火，也可能正常燃烧．零元系统的燃烧热工况q2ⅠCq1q2Ⅱq2ⅢA´C´BAqT西安交通大学能源与动力工程学院67零元系统的热工况a)如果交点是A，气流熄火，这是个稳定点．b〕如果交点是C，气流正常燃烧，这也是个稳定点．c〕如果交点是B，是个不稳定点，如果温度脉动向低温方向，那么交点移动到A点，发生熄火；如果温度脉动向高温方向，那么交点移动到B点，正常燃烧．零元系统的燃烧热工况q2ⅠCq1q2Ⅱq2ⅢA´C´BAqT西安交通大学能源与动力工程学院68各种因素对零元系统燃烧稳定性的影响

停留时间

0增加，q1上移，熄火的可能性减小，燃烧稳定性改善；停留时间

0

=V/qV西安交通大学能源与动力工程学院69各种因素对零元系统燃烧稳定性的影响

发热量Ｑ增加时,q1线在纵坐标方向成比例地放大,可使燃烧稳定性改善西安交通大学能源与动力工程学院70各种因素对零元系统燃烧稳定性的影响

当燃料的活化能E减小的时候，q1曲线向上移动。当燃料的频率因子k0增加的时候，其效果与停留时间τ0增加是一样的q1曲线向上移动。这两个物理量的变化说明，提高燃料化学反响的活性，对可以使燃烧的稳定性改善。西安交通大学能源与动力工程学院71各种因素对零元系统燃烧稳定性的影响

气流的初温T0升高时，q2线平行向右移动，燃烧稳定性改善西安交通大学能源与动力工程学院72分析煤粉炉的燃烧热工况时，不能不考虑水冷壁所吸收的热量．如果把火焰对水冷壁的辐射散热考虑进去，那么散热率为煤粉炉的炉膛非常大，使得炉膛的散热相对于产热始终处于较低的状态，虽然负荷增加使得气体在炉膛内的停留时间τ0减少，q1曲线将向下移动〔例如q1IIq1I〕，但是q2曲线也同时向右移动〔例如q2IIq2I〕，两条曲线交于C点，仍然能稳定燃烧，所以在负荷高时发生的熄火危机还不会在煤粉炉的实际运行中遇到。西安交通大学能源与动力工程学院73对于存在烟气回流的情况，由于系统流动和化学反响工况的整体不变，所以停留时间和产热量不变。根据热平衡的原理，烟气回流实际上相当于把排烟损失中的局部热量返回了进口烟气，减少了散热量

qVqv,T0qv,T2V产热散热西安交通大学能源与动力工程学院74烟气回流实际上相当于抵消了局部的散热，进口温度T0不变，而排烟温度降低西安交通大学能源与动力工程学院75零元系统燃烧热工况的结论因素名称符号趋势燃烧稳定性炉膛容积V↑↑燃料流量qV↑↓燃料发热量Q↑↑燃料活性k0,Ek0↑,E↓↑气流初温T0↑↑炉膛吸热↑↓烟气回流

qV↑↑西安交通大学能源与动力工程学院765.4.2一元系统的燃烧热工况一元系统：系统中在气流的横截面上温度、浓度等参数是均匀的，仅沿气流方向这些参数才有变化。一元系统中可以对气流燃烧过程进行计算西安交通大学能源与动力工程学院77方案1所有空气〔=0.5〕作为一次风和煤粉一起进入炉内〔即1＝=0.5〕xx1从这个方案可以看出，全部空气都用作一次风，提高了最初的煤粉气流的热容量，使加热到着火的时间〔由此也决定了空间长度〕延长，这样就不能缩短整个火炬长度。TzhT西安交通大学能源与动力工程学院78方案2空气分成一次风(

1

=0.15)与二次风(

2=0.35)这个方案可以看出，二次风过早地在一次风与煤粉气流尚未着火燃烧以前送入，其结果与全部空气都作为一次风一样，也不能缩短火炬长度。xTzhTx1二次风过早进入西安交通大学能源与动力工程学院79方案3空气分成一次风(1=0.15)与二次风(2=0.35)，推迟二次风参加点xx2二次风在一次风中的氧消耗完以后参加，对于缩短火炬长度是有帮助的。但是一次参加的二次风过多，使燃烧中断，所以火炬长度缩短得不多。TzhT

二次风适时进入

西安交通大学能源与动力工程学院80方案4二次风分为两批，空气分成一次风(

1

=0.15)与二次风(

21=0.15和

22=0.2)。xx3二次风参加点燃烧温度高，虽然温度略在降低，但燃烧依然十分强烈，温度又较快上升上去。TzhT

二次风分两次进入

西安交通大学能源与动力工程学院81四种方案比较一元系统的燃烧热工况分析可以正确地反映合理组织气流燃烧过程的方法。归纳起来，可列成以下原那么：

1〕供给的空气应该分成一次风与二次风，可以加快气流的升温着火2〕二次风应分批参加，第一批烧完了再参加第二批。3〕二次风每批送入的数量应有限制，防止中途淬熄、保证燃烧继续进行。xx2TzhT1234x1x3西安交通大学能源与动力工程学院825.5煤粉火炬燃烧煤粉气流的着炽热来源：煤粉与一次风气流喷进炉膛后到对流传热与辐射传热而升温着火。煤粉着炽热的传递过程：辐射传热直接到达煤粉外表而被煤粉吸收。对流传热那么是烟气与一次风混合，先传给一次风，再由一次风传给煤粉。根据近年来我国的研究，辐射传热大约可供给着火所需热量的10~30%。着火所需热量主要来源是对流传热。西安交通大学能源与动力工程学院835.5.1煤粉气流着火和燃烧的特点煤粉—空气混合物点燃困难一次风着火温度高一次风着火吸热量大一次风的作用：输送煤粉供挥发分燃烧用O2对低Vdaf煤，一次风供挥发分燃烧的量少，不够运送煤粉之需要，往往按送粉的需要来选用较大的一次风量。西安交通大学能源与动力工程学院84煤粉气流〔一次风〕的着火温度煤种Vdaf(%)煤粉气流着火温度℃静止煤粉着火温度℃褐煤50550烟煤403020650750840400-500贫煤14900650-800无烟煤41000650-800煤粉的点燃不仅要点燃煤，还要供一次空气到达煤的着火温度Tzh。这个温度比煤本身着火温度要高得多。西安交通大学能源与动力工程学院85一次风着火吸热量大根据计算，把Vdaf=20%的烟煤—空气混合物加热到着火温度840℃，需热量1050kJ/kg煤，具体到表如下表：燃料—空气混合物着火温度℃吸热量kJ/kg(燃料)烟煤—空气混合物Vdaf=20%8401050煤气—空气混合物600684无烟煤—空气混合物10001300从以上计算可见煤粉气流着火的难度西安交通大学能源与动力工程学院865.5.2煤粉气流着炽热Qzh计算公式1.着炽热传递方式辐射（%）对流（%）苏联（过去）2-595-98中国（研究总结）10-3070-902.着火吸热组成

一次空气吸热煤粉吸热计算燃料量过量空气系数理论空气量一次风份额煤粉比热西安交通大学能源与动力工程学院875.5.3旋转射流的着火煤粉与一次风气流喷入炉膛后与回流区流来的回流气体混合，并受到火焰的辐射，同时二次风与一次风混合，增大了着火所需热量；在这样三个因素起作用的条件下煤粉与一次风气流升温到着火温度而着火。着火后一局部煤粉与一次风气流转而流入回流区，其他局部继续与二次风混合而燃烧，并向下游流去。一次风着火点着火温度Tzh回流烟气特征长度

l二次风二次风西安交通大学能源与动力工程学院88

一次风

内二次风

外二次风

中心风

可动挡块

旋流叶片

浓一次风

淡一次风

内外双齿形稳燃环

双锥形喷口

固定挡块

新型燃烧器方案例如使用“固定挡块〞与“可动挡块〞结合的可调煤粉浓缩器，将煤粉气流用惯性别离为内浓外淡的两股环状气流，以实现径向浓淡燃烧。内浓外淡的构思是为了发挥中心回流区的着火优势，这一点借鉴了水平浓淡燃烧的特点。有扩口的内二次风为强旋转射流，用于组织回流区和前期燃烧。有扩口的外二次风选用较高的风速，以强化后期混合外一次风口和内二次风口之间有一个“双锥形喷口〞，也就是内、外两侧呈相对的两个锥形的喷口。其作用有四：①辅助内二次风组织流场，形成稳定且有适当回流量的中心回流区；②外锥形扩口可延迟一、二次风的混合，以保证煤粉的着火和挥发分析出区的复原性气氛；③内锥形缩口将外一次风中的煤粉引向中心回流区方向，可强化着火；④喷口后将形成一圈小的驻涡，虽缺乏以引燃煤粉气流，但有一定帮助稳燃的作用，并实现一、二次风的暂时隔离，还可能挤压中心回流区使之变得狭长。外一次风，即淡侧一次风具有隔离浓侧一次风与二次风的作用，使一次燃烧区为一个狭长的复原性区域。内一次风的主要特点是使用了齿形稳燃环，其作用有三：①齿后将形成一个个小驻涡，利于着火；②齿状阻塞将加强浓一次风与回流区之间的湍流混合；③齿状喷口会加大浓一次风的周界长度，也可强化混合，稳定着火。中心管建议不送风，以免破坏回流区，但在特定的情况下，如需要中心补氧或冷却喷口，也可送入少量中心风。西安交通大学能源与动力工程学院895.5.4直流射流中煤粉的着火直流燃烧喷出的煤粉气流一般在炉内呈切圆布置，形成切向燃烧〔四角或四墙切圆燃烧〕西安交通大学能源与动力工程学院90角置直流燃烧器的煤粉一次风气流所获得的对流传热来自炉内正在旋转的火焰，其中尤其是上邻角燃烧器的火炬冲撞。炉内旋转火焰的旋转速度主要决定于二次风2k1k2kzxy一次风二次风二次风旋转火焰的方向上游邻角送到向火侧的高温烟气背火侧卷吸的高温烟气一、二次风过早混合西安交通大学能源与动力工程学院91除了保持一、二次风以适宜的方式混合，以及充分的烟气回流之外，切圆燃烧还必须防止一次风或整组射流偏转贴壁：一次风喷口的假想切圆选用得小一些；设计燃烧器时防止整组喷口过分高而瘦；西安交通大学能源与动力工程学院92煤粉气流燃尽困难，故燃尽过程很长对煤粉-空气混合物：离喷口0.3~0.5m或x/B(无因次距离，B为燃烧器喷口宽度〕=0.5~1的距离内开始着火；大局部挥发分大约离喷口1~2m处已挥发完并燃烧掉；但是焦炭的燃烧一般要延续到离喷口10~20m，燃烧过程很长，可见焦炭燃尽的难度。西安交通大学能源与动力工程学院93炉内停留时间炉膛的容积热负荷假设假定Vy和Qar,net根本上保持不变，那么有即煤粉在炉内的停留时间反比于炉膛容积热负荷烟气流量炉膛容积计算燃料量单位质量的燃料生成的烟气量燃料的低位发热量西安交通大学能源与动力工程学院94实验统计的沿燃烧室长度的相对燃尽率粉气流在炉内的燃烧要给足足够的空间和炉内停留时间，即炉膛有足够高度。炉内停留时间一般停留时间2~5秒煤种沿炉膛的相对长度x/L（L为炉膛总长度）

0.15

0.20

0.30

0.40

0.50

1.0贫煤、无烟煤72~86%86~90%92~95%93~96%94~97%96~97%烟煤90~9492~9695~9796~9898~9998~99.5褐煤91~9593~9796~9897~9898~9999~99.5煤与重油混烧（

=1.02）94~9696~9897~99≈99.5西安交通大学能源与动力工程学院95除以上炉膛空间〔高度〕、停留时间外，从燃烧化学反响速度的角度，主要还有：燃烧温度的影响：对煤粉炉内温度1000~1500℃之间〔处于过渡区〕，进入扩散区≥2000K〔1700℃〕，显然提高温度T对焦炭燃尽有利。炉膛烟气的O2浓度对燃尽影响很大，火焰最高温度大约离喷口4m远。适当的送入O2—提高；适当的送入方法——OFA〔Over-FireAir〕煤粉细度：挥发分愈低，那么E愈大，着火燃尽时间愈长，故煤粉需磨得很细。强化煤粉气流燃尽的措施西安交通大学能源与动力工程学院965.5.5燃烧中的污染物的形成燃烧过程中主要的污染物：粉尘，硫氧化物，氮氧化物，烃，一氧化碳，二氧化碳〔1〕粉尘：是由煤灰，未燃碳和碳黑引起的。主要的措施是烟气除尘后排空。〔2〕硫氧化物SOx：由于煤中黄铁矿硫和有机硫燃烧生成的，减少硫氧化物排放的措施有炉前脱硫，炉内脱硫和烟气脱硫三类脱硫技术〔3〕氮氧化物：温度型氮氧化物由空气中的氮在火焰高温下氧化生成；快速型氧化氮是由于空气中的氮和氧原子通过等的触媒作用生成的。燃料型氧化氮是由燃料中的氮与空气中的氧化合生成的。主要措施是抑制燃烧温度和采用小于1的过量空气系数〔形成复原性气氛〕。西安交通大学能源与动力工程学院975.5.6结渣结渣：炉膛火焰内的煤粉颗粒一般已处于熔融状态，如果它在被气流携带输运水冷壁的路线上来不及凝固，它就可能粘附在水冷壁管上而引起结渣。影响因素：炉膛热负荷、灰熔点、炉膛气氛〔复原性气氛较易引起结渣〕。西安交通大学能源与动力工程学院98思考题试分析讨论煤燃烧和