第五章、煤粉燃烧理论基础及燃烧设备

2019/8/171第五章、煤粉燃烧理论基础及燃烧设备2019/8/172本章主要讲述有关电站锅炉的燃烧理论，其解决的主要问题是：(1)判断各种燃料的着火性能，分析影响着火过程的主要因素，保证燃烧过程顺利进行。(2)研究如何提高燃料的燃烧速度，提出加速燃烧反应，提高燃烧效率的途径。(3)解决降低燃烧产物中污染物排放量的问题。2019/8/173第一节燃烧基本理论一、化学反应速度1、浓度对化学反应速度的影响(1)质量作用定律燃烧是一种发光发热的化学反应现象。燃烧速度可以用化学反应速度来表示。在等温条件下，化学反应速度可用质量作用定律表示。即反应速度一般可用单位时间，单位体积内烧掉燃料量或消耗掉的氧量来表示。可用下面的式子表示炉内的燃烧反应：2019/8/174(5-1)(燃料)(氧化剂)(燃烧产物)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(5-2)(5-3)hHgGbBaAdtdCWAA—dtdCWGGdtdCWBB—dtdCWHH2019/8/175CA、CB、CG、、CH为摩尔组分浓度，kg/m3或mol/m3。(2)质量作用定律的意义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：对于均相反应，在一定温度下，化学反应速度与参加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：2019/8/176kg/（m3.s)或mol/(m3.s)(5-4)kg/（m3.s)或mol/(m3.s)式中:ＣA,ＣB---反应物A,B的摩尔组分浓度，kg/m3或mol/m3；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，kg/(m2.s.Pa)。bBaAAAACCkdtdCW—bBaABBBCCkdtdCW—2019/8/177质量作用定律适用于理想气体，在均相反应中，假定参与反应的气体为理想气体，则质量作用定律可以应用。(3)多相燃烧的化学反应速度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，反应速度取决于燃料表面附近氧化剂的浓度和固相物质的表面积。用下式表示：，mol/(m3.s)(5-5)式中：CB――固体燃料表面附近氧的浓度，mol/m3；bBABBBCfkdtdCW2019/8/178fA――单位容积两相混合物中固相物质的表面积，m2。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。质量作用定律只反映了化学反应速度与参加反应物浓度的关系。实际上，反应速度不仅与反应物浓度有关，而且与参加反应的物质的活性和温度等因素有关。化学反应速度与燃料活性及温度的关系可用阿累尼乌斯定律表示。在燃料着火区，可燃物浓度比较高，而氧浓度比较低。这主要是为了维持着火区的高温状态，使燃料进入炉内后尽快着火。2019/8/1792、温度对化学反应速度的影响（阿累尼乌斯定律及活化能）（1）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质浓度不变的条件下进行的。这时，化学反应速度与燃料活性及温度的关系可用著名的阿累尼乌斯定律描述：，kg/(m2.s.Pa)(5-6)式中,k0--相当于单位浓度中，反应物质分子间的碰撞频率或有效碰撞次数的系数，也可称为频率因子，kg/(m2.s.Pa)；E—反应活化能，kJ/mol；RTEoekk2019/8/1710R—通用气体常数，kJ/mol.k；T—反应温度，ok：k—反应物浓度不变时的反应速度常数，kg/(m2.s.Pa)。简单的说，燃料的“活性”表示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，燃料的“活性”也表现为燃料燃烧时的反应能力。各种燃料所具有的“活性”程度可用“活化能”的概念来描述。2019/8/1711（2）活化能燃料的活化能表示燃料的反应能力。活化分子被认为是极少数能量较大的分子，其所具有的能量在碰撞时足以破坏原有的化学键，并建立新的化学键。活化能是参与化学反应的物质达到开始进行化学反应状态所需的最低能量，用Ｅ表示。把能够发生化学反应的碰撞称为有效碰撞，并把能够发生有效碰撞的分子称为活化分子。2019/8/17122019/8/1713从图可见，要使反应物由Ａ变成燃烧产物Ｇ，参加反应的分子必须首先吸收活化能Ｅ，使活化分子数目增多，并达到活化状态，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Ｑ。燃料的活化能越小，反应能力就越强，反应速度随温度变化也较小，在低温下也能燃烧。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。影响燃烧反应速度的主要因素是反应物的浓度，活化能和反应温度。燃煤的活化能及频率因子可在沉降炉中测定，表5-1是国内四种典型煤种的测定结果。2019/8/1714燃煤的活化能及频率因子煤种Ｖdaf频率因子活化能%g/(cm2.s.MPa)kJ/mol无烟煤5.1596.8385.212贫煤15.1812.6155.098烟煤33.407.8945.452褐煤41.025.3138.9112019/8/1715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，也能提高反应速度。3、压力对燃烧速度的影响在反应容积不变的情况下，反应系统压力的增高，就意味着反应物浓度增加了，从而使反应速度加快。nnAnRTpxk)(2019/8/17164、催化反应使化学反应速度发生变化，参与化学反应，但本身不发生变化。5、连锁反应连锁反应可以使化学反应自动连续加速进行。二、氧的扩散速度氧的扩散速度不仅与氧的浓度有关，还与炭粒直径及气流与炭粒的相对速度有关。三、燃烧速度与燃烧区域1.碳粒燃烧的动力区温度低于900～1000℃时，化学反应速度小于氧气向碳粒表面的扩散速度，氧气的供应十分充足，提高2019/8/1717扩散速度对燃烧速度影响不大，燃烧速度取决于反应温度和碳的活化能。此时，燃烧处于动力区。在动力燃烧区内，因为化学反应速度系数k很小，αd＞＞k，故1/k＞＞1/αd。2.碳粒燃烧的扩散区温度高于1400℃时，化学反应速度大于氧气向碳粒表面的扩散速度，以至于扩散到碳粒表面的氧气立刻被消耗掉，碳粒表面处的氧浓度接近于0，提高温度对燃烧速度影响不大，燃烧速度取决于氧气向碳粒表面的扩散速度。此时，燃烧处于扩散区。在扩燃烧区内，因为反应温度很高，化学反应速度系数很大,αd＜＜k，故1/k＜＜1/αd。2019/8/17183.碳粒燃烧的过渡区介于动力区和扩散区之间，称为燃烧处于过渡区。在过渡区，提高温度和提高扩散速度都可以提高燃烧速度。即氧气向碳表面扩散速度与碳粒表面化学反应速度同时影响和控制碳粒燃烧速度。若扩散速度不变，只提高温度，燃烧过程向扩散区转化；若温度不变，只提高扩散速度，燃烧过程向动力区转化。化学反应速度常数和氧气扩散速度系数的比值称为谢苗诺夫（Семенов）准则，即：(5-21)kSdm2019/8/1719实际燃烧时，碳粒表面的氧气浓度一般接近于Co或接近于0。所以，前苏联学者丘哈诺夫提出用比值当判别碳粒燃烧区域。其界限为：接近1时，燃烧处于动力区；当接近零时，燃烧处于扩散区。通常煤粉炉的燃烧均处于动力燃烧或过渡燃烧状态。2019/8/17202019/8/17212019/8/1722第二节煤粉气流的着火和燃烧一、煤粉的燃烧过程煤粉的燃烧过程如下：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。（一）煤粉燃烧的三个阶段：1、着火前的准备阶段：吸热阶段，燃料的干燥与加热，挥发物受热分解析出。挥发分的析出的数量和成分取决于煤的特性、加热温度和速度。着火前氧的浓度和飞灰含碳量变化不大2、燃烧阶段从局部到整个表面，放出大量热量，烟气温度2019/8/1723迅速升高，氧浓度和飞灰含碳量急剧下降3、燃尽阶段焦炭粒变小，形成灰壳。大部分可燃物燃尽，温度降低。燃尽时间最长。在煤粉炉内，伴随燃料燃烧过程的不断进行，还将产生下列问题：(1)受热面积灰、结渣；(2)受热面金属表面的高温腐蚀；(3)蒸发受热面中水动力和传热的安全性；(4)氧化氮等污染物的生成；(5)火焰在炉膛容积中的充满程度。2019/8/1724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。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，燃煤得到干燥，随着水分的蒸发，燃煤温度不断升高。挥发分析出后，剩余的固态物形成焦碳。2019/8/1725可燃挥发分气体的着火温度比较低，450～550℃以上就可着火、燃烧，同时释放热量，加热焦碳。焦碳温度升高到着火温度时，即着火燃烧，并放出大量热量。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：外层的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。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。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。2019/8/1726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)×104℃/S，仅在0.1～0.2秒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。图5-5表示了煤粉粒子的升温速度。经验表明，干燥无灰基挥发分大的煤，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。2019/8/1727（二）焦炭的燃烧炭粒的燃烧是煤粉燃烧的关键。可燃成分最多、时间最长、热量最大。机理复杂，是多相反应。2019/8/17282019/8/17292019/8/17302019/8/1731二、燃烧过程着火和熄火的热力条件锅炉炉内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可燃物拥有足够的热量时温度不断升高而引起的。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。1、实现稳定着火的两个条件：放热量和散热量达到平衡，放热量等于散热量。(5-7)21QQ2019/8/1732放热量随系统温度的变化率大于散热量随系统温度的变化率。(5-8)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。2、着火温度与熄火温度燃烧室内可燃混合物燃烧放热量为：，kJ/(m3.s)（5-9）向周围环境散失的热量为：Q2=(αS/V)（Ｔ-Ｔo），kJ/(m3.s)（5-10）dTdQdTdQ21rmfnORTEoQCCekQ21—2019/8/1733CO2--氧浓度，mol/m3；Cf—可燃混合物中的燃料浓度，mol/m3或kg/m3；ko–频率因子，kg/(m2.s.Pa)；V--可燃混合物的容积,m3；Qr--燃烧反应热，kJ/mol；Ｔ--燃烧反应物温度,K；Ｔo--燃烧室环境温度,K；α--混合物向燃烧室壁面的放热系数,kJ/(m2.k.s)；S--燃烧室壁面面积,m2。图5-2表示了由可燃混合物燃烧放热量（5-9）式和不同散热条