第4章-燃烧过程的理论基础=锅炉原理-=华中科技大学.

第四章燃烧过程的理论基础化学反应速度化学反应速度影响反应速度的因素固体燃料的燃烧煤燃烧的四个阶段焦炭的燃烧煤和煤粉的燃烧特点煤粉气流的着火与燃烧着火与熄火的热力条件煤粉气流着火热源煤粉气流的着火及影响因素完全燃烧条件燃烧反应是一种发光放热的高速化学反应，同时伴随各种物理过程均相燃烧燃料和氧化剂物态相同，如气体燃料在空气中燃烧多相燃烧燃料和氧化剂物态不同，如固体燃料在空气中燃烧化学反应速度化学反应速度在反应系统单位体积中物质（反应物或生成物）浓度的变化率，单位是mol/（cm3·s）对于反应式A＋B→G＋H反应速度为CA、CB、CG、CH分别为反应物A、B和生成物G、H的浓度，mol/cm3α、β、γ、δ分别为相应的化学计量系数)14(dtdC1dtdC1dtdC1dtdC1wHGBA均相反应质量作用定律质量作用定律反映浓度对化学反应速度的影响对于均相反应，在一定温度下，化学反应速度与参加反应各反应物浓度乘积成正比，各反应物浓度的幂指数等于其相应的化学计量系数对反应A＋B→G＋H质量作用定律可用下式表示式中：k为反应速度常数，表示单位物质浓度时的反应速度)34(CkCwBA在温度不变的情况下，反应物的浓度越高，分子的碰撞机会越多，化学反应速度就越快。多相反应质量作用定律多相燃烧反应在固体表面进行，固体燃料浓度不变（CA=常数），故多相反应速度w是指在单位时间、单位表面上反应物（气相）浓度的变化率式中fA－单位容积两相混合物中固相物质的表面积；CB－气相反应物质的浓度BABCkfdtdCw阿累尼乌斯定律阿氏定律反映温度对化学反应速度的影响反应物浓度不变时，反应速度常数k随温度变化的关系式中k0－频率因子，近似为一常数R、T、E－通用气体常数、热力学温度、活化能)44(ekkRTE0活化能E能够破坏原有化学键并建立新化学键所必须消耗的能量，具有活化能的分子为活化分子。活化能E与反应物种类有关，挥发分含量小的煤，E大在一定的温度下，活化能E越大，则反应速度常数k值越小，反应速率越小；而在一定的活化能E下，温度越高，则反应速度常数k值越大，反应速率越大压力对反应速度的影响在反应容积不变的情况下，反应系统压力增高，就意味着反应物浓度增加，化学反应速度增加)64(pwn煤燃烧过程的四个阶段预热干燥煤被加热至100℃左右，煤粒表面及煤粒缝隙间的水被逐渐蒸发出来。大量吸热挥发份析出并着火温度升至一定值，煤中挥发分析出，同时生成焦碳（固定碳）。挥发分的释放量及成分主要取决于升温速度。不同的煤，开始析出挥发分的温度不同，达到一定温度，析出的挥发分就着火、燃烧。对应的温度称煤的着火温度，不同煤的着火温度不同。少量吸热燃烧挥发份首先燃烧造成高温，包围焦炭的挥发分基本烧完且燃烧产物离析后，碳开始着火、燃烧。大量放热燃尽残余的焦炭最后燃尽，成为灰渣。少量放热上述各阶段实际是交叉进行的；其中着火和燃尽是最重要的两个阶段，着火是前提，燃尽放热是目的焦碳的燃烧反应附加反应C及CO与空气中的水蒸汽产生的反应C+H2O→CO+H2C+2H2O→CO2+2H2CO+H2O→CO2+H2一次反应在一定温度下，碳和氧的化学反应可能有两种C+O2→CO2C+O2→CO21二次反应一次反应的生成物CO2、CO与初始反应物碳和氧再次发生反应C+CO2→2COCO+O2→CO221焦碳燃烧的动力学特性氧气从外界扩散到炭粒周围，氧气通过灰壳的阻力，到达炭粒的表面；氧气吸附在炭粒表面；高温下，炭粒和氧进行化学反应，生成CO2和CO，同时不可燃物生成灰渣（灰壳的一部分）；焦碳燃烧按下述程序进行燃烧产物（CO2和CO）从炭粒表面上解吸析；燃烧产物通过灰壳阻力向外扩散，其中CO2直接扩散在周围空气中，CO在扩散过程中遇氧气又变成CO2，然后再向远处空气中扩散焦碳燃烧的动力学特性焦碳的燃烧反应速度的影响因素可以是化学的（反应物的吸附作用、化学反应本身、或生成物的脱附作用）；也可以是物理扩散的（反应物或生成物向容积气相或颗粒气孔内的气相的扩散）焦碳的燃烧反应速度取决于上述连续过程中最慢的某一个阶段:氧向碳粒表面的扩散或在碳表面发生的化学反应碳的燃烧反应速度焦碳的燃烧反应速度取决于温度、焦碳颗粒尺寸、氧气浓度、环境压力和气体与焦碳颗粒之间的相对速度等式中：mp―焦碳颗粒质量；ρp―焦碳粒颗密度；P―压力；χ02―氧气浓度；d―焦碳颗粒的直径；k―焦碳颗粒的反应速率常数)74(Pdkdtdm022Pp碳的燃烧反应速度反应速度常数k取决于碳粒表面的化学反应速度常数kC和氧的扩散速度常数kD)84(k/1k/11kDC其中)94()RTEexp(AkPC)104(dRTD37.2kaD式中A为反应前置系数；R为通用气体常数d为碳粒直径；D为氧气扩散系数；为化学当量因子。若主要产物是CO2，则等于1；若主要产物是CO，则等于2；TP、Ta分别为碳粒温度和边界层中气体平均温度燃烧反应区域动力区燃烧反应的温度不高，kC很小，kD非常大，焦碳燃烧处于化学动力控制下，反应速率常数k=kC燃烧反应速度w取决于碳粒表面的化学反应速度,是随温度的升高按指数增大。强化燃烧的措施是提高反应系统的温度扩散区燃烧反应温度较高，kC非常大，kD很小，焦碳燃烧处于扩散控制下，反应速率常数k=kD燃烧反应速度w取决于氧气向碳粒表面的扩散速度。强化燃烧的措施是强化扰动，减小煤粉颗粒过渡区动力区与扩散区之间区域，强化燃烧的措施是同时提高炉膛温度和扩散速度根据燃烧条件的不同，可将多相燃烧分为三种不同的区域煤的燃烧特点煤中含有水分煤的燃烧过程中，水蒸气很易和C及燃烧产物CO作用，生成CO2和H2，H2再与CO或CO2反应。这种催化作用，使燃烧反应更加复杂并改变化学反应速度煤中含有挥发分挥发分对煤的着火燃烧有利；但另一方面，挥发分析出燃烧，消耗了大量氧气，并增加了氧气向煤粒表面的扩散阻力，使燃烧过程的初期焦碳的燃烧速度下降煤中含有矿物杂质在燃烧过程会生成灰，灰层包裹着碳粒，会妨碍氧向碳粒表面的扩散，或使碳粒反应表面减少，使燃烧难以进行，燃尽困难煤是一种多孔性物质它受热时产生的水蒸气和挥发分，不但向煤粒表面四周的空间扩散，而且还会向煤粒的内部空隙扩散煤粉的燃烧特点锅炉燃用煤粉的颗粒很小（30～100μm），炉膛温度又很高，煤粉在炉膛中的加热速度可以达到（104℃/s或更高），总的挥发分释放时间小于1秒，而且挥发分很快地由炭粒表面逸出煤粉快速加热时，煤中挥发分的含量和成分都与慢速加热的挥发分常规测试方法不同煤粉快速加热时，挥发分析出、着火和碳的着火燃烧几乎是同时的，其中极小的煤粉甚至可能先着火燃烧煤燃烧的四个阶段不明显，挥发分析出过程几乎延续到燃烧的最后阶段煤粉快速加热时，焦碳在孔隙结构方面与慢速加热有很大差别煤粉火焰中挥发分的析出曲线煤粉气流的着火由缓慢的氧化状态转化到快速的燃烧状态的瞬间过程称为着火，转变时的瞬间温度称为着火温度着火和熄火的热力条件)134()TT(FQb2燃烧过程中向周围介质的散热量Q2为式中V、F―分别为煤粉空气混合物容积和燃烧室壁面面积α―混合物向燃烧室壁面的综合放热系数T、Tb―分别为反应系统温度和燃烧室壁面温度)124(QVCekQrnORT/E012燃烧室内煤粉空气混合物燃烧时的放热量Q1为煤粉气流着火、熄火的热力条件煤粉气流燃烧时要放出热量，同时又向周围介质散热。这两个互相矛盾过程的发展，可能使燃烧过程发生（着火）或者停止（熄火）煤粉气流的着火温度放热曲线Q1是一条指数曲线，散热曲线Q2接近于直线点2对应的温度即为着火温度TzhTb=Tb1（很低），散热线与Q1交点1为稳定平衡点，煤粉处于低温缓慢氧化状态2Q2QTb=Tb2，散热线与Q1交点2为不稳定平衡点，只要稍增加系统的温度，Q1Q2，反应将自动加速过渡到点3高温稳定平衡点，此时，只要保证煤粉和空气的不断供应，最后将稳定在高温燃烧状态2Q2Q煤粉气流的熄火温度Tzh、Txh是在一定测试条件下的相对特征值，Txh大于Tzh。强化着火的措施在散热条件不变的情况下，增加可燃混合物的初温、浓度和压力，加强放热在放热条件不变时，提高燃烧室的保温，减少放热Tb=Tb2、强化散热，散热线与Q1交点4为不稳定平衡点，只要反应系统温度稍降低，Q1Q2，反应系统温度急剧下降过渡到点5低温稳定平衡点，此时，煤粉只能产生缓慢地氧化，而不能着火和燃烧，从而使燃烧过程中止（熄火）点4对应的温度即为熄火温度Txh2Q2Q煤粉气流的着火热源煤粉气流着火热源煤粉气流卷吸回流的高温烟气；火焰、炉墙等对煤粉的辐射)164()TT(r4)TT(ar4ddTcr344m4h02my2mm3式中：r、m、c―分别为煤粉半径(m)、密度(kg/m3)和比热(J/(kg·℃))；Tm、Th―分别为煤粉气流温度(K)、火焰温度(K)Ty—回流烟气温度(K)τ―煤粉加热时间(s)；a―烟气对煤粉的对流放热系数，(W/(m2·℃))；―煤粉和周围介质的系统黑度；右边第一项是高温回流烟气的对流热；第二项是火焰、炉墙等的辐射热煤粉的加热方程式煤粉气流的着火热源细煤粉温升比粗煤粉快得多；煤粉气流的着火主要是靠高温回流烟气的加热煤粉气流由初温T0加热到着火温度Tz所需时间τz分别为辐射为主要热源（曲线2）)194()TT(T3cr0z4h0mz)184(TTTTlna3crzy0ymz高温回流烟气对流为主要热源（曲线1）煤粉气流着火热)204(100Tc2510M100MM100Tc2510100MBTT100M100c100q100crVBQ0qmfmfarzhqarr0zhard4K11r0rzh式中Br―每台燃烧器的燃料消耗量，kg/hr―燃烧器送入炉内的空气所对应的过量空气系数rl―一次风量占炉膛出口相应总风量的百分比；c1K、Cq、cd―一次风、蒸汽及煤的比热，J/Nm3·K）Mar、Mmf―煤的收到基水分，%、煤粉的水分，%Tzh―着火温度，KT0―煤粉一次风气流初温，K煤粉气流的着火热为将煤粉气流加热到着火温度所需的热量对于热风送粉，煤粉气流的着火热为)204(100Tc2510M100MM100Tc2510100MBTT100M100c100q100crVBQ0qmfmfarzhqarr0zhard4K11r0rzh第一项为加热煤粉和一次风所需热量第二项为煤粉中水分蒸发、过热所需热量煤粉气流着火热煤特性、散热条件及初温对着火的影响燃料的性质挥发分含量Vdaf小；水分、灰分含量高；煤粉细度大，则煤粉气流着火温度提高，着火热增大，着火所需时间长，着火点离开燃烧器喷口的距离增大炉内散热条件减少炉内散热，有利于着火。敷设卫燃带是稳定低挥发分煤着火的有效措施，但需预防结渣煤粉气流的初温提高初温T0可减少着火热。燃用低挥发分煤时应采用热风送粉制粉系统，提高预热空气温度一次风量、一次风速对着火的影响一次风量V1（V0rγ1）V1过大，着火热增加，着火延迟V1过低，燃烧初期由于缺氧，化学反应速度减慢，阻碍着火继续扩展V1在最佳值范围内选取（P80表5-4和P88表5-7）一次风速w1w1过高，通过单位截面积的流量增大，降低煤粉气流的加热速度，着火距离加长，着火推迟w1过低，燃烧器喷口易烧坏，煤粉管道堵塞w1在最佳值范围内选取（P80表5-5和P88表5-7）锅炉负荷DD降低，煤耗量B相应减少，水冷壁总的吸热量Q也减少，但减少的幅度较小，故Q/B反而增加，炉膛平均烟温及燃烧器区域烟温降低，对煤粉气流着火不利，当锅炉负荷降到一定程度时，会危及着火的稳定性，甚至可能引起熄火锅炉的负荷对着火