第5-燃烧过程的理论基础修改稿

第五章燃烧过程的理论基础2化学反应速度化学反应速度固体燃料的燃烧煤燃烧的四个阶段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煤粉气流的着火及影响因素影响反应速度的因素焦碳的燃烧煤粉气流着火热源完全燃烧的条件第五章燃烧理论基础3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1111(51)GABHdCdCdCdCwdtdtdtdt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第一节化学反应速度4一、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，对于一定的化学反应，只取决于温度。(54)ABwkCC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。均相反应质量作用定律5二、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，mol/m3BABdCwkfCdt式5-5第一节化学反应速度6三、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0(44)ERTkke第一节化学反应速度7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，反应速率越大阿累尼乌斯定律0(44)ERTkkeKg/(m2.s.Pa)8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，化学反应速度增加压力对反应速度的影响化学反应速度与反应系统压力p的n次方成正比，即nApdtdCw式中：n为反应级数。9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。少量吸热第二节煤燃烧过程的四个阶段10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。燃尽阶段的燃烧反应进行缓慢，易造成Q4；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，燃尽放热是目的煤燃烧过程的四个阶段11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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）第三节着火和熄火的热力条件122()413bQFTT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2/10(412)ERTnOrQkeVCQ燃烧室内煤粉空气混合物燃烧时的放热量Q1为第三节着火和熄火的热力条件13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TzhTb=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煤粉气流的着火温度14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煤粉气流的熄火温度15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在燃烧初期由于其能够在低温下析出并燃烧，释放出大量的热量，提高反应系统的温度，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的燃烧特点CO+H2O→CO2+H22CO+H2→CO2+CH4CO+3H2→H2O+CH4CO2+4H2→2H2O+CH42COCO2+C16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.煤的燃烧特点17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，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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火焰中挥发分的析出曲线第六节煤粉的燃烧特点18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32244044()4()(416)3mmymhmdTrcraTTrTTd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19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）040()(419)3mzzhrcTTT0ln(418)3ymzyzTTrcaTT高温回流烟气的对流热为主要热源（曲线1）煤粉气流的着火热源2004110010010010010025101002510100(420)100100arzhrrKdzharmfarrqzhqmfMqQBVrccTTMMMBcTcTM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: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煤粉气流着火热2104110010010010010025101002510100(420)100100arzhrrKdzharmfarrqzhqmfMqQBVrccTTMMMBcTcTM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、过热所需热量上式可见，着火热随燃料性质（如着火温度，燃料水分、灰分、煤粉细度）和运行工况（煤粉气流初温、一次风率和风速）有变化有关。还与燃烧器结构和负荷有关。煤粉气流着火热22燃料的性质挥发分含量Vdaf小；水分、灰分含量高；煤粉粗，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，提高预热空气温度煤特性、散热条件及初温对着火的影响23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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，与煤种及燃烧器型式有关。一次风量、一次风速对着火的影响24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着火稳定性条件限制了煤粉锅炉负荷的调节范围。一般在没有其他稳燃措施条件下，固态排渣煤粉炉只能在高于70%额定负荷下运行锅炉的负荷对着火的影响25供应充足而适量的空气量α炉膛出口过剩空气系数可代表空气量对燃烧过程的影响煤粉气流完全燃烧的条件值影响q2、q3和q4在一定范围内减小，q2降低，但q3、q4会增加最佳应使(q2+q3+q4)为最小通过燃烧调整试验确定，并在运行中尽量保持该值对烟煤，可取=1.15对无烟煤、贫煤，可取=1.226保证足够的炉膛温度炉温高，着火快，燃烧速度快，燃烧过程便进行得猛烈，燃烧也易于趋向完全炉温过高，不但会引起炉内结渣，也会引起水冷壁的膜态沸腾炉温在（1000～2000℃）范围内比较适宜促进燃料与空气充分混合煤粉完全燃烧应使煤粉和空气充分扰动混合。要求燃烧器的结构特性优良，一、二次风配合良好，炉内空气动力场均匀煤粉气流完全燃烧的条件27保证足够的停留时间τ煤粉在炉内的停留时间τ煤粉自燃烧器出口至炉膛出口所经历的时间τ过小，由于煤粉至炉膛出口处还没有烧完，但炉膛出口后温度降低会使燃烧基本停止，造成燃烧热损失增大；同时引起炉膛出口处过热器超温和结渣τ取决于炉膛容积热强度、炉膛截面热强度和锅炉运行负荷煤粉气流完全燃烧的条件28（1）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；（2）氧气吸附在炭粒表面；（3）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）；焦碳燃烧按下述五程序进行第七节焦碳燃烧的动力学特性29焦碳燃烧按下述程序进行（4）燃烧产物（CO2和CO）从炭粒表面上解吸析；（5）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