第六章燃烧过程的基本理论

第六章 燃烧过程的基本理论

1. 阿累尼乌斯定律：0exp(/)k k E RT =-

k 0──频率因子，表征反应物质分子碰撞的总次数；

E──活化能，使分子接近和破坏反应分子化学键所必须消耗的能量，也就是发生反应所需要的能量。不同反应的活化能不同，且正反应和逆反应的活化能也是不同的； T──热力学温度，K ；

R──通用气体常数，。

2. 煤燃烧过程的四个阶段：

1) 预热干燥阶段：水分蒸发，吸热过程，温度<200℃；

2) 挥发分析出并着火阶段：高分子碳氢化合物吸热，热分解，分解出一种混合可燃气体，及挥发分。挥发分一经析出，便马上着火，开始放热，温度>200℃～300℃；

3) 燃烧阶段：挥发分和焦炭的燃烧，大量放热，温度急剧上升；

4) 燃烬阶段：焦炭燃尽成灰渣。

3. 碳的多相燃烧过程：

1) 参与燃烧反应的气体分子(氧)向碳粒表面的转移与扩散；

2) 气体分子(氧)被吸附在碳粒表面上；

3) 被吸附的气体分子(氧)在碳表面上发生化学反应，生成燃烧产物；

4) 燃烧产物从碳表面上解吸附；

5) 燃烧产物离开碳表面，扩散到周围环境中。

吸附与解吸附最快；扩散与化学反应最慢，但最主要。因此，碳的多相燃烧速度决定于氧向碳粒表面的扩散速度和氧与碳粒的化学反应速度中速度最慢的一个。

4. 多相燃烧反应的燃烧区域

在碳的多相燃烧中，多相化学反应速度，用气相O 2消耗速度w 1表示化学反应速度：

1f w kC =

燃烧化学反应速度也可用氧向碳粒表面扩散速度表示：()

20f w C C β=-

式中：f C —— 碳粒表面上氧的浓度，kg/m 2；0C —— 周围介质中氧的浓度， kg/m 2； k —— 化学反应速度常数；β —— 扩散速度常数。

燃烧过程稳定时，氧气扩散速度等于氧气消耗速度： w1 = w2 = w 经推到：0n 0k w C k C k

ββ==+ 1) 动力燃烧区域：在燃烧过程中，当燃烧反应温度不高时，化学反应速度不快，此时氧的

供应速度远大于化学反应中氧的消耗速度，亦即扩散能力远大于化学反应能力，即β >> k 。这时燃烧工况所处区域称为动力燃烧区域。

特征及措施：

① 碳粒表面氧浓度基本上等于周围介质中氧浓度：f C = 0C

② 燃烧反应速度w = k 0C

③ 燃烧反应速度决定于化学反应速度，与扩散速度无关； ④ 燃烧温度不高，提高温度是强化燃烧的有效措施。

2) 扩散燃烧区域：如果影响燃烧过程进行速度的主要因素是扩散，也就是说，此时燃烧反

应的温度已经很高，化学反应能力远大于扩散能力，即k >> β时，这时的燃烧区域称为扩散燃烧区域。

特征及措施：

①碳粒表面氧浓度基本上等于零： f C = 0

②燃烧反应速度w =β0C ③燃烧反应速度决定于扩散速度，反应速度常数与T 无关，燃烧反应速度与T 关系不大，强化措施↑β，加大风速，加强碳粒与氧的扰动混合。

④燃烧温度很高，>>环境温度

3) 过渡燃烧区域：实际情况大部分是该区域，T 适中。提高温度&加大风速，加强碳粒与

氧的扰动混合同样重要。

4) 判断：f C /0C ，谢苗诺夫准则： β/k = SM ；上述三种不同的燃烧区域并不是固定不

变的，而是随着外界条件的变化而相互转移。

5. 放热量Q 1与散热量Q 2随温度变

化曲线

1点：稳定的低温缓慢氧化状态

2点：热力着火点(不稳定状态)

3点：高温燃烧状态

4点：热力熄火点

5点：低温缓慢氧化状态点

稳定着火条件：

12Q Q = 12dQ dQ dT dT

≥ 一般熄火温度T xh 大于着火温度T zh ；

熄火点和着火点随反应系统的热力条件(散热和放热)而变；

各种实验方法所测得的着火温度值的出入较大，相同测试条件下，不同燃料的着火、熄火温度不同；对同一燃料，不同的测试条件也有不同，过分强调着火温度意义不大； 对煤：反应能力越强（挥发分Vdaf 越高，焦炭活化能越小）的煤，着火点低，容易着火，也易燃烬。反应能力弱的无烟煤着火温度高，也难燃烬。

加快着火的措施：加强放热、减少散热。散热不变时，提高可燃物初温，增加可燃物浓度和压力，使放热强化，如浓淡燃烧器稳燃；放热不变时，可降低气流速度、燃烧室保温等措施，如增加卫燃带等。

6. 着火热：把煤粉气流加热到着火温度所需的热量称为着火热。

需要加热：煤粉、空气(一次风)、煤粉中水分的蒸发和过热。

B r——燃料消耗量，kg/h；V0——理论空气量，Nm3/kg；

α1——过量空气系数；r1——一次风比例；

c1k——一次风比热，J/；q4——机械不完全燃烧热损失，％

c d——煤干燥基比热，J/；M ar——煤收到基水分，％；

T zh——着火温度，K；T0——煤粉一次风初温，K；

c q——蒸汽比热容，J/；M mf——煤粉的水分，％

着火热的来源：

对流换热—煤粉气流卷吸回来的高温回流烟气(包括内回流及外回流)，这部分热烟气和新喷入的煤粉空气强烈混合，将热量以对流方式迅速传递给新燃料，约占总着火热的70-90%；

辐射换热—火焰、烟气、炉墙对煤粉气流形成辐射传热，占10-30%。

7.煤粉气流着火影响因素

1)燃料性质

a)挥发分：影响最大，V daf增加，着火温度点下降；

（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。

煤粉气流的着火位置：200～300 mm，不大于500mm

着火太迟：火焰中心上移，造成炉膛上部结渣，汽温偏高，q3，q4增加

着火太早：烧坏燃烧器，燃烧器附近结渣）

b)原煤水分：水分增加，着火热增加，炉内温度水平下降，理论燃烧温度下降。

c)原煤灰分：灰分要吸热，还会使热值降低，炉内温度水平下降，着火推迟，影

响稳定性。

d)煤粉细度：煤粉越细，燃烧反应表面积越大，煤粉升温速度加快着火更快更容

易；煤粉气流相对速度加快，扩散反应加快；

2)炉内散热条件

a)在燃烧器区域增加卫燃带（燃烧带）

b)改善保温条件

3)煤粉气流的初温：提高初温可减少着火热。

4)一次风量和一次风速

一次风速：过高，降低煤粉气流加热速度，影响着火，着火延长；过低，燃烧器喷口烧坏，煤粉堵塞。有一个合理的选择。

一次风温：低挥发分煤,越高越好;高挥发分煤,不能太高，防止烧喷口。

5)燃烧器结构特性

a)主要是指一、二次风混合的情况：二次风混入一次风的位置要合适

混合过早，增加冷风，增加着火热，会推迟着火；混合过迟，焦炭着火后不能及时燃烧，使整个燃烧过程延长。

对高挥发分煤，早混入，否则影响燃烧效率；对低挥发分煤，迟混入，否则会影响着火燃烧稳定性。

二次风速要较高：增强对煤粉的扰动和扩散，加快后期混合过程和强度。一般控制动量比J2/J1 = 2-4

b)燃烧器的尺寸：燃烧器出口截面积愈大，煤粉气流着火时离开喷嘴的距离就愈

远，着火拉长了。

6)锅炉负荷：锅炉负荷与炉内火焰温度直接相关，负荷降低，炉内燃烧火焰温度下降。

8.燃烧完全的条件

1)供应充足而又适量的空气

这是燃料完全燃烧的必要条件。空气量常用过量空气系数来表示，过量空气系数有个最佳值。

2)适当高的炉温

炉温高，着火快，燃烧速度快，燃烧易于趋向完全。但过分地提高炉温也是不可取的，过高容易引起结渣等。

3)空气和煤粉的良好扰动和混合

化学反应速度和氧气扩散速度是决定燃烧反应速度的两大因素。良好的扰动和混

合，氧气更快扩散到煤粒表面，一、二次风配合好，不仅着火阶段充分混合，燃尽阶段也有利。

4) 在炉内要有足够的停留时间

煤粉自燃烧器出口一直到炉膛出口行程所经历的时间。取决于炉膛容积、炉膛截面积、炉膛高度及烟气在炉内的流动速度。在锅炉设计时确定。

质量作用定律：在温度不变时，化学反应速率与该瞬间各反应物浓度幂的乘积成正比。各反应物浓度的幂指数等于其相应的化学计量系数。a b A B w kC C

一次风：输送煤粉进入炉膛的风（首先与燃料接触的风）。

作用：①输送煤粉；②保证挥发分燃烧所需的氧气。

二次风：直接进入炉膛助燃的风。

作用： ①满足焦炭燃烧所需的氧气； ②组织风粉进行扩散混合。

三次风：除一次风、二次分外的送入炉膛的风。

类型和作用：①中储式热风送粉中的乏气；②抑制氮氧化物的生成，分级送风：燃尽风(OFA 、SOFA 等)；③沿炉壁送入，保护水冷壁防止结渣和高温腐蚀；④控制火焰中心温度，协助调节汽温。

燃烧效率可用下式表示：

r = 100-(q3 + q4)，% g = 100-(q2 + q3 + q4 + q5 + q6)，%

q 2—排烟热损失，%；q 3—化学不完全燃烧热损失，%；q 4—机械不完全燃烧热损失，%； q 5—锅炉散热损失，%；q 6—其他热损失，%

劣质煤强化着火措施

一、无烟煤着火和稳燃问题

增强高温烟气的回流，提高着火区温度；提高一次风中的煤粉浓度和热风温度；采用分级配风(一次风集中)，推迟一、二次风混合；敷设卫燃带，增强着火区辐射热量；提高煤粉细度；采用较低的一次风速和风率

二、无烟煤燃尽问题

延长风粉气流的流动路程(如采用W火焰燃烧)——增加煤粉燃烧时间；组织合理的炉内空气动力场——强化扰动和混和；合理的炉膛容积(瘦高型)——延长时间，降低烟气流速；着火后及时送入大量的二次风；敷设卫燃带，提高燃烧区域的温度——适当高的炉温；适当增大过量空气系数——充足合适的空气量；提高煤粉细度