05 燃烧过程的基本理论

回顾1，几种热损失。为了减小热损失，锅炉燃烧需要作到：快速着火，稳定燃烧、充分燃尽。2，为实现该目的，需寻找强化燃烧的方法，这就要认识燃烧过程的本质。从而，需要学习基础燃烧理论。第二节煤、焦炭和煤粉的燃烧一、煤燃烧的四个阶段1.预热、干燥(吸热)2.挥发分析出(热解)，并着火3.燃烧(挥发分、焦炭)(保证O2、足够温度)4.燃尽(残余焦炭Æ灰渣) Æq4如何强化着火Æ第四节如何强化燃烧、燃尽Æ第五节而煤粉的燃烧，四个阶段往往交错进行，挥发分析出几乎延续到煤粉燃烧的最后阶段，甚至是更小的粒子先着火三、碳的多相燃烧反应1、研究对象：固相表面上进行的多相反应2、过程(1)氧分子扩散到反应表面；(2)氧分子吸附于表面上；(3)在表面上发生燃烧反应，放出CO2等燃烧产物；(4)燃烧产物解吸附；(5)产物扩散到周围。这些过程中哪些是瓶颈呢？(2)、(4)、(5)均快当(1)较慢Æ扩散燃烧区(1)、(3)较慢(3)较慢Æ动力燃烧区第五章燃烧过程的基本理论重要性燃烧过程对火力发电机组安全经济运行的影响稳定燃烧高效燃烧着火Æ燃烧Æ燃尽二、碳的燃烧反应碳是固体燃料的主要成分，对着火、燃尽、发热量等均有影响。燃烧和气化过程都非常复杂1、一次反应C+O2 ⇔CO22C+O2 ⇔2CO2、二次反应2CO+O2 ⇔2CO2C+CO2 ⇔2CO3、与水蒸汽反应C+H2O ⇔CO+H2C+2H2O ⇔CO2+2H2CO+H2O ⇔CO2+H2 1．碳粒表面化学反应速度表达式异相化学反应：碳表面发生化学反应所消耗氧量应等于扩散到表面氧量消耗氧量w1=kCf氧量的扩散速率w2=β(C0−Cf)Cf−−碳颗粒表面上氧的浓度C0－－环境中氧的浓度k－－化学反应速度常数β－－扩散速度常数1反应平衡时，反应消耗的氧量等于扩散的氧量w=w1＝kCf=w2＝β(C0−Cf)消去Cf项，变形：w=knC0Kn，折算反应速率常数kβkn＝β+k=11+1kβ根据k和β值的不同，进行燃烧区域的划分（2）扩散区（扩散控制区）温度增加，k急剧增大，耗氧量急剧增加，消耗掉扩散来的氧气，还处于“待料”，燃烧速度取决于扩散，反应处于扩散区。k很大（温度很高），1/k很小，所以，11k<<βw=βC0与温度T的关系十分微弱，而且燃烧速度随β的增大而增大小结：燃烧区域的划分根据氧扩散到表面及在表面上消耗(即化学反应速度k)，按温度变化，分成三个区域：(1)当温度较低时(t<1000℃)，化学反应速度较低，而扩散到表面的氧气比消耗的多得多。此时燃烧速度主要决定于化学反应动力因素(温度、燃料的反应特性)，氧气扩散速度β影响很小，故称动力燃烧区；( k << β)(2)当温度很高时(t>1400℃)，由于k因T升高面大大增加，此时扩散速度相对太低，成为制约因素，故称扩散燃烧区；( k >> β)(3)上述两者之间的温度区域，两个速度相近，称为过渡区。（1）动力区（化学动力控制区）温度较低：碳表面化学反应速度远小于氧气向表面的扩散速度，氧气供应充分，足够反应所需。燃烧速度取决于化学反应速度，反应处于动力区。¾K很小（温度很低），1/k很大，所以1k>>1βw=kC0¾氧气从远处扩散到固体表面，消耗不多,Cf=C0¾k服从阿定律的，w=kC0与k的规律一样（3）过渡区¾k与β大小相差不多，服从：w=C11β+k综上可知，要想提高燃烧速度：1)在温度低的动力区，应提高反应系统的温度Æ提高炉膛温度。该区域氧气很充足，不必大量鼓风；；2)在温度高的扩散区，应增大O2扩散Æ粒径、粒子与气流的相对速度，加强扰动；该区域缺氧是关键，要提高出力，应加强扰动。3)在过渡区，两者都应增大。不同燃料、细度、燃烧空气动力场Æ区域是变化的，用准则Sm、R 、Cf/C0来区分2谢苗诺夫准则SmSm=βk燃烧工况因素R=1=11+β1+Smk氧浓度比Cf/C0四、煤与煤粉燃烧的特点1、煤：比碳复杂1)有H2O Æ对燃烧有催化作用；2)有挥发分Æ提高系统温度、形成多孔性、耗氧；3)多孔性Æ增大比表面积，增加反应表面；4)有灰Æ阻碍氧向碳的扩散，减小反应表面。2、煤粉燃烧特点极细的煤粉可能先于挥发分燃烧；30-100μm,煤粉加热速率（0.5～1）×1E04 ℃/s，在0.1s—0.2s内煤粉温度达到1500℃。细煤粉：挥发分析出着火、碳着火几乎同时进行，甚至煤粉先燃烧，而后才是挥发分的析出与燃烧。2)向周围介质散热量Q2考虑一个综合了辐射、对流的换热过程Q2Q2=αS(T−Tb)TbT3)不同热力条件下，Q1与Q2的关系第三节燃烧过程着火和熄火的热力条件1、着火：由缓慢的氧化状态转变到反应能自动加速到高速燃烧状态的瞬间过程，此时反应系统的温度为着火温度2、着(熄)火条件分析：以燃烧室内煤粉、空气混合物的燃烧为对象1)燃烧时的放热量Q1根据有关化学反应速度的原理：Q1Q=k−E/RT)Cn10exp(O2VQr化学反应速度T3)不同热力条件下，Q1与Q2的关系返回反应初期，向①着火热力条件熄火热力条件：在一定的放热、散热下，只要系统温度小于系统温度随之下降达到不稳定的4点，只要温度稍微下降，反应将自动加速而转变到高速燃烧状态(着火)，最后稳定当壁面温度较低时：会达到一个2：在一定的放热、散热下，只要系统温度大于点靠近；达到2点(不稳定)后只要稍加提高系统稳定的放热、散热平衡点温度，Æ着火温度，燃烧反应会自动加速进行熄火温度，燃烧反应即会自动中断反应温度会急剧自动下降，直到5点（缓慢氧化状态）稳于高温燃烧状态交点1：②③对于高温燃烧下的反应，若散热加大（斜率）当壁温提高到一定值，会交于2、3两点。到一定程度，交于4、5点，4点对应温度即熄火温度T所以：低温下，只会缓慢氧化，不会着火2点对应温度即着火温度T3。xhzh定。3①当壁面温度较低时：会达到一个稳定的放热、散热平衡点Æ交点1：所以：低温下，只会缓慢氧化，不会着火②当壁温提高到一定值，会交于2、3两点。反应初期，向2点靠近；达到2点(不稳定)后只要稍加提高系统温度，反应将自动加速而转变到高速燃烧状态(着火)，最后稳定于高温燃烧状态3。2点对应温度即着火温度Tzh着火热力条件：在一定的放热、散热下，只要系统温度大于着火温度，燃烧反应会自动加速进行从着火、熄火的热力条件可知：强化着火，防止熄火的方法：增加可燃物浓度、压力、可燃混合物初温Æ加强放热增加可燃物初温，减少气流速度，燃烧室保温Æ减少散热1、煤粉气流顺利着火的意义着火过早燃烧器喷口温度过高，烧坏喷口1.火焰中心上移，炉膛出口处受热着火过晚面的结渣；2.汽温升高；3.燃烧不完全，q4增大。ϑl′′70％，稳定燃烧，低负荷需要投油稳燃6第五节燃烧完全的条件2、适当高的炉温：经济（q3、q4 最小）Æ燃烧效率ηr=100−(q3+q4),%安全（不结渣、不出现膜态沸腾)）1、提供合适的空气量：最佳的炉膛出口过量空气系数αl′′使q2＋q3＋q4 之和最小qq2＋q3＋q4 q2 q4 q3 αl′′不产生水冷壁结渣和膜态沸腾根据煤种，采用适当的炉膛截面热负荷3、有足够的燃烧时间主要取决于炉膛容积、炉膛截面积、炉膛高度及烟气在炉内的流动速度，即与炉膛容积热负荷、炉膛截面热负荷有关，在锅炉设计时要适当选取，在运行中不要超负荷运行。不同煤种Æ不同的炉膛形状(瘦、胖)4、空气和煤粉的良好挠动和混合燃烧器的结构特性，一二次风的配合7