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1、第三章燃烧过程的理论基础2022/9/242022/9/24沈阳工程学院沈阳工程学院 王树群王树群 动本动本091-2091-21 1第1页，共59页，编辑于2022年，星期二第三章第三章 燃烧过程的理论基础燃烧过程的理论基础l l燃烧一般是指燃料与氧化剂进行的剧烈化学反应。燃烧一般是指燃料与氧化剂进行的剧烈化学反应。l l燃料与氧化剂可以是同一形态的，如气体燃料在空气中的燃料与氧化剂可以是同一形态的，如气体燃料在空气中的燃料与氧化剂可以是同一形态的，如气体燃料在空气中的燃料与氧化剂可以是同一形态的，如气体燃料在空气中的燃烧，称为单相（均相）燃烧；燃烧，称为单相（均相）燃烧；燃烧，称为单相（均
2、相）燃烧；燃烧，称为单相（均相）燃烧；l l燃料与氧气剂也可以是不同形态的，如固体燃料在空燃料与氧气剂也可以是不同形态的，如固体燃料在空气中的燃烧，称为多相燃烧。气中的燃烧，称为多相燃烧。l l电厂锅炉主要燃料是煤，使用空气作燃料的氧化剂。电厂锅炉主要燃料是煤，使用空气作燃料的氧化剂。电厂锅炉主要燃料是煤，使用空气作燃料的氧化剂。电厂锅炉主要燃料是煤，使用空气作燃料的氧化剂。第2页，共59页，编辑于2022年，星期二l l制粉系统制好的煤粉在制粉系统制好的煤粉在制粉系统制好的煤粉在制粉系统制好的煤粉在气流输送下，经燃烧器气流输送下，经燃烧器气流输送下，经燃烧器气流输送下，经燃烧器的一次风口送入
3、炉膛；的一次风口送入炉膛；的一次风口送入炉膛；的一次风口送入炉膛；助燃的二次风经燃烧器助燃的二次风经燃烧器助燃的二次风经燃烧器助燃的二次风经燃烧器的二次风口进入炉膛；的二次风口进入炉膛；的二次风口进入炉膛；的二次风口进入炉膛；l l燃烧器将煤粉与空气合燃烧器将煤粉与空气合燃烧器将煤粉与空气合燃烧器将煤粉与空气合理混合，在炉膛空间悬理混合，在炉膛空间悬理混合，在炉膛空间悬理混合，在炉膛空间悬浮燃烧。浮燃烧。浮燃烧。浮燃烧。第3页，共59页，编辑于2022年，星期二直流燃烧器直流燃烧器 灰粒在水冷壁上堆积形成结渣燃烧器炉膛水冷壁第4页，共59页，编辑于2022年，星期二直流燃烧器直流燃烧器 灰粒在
4、水冷壁上堆积形成结渣第5页，共59页，编辑于2022年，星期二直流燃烧器直流燃烧器第6页，共59页，编辑于2022年，星期二旋流燃烧器旋流燃烧器第7页，共59页，编辑于2022年，星期二旋流燃烧器旋流燃烧器第8页，共59页，编辑于2022年，星期二第一节第一节 煤粒的燃烧煤粒的燃烧一、煤粒的燃烧过程：一、煤粒的燃烧过程：煤粒受热，水分析出；煤粒受热，水分析出；继续受热，绝大部分挥发分析出，挥发分首先着火；继续受热，绝大部分挥发分析出，挥发分首先着火；引燃焦炭，继续析出残余挥发分，挥发分与焦炭一起燃尽；引燃焦炭，继续析出残余挥发分，挥发分与焦炭一起燃尽；形成灰。形成灰。第9页，共59页，编辑于2
5、022年，星期二二、固体燃料燃烧过程中的基础是碳的燃烧：二、固体燃料燃烧过程中的基础是碳的燃烧：原因：原因：焦炭中碳是可燃质的主要部分；焦炭中碳是可燃质的主要部分；焦炭着火最晚，燃烧时间最长，决定整个粒子的燃焦炭着火最晚，燃烧时间最长，决定整个粒子的燃烧时间；烧时间；焦炭中碳燃烧放热量占燃料放热量比例最大，可达焦炭中碳燃烧放热量占燃料放热量比例最大，可达40%-90%，它的发展对其他阶段的进行有决定性的，它的发展对其他阶段的进行有决定性的影响。影响。第10页，共59页，编辑于2022年，星期二三、煤粒燃烧三、煤粒燃烧在碳粒燃烧的基础上，考虑挥发分、水分和在碳粒燃烧的基础上，考虑挥发分、水分和灰
6、分对燃烧的影响。灰分对燃烧的影响。有两种不同观点：依次燃烧说和同时进行说有两种不同观点：依次燃烧说和同时进行说1.1.依次燃烧说：加热速度慢时。依次燃烧说：加热速度慢时。水分蒸发、过热；挥发分析出；挥发分着火水分蒸发、过热；挥发分析出；挥发分着火燃烧，焦碳着火燃烧，在短时间内大部分可燃烧，焦碳着火燃烧，在短时间内大部分可燃质燃烧；很少的、剩余的可燃质燃烧。燃质燃烧；很少的、剩余的可燃质燃烧。第11页，共59页，编辑于2022年，星期二2.2.同时进行说：加热速度快时同时进行说：加热速度快时挥发分析着火与碳的着火燃烧几乎同时进行，挥发分析着火与碳的着火燃烧几乎同时进行，甚至微小的颗粒先着火，然后
7、才是挥发分析甚至微小的颗粒先着火，然后才是挥发分析出和着火燃烧；出和着火燃烧；挥发分的析出和着火贯穿燃烧的整个过程；挥发分的析出和着火贯穿燃烧的整个过程；快速加热形成的焦碳与慢速加热形成的焦碳快速加热形成的焦碳与慢速加热形成的焦碳在空隙率结构方面有较大的差别。在空隙率结构方面有较大的差别。第12页，共59页，编辑于2022年，星期二四、挥发分在煤粒燃烧中的作用四、挥发分在煤粒燃烧中的作用1.1.挥发分析出，加热焦炭粒，为焦炭着火燃烧挥发分析出，加热焦炭粒，为焦炭着火燃烧创造有利条件；创造有利条件；2.2.挥发分析出，增大了焦炭粒的内部空隙和反挥发分析出，增大了焦炭粒的内部空隙和反应面积，有利于
8、提高焦炭粒的燃烧速度。应面积，有利于提高焦炭粒的燃烧速度。挥发分存在有利于提高整个煤粒的燃烧速度。挥发分存在有利于提高整个煤粒的燃烧速度。第13页，共59页，编辑于2022年，星期二五、灰分对煤粒燃烧的影响五、灰分对煤粒燃烧的影响焦炭中的灰分均匀分布，当焦炭从外表面到焦炭中的灰分均匀分布，当焦炭从外表面到中心一层一层燃烧的过程中，外层的内在灰中心一层一层燃烧的过程中，外层的内在灰分裹在内层焦炭上，形成一层灰壳；分裹在内层焦炭上，形成一层灰壳；灰壳或渣壳会阻碍氧向焦炭表面扩散，使燃灰壳或渣壳会阻碍氧向焦炭表面扩散，使燃尽时间拖长，燃烧变慢；尽时间拖长，燃烧变慢；灰分影响表现在内在灰分上，单独存在
9、的绝灰分影响表现在内在灰分上，单独存在的绝大部分外在灰分对可燃层的燃尽不产生直接大部分外在灰分对可燃层的燃尽不产生直接的阻碍作用。的阻碍作用。第14页，共59页，编辑于2022年，星期二问题：煤粒燃烧重点解决的问题是什么？问题：煤粒燃烧重点解决的问题是什么？1.1.燃烧速度；燃烧速度；2.2.燃烧完全程度。燃烧完全程度。授课内容安排：授课内容安排：煤粒在炉膛内停留时间为煤粒在炉膛内停留时间为1-31-3秒钟，燃烧速度将直接秒钟，燃烧速度将直接影响燃烧的完全程度，故我们先研究煤粒和碳的燃烧影响燃烧的完全程度，故我们先研究煤粒和碳的燃烧速度；速度；再结合燃烧速度和燃烧程度的影响，研究煤粉的着火再结
10、合燃烧速度和燃烧程度的影响，研究煤粉的着火和燃烧过程。和燃烧过程。第15页，共59页，编辑于2022年，星期二第二节第二节第二节第二节 煤粒和碳粒的燃烧过程和燃烧速度煤粒和碳粒的燃烧过程和燃烧速度煤粒和碳粒的燃烧过程和燃烧速度煤粒和碳粒的燃烧过程和燃烧速度l l炭粒表面的多相燃烧大致包括如下几个过程：炭粒表面的多相燃烧大致包括如下几个过程：（1 1 1 1）参加燃烧的氧从周围环境扩散到炭粒反应表面；）参加燃烧的氧从周围环境扩散到炭粒反应表面；）参加燃烧的氧从周围环境扩散到炭粒反应表面；）参加燃烧的氧从周围环境扩散到炭粒反应表面；（2 2）氧被炭粒表面吸附；）氧被炭粒表面吸附；（3 3 3 3）
11、在炭粒表面进行燃烧化学反应；）在炭粒表面进行燃烧化学反应；）在炭粒表面进行燃烧化学反应；）在炭粒表面进行燃烧化学反应；（4 4 4 4）燃烧产物由炭粒表面解吸附；）燃烧产物由炭粒表面解吸附；）燃烧产物由炭粒表面解吸附；）燃烧产物由炭粒表面解吸附；（5 5 5 5）燃烧产物离开炭粒表面，扩散到周围环境中。）燃烧产物离开炭粒表面，扩散到周围环境中。）燃烧产物离开炭粒表面，扩散到周围环境中。）燃烧产物离开炭粒表面，扩散到周围环境中。l l见图见图见图见图3-33-33-33-3第16页，共59页，编辑于2022年，星期二l炭粒燃烧速度炭粒燃烧速度是指炭粒单位表面上的实际反是指炭粒单位表面上的实际反应
12、速度，它取决于上述过程中进行得最慢的应速度，它取决于上述过程中进行得最慢的过程。过程。l吸附和解吸附过程速度非常快，故可忽略。吸附和解吸附过程速度非常快，故可忽略。l碳的燃烧速度主要决定于氧向炭粒表面的碳的燃烧速度主要决定于氧向炭粒表面的扩扩散速度散速度和在反应表面上进行的和在反应表面上进行的化学反应速度化学反应速度，最终决定于两者中的较慢者。最终决定于两者中的较慢者。第17页，共59页，编辑于2022年，星期二一、化学反应速度1、含义：化学反应速度通常是指单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加。多相燃烧用氧化剂浓度变化表示化学反应速度，如果以 表示按氧化剂B计算的化学反应速度，则：第1
13、8页，共59页，编辑于2022年，星期二1 1、影响化学反应速度的因素、影响化学反应速度的因素质量作用定律：化学反应速率与反应物的浓度成正比。（1）浓度对化学反应速度的影响化学反应是在一定条件下，反应物分子之间彼此碰撞而产生的，分子在单位时间内的碰撞次数越多，则化学反应速度越快。分子碰撞次数决定于单位容积中反应物的分子数，即物质浓度。在一定温度下，反应容积不变，增加反应物的浓度即可增加反应物的分子数，分子之间的碰撞次数就会增多，反应速度就会加快。第19页，共59页，编辑于2022年，星期二（2）压力对化学反应速度的影响l分子运动论认为，气体压力是气体分子撞击容器壁面的结果。l在温度和容积不变的
14、条件下，反应物压力高，意味着反应物浓度大，因此化学反应速度就快。第20页，共59页，编辑于2022年，星期二（3）温度对化学反应速度的影响 l阿累尼乌斯定律反映的是温度对化学反应速度影响的规律。l化学反应是在一定条件下，反应分子间发生碰撞而发生的，但并不是所有碰撞的分子都可以发生反应，只有那些碰撞能量足以破坏现存化学键并建立新的化学键的碰撞才是有效的。第21页，共59页，编辑于2022年，星期二l l活化能：为使某一化学反应能够进行，分子所需的最活化能：为使某一化学反应能够进行，分子所需的最低能量称为活化能，用低能量称为活化能，用E E表示。表示。l l活化分子：能量达到或超过活化能的分子称为
15、活化分子。活化分子：能量达到或超过活化能的分子称为活化分子。活化分子：能量达到或超过活化能的分子称为活化分子。活化分子：能量达到或超过活化能的分子称为活化分子。l l活化分子之间的碰撞才是有效碰撞，反应只能在活化分活化分子之间的碰撞才是有效碰撞，反应只能在活化分活化分子之间的碰撞才是有效碰撞，反应只能在活化分活化分子之间的碰撞才是有效碰撞，反应只能在活化分子之间进行。子之间进行。子之间进行。子之间进行。第22页，共59页，编辑于2022年，星期二l l温度一定，活化能越大，活化分子数就越少，化学反应速度温度一定，活化能越大，活化分子数就越少，化学反应速度越慢；活化能越小，化学反应速度就越快。越
16、慢；活化能越小，化学反应速度就越快。l l不同燃料的活化能是不同，高挥发分煤的活化能较小，低挥不同燃料的活化能是不同，高挥发分煤的活化能较小，低挥发分无烟煤的活化能较大。发分无烟煤的活化能较大。例如：褐煤92105 MJ/kmol；烟煤烟煤117117134 MJ/kmol134 MJ/kmol；贫煤、无烟煤贫煤、无烟煤140140147 MJ/kmol147 MJ/kmol。l l实际的炉内燃烧过程，反应物的浓度、炉膛压力可认为基本实际的炉内燃烧过程，反应物的浓度、炉膛压力可认为基本实际的炉内燃烧过程，反应物的浓度、炉膛压力可认为基本实际的炉内燃烧过程，反应物的浓度、炉膛压力可认为基本不变，
17、因此化学反应速度主要与温度有关。温度升高时，活不变，因此化学反应速度主要与温度有关。温度升高时，活不变，因此化学反应速度主要与温度有关。温度升高时，活不变，因此化学反应速度主要与温度有关。温度升高时，活化分子数目急剧增多，反应速度也随之加快。故在实际运行化分子数目急剧增多，反应速度也随之加快。故在实际运行化分子数目急剧增多，反应速度也随之加快。故在实际运行化分子数目急剧增多，反应速度也随之加快。故在实际运行中，提高炉膛温度是加快燃烧反应、缩短燃烧时间的重要方中，提高炉膛温度是加快燃烧反应、缩短燃烧时间的重要方中，提高炉膛温度是加快燃烧反应、缩短燃烧时间的重要方中，提高炉膛温度是加快燃烧反应、缩
18、短燃烧时间的重要方法。法。法。法。第23页，共59页，编辑于2022年，星期二（4 4）连锁反应）连锁反应l l在很多燃烧化学反应中，实际反应速度远高于按照质量作在很多燃烧化学反应中，实际反应速度远高于按照质量作在很多燃烧化学反应中，实际反应速度远高于按照质量作在很多燃烧化学反应中，实际反应速度远高于按照质量作用定律和阿累尼乌斯定律计算出的速度，经过分析，人们用定律和阿累尼乌斯定律计算出的速度，经过分析，人们用定律和阿累尼乌斯定律计算出的速度，经过分析，人们用定律和阿累尼乌斯定律计算出的速度，经过分析，人们发现了连锁反应和催化作用的影响。发现了连锁反应和催化作用的影响。发现了连锁反应和催化作用
19、的影响。发现了连锁反应和催化作用的影响。l l连锁反应连锁反应:燃料的燃烧化学反应速度并不是按化学反应方程式那样燃料的燃烧化学反应速度并不是按化学反应方程式那样燃料的燃烧化学反应速度并不是按化学反应方程式那样燃料的燃烧化学反应速度并不是按化学反应方程式那样一步完成的，在气体燃料燃烧反应过程中，可以自动产生一步完成的，在气体燃料燃烧反应过程中，可以自动产生一步完成的，在气体燃料燃烧反应过程中，可以自动产生一步完成的，在气体燃料燃烧反应过程中，可以自动产生一系列活化中心，这些活化中心不断繁殖，使反应由一系一系列活化中心，这些活化中心不断繁殖，使反应由一系一系列活化中心，这些活化中心不断繁殖，使反应
20、由一系一系列活化中心，这些活化中心不断繁殖，使反应由一系列中间过程组成，整个燃烧反映就像链一样一节一节传递列中间过程组成，整个燃烧反映就像链一样一节一节传递列中间过程组成，整个燃烧反映就像链一样一节一节传递列中间过程组成，整个燃烧反映就像链一样一节一节传递下去，这种反应就被称为连锁反应。下去，这种反应就被称为连锁反应。下去，这种反应就被称为连锁反应。下去，这种反应就被称为连锁反应。l l连锁反应的过程：连锁反应的过程：第24页，共59页，编辑于2022年，星期二（5 5 5 5）催化作用）催化作用）催化作用）催化作用l l在化学反应中，如果将某些物质加到反应系统中，可以在化学反应中，如果将某些
21、物质加到反应系统中，可以在化学反应中，如果将某些物质加到反应系统中，可以在化学反应中，如果将某些物质加到反应系统中，可以使化学反应速度发生变化，这种作用称为催化作用，产使化学反应速度发生变化，这种作用称为催化作用，产使化学反应速度发生变化，这种作用称为催化作用，产使化学反应速度发生变化，这种作用称为催化作用，产生催化作用的物质称为催化剂。生催化作用的物质称为催化剂。生催化作用的物质称为催化剂。生催化作用的物质称为催化剂。l l催化剂可以影响化学反应速度，但化学反应却不能改变催化催化剂可以影响化学反应速度，但化学反应却不能改变催化催化剂可以影响化学反应速度，但化学反应却不能改变催化催化剂可以影响
22、化学反应速度，但化学反应却不能改变催化剂本身。剂本身。剂本身。剂本身。在反应过程中，催化剂虽然也参加化学反应，但在另一个反在反应过程中，催化剂虽然也参加化学反应，但在另一个反在反应过程中，催化剂虽然也参加化学反应，但在另一个反在反应过程中，催化剂虽然也参加化学反应，但在另一个反应中又被还原，所以到反应终了时，它本身的化学性质并未发应中又被还原，所以到反应终了时，它本身的化学性质并未发应中又被还原，所以到反应终了时，它本身的化学性质并未发应中又被还原，所以到反应终了时，它本身的化学性质并未发生变化。生变化。生变化。生变化。l l催化作用特点：即催化剂在一定条件下，仅能改变化学反应催化作用特点：即
23、催化剂在一定条件下，仅能改变化学反应催化作用特点：即催化剂在一定条件下，仅能改变化学反应催化作用特点：即催化剂在一定条件下，仅能改变化学反应的速度，而不能改变反应在该条件下可能进行的限度。的速度，而不能改变反应在该条件下可能进行的限度。的速度，而不能改变反应在该条件下可能进行的限度。的速度，而不能改变反应在该条件下可能进行的限度。l l例如：少量水蒸汽在例如：少量水蒸汽在例如：少量水蒸汽在例如：少量水蒸汽在COCOCOCO和氧气的反应中起到催化剂的作用。和氧气的反应中起到催化剂的作用。和氧气的反应中起到催化剂的作用。和氧气的反应中起到催化剂的作用。第25页，共59页，编辑于2022年，星期二二
24、、氧的扩散速度氧的扩散速度 1、含义：炭粒与氧的燃烧化学反应是在炭粒表面进行的，化学反应消耗部分氧后，炭粒反应表面氧浓度小于周围介质中的氧浓度，因为这种浓度差，周围环境的氧就不断向炭粒表面扩散。表示此过程的快慢程度就称为氧的扩散速度。2、扩散速度计算公式：氧的扩散速度不仅与氧的浓度差成正比；还与炭粒直径及气流与炭粒的相对运动速度有关。第26页，共59页，编辑于2022年，星期二3、影响扩散速度的因素：l气流与炭粒的相对速度越大，扰动就越剧烈，氧向炭粒表面的扩散速度就越大，同时燃烧产物离开炭粒表面扩散出去的速度也增大，使氧的扩散速度进一步加快。l炭粒直径越小，单位质量炭粒的表面积越大，与氧的反应
25、面积越愈大，化学反应消耗的氧越多，炭粒表面的氧浓度就会降低，炭粒表面与周围环境的氧浓度差就越大，使氧的扩散速度加快。第27页，共59页，编辑于2022年，星期二三、燃烧区域三、燃烧区域三、燃烧区域三、燃烧区域 l l 氧的扩散速度和燃烧化学反应速度与温度之间的关系如氧的扩散速度和燃烧化学反应速度与温度之间的关系如图图3-43-4所示。所示。l l按照化学反应条件与气体扩散条件对燃烧速度影响的不同，按照化学反应条件与气体扩散条件对燃烧速度影响的不同，按照化学反应条件与气体扩散条件对燃烧速度影响的不同，按照化学反应条件与气体扩散条件对燃烧速度影响的不同，燃烧过程分为动力燃烧、过渡燃烧、扩散燃烧三种
26、不同区域燃烧过程分为动力燃烧、过渡燃烧、扩散燃烧三种不同区域燃烧过程分为动力燃烧、过渡燃烧、扩散燃烧三种不同区域燃烧过程分为动力燃烧、过渡燃烧、扩散燃烧三种不同区域 l l折算速度（表观反应速度）：式折算速度（表观反应速度）：式3-163-16l l折算速度系数（表观反应速度系数）：式折算速度系数（表观反应速度系数）：式3-173-17第28页，共59页，编辑于2022年，星期二1、动力燃烧区、动力燃烧区l 当温度较低时（小于当温度较低时（小于1000），氧的扩散速），氧的扩散速度远大于化学反应速度，即，折算速度系数；度远大于化学反应速度，即，折算速度系数；燃烧速度主要决定于化学反应速度，这种
27、燃烧燃烧速度主要决定于化学反应速度，这种燃烧反应温度区称为动力燃烧区。反应温度区称为动力燃烧区。l在该燃烧区内，提高温度是强化动力燃烧工况在该燃烧区内，提高温度是强化动力燃烧工况的有效措施。的有效措施。第29页，共59页，编辑于2022年，星期二2 2扩散燃烧区扩散燃烧区扩散燃烧区扩散燃烧区l l当温度很高时（大于当温度很高时（大于当温度很高时（大于当温度很高时（大于14001400），化学反应速度常数随温度的升高），化学反应速度常数随温度的升高），化学反应速度常数随温度的升高），化学反应速度常数随温度的升高而急剧增大，化学反应速度远大于氧的扩散速度，这种燃烧反应而急剧增大，化学反应速度远大于
28、氧的扩散速度，这种燃烧反应而急剧增大，化学反应速度远大于氧的扩散速度，这种燃烧反应而急剧增大，化学反应速度远大于氧的扩散速度，这种燃烧反应温度区称为扩散燃烧区。温度区称为扩散燃烧区。温度区称为扩散燃烧区。温度区称为扩散燃烧区。l l在扩散燃烧区内，改善扩散混合条件，加大气流与炭粒的相在扩散燃烧区内，改善扩散混合条件，加大气流与炭粒的相在扩散燃烧区内，改善扩散混合条件，加大气流与炭粒的相在扩散燃烧区内，改善扩散混合条件，加大气流与炭粒的相对速度、减少炭粒直径都可提高燃烧速度。对速度、减少炭粒直径都可提高燃烧速度。对速度、减少炭粒直径都可提高燃烧速度。对速度、减少炭粒直径都可提高燃烧速度。3 3过
29、渡燃烧区过渡燃烧区过渡燃烧区过渡燃烧区l l介于上述两种燃烧区之间的温度区，化学反应速度常数的与介于上述两种燃烧区之间的温度区，化学反应速度常数的与介于上述两种燃烧区之间的温度区，化学反应速度常数的与介于上述两种燃烧区之间的温度区，化学反应速度常数的与氧的扩散速度系数处于同一数量级，这时化学反应速度和氧氧的扩散速度系数处于同一数量级，这时化学反应速度和氧氧的扩散速度系数处于同一数量级，这时化学反应速度和氧氧的扩散速度系数处于同一数量级，这时化学反应速度和氧的扩散速度都对燃烧速度的影响相当。这个燃烧反应温度区的扩散速度都对燃烧速度的影响相当。这个燃烧反应温度区的扩散速度都对燃烧速度的影响相当。这
30、个燃烧反应温度区的扩散速度都对燃烧速度的影响相当。这个燃烧反应温度区称为过渡燃烧区。称为过渡燃烧区。称为过渡燃烧区。称为过渡燃烧区。l l在过渡燃烧区内，既要改善化学反应条件，提高反应系统温度，在过渡燃烧区内，既要改善化学反应条件，提高反应系统温度，在过渡燃烧区内，既要改善化学反应条件，提高反应系统温度，在过渡燃烧区内，既要改善化学反应条件，提高反应系统温度，又要改善氧的扩散混合条件，强化扩散，才能使燃烧速度加快。又要改善氧的扩散混合条件，强化扩散，才能使燃烧速度加快。又要改善氧的扩散混合条件，强化扩散，才能使燃烧速度加快。又要改善氧的扩散混合条件，强化扩散，才能使燃烧速度加快。第30页，共5
31、9页，编辑于2022年，星期二l l增大燃料与周围介质气流的相对运动速度或减少粒增大燃料与周围介质气流的相对运动速度或减少粒子直径，可增大氧的扩散速度。子直径，可增大氧的扩散速度。l l煤粉燃烧过程中，燃烧可由扩散区移动到过渡区甚至动煤粉燃烧过程中，燃烧可由扩散区移动到过渡区甚至动煤粉燃烧过程中，燃烧可由扩散区移动到过渡区甚至动煤粉燃烧过程中，燃烧可由扩散区移动到过渡区甚至动力区。力区。力区。力区。l l只有粗煤粉在炉膛高温区才可能处于扩散。只有粗煤粉在炉膛高温区才可能处于扩散。l l其他区域为动力或过渡区，故提高炉膛温度可强化煤粉燃其他区域为动力或过渡区，故提高炉膛温度可强化煤粉燃其他区域为
32、动力或过渡区，故提高炉膛温度可强化煤粉燃其他区域为动力或过渡区，故提高炉膛温度可强化煤粉燃烧。烧。烧。烧。第31页，共59页，编辑于2022年，星期二四、碳粒的燃烧四、碳粒的燃烧1.燃烧机理：在碳粒的吸附表面进行的多相燃燃烧机理：在碳粒的吸附表面进行的多相燃烧反应。烧反应。l一次反应：式一次反应：式3-26；一次产物；一次产物l二次反应：式二次反应：式3-27；二次产物；二次产物第32页，共59页，编辑于2022年，星期二2.不同温度下的碳粒燃烧过程：不同温度下的碳粒燃烧过程：图图3-6l低于低于1200；l高于高于1200；3.气流速度影响：气流速度影响：图图3-7lRe100；lRe100
33、；第33页，共59页，编辑于2022年，星期二第三节第三节 煤粉气流的着火和燃烧过程煤粉气流的着火和燃烧过程燃烧过程：煤粉气流经燃烧器喷入炉膛，在悬浮形态燃烧过程：煤粉气流经燃烧器喷入炉膛，在悬浮形态下燃烧形成煤粉火炬，煤粉的燃烧过程可分为以下两下燃烧形成煤粉火炬，煤粉的燃烧过程可分为以下两个阶段：个阶段：1 1着火前的准备阶段：吸热阶段着火前的准备阶段：吸热阶段2 2燃烧阶段：又可细化为剧烈燃烧阶段和燃尽阶段两个部分。燃烧阶段：又可细化为剧烈燃烧阶段和燃尽阶段两个部分。剧烈燃烧阶段：时间短，大量可燃质在此阶段烧尽；剧烈燃烧阶段：时间短，大量可燃质在此阶段烧尽；燃尽阶段：时间较长，燃烧温度低，
34、减少不完全燃烧程度。燃尽阶段：时间较长，燃烧温度低，减少不完全燃烧程度。第34页，共59页，编辑于2022年，星期二第35页，共59页，编辑于2022年，星期二一、热力着火一、热力着火一、热力着火一、热力着火（一）着火与着火温度（一）着火与着火温度（一）着火与着火温度（一）着火与着火温度l l着火是燃烧的准备阶段，当燃料温度达到一定程度时，着火是燃烧的准备阶段，当燃料温度达到一定程度时，由缓慢的氧化反应转变到剧烈的氧化反应，这一瞬间由缓慢的氧化反应转变到剧烈的氧化反应，这一瞬间现象称之为燃料着火。现象称之为燃料着火。l l燃料开始发生剧烈氧化反应（即着火）时所需的最低温度燃料开始发生剧烈氧化反
35、应（即着火）时所需的最低温度燃料开始发生剧烈氧化反应（即着火）时所需的最低温度燃料开始发生剧烈氧化反应（即着火）时所需的最低温度称为燃料的着火温度或着火点。称为燃料的着火温度或着火点。称为燃料的着火温度或着火点。称为燃料的着火温度或着火点。第36页，共59页，编辑于2022年，星期二 熄火温度比着火温度高 第37页，共59页，编辑于2022年，星期二测试设备燃料着火温度煤粉气流着火温度测试设备褐煤Vdaf=50%550烟煤Vdaf=40%650烟煤Vdaf=30%750烟煤Vdaf=20%840贫煤Vdaf=14%900无烟煤Vdaf=4%1000挥发分越高的煤，着火温度越低，即越容易着火；挥
36、发分越低的煤，着火温度越高，越不容易着火。第38页，共59页，编辑于2022年，星期二（二）着火热（二）着火热l一次风：现代大中容量锅炉广泛燃用煤粉，一次风：现代大中容量锅炉广泛燃用煤粉，为了使煤粉气流被更快加热到煤粉颗粒的着为了使煤粉气流被更快加热到煤粉颗粒的着火温度，总是不把煤粉燃烧所需的全部空气火温度，总是不把煤粉燃烧所需的全部空气都与煤粉混合来输送煤粉，而只是用其中一都与煤粉混合来输送煤粉，而只是用其中一部分来输送煤粉，这部分空气称为一次风。部分来输送煤粉，这部分空气称为一次风。l其余的空气称为二次风（助燃风）和三次风。其余的空气称为二次风（助燃风）和三次风。第39页，共59页，编辑于
37、2022年，星期二1 1、着火热：煤粉混合物进入炉膛后，将煤粉、着火热：煤粉混合物进入炉膛后，将煤粉气流加热到着火温度所需的热量称为着火热。气流加热到着火温度所需的热量称为着火热。l 它包括加热煤粉及空气（一次风）、使煤它包括加热煤粉及空气（一次风）、使煤粉气流中水分蒸发和过热所需要的热量。粉气流中水分蒸发和过热所需要的热量。2 2着火热的来源着火热的来源 煤粉气流着火热来源有两个方面：一方面煤粉气流着火热来源有两个方面：一方面是卷吸炉膛高温烟气而产生的对流换热，另是卷吸炉膛高温烟气而产生的对流换热，另一方面是炉内高温火焰的辐射换热。一方面是炉内高温火焰的辐射换热。l两者之中对流换热是主要的。
38、两者之中对流换热是主要的。第40页，共59页，编辑于2022年，星期二3 3、着火距离和着火时间：、着火距离和着火时间：（1 1）着火距离：煤粉气流最好在离开燃烧器）着火距离：煤粉气流最好在离开燃烧器约约200-300mm200-300mm处着火，最多不要超过处着火，最多不要超过500mm500mm。l 着火太迟，会使火焰中心上移，从而造成炉着火太迟，会使火焰中心上移，从而造成炉膛上部结渣，过热蒸汽温度偏高，不完全燃膛上部结渣，过热蒸汽温度偏高，不完全燃烧损失增加，严重时，还会造成灭火烧损失增加，严重时，还会造成灭火“打炮打炮”，产生严重事故。，产生严重事故。l 着火太早也不好，可能烧坏燃烧器
39、，或造成着火太早也不好，可能烧坏燃烧器，或造成燃烧器附近结渣。燃烧器附近结渣。第41页，共59页，编辑于2022年，星期二（2 2）着火时间：煤粉在炉内停留时间（从燃烧器出）着火时间：煤粉在炉内停留时间（从燃烧器出口至炉膛出口）大约只有口至炉膛出口）大约只有2 23 3秒。秒。l l故组织燃烧时要使煤粉气流能尽快着火。一方面要尽量故组织燃烧时要使煤粉气流能尽快着火。一方面要尽量故组织燃烧时要使煤粉气流能尽快着火。一方面要尽量故组织燃烧时要使煤粉气流能尽快着火。一方面要尽量降低煤粉的着火热，另一方面就要尽快提供着火热。降低煤粉的着火热，另一方面就要尽快提供着火热。降低煤粉的着火热，另一方面就要尽
40、快提供着火热。降低煤粉的着火热，另一方面就要尽快提供着火热。l l劣质煤着火燃烧较为困难，为使煤粉尽快着火，可劣质煤着火燃烧较为困难，为使煤粉尽快着火，可提高进入炉膛的煤粉气流初温来降低着火热，同时提高进入炉膛的煤粉气流初温来降低着火热，同时通过合理组织炉内燃烧工况，尽快供给着火热。通过合理组织炉内燃烧工况，尽快供给着火热。（劣质煤：劣质煤：两方面含义。发热量低、高灰分、高两方面含义。发热量低、高灰分、高水分、高硫分；发热量高，但是挥发分很低着火温水分、高硫分；发热量高，但是挥发分很低着火温度高难于燃烧的无烟煤。）度高难于燃烧的无烟煤。）第42页，共59页，编辑于2022年，星期二二、影响煤粉
41、气流着火的因素二、影响煤粉气流着火的因素煤粉空气混合物经燃烧器喷入炉膛后，通过湍流扩散和回流，卷吸周围的高温烟气，同时又受到炉膛四壁及高温火焰的辐射，被迅速加热，热量达到一定温度后就开始着火。第43页，共59页，编辑于2022年，星期二1 1燃料的性质燃料的性质 挥发分：含量低，煤粉气流的着火温度高，着火热增大，着火挥发分：含量低，煤粉气流的着火温度高，着火热增大，着火所需时间长，着火点离燃烧器喷口的距离也增大。所需时间长，着火点离燃烧器喷口的距离也增大。水分：水分大，着火热也随之增大，炉内温度水平降低，从而使煤粉气水分：水分大，着火热也随之增大，炉内温度水平降低，从而使煤粉气流卷吸的烟气温度
42、以及火焰对煤粉汽流的辐射热也相应降低，对着火不流卷吸的烟气温度以及火焰对煤粉汽流的辐射热也相应降低，对着火不利。利。灰分：灰分在燃烧过程中不能放热还要吸热，灰分在着火和燃烧过程灰分：灰分在燃烧过程中不能放热还要吸热，灰分在着火和燃烧过程中使得炉内烟气温度降低，同样使煤粉气流的着火推迟，并进一步影中使得炉内烟气温度降低，同样使煤粉气流的着火推迟，并进一步影响了着火的稳定性。响了着火的稳定性。煤粉细度：煤粉细度：煤粉愈细，着火愈容易。（这是因为在同样的煤粉浓度下，煤粉愈煤粉愈细，着火愈容易。（这是因为在同样的煤粉浓度下，煤粉愈细，进行燃烧反应的表面积就会越大，而煤粉本身的热阻却减小，在细，进行燃烧
43、反应的表面积就会越大，而煤粉本身的热阻却减小，在加热时，细煤粉的温升速度就比粗煤粉要快，这样就可以加快化学反加热时，细煤粉的温升速度就比粗煤粉要快，这样就可以加快化学反应速度，更快地着火。）应速度，更快地着火。）第44页，共59页，编辑于2022年，星期二2 2炉内散热条件炉内散热条件减少炉内散热，有利于着火。减少炉内散热，有利于着火。卫燃带：为了加快和稳定低挥发分煤的着火，在燃烧器卫燃带：为了加快和稳定低挥发分煤的着火，在燃烧器区域用铬矿砂等耐火材料将部分水冷壁遮盖起来，构成区域用铬矿砂等耐火材料将部分水冷壁遮盖起来，构成卫燃带。卫燃带。目的是减少水冷壁吸热量，即减少燃烧过程的散热，目的是减
44、少水冷壁吸热量，即减少燃烧过程的散热，提高燃烧器区域的温度水平，从而改善煤粉气流的着火提高燃烧器区域的温度水平，从而改善煤粉气流的着火条件。条件。第45页，共59页，编辑于2022年，星期二3 3煤粉气流的初温煤粉气流的初温提高初温，可减少着火热，使煤粉尽快着火。提高初温，可减少着火热，使煤粉尽快着火。燃用低挥发分煤时，常采用高温的热空气作燃用低挥发分煤时，常采用高温的热空气作为一次风来输送煤粉，即采用热风送粉系统。为一次风来输送煤粉，即采用热风送粉系统。第46页，共59页，编辑于2022年，星期二4 4一次风量、一次风速和一次风与二次风的配合一次风量、一次风速和一次风与二次风的配合（1 1）
45、风量：）风量：一次风量一般以够挥发分燃烧为标准。一次风量一般以够挥发分燃烧为标准。增加煤粉气流中的一次风量，相应增加了着火热，会使着火推迟；减小增加煤粉气流中的一次风量，相应增加了着火热，会使着火推迟；减小一次风量，会使着火热显著降低，有利于着火。但一次风量不能过低，一次风量，会使着火热显著降低，有利于着火。但一次风量不能过低，否则会使煤粉着火燃烧初期得不到足够的氧，而使燃烧反应速度减慢，否则会使煤粉着火燃烧初期得不到足够的氧，而使燃烧反应速度减慢，阻碍着火燃烧的继续扩展。另外，一次风量还要满足输粉的要求，过小阻碍着火燃烧的继续扩展。另外，一次风量还要满足输粉的要求，过小的一次风量会造成煤粉堵
46、塞。故一次风量一般以够挥发分燃烧为标准。的一次风量会造成煤粉堵塞。故一次风量一般以够挥发分燃烧为标准。一次风率：一次风率是指一次风量占炉膛出口总风量的百分数。一次风率：一次风率是指一次风量占炉膛出口总风量的百分数。对应于一种煤，有一个一次风率的最佳值。对应于一种煤，有一个一次风率的最佳值。第47页，共59页，编辑于2022年，星期二（2）风速：）风速：一次风速过高，通过单位截面积的流量增大，一次风速过高，通过单位截面积的流量增大，势必降低煤粉气流的加热速度，使着火距离加势必降低煤粉气流的加热速度，使着火距离加长。一次风速过低时，着火提前，可能烧坏燃长。一次风速过低时，着火提前，可能烧坏燃烧器喷
47、口，还可能出现煤粉管道堵塞等故障。烧器喷口，还可能出现煤粉管道堵塞等故障。故有一个最适宜的一次风速，它与煤种及燃烧故有一个最适宜的一次风速，它与煤种及燃烧器型式有关。器型式有关。二次风速：二次风速：二次风速高于一次风速，以加强气流的扰动。二次风速高于一次风速，以加强气流的扰动。第48页，共59页，编辑于2022年，星期二（3）一、二次风配合一、二次风配合风量的配合：一次风以够挥发分燃烧为度。风量的配合：一次风以够挥发分燃烧为度。速度的配合：二次风速度高于一次风速度，大约是速度的配合：二次风速度高于一次风速度，大约是2倍。倍。混合时间：通过燃烧器结构控制混合时间，挥发分高混合时间：通过燃烧器结构
48、控制混合时间，挥发分高时混合的早些，挥发分低时混合的迟些时混合的早些，挥发分低时混合的迟些。第49页，共59页，编辑于2022年，星期二第50页，共59页，编辑于2022年，星期二5燃烧器结构特性燃烧器结构特性影响着火快慢的燃烧器结构特性，主要是指一、二次风混影响着火快慢的燃烧器结构特性，主要是指一、二次风混合的情况。如果一、二次风混合过早，在煤粉气流着火前合的情况。如果一、二次风混合过早，在煤粉气流着火前就混合的话，等于增大了一次风量，相应使着火热增大，就混合的话，等于增大了一次风量，相应使着火热增大，推迟着火过程。因此，燃用低挥发分煤种时，应使一、二推迟着火过程。因此，燃用低挥发分煤种时，
49、应使一、二次风的混合点适当推迟。而燃用高挥发分煤时，因为煤粉次风的混合点适当推迟。而燃用高挥发分煤时，因为煤粉着火快，一、二次风的混合点要早些。着火快，一、二次风的混合点要早些。燃烧器的尺寸也影响着火的稳定性。燃烧器出口截面燃烧器的尺寸也影响着火的稳定性。燃烧器出口截面积愈大，煤粉气流着火时离开喷口的距离就愈远，着积愈大，煤粉气流着火时离开喷口的距离就愈远，着火拉长了。从这一点来看，采用尺寸较小的小功率燃火拉长了。从这一点来看，采用尺寸较小的小功率燃烧器代替大功率燃烧器是合理的。烧器代替大功率燃烧器是合理的。第51页，共59页，编辑于2022年，星期二6锅炉负荷锅炉负荷锅炉负荷降低时，送进炉内
50、的燃料消耗量相锅炉负荷降低时，送进炉内的燃料消耗量相应减少，而水冷壁总的吸热量虽然也减少，应减少，而水冷壁总的吸热量虽然也减少，但减少的幅度较小，相对于单位质量燃料来但减少的幅度较小，相对于单位质量燃料来说，水冷壁的吸热量反而增加了。致使炉膛说，水冷壁的吸热量反而增加了。致使炉膛平均烟温下降，燃烧器区域的烟温也降低，平均烟温下降，燃烧器区域的烟温也降低，因而对煤粉气流的着火是不利的。当锅炉负因而对煤粉气流的着火是不利的。当锅炉负荷降到一定程度时，就会危及着火的稳定性，荷降到一定程度时，就会危及着火的稳定性，甚至可能熄火。因此，着火稳定性条件常常甚至可能熄火。因此，着火稳定性条件常常限制了煤粉锅