锅炉燃烧理论基础Word格式.docx
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反应速度越高，燃料所需的燃尽时间就越短。
上述关系只反映了化学反应速度与参加反应物浓度的关系。
事实上，反应速度不仅与反应物浓度有关，更重要的是与参加反应的物质本身有关，具体地说，与煤或其它燃料的性质有关。
化学反应速度与燃料性质及温度的关系可用阿累尼乌斯定律表示。
阿累尼乌斯定律
在实际燃烧过程中,由于燃料与氧化物（空气）是按一定比例连续供给的,当混合十分均匀时,可以认为燃烧反应是在反应物质浓度不变的条件下进行的.这时,化学反应速度与燃料性质及温度的关系为:
k＝k0ｅ（－E/RT）（5-6）
式中,k0--相当于单位浓度中，反应物质分子间的碰撞频率及有效碰撞次数的系数
E—反应活化能；
R—通用气体常数；
T—反应温度：
k—反应速度常数（浓度不变）。
阿累尼乌斯定律说明了燃料本身的“活性”与反应温度对化学反应速度的影响的关系。
什么是燃料的“活性”呢？
可以简单地理解为燃料着火与燃尽的难易程度。
例如，气体燃料比固体燃料容易着火，也容易燃尽。
而不同的固体燃料，“活性”也不同，烟煤比无烟煤容易着火，也容易燃尽。
因此，燃料的“活性”也表现为燃料燃烧时的反应能力。
燃料的“活性”程度可用“活化能”来表示。
第三节影响化学反应速度的因素
质量作用定律和阿累尼乌斯定律指出了影响燃烧反应速度的主要因素是反应物的浓度．活化能和反应温度。
一．反应物浓度的影响
虽然认为实际燃烧过程中，参加反应物质的浓度是不变的，但实际上，在炉内各处．在燃烧反应的各个阶段中，参加反应的物质的浓度变化很大。
在燃料着火区，可燃物浓度比较高，而氧浓度比较低。
这主要是为了维持着火区的高温状态，使燃料进入炉内后尽快着火。
但着火区如果过分缺氧则着火就会终止，甚至引起爆炸。
因此在着火区控制燃料与空气的比例达到一个恰到好处的状态，是实现燃料尽快着火和连续着火的重要条件。
反应物浓度对燃烧速度的影响关系比较复杂，将在后面的内容中加以分析。
二．活化能对燃烧速度的影响
1．活化能概念
燃料的活化能表示燃料的反应能力。
活化能的概念是根据分子运动理论提出的，由于燃料的多数反应都是双分子反应，双分子反应的首要条件是两种分子必须相互接触，相互碰撞。
分子间彼此碰撞机会和碰撞次数很多，但并不是每一个分子的每一次碰撞都能起到作用。
如果每一个分子的每一次碰撞都能起到作用，那么即使在低温条件下，燃烧反应也将在瞬时完成。
然而燃烧反应并非如此，而是以有限的速度进行。
所以提出只有活化分子的碰撞才有作用。
这种活化分子是一些能量较大的分子。
这些能量较大的分子碰撞所具有的能量足以破坏原有化学键，并建立新的化学键。
但这些具有高水平能量的分子是极少数的。
要使具有平均能量的分子的碰撞也起作用，必须使他们转变为活化分子，这一转变所需的最低能量称为活化能，用Ｅ表示。
所以活化分子的能量比平均能量要大，而活化能的作用是使活化分子的数目增加。
图5-1表示出活化能的意义。
从图可见，要使反应物由Ａ变成燃烧产物Ｇ，参加反应的分子必须首先吸收活化能Ｅ，使活化分子数目增多，达到活化状态，数目较多的分子产生有效碰撞，发生反应而生成燃烧产物，并放出比Ｅ1（活化能）更多的能量Ｅ2，而燃烧反应的净放热量为Ｑ。
能量活化状态
E1
ΔE
2．燃料的活化能对燃烧速度的影响
在一定温度下，某一种燃料的活化能越小，这种燃料的反应能力就越强，而且反应速度随温度变化的可能性就减小，即使在较低的温度下也容易着火和燃尽。
活化能愈大的燃料，其反应能力愈差，反应速度随温度的变化也愈大，即在较高的温度下才能达到较大的反应速度，这种燃料不仅着火困难，而且需要在较高的温度下经过较长的时间才能燃尽。
燃料的活化能水平是决定燃烧反应速度的内因条件。
一般化学反应的活化能大约在42～420kJ/mol，活化能小于42kJ/mol的反应，反应速度极快，以至难于测定。
活化能大于420kJ/mol的反应，反应速度缓慢，可认为不发生反应。
燃煤的活化能及频率因子可在沉降炉中测定，表5-1是国内四种典型煤种的测定结果。
不同的测试仪器所测量的数据差别较大，因此，只有同一仪器测量的数据才具有可比性。
煤种
Ｖdaf
频率因子
活化能
%
g/（cm2.s.MPa）
KJ/mol
无烟煤
5.15
96.83
85.212
贫煤
15.18
12.61
55.098
烟煤
33.40
7.89
45.452
41.02
5.31
38.911
三．温度对燃烧速度的影响
温度对化学反应的影响十分显着。
随着反应温度的升高，分子运动的平均动能增加，活化分子的数目大大增加，有效碰撞频率和次数增多，因而反应速度加快。
对于活化能愈大的燃料，提高反应系统的温度，就能愈加显着地提高反应速度。
第一节热力着火理论
一．热力着火理论的实用性
煤粉燃烧过程的着火主要是热力着火，热力着火过程是由于温度不断升高而引起的。
因为煤粉燃烧速度很快，燃烧时放出的大量热量使炉膛温度升高，而炉温升高促使燃烧速度加快；
反应放热增加，又使炉温进一步提高。
这样相互作用、反复影响，达到一定温度时，就会发生着火。
着火过程有两层意义：
一是着火是否可能发生，二是能否稳定着火。
只有稳定着火，才能保证燃烧过程持续稳定的进行，否则就可能中途熄火，使燃烧过程中断。
在炉膛四周布置的水冷壁直接吸收火焰的辐射热，因而燃料燃烧时放出的热量，同时向周围介质和炉膛壁面散热。
这时，要使可燃物着火并连续着火，必须使可燃物升温。
二．实现稳定着火的两个条件：
1、放热量和散热量达到平衡，放热量等于散热量。
2、放热速度大于散热速度
如果不具备这两个条件，即使在高温状态下也不能稳定着火，燃烧过程将因火焰熄灭而中断，并不断向缓慢氧化的过程发展。
三．热力着火过程的特性曲线
燃烧室内可燃混合物燃烧放热量为：
（5-7）
向周围环境散失的热量为：
Q2=αS（Ｔ-Ｔｂ）（5-8）
CO2--煤粉反应表面氧浓度；
N--燃烧反应中氧的反应系数；
V--可燃混合物的容积；
Qr--燃烧反应热；
Ｔ--燃烧反应物温度；
Ｔｂ--燃烧室壁面温度；
α--混合物向燃烧室壁面的放热系数；
图5-3热力着火过程曲线
S--燃烧室壁面面积。
点1：
缓慢氧化状态
点2：
着火点，点3：
高温燃烧状态
点4：
熄火点，点5：
氧化状态
熄火温度ＴXh总是比着火温度ＴZh高。
着火温度和熄火温度并不是常数，它们随放热条件而变。
四．煤、煤粉气流和气体燃料的着火温度
挥发分大的烟煤，活化能小，反应能力强，着火温度低，即使周围散热条件较强，也容易稳定着火；
挥发分很低的无烟煤，活化能大，反应能力低，着火温度最高，需要减小周围散热，维持高温状态，才能稳定着火。
表5-3各种煤的着火温度
褐煤
着火温度℃
700～800
400～500
250～450
表5-4煤粉气流中煤粉颗粒的着火温度
贫煤（Vr=14％）
1000
900
650～840
550
表5-5液体燃料和气体燃料的着火温度
燃料
高炉煤气
发生炉煤气
炼焦煤气
天然气
石油
530
300～500
360～400
着火温度
五．锅炉运行中的热力着火分析
放热速度与散热速度是相互作用的。
在实际炉膛内，当燃烧处于高负荷状态时，由于燃煤量增加，燃烧放热量比较大，而散热量变化不大，因此使炉内维持高温状态。
在高负荷运行时，容易稳定着火。
当燃烧处于低负荷运行时，由于燃煤量减少，燃烧放热量随之减小，这时相对于单位放热量的散热条件却大为增加，散热速度加快，因此炉内火焰温度与水冷壁表面温度下降，使燃烧反应速度降低，因而放热速度也就变慢，进一步使炉内处于低温状态。
在低负荷运行状态下，稳定着火比较困难，因此需要投入助燃油等燃料来稳定着火燃烧。
对于低反应能力的无烟煤和劣质烟煤，不但着火困难，而且难于稳燃，因而容易熄火”打炮”。
从以上分析，可得到提示：
（1）着火和燃烧温度与水冷壁面积、进入炉内的新气流初温度相关。
（2）在炉内可自动到达稳定着火状态，如果点火区的温度与燃料的活性不相适应，就需投入助燃油或采用强化着火的措施。
第三节火焰的传播
一．火焰传播理论的实用性
燃料燃烧过程中，火焰的稳定性与火焰传播速度关系极大。
电厂燃烧系统的安全运行也与火焰传播速度关系密切。
例如，煤粉管道中某一处着火后，火焰迅速蔓延、扩散，导致制粉系统着火或爆炸。
了解火焰传播的知识，有助于掌握燃烧过程的调整要领，对稳定着火非常有用。
二．层流火焰传播
在静止的可燃气体混合物中，缓慢燃烧的火焰传播是依靠导热或扩散使未燃气体混合物温度升高，火焰一层一层的依次着火。
火焰传播速度一般为20～100cm/s。
三．湍流火焰传播
四．火焰传播形式
1．正常的火焰传播（缓慢燃烧）
正常的火焰传播是指可燃物在某一局部区域着火后，火焰从这个区域向前移动，逐步传播和扩散出去，这种现象就称为火焰传播。
正常的火焰传播过程中，火焰传播速度比较缓慢，约为1～3m/s，燃烧室内压力保持不变。
炉内煤粉气流正常燃烧的火焰传播就属于正常的火焰传播。
2．反应速度失去控制的高速爆炸性燃烧
炉膛内火焰传播为湍流火焰，火焰传播速度很快。
出现爆炸性燃烧时，火焰传播速度极快，达1000-3000m/s，温度极高，达6000℃；
压力极大，达2026500Pa（20.67）大气压）。
爆燃是由于可燃物以极高的速度反应，以至于反应放热来不及散失，因而使温度迅速升高，压力急剧增大。
而压力的急剧增大是由于高温烟气的比容比未燃烧的可燃混合物的比容大得多，高温烟气膨胀产生的压力波，使未燃混合物绝热压缩，火焰传播速度迅速提高，以致产生爆炸性燃烧。
3．正常燃烧向爆炸性燃烧的转变
当火焰正常燃烧时，有时会发生响声。
此时，如果缩热压缩很弱，不会引起爆炸性燃烧。
但当未燃混合物数量增多时，绝热压缩将逐渐增强，缓慢的火焰传播过程就可能自动加速，转变为爆炸性燃烧。
五．不同燃料的火焰传播速度
可燃混合物着火时的火焰传播速度即为着火速度。
对于不同的燃料，火焰传播速度的差异很大。
气体燃料和液体燃料的火焰传播速度远远大于煤粉气流的火焰传播速度。
就煤粉气流本身而言，火焰传播速度的差别也很大。
例如，燃用烟煤时的火焰传播速度比贫煤、无烟煤的火焰传播速度要大。
因此，烟煤着火后，燃烧比较稳定。
六．煤粉气流火焰传播速度的影响因素
煤粉气流的火焰传播速度受多种因素的影响，其首先决定于燃料中可燃挥发分含量的大小，其次还与水分、灰分、煤粉细度、煤粉浓度和煤粉气流混合物的初温及燃烧温度有关。
一般情况下，挥发分大的煤，火焰传播速度快；
灰分大的煤火焰传播速度小；
水分增大时，火焰传播速度降低。
提高煤粉细度时，挥发分析出快，并增加了燃料的反应面积，火焰传播速度可显着提高。
提高炉膛温度时，火焰面向周围环境的散热减少，反应速度加快，因而提高了火焰传播速度。
锅炉在高负荷运行时，炉膛环境温度较高，容易稳定燃烧；
锅炉在低负荷运行时，燃烧放热量减少，冷却散热条件增强，需要加强稳燃措施或增加易燃的液体或气体燃料，来帮助煤粉气流稳定燃烧，其实质是提高火焰传播速度。
第七节链锁反应
气体燃料的燃烧反应速度很高，而且在温度极低（如T→0Ｋ时）的场合下，反应仍可以很高的速度进行。
这种反应并不是按化学反应方程式那样一步完成的，也并不需要给反应物质施加能量，使活化分子的数目增多。
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，使反应进行一系列中间过程，整个燃烧反应就象链一样一节一节传递下去，故称这种反应为链锁反应。
链锁反应是一种高速反应。
例如当温度超过500℃时，氢的燃烧就变为爆炸反应。
氢的链锁反应过程：
氢分子Ｈ吸收了极少的活化能，被质点Ｍ击活后，产生活化中心Ｈ，同时产生游离基ＯＨ，便开始下列反应：
Ｈ2＋Ｍ→２Ｈ＋Ｍ
Ｈ＋Ｏ2→ＯＨ＋Ｏ
Ｏ＋Ｈ2→ＯＨ＋Ｈ
ＯＨ＋Ｈ2→Ｈ2Ｏ＋Ｈ
总的反应平衡式为：
Ｈ＋3Ｈ2＋Ｏ2→3Ｈ＋2Ｈ2Ｏ
上式表明，一个氢分子与质点碰撞被击活而吸收活化能后，可以产生三个活化氢原子，而这三个活化氢原子在下一次反应过程中又可以产生九个活化氢原子，以此类推，……。
这是一种分支链锁反应，其反应速度极快。
以至在瞬间即可完成。
第八节煤粉的着火燃烧
煤粉的燃烧过程可由下述过程粗略地描写：
煤粉受热，水分析出→继续受热，绝大部分挥发分析出，挥发分首先着火→引燃焦碳，并继续析出残余的部分挥发分，挥发分与焦碳一道燃尽→形成灰渣。
大部分挥发分着火，燃尽时间仅占整个燃烧过程的10％，约为0.2～0.5秒；
而焦碳燃尽程度达到98％的过程所占的时间很长，约为90％，燃尽时间为1～2.8秒。
从燃烧放热量来看，焦碳占煤粉总放热量的60～95％。
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。
根据实际经验，一般着火时间长的燃料，所需的燃尽时间也相应地比较长。
煤粉着火燃烧过程的细节十分复杂，只能说明几个阶段的主要特征。
煤粉颗粒必须首先吸热升温，热源来自炉内1300～1600℃的高温烟气，通过对流、辐射、热传导方式使新鲜燃料受热升温。
煤粉颗粒中水分首先析出，燃煤得到干燥，随着水分的蒸发，燃煤温度不断升高。
对于不同煤种，大约在120-450℃的温度范围内，煤中的挥发分析出，挥发分析出后，剩余的固态物形成焦碳。
可燃挥发分气体的着火温度比较低，当氧气供应充足时，大约加热到450～550℃以上就可着火、燃烧，同时释放热量，加热焦碳。
焦碳同时从挥发分燃烧的局部高温处和炉内高温烟气区吸收热量，温度升高，当达到焦碳的着火温度时，即着火燃烧，并放出大量热量。
当焦碳大半烧掉之后，内部灰分将对燃尽过程产生影响。
其原因是：
焦碳粒中内部灰分均匀分布在可燃质中，在焦碳粒从外表面到中心一层一层地燃烧的过程中，外层的内在灰分裹在内层焦碳上，形成一层灰壳，甚至形成渣壳。
从而阻碍氧向焦碳表面的扩散，使燃尽时间拖长。
因此，灰分对燃尽过程的影响主要表现在内部灰分的作用上，而绝大部分单独存在的外部灰分对可燃层的燃尽不产生直接的妨碍作用。
煤粉气流的着火温度也随煤粉细度而变化，煤粉越细，加热速度越快，越容易着火。
这是因为煤粉越细，燃烧反应的表面积越大。
所以在煤粉气流燃烧时，细煤粉首先着火。
煤粉在炉内的燃烧情况更为复杂。
因为煤粉颗粒有粗有细，挥发分析出时，所需的时间也长短不一。
当细粒煤粉已进入焦碳燃烧过程，而粗粒煤粉还在析出挥发分。
即细的煤粒已经烧完，粗的煤粒才刚刚开始燃烧。
实验研究发现，煤粉在炉内的加热升温速度很快，升温速度为（0.5～1.0）*104℃/S，仅在0.1～0.2秒的时间内就能达到炉内燃烧时的温度水平1500℃左右。
在这种条件下，挥发分燃烧和焦碳燃烧这两个环节很难截然分开，在很大程度上可能是同时进行的。
经验表明，可燃挥发分大的煤，还是比较容易着火和燃尽的，因为挥发分析出燃烧毕竟比焦碳的燃烧迅速得多，而且挥发分析出后可增大焦碳粒子与氧气接触的面积，提高焦碳粒子的反应活性。
可燃挥发分仍对煤粉着火起着决定性的作用。
煤的挥发分愈多，挥发分着火燃烧时释放的热量也愈多，这样焦碳得到充分加热并增加了与氧气接触的机会，因而燃烧的稳定性也愈高。
第九节碳粒的燃烧
第一十节
一．温度低于1200℃时碳粒表面的燃烧
二．温度高于1200℃时碳粒表面的燃烧
三．影响碳粒燃烧速度的主要因素
1．碳粒表面上进行的化学反应速度
2．氧向碳粒表面的扩散速度
四．碳粒燃烧的动力区、扩散区、过渡区
1．动力区：
温度低于900～1000℃时，化学反应速度小于氧气向碳粒表面的扩散速度，氧气的供应十分充足，提高扩散速度对燃烧速度影响不大，燃烧速度取决于温度。
2．扩散区：
温度高于1200℃时，化学反应速度大于氧气向碳粒表面的扩散速度，以至于扩散到碳粒表面的氧气立刻被消耗掉，碳粒表面处的氧浓度接近于0，提高温度对燃烧速度影响不大，燃烧速度取决于氧气向碳粒表面的扩散速度。
3．过渡区：
介于动力区和扩散区之间，提高温度和提高扩散速度都可以提高燃烧速度。
若扩散速度不变，只提高温度，燃烧过程向扩散区转化；
若温度不变，只提高扩散速度，燃烧过程向动力区转化。
五．碳粒燃烧的动力区、扩散区、过渡区模型分析
在碳粒表面上发生反应的氧量＝扩散气流向表面输送的氧量，即可利用化学反应速度和气流的扩散速度表示燃烧速度：
ω＝kC＝αks（Co—C）
式中：
k—反应速度常数；
Co、C—气流中和反应表面氧浓度；
αks—扩散速度系数，与气流的相对速度成正比，与粒子直径成反比。
kz----考虑了扩散和化学反应后，燃烧反应的总速度常数；
当时，kz≈k，燃烧处于动力区；
当时，kz≈αks，燃烧处于扩散区。
第六章燃烧设备
第一节直流煤粉燃烧器
一．煤粉燃烧器的作用
煤粉燃烧器是燃煤锅炉燃烧设备的主要部件。
其作用是：
（1）向炉内输送燃料和空气；
（2）组织燃料和空气及时、充分的混合；
（3）保证燃料进入炉膛后尽快、稳定的着火，迅速、完全的燃尽。
在煤粉燃烧时，为了减少着火所需的热量，迅速加热煤粉，使煤粉尽快达到着火温度，以实现尽快着火。
故将煤粉燃烧所需的空气量分为一次风和二次风。
一次风的作用是将煤粉送进炉膛，并供给煤粉初始着火阶段中挥发分燃烧所需的氧量。
二次风在煤粉气流着火后混入，供给煤中焦炭和残留挥发分燃尽所需的氧量，以保证煤粉完全燃烧。
直流燃烧器通常由一列矩形喷口组成。
煤粉气流和热空气从喷口射出后，形成直流射流。
二．直流煤粉燃烧器的类型
直流煤粉燃烧器的一、二次风喷口的布置方式大致上有两种类型。
一类适用于燃烧容易着火的煤，如烟煤、挥发分较高的贫煤以及褐煤。
这类燃烧器的一、二次风喷口通常交替间隔排列，相邻两个喷口的中心间距较小。
因一次风携带的煤粉比较容易着火，故希望在一次风中煤粉着火后及时、迅速地和相邻二次风喷口射出的热空气混合。
这样，在火焰根部不会因为缺乏空气而燃烧不完全，或导致燃烧速度降低。
因而沿高度相间排列的二次风喷口的风量分配就接近均匀。
2．一次风集中布置的分级配风直流式燃烧器
适用于燃烧着火比较困难的煤，如贫煤、无烟煤或劣质煤。
这种燃烧器的特点是：
几个一次风喷口集中布置在一起，一、二次风喷口中心间距较大。
由于一次风中携带的煤粉着火比较困难，一、二次风的混合过早，会使火焰温度降低，引起着火不稳定。
为了维持煤粉火焰的稳定着火，希望推迟煤粉气流与二次风的混合，所以进一步将二次风分为先后两批送入着火后的煤粉气流中，这种配风方式称为分级配风。
分级配风的目的是：
在燃烧过程不同时期的各个阶段，按需要送入适量空气，保证煤粉既能稳定着火、又能完全燃烧。
（1）一次风集中布置的特点
使着火区保持比较高的煤粉浓度，以减少着火热；
燃烧放热比较集中，使着火区保持高温燃烧状态，适用于难燃煤；
煤粉气流刚性增强，不易偏斜贴墙。
同时，卷吸高温烟气的能力加强。
（2）一次风集中布置的问题
着火区煤粉高度集中，可能造成着火区供氧不足，延缓燃烧进程；
一次风喷嘴附近为高温区，喷嘴易变形，使喷嘴出口附近气流速度分布不均，容易出现空气、煤粉分层现象。
为了消除这种现象，有时将一次风分割成多股小射流，使气流扰动增强，提高着火的稳定性。
一次风喷口附近处于高温，且一次风速较低，喷口易烧坏。
为了冷却一次风喷口，可在一次风喷口上加装夹心风或周界风。
当然，夹心风或周界风也可增强一次风气流卷吸高温烟气的能力。
三．四角布置直流燃烧器的工作原理
直流燃烧器一般布置在炉膛四角上。
煤粉气流在射出喷口时，虽然是直流射流，但当四股气流到达炉膛中心部位时，以切圆形式汇合，形成旋转燃烧火焰，同时在炉膛内形成一个自下而上的旋涡状气流。
直流燃烧器的工作过程：
（1）煤粉气流卷吸高温烟气而被加热的过程；
（2）射流两侧的补气及压力平衡过程；
（3）煤粉气流的着火过程；
（4）煤粉与二次风空气的混合过程；
（5）气流的切圆旋转过程；
（6）焦碳的燃尽过程。
上述几个过程虽然有先后顺序或某几个过程同时进行，但各过程之间的相互影响是十分显着的。
主气流卷吸高温烟气的过程
从燃烧器喷口射出的气流仍然保持着高速流动。
由于气流的紊流扩散，带动周围的热烟气一道向前流动，这种现象叫“卷吸”。
由于“卷吸”，射流不断扩大，不断向四周扩张。
同时，主气流的速度由于衰减而不断减小。
正是由于射流的这种“卷吸”作用，将高温烟气的热量源源不断地运输给进入炉内的新煤粉气流，煤粉气流才得到不断加热而升温，当煤粉气流吸收足够的热量并达到着火温度后，便首先从气流的外边缘开始着火，然后火焰迅速向气流深层传播，达到稳定着火状态。
3.邻角气流的撞击点燃作用
在切圆燃烧炉中，四股气流具有“自点燃”作用。
即煤粉气流向火的一侧受到上游邻角高温火焰的直接撞击而被点燃。
这是煤粉气流着火的主要条件。
背火的一侧也卷吸炉墙附近的热烟气，但这部分卷吸获得的热量较少，此外，一次风与二次风之间也进行着少量的过早混合，但这种混合对着火的影响不大。
4.煤粉气流接受辐射加热
煤粉气流着火的热源部分来自炉内高温火焰的
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