第五章燃燒理論基礎(chǔ)

1、第五章第五章 燃燒理論基燃燒理論基礎(chǔ)礎(chǔ)復(fù) 習(xí)v1，幾種熱損失。為了減小熱損失，鍋爐燃燒需要作到： 穩(wěn)定著火、快速燃盡。v2，為實(shí)現(xiàn)該目的，需尋找強(qiáng)化燃燒的方法，這就要認(rèn) 識(shí)燃燒過(guò)程的本質(zhì)。從而，需要學(xué)習(xí)基礎(chǔ)燃燒理論。前言 燃燒概述燃燒概述一、燃燒本質(zhì)v燃燒是氣體、液體或固體燃料與氧化劑之間發(fā)生的一種強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)；v流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生有相互作用的綜合現(xiàn)象；v典型的物理化學(xué)過(guò)程；v化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)是研究燃燒反應(yīng)過(guò)程的基礎(chǔ)知識(shí)；二、燃燒學(xué)的發(fā)展歷史v直至18世紀(jì)中以前，發(fā)展緩慢，對(duì)燃燒現(xiàn)象的本質(zhì)幾乎一無(wú)所知。v之后：燃素的概念出現(xiàn)（物質(zhì)是否燃燒被歸于是否含有燃素

2、）v1765年燃燒是物質(zhì)的氧化（燃燒理論的萌芽）v19世紀(jì)出現(xiàn)熱化學(xué)和化學(xué)熱力學(xué)（將燃燒作為熱力學(xué)系統(tǒng)，考察其初態(tài)和終態(tài)，靜態(tài)特性的研究）v20世紀(jì)初燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（研究燃燒過(guò)程的動(dòng)態(tài)過(guò)程的理論）v3040年代火焰?zhèn)鞑サ母拍钔牧魅紵碚摚ㄕJ(rèn)識(shí)燃燒過(guò)程的限制因素往往不是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，而是傳熱傳質(zhì)，即受限于物理過(guò)程）v5060年代德國(guó)人Von Karmen（對(duì)宇航也有巨大的貢獻(xiàn)）提出用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)來(lái)研究燃燒，稱為化學(xué)流體力學(xué)或反應(yīng)流體力學(xué)。v將經(jīng)典流體力學(xué)的方法、邊界層、射流理論等應(yīng)用與研究燃燒v70年代初，大型電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，形成計(jì)算流體（計(jì)算燃燒）學(xué)，建立了燃燒的數(shù)學(xué)模擬方法和數(shù)值計(jì)算方法；v激

3、光測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，使精密測(cè)量成為現(xiàn)實(shí)。v基本理論+數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算+先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)。三、當(dāng)代對(duì)燃燒應(yīng)用的要求v要求燃燒不斷強(qiáng)化和趨于更高能量水平；v探討高溫、高壓、高速、強(qiáng)湍流條件下的燃燒v要求燃燒過(guò)程高效率，節(jié)省燃料等；v潔凈燃燒，減輕環(huán)境污染v火災(zāi)的起因與防治第一節(jié)、燃燒反應(yīng)速度及其影響因素燃燒反應(yīng)速度及其影響因素v燃燒反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)一樣，根據(jù)參加反應(yīng)的物質(zhì)不同分為：均相燃燒氣體燃料在空氣中燃燒異相燃燒固體燃料在空氣中燃燒，煤粉燃燒一、反應(yīng)速度的定義v根據(jù)質(zhì)量作用定律，反應(yīng)速度有不同的定義方式：v第一種定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)和單位體積內(nèi)燃燒掉的燃料量或消耗的氧量hHgGbBaAdtdCbadt

4、dCwBAAv舉例：v在鍋爐燃燒技術(shù)采用爐膛容積熱負(fù)荷來(lái)表示燃燒反應(yīng)速度：v單位時(shí)間內(nèi)和單位體積內(nèi)燃燒掉的燃料所釋放出的熱量OHOH22222222OHww33/,/,mkWhmkcalVBQqydwVv在一定的溫度下，化學(xué)反應(yīng)速度和各反應(yīng)物的濃度成正比v1867年由Guldberg和Wage提出v對(duì)均相反應(yīng)：vA+A+A+A+ +A + B+B+B+B+B+ +B.bBaAbabBaACkCw k反應(yīng)速度常數(shù)；bBaACC ,反應(yīng)物 A（燃料） ，B（氧化劑）的濃度（摩爾濃度或質(zhì)量濃度） 。第二種定義：對(duì)于異相反應(yīng)煤粉與空氣混合物nBACkfw Af 單 位 容 積 可 燃 混 合 物 內(nèi)

5、煤 粉 的 表 面 積 ； BC 氧 氣 的 濃 度 。 二、影響化學(xué)反應(yīng)速度的主要因素v1，濃度v從前面反應(yīng)速度的定義式，可知：濃度越大，反應(yīng)速度越快。v原因：燃燒反應(yīng)屬雙分子反應(yīng)，只有當(dāng)兩個(gè)分子發(fā)生碰撞時(shí)，反應(yīng)才能發(fā)生。濃度越大，即分子數(shù)目越多，分子間發(fā)生碰撞的幾率越大。2壓力v氣態(tài)物質(zhì)參加的反應(yīng)，壓力升高，體積減少，濃度增加，壓力對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度的影響與濃度相同。v對(duì)理想氣體混合物中的每個(gè)組分可以寫出其狀態(tài)方程：RTVpAARTpVCAAARTpVCBBBbBaAppwnbappw 3溫度v3.1 3.1 阿累尼烏斯定律阿累尼烏斯定律v溫度增加，反應(yīng)速度近似成指數(shù)關(guān)系增加，體現(xiàn)在反應(yīng)速度常

6、數(shù)v阿累尼烏斯定律(瑞典物理化學(xué)家1889年提出)bBaACkCw RTEekk03.2 阿累尼烏斯定律的討論-活化分子、活化能活化分子、活化能v氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度、動(dòng)能有大有小；v動(dòng)能超過(guò)某一數(shù)值（活化能活化能E E）足以破壞原有結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)的分子稱為活化分子；活化分子；v分子發(fā)生反應(yīng)，要提高能量，每摩爾氣體分子所吸收的這部分能量-活化能E；v化學(xué)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。第三節(jié) 熱力著火熱力著火v 一熱力著火理論的實(shí)用性一熱力著火理論的實(shí)用性v煤粉燃燒過(guò)程的著火主要是熱力著火 v著火過(guò)程有兩層意義：一是著火是否可能發(fā)生？二是能否穩(wěn)定著火？ v二、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火的兩個(gè)條件實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火的兩個(gè)條件 v可燃混合

7、物燃燒過(guò)程的發(fā)生與停止，即著火與滅火，燃燒能否穩(wěn)定地進(jìn)行，取決于燃燒過(guò)程中所提供的熱力條件。v燃燒中同時(shí)存在著放熱和散熱，在不同的階段存在著二者的不同工況。vA、放熱量和散熱量達(dá)到平衡，放熱量等于散熱量。v vB、放熱量隨系統(tǒng)溫度的變化率大于散量熱隨系統(tǒng)溫度的變化率。vv如果不具備這兩個(gè)條件，即使在高溫狀態(tài)下也不能穩(wěn)定著火，燃燒過(guò)程將因火焰熄滅而中斷，并不斷向緩慢氧化的過(guò)程發(fā)展。21QQ dTdQdTdQ21三、熱力著火的條件放熱散熱，系統(tǒng)升溫，反應(yīng)加速，但同時(shí)散熱也在增加，必達(dá)到平衡；放熱散熱，系統(tǒng)降溫，反應(yīng)減速，但同時(shí)散熱也在減少，也必達(dá)到平衡； v系統(tǒng)在不同條件下達(dá)到不同的平衡狀態(tài)，v可

8、能是有利的，燃燒穩(wěn)定在正常工況，v可能是不利的，燃燒處于熄火狀態(tài)。1、放熱與散熱曲線放熱與散熱曲線v以強(qiáng)烈摻混的零維系統(tǒng)（煤粉空氣混合物在燃燒室內(nèi)）為例說(shuō)明：v1放熱與溫度的關(guān)系，v燃燒室內(nèi)可燃混合物燃燒放熱量為：Tq 1rnORTEoVQCekQ21v2散熱與溫度的關(guān)系v加熱混合物本身所消耗并帶走的熱量：v向周圍介質(zhì)散失的熱量（對(duì)流+輻射）Tq 2222qqq)(02TTCVGqp)()()(002bfdTTSTTVSTTVSq四、可燃混合物著火與滅火分析可燃混合物著火與滅火分析v將兩組曲線綜合在一起，可能存在以下三種情況：（1）熄火狀態(tài)；（2）可能著火，正常燃燒；也可能熄火；（3）正常燃燒

9、五、關(guān)于著火溫度的說(shuō)明關(guān)于著火溫度的說(shuō)明v著火溫度不是物性參數(shù)，隨所處熱力條件的變化而不同，v各種實(shí)驗(yàn)方法所測(cè)得的著火溫度值的出入很大，過(guò)分強(qiáng)調(diào)著火溫度意義不大，v如，褐煤堆，如果通風(fēng)不良，接近于絕熱狀態(tài)，孕育時(shí)間長(zhǎng)，著火溫度可低于大氣溫度。v著火溫度的概念可以使著火過(guò)程的物理模型大大簡(jiǎn)化。v嚴(yán)格上，只說(shuō)著火的臨界條件或著火條件：使系統(tǒng)在某個(gè)瞬時(shí)或空間某部分達(dá)到高溫的反應(yīng)狀態(tài)。v實(shí)現(xiàn)這一過(guò)渡過(guò)程的初始條件或邊界條件為著火條件。六、放熱反應(yīng)與吸熱反應(yīng)v隨反應(yīng)的進(jìn)行，放出能量，抵償E后，多余的為反應(yīng)熱（發(fā)熱量）放熱反應(yīng)v反之為吸熱反應(yīng)v活化能小，化學(xué)反應(yīng)速度較快，當(dāng)E4104kJ/mol，極慢；第

10、三節(jié)、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（連鎖反應(yīng)）鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（連鎖反應(yīng)）一、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論的產(chǎn)生許多化學(xué)反應(yīng)，幾乎所有的燃燒反應(yīng)，均不簡(jiǎn)單地服從質(zhì)量作用定律和阿累尼烏斯定律。如：氫氣與空氣的反應(yīng)在某些溫度和壓力下爆炸，在另一些溫度和壓力下不爆炸，如：冷焰，低溫時(shí)，磷、乙醚的蒸汽氧化。022222HOH二、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理v活化來(lái)源在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生，中間產(chǎn)物活化中心，v活化中心與反應(yīng)物分子發(fā)生反應(yīng)，本身消失，反應(yīng)的結(jié)果又產(chǎn)生新的活化中心v通過(guò)活化中心進(jìn)行反應(yīng)要比原作用物直接反應(yīng)容易得多，只需較少的活化能三、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的分類v新的活化中心的數(shù)目等于或大于原有的活化中心的數(shù)目不分支反應(yīng)分支反應(yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)分為四、氫氣與空氣的反應(yīng)分支鏈?zhǔn)?/p>

11、v爆炸反應(yīng)v反應(yīng)開始vH原子為活化中心，M為任何活化分子v中間反應(yīng)v一個(gè)H參加反應(yīng)，經(jīng)過(guò)一個(gè)鏈后形成H2O，又同時(shí)產(chǎn)生三個(gè)H活化中心，再引起三個(gè)分支反應(yīng)022222HOHMHMH22OHOH02 （慢）OHHHO2OHHHOH22相加得，HOHOHH3322五、分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的特點(diǎn)1、存在孕育期（誘導(dǎo)期，感應(yīng)期），當(dāng)活化中心積累到一定程度，才發(fā)生反應(yīng)。2、反應(yīng)自動(dòng)加速，并可以在等溫下加速到極大的數(shù)值。第五節(jié) 火焰?zhèn)鞑 一火焰?zhèn)鞑ダ碚摰膶?shí)用性一火焰?zhèn)鞑ダ碚摰膶?shí)用性v 燃料燃燒過(guò)程中，火焰的穩(wěn)定性與火焰?zhèn)鞑ニ俣汝P(guān)系極大。電廠燃燒系統(tǒng)的安全運(yùn)行也與火焰?zhèn)鞑ニ俣汝P(guān)系密切。例如，煤粉管道中某一處著火后，

12、火焰迅速蔓延、擴(kuò)散，導(dǎo)致制粉系統(tǒng)著火或爆炸。v了解火焰?zhèn)鞑サ闹R(shí)，有助于掌握燃燒過(guò)程的調(diào)整要領(lǐng)，對(duì)穩(wěn)定著火和防止爆燃極為重要。二、火焰?zhèn)鞑サ男问絭層流火焰?zhèn)鞑恿骰鹧鎮(zhèn)鞑?v緩慢燃燒的火焰?zhèn)鞑ナ且揽繉?dǎo)熱或擴(kuò)散使未燃?xì)怏w混合物溫度升高。層流火焰?zhèn)鞑ニ俣纫话銥?0100cm/s。 v湍流火焰?zhèn)鞑ネ牧骰鹧鎮(zhèn)鞑一般為 200cm/s以上。 三、爐膛內(nèi)的火焰?zhèn)鞑1正常的火焰?zhèn)鞑ィň徛紵﹙是指可燃物在某一局部區(qū)域著火后，火焰從這個(gè)區(qū)域向前移動(dòng)，逐步傳播和擴(kuò)散出去 v2反應(yīng)速度失去控制的高速爆炸性燃燒v出現(xiàn)爆炸性燃燒時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O快，達(dá)10003000m/s，溫度極高，達(dá) 6000；壓力極大，達(dá)

13、 2.0265Pa (20.67大氣壓)。v3正常燃燒向爆炸性燃燒的轉(zhuǎn)變v當(dāng)未燃混合物數(shù)量增多時(shí)，絕熱壓縮將逐漸增強(qiáng)，緩慢的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程就可能自動(dòng)加速，轉(zhuǎn)變?yōu)楸ㄐ匀紵?。v 四、煤粉氣流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩孛悍蹥饬骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩豽揮發(fā)分含量 v灰分、水分 v煤粉細(xì)度 v爐膛溫度 第六節(jié)第六節(jié) 煤粉的燃燒煤粉的燃燒 v一、煤粉的燃燒過(guò)程一、煤粉的燃燒過(guò)程 v煤粉受熱，水分析出繼續(xù)受熱，絕大部分揮發(fā)分析出，揮發(fā)分首先著火引燃焦碳，并繼續(xù)析出殘余的部分揮發(fā)分，揮發(fā)分與焦碳一道燃盡形成灰渣。二、煤粉的燃燒時(shí)間煤粉的燃燒時(shí)間v著火過(guò)程主要取決于煤中可燃基揮發(fā)分的大小，而燃盡過(guò)程主要取決于焦碳的

14、燃燒速度。 三、煤粉燃燒的主要特征煤粉燃燒的主要特征v 煤粉顆粒必須首先吸熱升溫，通過(guò)對(duì)流、輻射、熱傳導(dǎo)方式使新鮮燃料受熱升溫。v煤粉顆粒中水分首先析出，大約在120-450的溫度范圍內(nèi)，煤中的揮發(fā)分析出，揮發(fā)分析出后，剩余的固態(tài)物形成焦碳。v 一、煤燃燒的主要階段一、煤燃燒的主要階段揮發(fā)份釋放及大部分燒掉所占時(shí)間約為總?cè)紵龝r(shí)間的十分之一，絕大部分時(shí)間為焦碳的燃燒。一般認(rèn)為是串聯(lián)，也有交叉過(guò)程加熱蒸發(fā)揮發(fā)份釋放焦化蒸發(fā)揮發(fā)份燃燒焦碳燃燒空氣煤煙氣灰渣第七節(jié)第七節(jié) 碳粒燃燒的動(dòng)力區(qū)、擴(kuò)散區(qū)和過(guò)渡區(qū)碳粒燃燒的動(dòng)力區(qū)、擴(kuò)散區(qū)和過(guò)渡區(qū)一、碳燃燒的反應(yīng)環(huán)節(jié)碳燃燒的反應(yīng)環(huán)節(jié)v大致分為幾個(gè)串聯(lián)環(huán)節(jié)：（1）氧

15、氣擴(kuò)散到焦碳表面；（2）氧氣被碳表面吸附；（3）在碳表面化學(xué)反應(yīng)（4）燃燒產(chǎn)物由焦碳表面解吸，（5）二氧化碳向周圍擴(kuò)散。v碳反應(yīng)速度決定于（1）和（3），v總體速度決定于二者較慢的一個(gè)。二、燃燒反應(yīng)的動(dòng)力區(qū)和擴(kuò)散區(qū)燃燒反應(yīng)的動(dòng)力區(qū)和擴(kuò)散區(qū)v描述異相燃燒過(guò)程中混合擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)環(huán)節(jié)1碳粒表面化學(xué)反應(yīng)速度表達(dá)式v異相化學(xué)反應(yīng)：碳表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所消耗氧量應(yīng)等于擴(kuò)散到表面氧量v二者相等：)(0bksbCCkCwv固體表面氧氣濃度Cb隨化學(xué)反應(yīng)速度不同而變化的關(guān)系復(fù)雜，且不必知道v不同反應(yīng)區(qū)域分析動(dòng)力與擴(kuò)散燃燒理論0000111111CkkCkCCCkCCCwzksksbbbksb（1）動(dòng)力區(qū)（化學(xué)動(dòng)

16、力控制區(qū)）v溫度較低：碳表面化學(xué)反應(yīng)速度遠(yuǎn)小于氧氣向表面的擴(kuò)散速度，氧氣供應(yīng)充分，足夠反應(yīng)所需。燃燒速度取決于化學(xué)反應(yīng)速度，反應(yīng)處于動(dòng)力區(qū)。vK很?。囟群艿停?，1/k很大，所以v氧氣從遠(yuǎn)處擴(kuò)散到固體表面，消耗不多vk服從阿定律的， 與k的規(guī)律一樣ksk110kCw 0CCb0kCw （2）擴(kuò)散區(qū)（擴(kuò)散控制區(qū)）溫度增加，k急劇增大，耗氧量急劇增加，消耗掉擴(kuò)散來(lái)的氧氣，還處于“待料”，燃燒速度取決于擴(kuò)散，反應(yīng)處于擴(kuò)散區(qū)。k很大（溫度很高），1/k很小，所以，v v與溫度T的關(guān)系十分微弱，而且擴(kuò)散燃燒速度隨 的增大而增大ksk110Cwksks（3）過(guò)渡區(qū)vk與大小相差不多，服從：kCwks11動(dòng)

17、力與擴(kuò)散燃燒理論應(yīng)用討論v不同溫度區(qū)域內(nèi)，為提高反應(yīng)速度，有不同的措施：v溫度較低時(shí)，提高燃燒速度的關(guān)鍵： 提高溫度，氧氣很充足，不必大量鼓風(fēng)；v溫度較高時(shí)，提高燃燒速度的關(guān)鍵： 提高 ，缺氧是關(guān)鍵，要提高出力，應(yīng)大量鼓風(fēng)。ks 第八節(jié)碳粒的一次反應(yīng)和二次反應(yīng)機(jī)理v一、碳粒一次反應(yīng)機(jī)理v將碳和氧氣之間的直接反應(yīng)稱為一次反應(yīng)。一次反應(yīng)產(chǎn)物繼續(xù)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)稱為二次反應(yīng)。 v1、溫度在1300以下時(shí)的反應(yīng)v第一步是形成碳氧絡(luò)合物。即被碳粒所吸附的氧分子溶入碳粒晶格中，形成碳氧絡(luò)合物：v v (5-24)43223OCOCv第二步是碳氧絡(luò)合物的離解。即在高能量氧分子撞擊下，碳氧絡(luò)合物發(fā)生離解：v COCOOCOC222243以上兩個(gè)方程式相加：COCOOC2234222、溫度在1600以上時(shí)的反應(yīng)v第一步仍然是形成碳氧絡(luò)合物。 v第二步同樣是碳氧絡(luò)合物在高溫下受熱分解：v以上兩式相加：43223OCOCCOCOOC2243COCOOC223223、溫度范圍在13001600之間時(shí)的反應(yīng)v由于同時(shí)存在氧分子溶于碳粒晶格和在晶格邊界上化學(xué)吸附。和