第五章第五章 燃烧理论基燃烧理论基础础复 习v1，几种热损失。为了减小热损失，锅炉燃烧需要作到： 稳定着火、快速燃尽。v2，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。前言 燃烧概述燃烧概述一、燃烧本质v燃烧是气体、液体或固体燃料与氧化剂之间发生的一种强烈的化学反应；v流动、传热、传质和化学反应同时发生有相互作用的综合现象；v典型的物理化学过程；v化学反应动力学、流体力学、传热传质学是研究燃烧反应过程的基础知识；二、燃烧学的发展历史v直至18世纪中以前，发展缓慢，对燃烧现象的本质几乎一无所知。v之后：燃素的概念出现（物质是否燃烧被归于是否含有燃素）v1765年燃烧是物质的氧化（燃烧理论的萌芽）v19世纪出现热化学和化学热力学（将燃烧作为热力学系统，考察其初态和终态，静态特性的研究）v20世纪初燃烧反应动力学（研究燃烧过程的动态过程的理论）v3040年代火焰传播的概念湍流燃烧理论（认识燃烧过程的限制因素往往不是反应动力学，而是传热传质，即受限于物理过程）v5060年代德国人Von Karmen（对宇航也有巨大的贡献）提出用连续介质力学来研究燃烧，称为化学流体力学或反应流体力学。v将经典流体力学的方法、边界层、射流理论等应用与研究燃烧v70年代初，大型电子计算机出现，形成计算流体（计算燃烧）学，建立了燃烧的数学模拟方法和数值计算方法；v激光测量技术的出现，使精密测量成为现实。v基本理论+数学模型和数值计算+先进的测量技术。三、当代对燃烧应用的要求v要求燃烧不断强化和趋于更高能量水平；v探讨高温、高压、高速、强湍流条件下的燃烧v要求燃烧过程高效率，节省燃料等；v洁净燃烧，减轻环境污染v火灾的起因与防治第一节、燃烧反应速度及其影响因素燃烧反应速度及其影响因素v燃烧反应和化学反应一样，根据参加反应的物质不同分为：均相燃烧气体燃料在空气中燃烧异相燃烧固体燃料在空气中燃烧，煤粉燃烧一、反应速度的定义v根据质量作用定律，反应速度有不同的定义方式：v第一种定义：单位时间内和单位体积内燃烧掉的燃料量或消耗的氧量v举例：v在锅炉燃烧技术采用炉膛容积热负荷来表示燃烧反应速度：v单位时间内和单位体积内燃烧掉的燃料所释放出的热量v在一定的温度下，化学反应速度和各反应物的浓度成正比v1867年由Guldberg和Wage提出v对均相反应：vA+A+A+A+ +A + B+B+B+B+B+ +Bba第二种定义：对于异相反应煤粉与空气混合物二、影响化学反应速度的主要因素v1，浓度v从前面反应速度的定义式，可知：浓度越大，反应速度越快。v原因：燃烧反应属双分子反应，只有当两个分子发生碰撞时，反应才能发生。浓度越大，即分子数目越多，分子间发生碰撞的几率越大。2压力v气态物质参加的反应，压力升高，体积减少，浓度增加，压力对化学反应速度的影响与浓度相同。v对理想气体混合物中的每个组分可以写出其状态方程： 3温度v3.1 3.1 阿累尼乌斯定律阿累尼乌斯定律v温度增加，反应速度近似成指数关系增加，体现在反应速度常数v阿累尼乌斯定律(瑞典物理化学家1889年提出)3.2 阿累尼乌斯定律的讨论-活化分子、活化能活化分子、活化能v气体分子的运动速度、动能有大有小；v动能超过某一数值（活化能活化能E E）足以破坏原有结构发生反应的分子称为活化分子；活化分子；v分子发生反应，要提高能量，每摩尔气体分子所吸收的这部分能量-活化能E；v化学动力学的基础。第三节 热力着火热力着火v 一热力着火理论的实用性一热力着火理论的实用性v煤粉燃烧过程的着火主要是热力着火 v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？ v二、实现稳定着火的两个条件实现稳定着火的两个条件 v可燃混合物燃烧过程的发生与停止，即着火与灭火，燃烧能否稳定地进行，取决于燃烧过程中所提供的热力条件。v燃烧中同时存在着放热和散热，在不同的阶段存在着二者的不同工况。vA、放热量和散热量达到平衡，放热量等于散热量。v vB、放热量随系统温度的变化率大于散量热随系统温度的变化率。vv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、热力着火的条件放热散热，系统升温，反应加速，但同时散热也在增加，必达到平衡；放热散热，系统降温，反应减速，但同时散热也在减少，也必达到平衡； v系统在不同条件下达到不同的平衡状态，v可能是有利的，燃烧稳定在正常工况，v可能是不利的，燃烧处于熄火状态。1、放热与散热曲线放热与散热曲线v以强烈掺混的零维系统（煤粉空气混合物在燃烧室内）为例说明：v1放热与温度的关系，v燃烧室内可燃混合物燃烧放热量为：v2散热与温度的关系v加热混合物本身所消耗并带走的热量：v向周围介质散失的热量（对流+辐射）四、可燃混合物着火与灭火分析可燃混合物着火与灭火分析v将两组曲线综合在一起，可能存在以下三种情况：（1）熄火状态；（2）可能着火，正常燃烧；也可能熄火；（3）正常燃烧五、关于着火温度的说明关于着火温度的说明v着火温度不是物性参数，随所处热力条件的变化而不同，v各种实验方法所测得的着火温度值的出入很大，过分强调着火温度意义不大，v如，褐煤堆，如果通风不良，接近于绝热状态，孕育时间长，着火温度可低于大气温度。v着火温度的概念可以使着火过程的物理模型大大简化。v严格上，只说着火的临界条件或着火条件：使系统在某个瞬时或空间某部分达到高温的反应状态。v实现这一过渡过程的初始条件或边界条件为着火条件。六、放热反应与吸热反应v随反应的进行，放出能量，抵偿E后，多余的为反应热（发热量）放热反应v反之为吸热反应v活化能小，化学反应速度较快，当E4104kJ/mol，极慢；第三节、链式反应（连锁反应）链式反应（连锁反应）一、链式反应理论的产生许多化学反应，几乎所有的燃烧反应，均不简单地服从质量作用定律和阿累尼乌斯定律。如：氢气与空气的反应在某些温度和压力下爆炸，在另一些温度和压力下不爆炸，如：冷焰，低温时，磷、乙醚的蒸汽氧化。二、链式反应原理v活化来源在反应过程中产生，中间产物活化中心，v活化中心与反应物分子发生反应，本身消失，反应的结果又产生新的活化中心v通过活化中心进行反应要比原作用物直接反应容易得多，只需较少的活化能三、链式反应的分类v新的活化中心的数目等于或大于原有的活化中心的数目不分支反应分支反应链式反应分为四、氢气与空气的反应分支链式v爆炸反应v反应开始vH原子为活化中心，M为任何活化分子v中间反应v一个H参加反应，经过一个链后形成H2O，又同时产生三个H活化中心，再引起三个分支反应五、分支链式反应的特点1、存在孕育期（诱导期，感应期），当活化中心积累到一定程度，才发生反应。2、反应自动加速，并可以在等温下加速到极大的数值。第五节 火焰传播v 一火焰传播理论的实用性一火焰传播理论的实用性v 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。v了解火焰传播的知识，有助于掌握燃烧过程的调整要领，对稳定着火和防止爆燃极为重要。二、火焰传播的形式v层流火焰传播层流火焰传播 v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。层流火焰传播速度一般为20100cm/s。 v湍流火焰传播湍流火焰传播v一般为 200cm/s以上。 三、炉膛内的火焰传播v1正常的火焰传播（缓慢燃烧）v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 v2反应速度失去控制的高速爆炸性燃烧v出现爆炸性燃烧时，火焰传播速度极快，达10003000m/s，温度极高，达 6000；压力极大，达 2.0265Pa (20.67大气压)。v3正常燃烧向爆炸性燃烧的转变v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。v 四、煤粉气流火焰传播速度的影响因素煤粉气流火焰传播速度的影响因素v挥发分含量 v灰分、水分 v煤粉细度 v炉膛温度 第六节第六节 煤粉的燃烧煤粉的燃烧 v一、煤粉的燃烧过程一、煤粉的燃烧过程 v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。二、煤粉的燃烧时间煤粉的燃烧时间v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。 三、煤粉燃烧的主要特征煤粉燃烧的主要特征v 煤粉颗粒必须首先吸热升温，通过对流、辐射、热传导方式使新鲜燃料受热升温。v煤粉颗粒中水分首先析出，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。v 一、煤燃烧的主要阶段一、煤燃烧的主要阶段挥发份释放及大部分烧掉所占时间约为总燃烧时间的十分之一，绝大部分时间为焦碳的燃烧。一般认为是串联，也有交叉过程加热蒸发挥发份释放焦化蒸发挥发份燃烧焦碳燃烧空气煤烟气灰渣第七节第七节 碳粒燃烧的动力区、扩散区和过渡区碳粒燃烧的动力区、扩散区和过渡区一、碳燃烧的反应环节碳燃烧的反应环节v大致分为几个串联环节：（1）氧气扩散到焦碳表面；（2）氧气被碳表面吸附；（3）在碳表面化学反应（4）燃烧产物由焦碳表面解吸，（5）二氧化碳向周围扩散。v碳反应速度决定于（1）和（3），v总体速度决定于二者较慢的一个。二、燃烧反应的动力区和扩散区燃烧反应的动力区和扩散区v描述异相燃烧过程中混合扩散与化学反应环节1碳粒表面化学反应速度表达式v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v二者相等：v固体表面氧气浓度Cb随化学反应速度不同而变化的关系复杂，且不必知道v不同反应区域分析动力与扩散燃烧理论（1）动力区（化学动力控制区）v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。vK很小（温度很低），1/k很大，所以v氧气从远处扩散到固体表面，消耗不多vk服从阿定律的， 与k的规律一样（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，v v与温度T的关系十分微弱，而且扩散燃烧速度随 的增大而增大（3）过渡区vk与大小相差不多，服从：动力与扩散燃烧理论应用讨论v不同温度区域内，为提高反应速度，有不同的措施：v温度较低时，提高燃烧速度的关键： 提高温度，氧气很充足，不必大量鼓风；v温度较高时，提高燃烧速度的关键： 提高 ，缺氧是关键，要提高出力，应大量鼓风。 第八节碳粒的一次反应和二次反应机理v一、碳粒一次反应机理v将碳和氧气之间的直接反应称为一次反应。一次反应产物继续发生的化学反应称为二次反应。 v1、温度在1300以下时的反应v第一步是形成碳氧络合物。即被碳粒所吸附的氧分子溶入碳粒晶格中，形成碳氧络合物：v v (5-24)v第二步是碳氧络合物的离解。即在高能量氧分子撞击下，碳氧络合物发生离解：v 以上两个方程式相加：2、温度在1600以上时的反应v第一步仍然是形成碳氧络合物。 v第二步同样是碳氧络合物在高温下受热分解：v以上两式相加：3、温度范围在13001600之间时的反应v由于同时存在氧分子溶于碳粒晶格和在晶格边界上化学吸附。和的比例取决于和的综合作用。在常压下，若碳粒表面氧浓度不很大时，化学吸附环节对化学反应起主导作用，也可近似认为是一级反应。 二、二次反应对碳粒燃烧影响二、二次反应对碳粒燃烧影响v在几乎静止的空气中碳粒的反应可认为是二次反应。 v1、温度为8001200时的反应v由图5-8可知，碳粒表面和浓度最高。由于在火焰锋面内已经完全燃烧，火焰锋面外浓度为零。氧气在向碳粒表面扩散过程中，在火焰锋面内被消耗一部分，氧气浓度在火焰锋面处下降很快。由碳粒表面和火焰锋面向周围扩散。2、温度为12001300时的反应v在高温下碳粒表面的反应实际上是还原反应。如图5-9所示。