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第五章第五章 燃烧原理及设备燃烧原理及设备 本章重点本章重点燃烧速度及影响燃烧速度的因素燃烧速度及影响燃烧速度的因素动力燃烧、扩散燃烧、过渡燃烧动力燃烧、扩散燃烧、过渡燃烧煤粉气流的燃烧过程煤粉气流的燃烧过程114直流煤粉燃烧器直流煤粉燃烧器结构结构特点特点适用范围适用范围固态排渣煤粉炉固态排渣煤粉炉炉膛结构及炉膛热强度炉膛结构及炉膛热强度炉内空气动力场炉内空气动力场214第一节第一节 燃烧基本概念燃烧基本概念 一、燃烧程度一、燃烧程度 燃烧程度即燃烧的完全程度。燃烧有完全燃烧燃烧程度即燃烧的完全程度。燃烧有完全燃烧与不完全燃烧之分。为了减少不完全燃烧热损失，与不完全燃烧之分。为了减少不完全燃烧热损失，提高锅炉热效率，应尽量使燃料燃烧达到完全程度。提高锅炉热效率，应尽量使燃料燃烧达到完全程度。燃烧的完全程度可用燃烧效率表示。即输入锅燃烧的完全程度可用燃烧效率表示。即输入锅炉的热量扣除机械不完全燃烧损失的热量和化学不炉的热量扣除机械不完全燃烧损失的热量和化学不完全燃烧损失的热量后占输入锅炉热量的百分比，完全燃烧损失的热量后占输入锅炉热量的百分比，用符号用符号 r r表示，并可用下式计算，即表示，并可用下式计算，即314 二、燃烧速度二、燃烧速度 燃烧的定义燃烧的定义 当燃料与氧化剂属于同一形态，称为均相当燃料与氧化剂属于同一形态，称为均相燃烧或单相燃烧；当燃料与氧化剂不属于同燃烧或单相燃烧；当燃料与氧化剂不属于同一形态，称为多相燃烧，例如固体燃料在空一形态，称为多相燃烧，例如固体燃料在空气中的燃烧。气中的燃烧。锅炉内的燃烧化学反应可用如下的通式来锅炉内的燃烧化学反应可用如下的通式来表示：表示：aAaA 十十 bBbB gGgG 十十 hHhH 燃料燃料 氧化剂氧化剂 燃烧产物燃烧产物414 对于均相燃烧，燃烧速度是指单位对于均相燃烧，燃烧速度是指单位时间内参与燃烧反应物质的浓度变化率，时间内参与燃烧反应物质的浓度变化率，kmo1kmo1(m(m s)s)；对于多相燃烧，燃烧速对于多相燃烧，燃烧速度是指单位时间内参与燃烧反应的氧浓度是指单位时间内参与燃烧反应的氧浓度变化率，度变化率，kmo1kmo1(m(m s)s)。燃烧速度的快慢取决于燃烧过程中燃烧速度的快慢取决于燃烧过程中化学反应时间的快慢化学反应时间的快慢(即化学反应速度即化学反应速度)和氧化剂供给燃料时间的快慢，最终取和氧化剂供给燃料时间的快慢，最终取决于两者之中较慢者决于两者之中较慢者。514 碳粒的燃烧机理：碳粒的燃烧机理：碳粒的燃烧机理是比较复杂的。大多数研究碳粒的燃烧机理是比较复杂的。大多数研究认为，碳与氧作用同时生成认为，碳与氧作用同时生成C0C02 2和和COCO，其反应式其反应式为：为：C+0C+02 2C0C02 2 2C+0 2C+02 2 2CO 2CO 上述反应式称为上述反应式称为一次反应一次反应，其反应生成的，其反应生成的C0C02 2和和COCO还伴随有下述反应，即：还伴随有下述反应，即：C0C02 2+C 2CO+C 2CO 2CO+0 2CO+02 2 2CO2CO2 2 上述反应式称为上述反应式称为二次反应二次反应，反应中生成的，反应中生成的COCO和和C0C02 2称为二次产物。称为二次产物。614 碳粒在静止的空气中燃烧：碳粒在静止的空气中燃烧：碳粒在静止的空气中或碳粒与空气两者碳粒在静止的空气中或碳粒与空气两者无相对运动燃烧时，在不同温度下，上述这无相对运动燃烧时，在不同温度下，上述这些反应以不同方式组合成碳粒的燃烧过程。些反应以不同方式组合成碳粒的燃烧过程。当温度低于当温度低于12001200时时，按下示反应式进，按下示反应式进行燃烧反应：行燃烧反应：4C+304C+302 2 2CO+2C0 2CO+2C02 2 此时由于温度较低，在碳粒表面生成的此时由于温度较低，在碳粒表面生成的C0C02 2不不能与能与C C发生上式所示发生上式所示气化反应气化反应。碳粒表面周围氧浓度和燃烧产物浓度变碳粒表面周围氧浓度和燃烧产物浓度变化如下图化如下图(a)(a)所示。所示。714814 当温度高于当温度高于12001200以后以后，碳粒燃烧开，碳粒燃烧开始转向如下反应：始转向如下反应：3C+203C+202 2 2CO+C0 2CO+C02 2 此时，由于温度升高加速了碳粒表面的此时，由于温度升高加速了碳粒表面的反应，生成更多的反应，生成更多的COCO。同时气化反应也因同时气化反应也因温度升高而显著地进行。温度升高而显著地进行。COCO在向外扩散途在向外扩散途中遇到远处向碳粒表面扩散的氧而产生燃中遇到远处向碳粒表面扩散的氧而产生燃烧，并将烧，并将氧全部消耗氧全部消耗掉。反应生成的掉。反应生成的C0C02 2同同时向碳粒表面和周围环境两方扩散。碳粒时向碳粒表面和周围环境两方扩散。碳粒表面周围氧浓度和燃烧产物浓度变化如上表面周围氧浓度和燃烧产物浓度变化如上图图(b)(b)所示。所示。914 碳粒受到空气流冲刷时的燃烧：碳粒受到空气流冲刷时的燃烧：碳粒受到空气流冲刷，即碳粒与空气流碳粒受到空气流冲刷，即碳粒与空气流两者之间有相对运动时的燃烧过程如图两者之间有相对运动时的燃烧过程如图6-56-5所示。所示。在碳粒的迎风面上发生如下反应：在碳粒的迎风面上发生如下反应：4C+304C+302 22C02C02 2+2CO+2CO 3C+20 3C+202 22CO+C02CO+C02 2 产生的产生的C02C02也可能再引起如下气化反应：也可能再引起如下气化反应：C+C0C+C02 22CO 2CO 10141114 由于气流的冲刷，因而氧气供应充分，由于气流的冲刷，因而氧气供应充分，燃烧产物燃烧产物COCO2 2与与COCO容易从碳表面被气流吹走，容易从碳表面被气流吹走，所以只要温度比较高，其燃烧速度比碳粒在所以只要温度比较高，其燃烧速度比碳粒在静止空气流中的燃烧速度快得多，而且其燃静止空气流中的燃烧速度快得多，而且其燃烧速度随相对速度的提高而增大。烧速度随相对速度的提高而增大。在煤粉炉中，炉内煤粉处于悬浮状态，在煤粉炉中，炉内煤粉处于悬浮状态，煤粉与空气流之间的相对速度很小，可认为煤粉与空气流之间的相对速度很小，可认为焦炭粒子是在静止空气流中进行燃烧焦炭粒子是在静止空气流中进行燃烧的；而的；而在旋风炉和沸腾炉中，煤粒是在空气流的强在旋风炉和沸腾炉中，煤粒是在空气流的强烈冲刷下进行燃烧的。烈冲刷下进行燃烧的。1214 三、化学反应速度及其影响因素三、化学反应速度及其影响因素 对于多相燃烧，其化学反应速度用下式表示对于多相燃烧，其化学反应速度用下式表示 影响燃烧化学反应速度的因素：影响燃烧化学反应速度的因素：1.1.反应物质的浓度反应物质的浓度 反应物质浓度对化学反应速度的影响用质量作用反应物质浓度对化学反应速度的影响用质量作用定律来说明。由于煤粉的燃烧反应在其表面进行，定律来说明。由于煤粉的燃烧反应在其表面进行，可认为固体燃料的浓度不变，即燃烧化学反应速度可认为固体燃料的浓度不变，即燃烧化学反应速度只与燃料表面的氧浓度成正比，并用下式表示只与燃料表面的氧浓度成正比，并用下式表示1314 2 2温度温度 温度对化学反应速度有很大影响。当反应物质温度对化学反应速度有很大影响。当反应物质的浓度不随时间变化时，反应速度就可用反应速度的浓度不随时间变化时，反应速度就可用反应速度常数常数k k来表示。而来表示。而k k值主要决定于反应温度和参加反值主要决定于反应温度和参加反应的燃料性质，其相互关系如下：应的燃料性质，其相互关系如下：这一关系式称为阿累尼乌斯定律。这一关系式称为阿累尼乌斯定律。式中式中 koko频率因子，它是和分子碰撞数目有关的频率因子，它是和分子碰撞数目有关的 一个常数；一个常数；EE反应活化能，反应活化能，kJkJ(kmoIkmoI)，其值可由实验其值可由实验 确定；确定；RR通用气体常数，通用气体常数，R R8 8314kJ314kJ(kmolKkmolK)；TT反应温度，反应温度，K K。1414 对于多相燃烧，上式可变为对于多相燃烧，上式可变为 阿累尼乌斯键指出，分子间的碰撞不是都能阿累尼乌斯键指出，分子间的碰撞不是都能发生化学反应的，只有那些碰撞能量足以破坏现发生化学反应的，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才是有效的。为使存化学键并建立新的化学键的才是有效的。为使某一化学反应得以进行，分子所需的最低能量称某一化学反应得以进行，分子所需的最低能量称为为活化能活化能，以，以E E表示。能量达到或超过活化能表示。能量达到或超过活化能E E的的分子称为活化分子。活化分子的碰撞才是发生反分子称为活化分子。活化分子的碰撞才是发生反应的有效碰撞。所以反应只能在活化分于之间进应的有效碰撞。所以反应只能在活化分于之间进行。行。1514 由上式可知，当反应物浓度不随时由上式可知，当反应物浓度不随时间变化时，反应速度主要取决于反应温间变化时，反应速度主要取决于反应温度度T T和活化能和活化能E E的大小。的大小。温度一定，活化能愈大，反应速度温度一定，活化能愈大，反应速度就愈慢，或者说，反应要在更高温度下就愈慢，或者说，反应要在更高温度下才能进行；反之，若活化能愈小，反应才能进行；反之，若活化能愈小，反应速度就会愈快，或者说，反应可在较低速度就会愈快，或者说，反应可在较低温度下进行。温度下进行。1614 活化能活化能E E与燃料性质有关，各类煤的与燃料性质有关，各类煤的活化能的数值活化能的数值(MJ(MJkmo1)kmo1)为：为：贫煤、无烟煤贫煤、无烟煤 126147126147 烟煤烟煤 104126104126 褐煤褐煤 8484一一104104 活化能一定，温度愈高，反应速度就活化能一定，温度愈高，反应速度就愈快；反之，若温度愈低，反应速度就会愈快；反之，若温度愈低，反应速度就会愈慢。对于活化能高的无烟煤，要强化其愈慢。对于活化能高的无烟煤，要强化其燃烧就燃烧就必须提高温度必须提高温度。1714 例如，某烟煤的活化能例如，某烟煤的活化能E E130MJ130MJkmo1kmo1，当，当T T由由300K300K提高到提高到400K400K时，时，反应速度几乎增加反应速度几乎增加4545万倍万倍。这就清。这就清楚地说明了温度对反应速度影响十楚地说明了温度对反应速度影响十分显著。对于燃烧反应来说，提高分显著。对于燃烧反应来说，提高炉温是加速燃烧反应、缩短燃烧时炉温是加速燃烧反应、缩短燃烧时间的重要方法。但炉温亦不宜过高，间的重要方法。但炉温亦不宜过高，过高的炉温会导致炉膛结渣。过高的炉温会导致炉膛结渣。1814 四、氧的扩散速度及其影响因素四、氧的扩散速度及其影响因素 扩散混合在燃烧中占有十分重要的地位，扩散混合在燃烧中占有十分重要的地位，现以炭粒为例加以说明。为使碳与氧发生反应，现以炭粒为例加以说明。为使碳与氧发生反应，就必须使氧能不断地从周围环境扩散到碳的表就必须使氧能不断地从周围环境扩散到碳的表面，才能和碳发生反应。因而多相燃烧速度既面，才能和碳发生反应。因而多相燃烧速度既取决于炭粒表面上进行的燃烧化学反应情况，取决于炭粒表面上进行的燃烧化学反应情况，即化学反应速度；又取决于氧向炭粒表面的扩即化学反应速度；又取决于氧向炭粒表面的扩散混合情况，即扩散速度。散混合情况，即扩散速度。1914 扩散速度是指单位时间扩散到单位炭粒表扩散速度是指单位时间扩散到单位炭粒表面的氧量，该速度可由下式确定：面的氧量，该速度可由下式确定：2014 由上式可知，扩散速度主要取决于扩散速由上式可知，扩散速度主要取决于扩散速度系数度系数，而扩散速度系数则取决于炭粒与气而扩散速度系数则取决于炭粒与气流的相对速度和炭粒直径，即与炭粒与气流流的相对速度和炭粒直径，即与炭粒与气流的相对速度近乎成正比，与炭粒直径成反比。的相对速度近乎成正比，与炭粒直径成反比。所以，增大炭粒与气流的相对速度或减所以，增大炭粒与气流的相对速度或减小炭粒直径（即减小煤粉细度），均可增加小炭粒直径（即减小煤粉细度），均可增加扩散速度，强化氧向炭边表面的扩散过程。扩散速度，强化氧向炭边表面的扩散过程。2114 五、燃烧速度与燃烧区域五、燃烧速度与燃烧区域 由上可知，燃烧速度的快慢，既受化学由上可知，燃烧速度的快慢，既受化学反应速度的影响，又受扩散速度的影响，而反应速度的影响，又受扩散速度的影响，而且取决于两者之中较慢者。例如，且取决于两者之中较慢者。例如，高温高温下本下本来可以有很高的化学反应速度，但如果扩散来可以有很高的化学反应速度，但如果扩散速度很低，结果反应区域由于氧气供应不足，速度很低，结果反应区域由于氧气供应不足，实际的燃烧速度仍可能很低。故温度较高情实际的燃烧速度仍可能很低。故温度较高情况下的燃烧速度实际上等于扩散速度，也就况下的燃烧速度实际上等于扩散速度，也就是是扩散混合扩散混合条件起着决定的作用。条件起着决定的作用。2214 当当温度较低温度较低而混合情况较好时，而混合情况较好时，燃烧速度常常取决于燃烧速度常常取决于化学反应化学反应条件，条件，即炉内温度。要强化燃烧过程必须即炉内温度。要强化燃烧过程必须同时考虑化学反应条件和扩散混合同时考虑化学反应条件和扩散混合条件，并且尽可能使两者相适应，条件，并且尽可能使两者相适应，互不限制。互不限制。2314 当燃烧过程稳定时，化学反应速度与氧的扩散当燃烧过程稳定时，化学反应速度与氧的扩散速度相等，并都等于燃烧速度速度相等，并都等于燃烧速度，即即 这时，氧的供应与消耗达到动态平衡，碳粒表这时，氧的供应与消耗达到动态平衡，碳粒表面的氧浓度稳定不变。碳粒表面燃烧速度可用下式面的氧浓度稳定不变。碳粒表面燃烧速度可用下式表示，即表示，即2414 按照化学反应条件和扩散混合条件对燃烧速度按照化学反应条件和扩散混合条件对燃烧速度影响的不同，可将燃烧分为三类，影响的不同，可将燃烧分为三类，1.1.动力燃烧控制区动力燃烧控制区 当温度较低时，化学反应速度较慢，而扩散速当温度较低时，化学反应速度较慢，而扩散速度相对较快，此时度相对较快，此时，燃烧速度主要决定于化学反应燃烧速度主要决定于化学反应条件、即炉内温度。我们把这种燃烧情况叫做条件、即炉内温度。我们把这种燃烧情况叫做动力动力燃烧燃烧，或者说燃烧处于，或者说燃烧处于动力区动力区。气体燃料的燃烧以。气体燃料的燃烧以及温度较低及温度较低(1000)1000)时的煤粉燃烧，基本属于动时的煤粉燃烧，基本属于动力燃烧，故燃烧速度与扩散混合、空气供应等条件力燃烧，故燃烧速度与扩散混合、空气供应等条件关系不大。要强化燃烧。必须设法提高温度，以加关系不大。要强化燃烧。必须设法提高温度，以加强化学反应。采用其他办法效果不会太大。强化学反应。采用其他办法效果不会太大。2514 2.2.扩散燃烧控制区扩散燃烧控制区 当温度较高时，化学反应速度较快，而扩散速当温度较高时，化学反应速度较快，而扩散速度相对较小，此时燃烧速度主要决定于炉内氧对燃度相对较小，此时燃烧速度主要决定于炉内氧对燃料的扩散情况，对于固体燃料而言即取决于燃料与料的扩散情况，对于固体燃料而言即取决于燃料与气流的相对速度和燃料颗粒直径，我们把这种燃烧气流的相对速度和燃料颗粒直径，我们把这种燃烧情况叫做情况叫做扩散燃烧扩散燃烧，或者说燃烧处于，或者说燃烧处于扩散区扩散区。燃烧煤、焦炭等块状燃料，如温度高于燃烧煤、焦炭等块状燃料，如温度高于1400 1400，差不多都属于扩散燃烧。只要加强通风，就能，差不多都属于扩散燃烧。只要加强通风，就能提高燃烧速度，就是这个原因。提高燃烧速度，就是这个原因。2614 3.过渡燃烧控制区 当炉内温度与扩散混合情况相适应时，此时当炉内温度与扩散混合情况相适应时，此时燃烧速度既与炉温有关，又与氧对燃料的扩散、燃烧速度既与炉温有关，又与氧对燃料的扩散、混合有关。我们把这种燃挠情况叫做混合有关。我们把这种燃挠情况叫做过渡燃烧过渡燃烧，或者说燃烧处于或者说燃烧处于过渡区过渡区。炉温处于炉温处于10001000 14001400的煤粉燃烧基本上属的煤粉燃烧基本上属于过渡燃烧。于过渡燃烧。要强化过渡燃烧，既要改善化学反应条件，要强化过渡燃烧，既要改善化学反应条件，要强化过渡燃烧，既要改善化学反应条件，要强化过渡燃烧，既要改善化学反应条件，如提高炉温；又要改善扩散混合条件，加增大煤如提高炉温；又要改善扩散混合条件，加增大煤如提高炉温；又要改善扩散混合条件，加增大煤如提高炉温；又要改善扩散混合条件，加增大煤粉与气流的相对速度或减小煤粉颗粒直径。粉与气流的相对速度或减小煤粉颗粒直径。粉与气流的相对速度或减小煤粉颗粒直径。粉与气流的相对速度或减小煤粉颗粒直径。2714 煤粉的燃烧，主要取决于碳粒的燃烧。碳粒在煤粉的燃烧，主要取决于碳粒的燃烧。碳粒在炉内处于什么样的燃烧区域，这是关系到如何组织炉内处于什么样的燃烧区域，这是关系到如何组织炉内煤粉燃烧的关键。炉内煤粉燃烧的关键。就碳粒在炉内燃烧的情况来看，在燃烧中心粗就碳粒在炉内燃烧的情况来看，在燃烧中心粗碳粒可能处于扩散区，大部分细碳粒则处于动力区碳粒可能处于扩散区，大部分细碳粒则处于动力区或过渡区，所以或过渡区，所以提高炉温和加强气流与煤粉的混合提高炉温和加强气流与煤粉的混合都是不可忽视。都是不可忽视。在燃尽区，由于此处烟温较低，且烟气中含氧在燃尽区，由于此处烟温较低，且烟气中含氧量较少，若扩散混合条件较好，燃烧可能处于动力量较少，若扩散混合条件较好，燃烧可能处于动力区，若扩散混合条件较差，燃烧亦可能处于扩散区。区，若扩散混合条件较差，燃烧亦可能处于扩散区。2814六、煤粉迅速而又完全燃烧的条件六、煤粉迅速而又完全燃烧的条件相当高的炉温相当高的炉温合适的空气量合适的空气量燃料与空气良好的混合燃料与空气良好的混合足够的炉内停留时间足够的炉内停留时间结束结束2914