锅炉原理课件：燃烧理论基础

锅炉原理

燃料理论基础主要内容燃烧及其基本原理着火和点火煤、焦炭和煤粉的燃烧液体及气体燃料的燃烧燃烧完全的条件燃烧质量的评价1/605.1 燃烧及其基本原理2/601.

燃烧的定义与基本条件燃烧是燃料中的可燃物质与氧化剂发生剧烈的、伴随发光发热的一种化学反应。燃烧过程涉及到流动、传热传质、化学反应等一系列的物理、化学过程。燃烧过程能持续进行，除了必须有燃料和燃烧所需要的足够数量的氧气外，还必须有：足够高的温度；足够的传质速率，以使需要的燃料和氧气能够达成充分的混合足够的时间，以使反应能够完成。5.1 燃烧及其基本原理燃烧反应根据参加反应物质的状态不同，可分为均相反应和异相反应：均相反应(Homogeneous)：气体燃料在空气中燃烧，反应物及生成物都为气体。异相反应(Heterogeneous)：固体或液体燃料在空气中燃烧，燃烧发生在两种相态的物质交界处(固体或液体表面)。挥发分燃烧：均相燃烧煤粉燃烧炭粒燃烧：异相燃烧3/605.1 燃烧及其基本原理4/60学习有关锅炉的燃烧理论的意义：判断锅炉各种燃料的着火特性，分析影响着火的内因条件、外因条件，以及着火过程的基本原理。研究如何提高燃料的燃尽(燃烧速度)，分析影响燃料燃尽的内、外因条件，提出保证燃尽、提高燃烧效率的途径。降低燃烧污染物排放，尤其是NOx，实现可持续发展的目标，保护环境。5.1 燃烧及其基本原理2.

化学反应速度我们在第二章中学习了如何从燃烧的初态(燃料+空气)计算燃烧的终态(烟气)成分，却没有涉及燃烧反应从初态到终态发生的速度，即燃烧的化学反应速度。化学反应速度可用单位时间内反应物质(如燃料或氧气)或生成物质的浓度变化来表示，即：W

dC5/60d

W—反应速度，mol／(m3•s)；C—浓度，mol／m3；τ—时间，s。5.1 燃烧及其基本原理如采用以下的化学计量方程式表示化学反应aA+bB

gG+hHa、b—反应物A、B的化学反应计量系数；g、h—生成物G、H的化学反应计量系数。质量作用定律：对于均相反应，化学反应速率与6/60参加反应的各反应物的浓度乘积成正比，因此各反应物浓度的方次等于化学反应式中相应的反应系数。正反应速度w

k

CaCb1 1 A B逆反应速度w

kCg

Ch2 2 G H同理5.1 燃烧及其基本原理正反应速度w

k

CaCb1 1 A B逆反应速度w

kCg

Ch2 2 G H同理CA，CB

—反应物A、B的浓度；CG，CH

—生成物G、H的浓度；k1，

k2

—

正、逆反应速度系数，与反应物或生成物浓度无关，而只取决于温度。注意：质量作用定律(以上公式)只适用于基元反应，各反应物的浓度的幂指数即为基元反应方程式中该反应物化学计量系数(一般a=b=1)。7/605.1 燃烧及其基本原理H2

燃烧19步反应机理8/60注意：即使是最简单燃料燃烧的化学反应过程亦是极其复杂的，例：H2+O2：19步基元反应，8种组分CH4+O2：325步基元反应，53种组分(GRIMech

3.0)对于大多数的工程应用，考虑燃料详细的化学反应过程是不现实的。这时往往使用一步或二步“总包反应”机理，例如：H2+0.5O2→

H2O总包反应的反应速度通常也采用质量作用定律的形式，但反应物浓度的幂指数需通过实验或计算拟合确定，而非总包反应的化学反应计量系数。5.1 燃烧及其基本原理异相反应速度：单位时间、单位相间表面上参加反应的物质浓度的变化，即：BW =

−dCBdtB A9/60=

k

ƒ

CBbmol/(m3∙s)CB：固体燃料表面氧的浓度；ƒA：单位容积固相颗粒的表面积；kB：反应速度常数；5.1 燃烧及其基本原理10/60影响化学反应速度的主要因素反应物浓度压力温度5.1 燃烧及其基本原理11/60反应物浓度的影响从前面反应速度的定义式可知：浓度越大，反应速度越快。原因：化学反应(基元反应)一般属双分子反应，只有当两个分子发生碰撞时，反应才能发生。反应物浓度越大，即分子数目越多，分子间发生碰撞的几率越大，反应速度越快。5.1 燃烧及其基本原理12/60压力的影响气态物质参加的反应，压力升高，反应物浓度增加，压力对化学反应速度的影响与浓度相同。对于理想气体：反应物浓度正比于其分压：CA

∝

pA，因此w

∝

CaCb ∝

papb ∝pa+b

=

pn (n—反应级数)A B A B反应速度与压力的关系在一般的锅炉燃烧过程中常可以忽略，因为燃烧室中的压力接近常压。对于增压燃烧锅炉及对在高原地区(低大气压)运行的锅炉，应考虑压力对燃烧的影响。5.1 燃烧及其基本原理13/60温度的影响温度对化学反应速度的影响很大。分子只有碰撞才能发生化学反应。但互相碰撞的分子不一定都能发生反应，只有通过碰撞使分子获得到足够的能量，破坏原来的分子结构发生化学反应。这个能量称为活化能E。因此活化能可被看做是一种“阈能”，表示一个化学反应发生所需要的最小能量，单位是千焦每摩尔（kJ/mol）。5.1 燃烧及其基本原理14/60温度的影响温度越高，分子的热运动越剧烈，分子所具有的能量就越大，通过碰撞能够发生化学反应的分子越多，化学反应也就进行得越迅速、剧烈。分子间碰撞使分子达到活化态并发生化学反应的比例与exp(-E/RT)成正比，其中R为通用气体常数，T为温度。活化能愈高，阈能愈高，比例愈低；温度愈高，比例愈高5.1 燃烧及其基本原理15/60其中温度的影响因此，化学反应的反应速度可用下式表示：阿累尼乌斯(Arrhenius)定律：w

=

kCaCb =

k0exp(−E/RT)CbCbA B A Bk=

k0exp(−E/RT)k0为频率因子温度对反应速度的影响体现在反应速度系数k上。化学反应速度随温度呈指数增加！主要内容燃烧及其基本原理着火和点火煤、焦炭和煤粉的燃烧液体及气体燃料的燃烧燃烧完全的条件燃烧质量的评价16/605.2 着火和点火17/601.

基本理论可燃混合物燃烧过程的发生与停止，即着火与灭火。燃烧能否发生且稳定的进行，首先取决于燃烧的着火。燃烧过程中同时存在着燃烧放热Q1

和系统的散热Q2

，根据它们的相对量，燃烧过程可能处于不同的状态。5.2 着火和点火18/60在低温情况下，燃料的氧化反应极其缓慢，反应放热与系统散热相等(Q1

=

Q2)，系统稳定维持在较低的温度下，这一反应过程称为稳定的氧化反应过程。随着温度的升高，燃料的氧化反应速度增加，反应放热和散热也随之增加，如果反应放热增加幅度较大，反应放热将大于系统散热(Q1

>

Q2)

，系统温度将进一步升高，导致燃料氧化反应速度的迅速增加。这一反应过程称为不稳定的氧化反应过程。由稳定的氧化反应转变为不稳定的氧化反应从而引起燃烧的过程，称为着火。5.2 着火和点火19/60着火机理：热力着火(加热>散热)可燃混合物由于自身的氧化反应放热或者由于外部热源的加热，使得温度不断升高，导致氧化反应加快，从而聚积更多的热量，最终导致着火。链式着火(活化中心的产生>消耗)可燃物反应过程中会产生反应活性极强的中间产物，称为活化中心(自由基)，主要通过链式反应产生。如果活化中心的产生速度大于其消耗速度，其浓度的增加将会导致反应速度的迅速增加和着火的发生。5.2 着火和点火20/60两类着火方式：自燃(无外来热源)缓慢氧化反应基础上，不断积聚热量和活性粒子，温度不断升高，反应速度不断加快，一旦反应生成热量的速率超过散热速率而且不可逆转时，整个容积的可燃混合物就会同时着火，这一过程称为自燃着火。5.2 着火和点火21/60点燃(通过外来热源)在冷的可燃混合物中，用一个不大的点热源，使可燃混合物局部升温并着火燃烧，然后将火焰传播到整个可燃混合物中去，这一过程称为点燃，或称为被迫着火，或称为强制点火，或简称点火。实际的燃烧组织中，一般都是在开始阶段靠点火使可燃混合物着火燃烧。在燃料着火燃烧后，燃料的燃烧放热可作为后续燃料的点火热源，使燃料的着火及燃烧持续进行下去。可燃混合物的着火不仅与燃料的物理化学性质有关(如活化能等)，而且还与系统中的热力条件有关(如系统的散热条件)。5.2 着火和点火22/60着火温度表示可燃混合物系统化学反应可以自动加速而达到自燃着火的最低温度。着火温度不是可燃物质化学常数或物理常数，但对各种物质的着火温度进行实验测定，并将所测定的着火温度数值作为可燃物质的燃烧和爆炸性能的参考性指标。各种可燃物质的着火温度(常压下在空气中燃烧)物质名称着火温度，℃物质名称着火温度，℃氢(H2)510～590高炉煤气530一氧化碳(CO)610～658发生炉煤气530甲烷(CH4)537～750焦炉煤气500乙烷(C2H6)510～630天然气530乙烯(C2H4)540～547汽 油390～685乙炔(C2H2)335～480煤 油250～6095.2 着火和点火在相同的测试条件下，不同燃料的着火、熄火温度不同，而对同一种燃料而言，不同的测试条件也会得出不同的着火温度。对煤，

反应能力愈强(挥发分含量愈高)的煤，其着火温度越低，越容易着火，也越容易燃尽；反之，

反应能力愈低(挥发分含量愈低)的煤，例如无烟煤，其着火温度越高，越难于着火和燃尽。煤挥发分含量与着火温度的关系23/605.2 着火和点火2.

煤粉气流的着火煤粉燃烧过程的着火主要是通过热力着火。煤粉空气混合物经燃烧器以射流方式被喷入炉膛后，通过湍流扩散和回流，卷吸周围的高温烟气，同时受到炉膛四壁及高温火焰的辐射，被迅速加热，当达到一定温度后就开始着火。煤粉气流着火后就开始燃烧，形成火炬，着火以前是吸热阶段，需要吸收一定的热量来提高煤粉气流的温度，着火以后才是放热过程。24/605.2 着火和点火25/60将煤粉气流加热到着火温度所需的热量称为着火热。它包括加热煤粉及空气(一次风)，并使煤粉中水分蒸发、过热所需要的热量。煤粉射流着火热主要有两个来源：煤粉气流卷吸回来的高温回流烟气，这部分热烟气和新喷入的煤粉空气强烈混合，将热量以对流方式迅速传递给新燃料；高温火焰对煤粉气流的辐射加热。5.2 着火和点火26/60煤与煤粉气流的着火温度：煤的着火温度煤 种无 烟 煤烟 煤褐 煤着火温度(℃)700~800400~500250~450煤粉气流中煤粉颗粒的着火温度煤 种无 烟 煤贫煤(Vdaf

=14%)烟 煤褐 煤着火温度(℃)1000900650~840550问题1：为什么煤粉气流中煤粉颗粒的着火温度要比煤的着火温度高一些？

(提示：气流对煤粉颗粒的对流冷却作用)问题2：为什么无烟煤和无烟煤粉气流的着火温度要比其它煤种高？(提示：挥发分含量的影响)5.2 着火和点火27/60煤粉气流的着火位置：希望煤粉气流能在燃烧器喷口附近合适的位置稳定着火。着火过早，可能使燃烧器喷口因过热而被烧坏，也易使喷口附近结渣；着火太迟，就会推迟整个燃烧过程，致使煤粉来不及烧完就离开炉膛，增大机械不完全燃烧损失q4；着火推迟还会使火焰中心上移，造成炉膛出口处的对流受热面结渣。5.2 着火和点火28/60影响煤粉气流着火的主要因素燃料的性质炉内散热条件煤粉气流的初温一次风量和一次风速燃烧器结构特性锅炉负荷5.2 着火和点火29/60a.

燃料性质的影响挥发分含量Vdaf：对着火过程影响最大。挥发分Vdaf降低，煤粉气流着火温度显著提高，所需着火热也随之增大，着火更加困难。水分含量：水分的加热、汽化、过热都需吸收热量。因此，燃料水分含量增大，着火热也随之增大；同时，炉内温度水平降低，使煤粉气流卷吸的烟气温度及火焰对煤粉气流的辐射热也相应降低（煤粉着火热的来源），不利于着火。灰分含量：灰分不但不能燃烧放热，而且还要吸热，因此灰分含量增加，不利于着火。5.2 着火和点火30/60煤粉细度：煤粉越细，比表面积越大，加热升温越快，进行燃烧反应（异相反应）的表面积也越大，煤粉气流越易着火。因此，对于无烟煤或贫煤等低挥发分煤，煤粉通常磨得更细一些，以强化着火。5.2 着火和点火b.炉内散热条件的影响由之前的例子可知：如果放热曲线不变，减少炉内散热，有利于着火。实践中，为加快和稳定低挥发分煤(如无烟煤)的着火，常在燃烧室内壁(水冷壁)敷设隔热材料，构成所谓“卫燃带”。其目的是减少水冷壁吸热量，也就是减少燃烧过程的“散热”，以提高燃烧室内的温度水平，从而改善煤粉气流的着火条件。敷设隔热材料的炉墙温度分布31/605.2 着火和点火32/60c.

煤粉气流初温的影响如果提高煤粉气流初温，所需着火热随之减少，有利于煤粉气流着火。对于无烟煤或贫煤等低挥发分煤，煤粉通常磨得更细一些，以强化着火。5.2 着火和点火33/60d.

一次风量和一次风速的影响为将煤粉射流流更快地加热到煤粉颗粒的着火温度，一般只用一部分煤粉燃烧所需的空气与煤粉混合来输送煤粉，这部分空气称为一次风，其余的空气称为二次风和三次风。一次风量降低，所需加热的煤粉射流总质量减少，着火热减少，有利于着火。但一次风量需满足输送煤粉的要求，不能过低，否则会造成煤粉堵塞。因此，对应于一种煤，有一个最佳的一次风量。一次风速(煤粉射流速度)对着火过程也会有一定影响。若一次风速过高，不利于煤粉射流的加热和着火。但一次风速过低时，着火距离过近，会引起燃烧器喷口烧蚀以及煤粉管道堵塞等故障。故有一个最适宜的一次风速，它与煤种及燃烧器型式有关。5.2 着火和点火34/60e.

燃烧器结构特性一次风煤粉射流与二次风射流通过燃烧器进入炉膛。燃烧器结构对一次风与二次风的风速、一二次风之间的混合、以及燃烧器喷口附近及炉内的流场形态起着决定性的作用。提供合理的一次风速分布，以及与回流高温烟气的接触与混合，使煤粉射流的着火发生在距离燃烧器喷口适当的距离内。提供合理的二次风速分布，合理地组织燃烧器喷口附近的回流流场和燃烧器射流对高温烟气的卷吸，为煤粉射流的着火提供足够的着火热。合理地控制一、二次风的混合。若一、二次风混合过早，在煤粉着火前就混合，就相当于增大了一次风量，不利于着火。5.2 着火和点火一次风预热空气预热空气燃尽风燃烧器四角切圆锅炉风道系统一次风煤粉喷口下二次风喷口中间二次风喷口35/60一次风煤粉喷口中间二次风喷口一次风煤粉喷口一次风煤粉喷口中间二次风喷口上二次风喷口5.2 着火和点火B&W

DRB-4Z旋流燃烧器示意图一次风和二次风分别用不同的管道与燃烧器连接。一、二次风在燃烧器内的通道也是隔开的。一次风粉入口二次风入口36/605.2 着火和点火37/60f.锅炉负荷的影响锅炉负荷降低，入炉燃料相应减少，虽然炉膛水冷壁总吸热量也减少，但幅度较小，相对于每千克燃料水冷壁的吸热量反而增加。因此，炉膛平均温度水平下降，因而对煤粉气流的着火是不利的。当锅炉负荷下降到一定程度是，就会危及着火的稳定性，甚至可能熄火。所以着火稳定性常限制煤粉锅炉负荷的调节范围。5.1 燃烧及其基本原理5.2 着火和点火5.3 煤、焦炭和煤粉的燃烧5.4 液体及气体燃料的燃烧5.5 燃烧完全的条件5.6 燃烧质量的评价5.3 煤、焦炭和煤粉的燃烧38/605.3 煤、焦炭和煤粉的燃烧1.

煤燃烧过程的四个阶段预热干燥阶段。煤受热升温后，煤中水分蒸发出来。挥发分析出并着火阶段。在加热条件下煤粉颗粒中的高分子碳氢化合物会发生分解，析出挥发分，并马上着火。煤粒挥发分析出后成为焦炭，主要由碳和灰分组成。燃烧阶段。包括挥发分和焦炭的燃烧。燃尽阶段。残余焦炭的最后燃尽，成为灰渣。煤粉加热蒸发挥发份释放形成焦炭挥发份燃烧焦碳燃烧空气煤粉烟气灰渣39/605.3 煤、焦炭和煤粉的燃烧煤粉粒子的温升速度可达~104

ºC/s煤燃烧过程的四个阶段实际燃烧过程中，煤粉燃烧的各个阶段是交错进行的，但煤粒的加热、水分的蒸发及挥发分析出的时间

~O(0.1s)焦炭颗粒燃烧的时间

~

O(1s)因此，一般可以将煤粉燃烧的几个阶段近似处理为一个串联过程，即水分蒸发挥发分析出挥发分及焦炭燃烧40/605.3 煤、焦炭和煤粉的燃烧2.

焦炭的燃烧过程挥发分燃烧：均相燃烧煤粉燃烧焦炭燃烧：异相燃烧煤粉颗粒水分蒸发和挥发分析出后形成的焦炭颗粒的燃烧反应是异相反应，相对于挥发分的燃烧，焦炭的着火、燃烧和燃尽都比较困难。焦炭的燃烧过程占煤粒燃烧总时间的大部分，它的燃尽对燃料的充分利用与锅炉的热效率起着重要的作用。41/605.3 煤、焦炭和煤粉的燃烧焦炭颗粒的微观结构200

m200

m30

m30

m42/60挥发分的析出与燃烧使焦炭颗粒的温度迅速提高，为其着火和燃烧创造了极为有利的条件。挥发分的存在有利于焦炭颗粒的燃烧。煤粉颗粒水分蒸发和挥发分析出后形成的焦炭颗粒是“多孔介质”结构

，焦炭颗粒的内部孔隙面积远大于外部表面积，有利于提高焦炭的燃烧速度。5.3 煤、焦炭和煤粉的燃烧43/60焦炭的燃烧是异相反应，需空气中的O2或其它参与反应的气相分子输运到焦炭颗粒的表面，与焦炭中的碳原子(C)发生反应。其具体的过程由几个连续的阶段组成：参与燃烧反应的气体分子(O2)向炭粒表面的转移与扩散；气体分子(O2)被吸附在炭粒表面上；被吸附的气体分子(O2)在炭表面上发生化学反应生成燃烧产物；燃烧产物从炭表面上解吸附；燃烧产物离开炭表面，扩散到周围环境中。5.3 煤、焦炭和煤粉的燃烧44/60燃烧反应的这五个阶段是连续进行的，任何一个环节都会影响全局。反应过程中最慢的那个阶段，决定了燃烧反应的速度。其中，吸附阶段(2)和解吸附阶段(4)进行得最快，燃烧产物离开炭表面、扩散出去的阶段(5)也较快，比较慢而最主要的是氧向炭粒表面的转移扩散阶段(1)和氧在炭粒表面发生化学反应的阶段(3)这两个阶段。因此，焦炭颗粒的多相燃烧速度既决定于氧向炭粒表面的扩散速度，也决定于氧与炭粒的化学反应速度，而且最终决定于其中速度最慢的一个。5.3 煤、焦炭和煤粉的燃烧45/60异相燃烧反应的燃烧区域不同燃烧条件下，氧向炭粒表面的扩散与氧与炭粒的化学反应具有不同的相对速度，据此可以将多相燃烧分成三种燃烧区域（工况），即：动力燃烧区域扩散燃烧区域过渡燃烧区域5.3 煤、焦炭和煤粉的燃烧46/60动力燃烧区域：当燃烧反应的温度不高时，化学反应速度不快，化学反应中氧的消耗速度远低于氧的供应速度，亦即扩散能力远大于化学反应能力。这时燃烧工况所处区域称为动力燃烧区域。扩散燃烧区域：在高温条件下，化学反应能力远大于扩散能力，这时的燃烧区域称为扩散燃烧区域。过渡燃烧区域：在动力燃烧与扩散燃烧区域之间还有一个过渡燃烧区域，在过渡燃烧区域内，氧的扩散速度和炭粒的化学反应速度较为接近5.3 煤、焦炭和煤粉的燃烧47/60处于不同燃烧区域的焦炭颗粒，影响其燃烧速度的限制因素不同，可据此提出针对性的改进措施：在动力燃烧区域，影响焦炭燃烧速度的限制因素是温度，提升温度是强化燃烧反应的有效措施。在扩散燃烧区域，影响焦炭燃烧速度的限制因素是炭粒表面的氧浓度，就必须加强炭粒与氧的混合。在过渡燃烧区域，焦炭的燃烧速度将同时取决于化学反应速度和扩散速度，两者的作用都不能忽略。要强化这个区域的燃烧，提高温度和强化炭粒与氧的扰动混合，同样都是重要的措施。5.1 燃烧及其基本原理5.2 着火和点火5.3 煤、焦炭和煤粉的燃烧5.4 液体及气体燃料的燃烧5.5 燃烧完全的条件5.6 燃烧质量的评价5.4 液体及气体燃料的燃烧48/601.液体燃料的燃烧液体燃料燃烧方式可分为两类：预蒸发型、喷雾型。预蒸发型：使燃料在进入燃烧室间之前先蒸发为蒸气，然后以不同比例与空气混合后进入燃烧室中燃烧。例如，汽油机装有汽化器，燃气轮机的燃烧室装有蒸发管等。这种燃烧方式与均相气体燃料的燃烧原理相同。喷雾型：将液体燃料通过喷雾器雾化成一股由微小液滴组成的雾化锥气流。在雾化的液滴周围存在空气，当雾化锥气流在燃烧室被加热，液滴边蒸发、边混合、边燃烧。由于液滴的沸点比着火温度低，故不会直接在液滴表面形成燃烧的火焰，而是燃料蒸气离开液滴表面扩散并与空气混合燃烧。49/605.4 液体及气体燃料的燃烧锅炉中的燃烧一般都采用喷雾型燃烧方式。为了使燃料蒸气尽快着火和燃烧，必须使燃料蒸气与空气迅速混合。为了使喷嘴出口的雾化气流易于着火，还常应用旋转气流以便在中心形成回流区，使高温热烟气回流至火焰根部加热雾化气流，使之着火、燃烧。燃油喷雾燃油喷嘴50/605.4 液体及气体燃料的燃烧2.

气体燃料的燃烧（1）

燃烧方法燃气的燃烧速度和燃烧的完全程度主要取决于燃气与空气的混合。按照燃气和空气是否在着火前进行预混合，可将燃气的燃烧方法分为：扩散式(非预混)燃烧、预混燃烧和部分预混燃烧