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第4章燃烧理论基础资料
第四章 燃烧过程理论基础 * * 化学反应速度及其影响因素 固体燃料的燃烧理论 煤和焦炭的燃烧 煤粉气流的着火与燃烧 化学反应速度及其影响因素 燃烧是一种发光发热的剧烈化学反应,燃烧速度可以用化学反应速率来表示。 均相燃烧:燃料和氧化剂物态相同,如气体燃料在 空气中燃烧。 多相燃烧:燃料和氧化剂物态不同,如固体燃料在 空气中燃烧。 但无论哪种燃烧,都可以用如下的反应方程式表示: 燃料 燃烧产物 氧化剂 1. 质量作用定律:反映浓度对反应速度的影响。 反应速度:在反应系统单位体积中物质浓度的变化率,一般可用烧掉的燃料量或消耗掉的氧量来表示。单位是mol /(m3·s)。 质量作用定律:对于均相反应,在一定温度下,化学反应速度与参加反应的各反应物浓度幂的乘积成正比,各反应物浓度幂的指数等于化学反应式中相应的反应系数。 注意:上式适用于均相反应,并假定参与反应的气体为理想气体。 多相燃烧反应速度:对于固体燃料在空气中燃烧这一类多相燃烧,可认为燃烧反应发生在燃料的表面,固体燃料的浓度是不变的。反应速度只取决于燃料表面处氧浓度。 上式说明:对于煤粉燃烧,在相同的反应条件(如温度)下,提高燃料附近氧浓度,增大反应物比表面积,都能提高化学反应速度,缩短燃料燃尽时间。 化学反应平衡:正逆反应速率相等。 平衡常数:化学反应平衡时正逆反应速度常数之比。 2. 阿累尼乌斯定律: 反映温度和燃料性质对反应速度的影响。 活化能E:表征燃料的反应能力。能够破坏原有化学键并建立新化学键所必须消耗的能量,具有活化能的分子为活化分子。活化能 E与反应物种类有关,一般Vdaf含量小的煤活化能大,越不容易着火燃烧。 放热反应 吸热反应 3. 燃料化学反应速度的影响因素: 固体燃料多相燃烧反应速度: ①反应物浓度:根据质量作用定律,增加反应物氧的浓度,可以提高化学反应速度。但实际中,还要结合燃料燃烧时的特性综合考虑。比如:着火区的可燃物浓度比较高,氧浓度不可过高,这是为了维持着火区的高温状态,使燃料尽快着火。但如果过分缺氧,又会熄火。因此在着火区控制燃料与空气的合理比例,是实现燃料尽快着火和稳定燃烧的重要条件。 ②活化能E:根据阿累尼乌斯定律,在一定温度下,活化能 E越小,则反应速度常数 k值越大,反应速率越大,即燃料的反应能力越强,即使在较低的温度下容易着火和燃尽。而活化能大的燃料,不但着火困难,而且要在较高温度和较长时间下才能燃尽。燃料的活化能是决定燃烧反应速度的内因。一般活化能E与煤种有关。一般Vdaf含量小的煤活化能大。 ③温度T:在一定的活化能 E下,温度越高,则反应速度常数k值越大,反应速率越大。这是因为随反应温度升高,分子的平均动能增大,活化分子数目增加,有效碰撞频率提高,反应速度加快。 ④压力:当反应温度一定时,在反应系统容积不变的条件下,提高反应系统的压力,相当于提高反应物浓度,从而提高化学反应速度。因此,理论上可以采用正压燃烧锅炉来强化燃烧,但由于燃烧系统的密封问题解决不好,所以正压锅炉的使用并不普遍。 ⑤催化反应:在反应系统中加入少量催化剂可以大大提高反应速度,因为催化剂可以改变反应途径,降低反应所需活化能,极大提高反应速度。催化剂只能改变反应时间,不能改变反应程度。 ⑥连锁反应:可以使化学反应自动连续加速进行。反应机理是活化中心的繁殖。其过程包括:链的形成、链的分支、链的终止。 固体燃料的燃烧理论 不同锅炉中,煤的燃烧方式有多种,不论是哪种燃烧方式,都是固体煤与气体之间的多相燃烧,反应都是在固相表面进行的(不考虑多孔性)。 1. 多相燃烧反应过程: (1)氧分子扩散到反应表面。 (2)氧分子被燃料表面吸附。 (3)燃料表面进行燃烧反应。 (4)燃烧产物由燃料表面解吸附。 (5)燃烧产物扩散到环境。 2、4、5较快 1、3较慢(瓶颈) 速度: 13:动力燃烧区 13:扩散燃烧区 2. 多相燃烧化学反应速度和燃烧区: 以碳粒为例,燃烧反应速度常数kap取决于碳粒表面的化学反应速度常数k和氧的扩散速度常数αd。 根据αd和k的相对大小,可进行燃烧区域的划分。 动力区 扩散区 ①动力燃烧区(低温): 定义:反应温度低于900~1000℃时, 化学反应速度很低,燃烧所需氧量较少,氧气供应很充足,提高氧扩散速度对燃烧影响不大,燃烧速度主要受制于燃烧反应动力因素(反应温度 和碳的活化能),此时燃烧处于动力燃烧区。 强化燃烧的措施:提高反应系统温度。 动力区 扩散区 ②扩散燃烧区(高温): 定义:反应温度高于1400℃时, 化学反应速度很高,以至于扩散到碳粒表面的氧立刻被消耗掉,提高温度对燃烧影响不大,燃烧速度主要受制于氧气向碳粒表面的扩散速度,此时燃烧处于扩散燃烧区。 强化燃烧的措施:增强空气扰动,采用
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