燃烧理论.docx

7.燃烧的化学反应原理7.1 质量作用定律燃烧是一种发光发热的化学反应。燃烧速度可以用化学反应速度来表示。在等温条件下，化学反应速度可用质量作用定律表示。即反应速度一般可用单位时间,单位体积内烧掉燃料量或消耗掉的氧量来表示。可用下面的式子表示炉内的燃烧反应:aA+bB=gG+hH（燃料）（氧化剂）（燃烧产物）化学反应速度可用正向反应速度表示，也可用逆向反应速度来表示。即（1）质量作用定律的意义.dgdtdCGdtdt dCll dt质量作用定律说明了参加反应物质的浓度对化学反应速度的影响。其意义是：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的浓度乘积成正比，而各反应物浓度的方次等于化学反应式中相应的反应系数。因此，反应速度乂可以表示为:%=-Zqa式中CA,C B-反应物A,B的浓度a,b-化学反应式中，反应物A,B的反应系数;kA,kB反应速度常数。（2）多相燃烧的化学反应速度对于多相反应，如煤粉燃烧，燃烧反应是在固体表面上进行的，固体燃料的浓度不变,即CA=1。反应速度只取决于燃料表面附近氧化剂的浓度。用下式表示:WvvB式中CB-固体燃料表面附近氟的浓度上式说明，在一定温度下，提高固体燃料附近氧的浓度，就能提高化学反应速度。反应速度越高，燃料所需的燃尽时间就越短。上述关系只反映了化学反应速度与参加反应物浓度的关系。事实上,反应速度不仅与反应物浓度有关,更重要的是与参加反应的物质本身有关，具体地说，与煤或其它燃料的性质有关。化学反应速度与燃料性质及温度的关系可用阿累尼乌斯定律表示。7.2 阿累尼乌斯定律在实际燃烧过程中,由于燃料与氧化物（空气）是按一定比例连续供给的,当混合十分均匀时,可以认为燃烧反应是在反应物质浓度不变的条件下进行的.这时,化学反应速度与燃料性质及温度的关系为：式中，kO-相当于单位浓度中，反应物质分子间的碰撞频率及有效碰撞次数的系数E-反应活化能；R通用气体常数；T反应温度：k反应速度常数（浓度不变）。阿累尼乌斯定律说明了燃料本身的“活性”与反应温度对化学反应速度的影响的关系。什么是燃料的“活性”呢？可以简单地理解为燃料着火与燃尽的难易程度。例如，气体燃料比固体燃料容易着火，也容易燃尽。而不同的固体燃料，“活性”也不同，烟煤比无烟煤容易着火，也容易燃尽。因此，燃料的“活性”也表现为燃料燃烧时的反应能力。燃料的“活性”程度可用“活化能”来表示。7.3影响化学反应速度的因素质量作用定律和阿累尼乌斯定律指出了影响燃烧反应速度的主要因素是反应物的浓度.活化能和反应温度。7.3.1反应物浓度的影响虽然认为实际燃烧过程中，参加反应物质的浓度是不变的，但实际上，在炉内各处.在燃烧反应的各个阶段中，参加反应的物质的浓度变化很大。在燃料着火区，可燃物浓度比较高，而氧浓度比较低。这主要是为了维持着火区的高温状态,使燃料进入炉内后尽快着火。但着火区如果过分缺氧则着火就会终止,甚至引起爆炸。因此在着火区控制燃料与空气的比例达到一个恰到好处的状态,是实现燃料尽快着火和连续着火的重要条件。反应物浓度对燃烧速度的影响关系比较复杂,将在后面的内容中加以分析。7.3.2活化能对燃烧速度的影响（1）活化能概念燃料的活化能表示燃料的反应能力。活化能的概念是根据分子运动理论提出的，由于燃料的多数反应都是双分子反应，双分子反应的首要条件是两种分子必须相互接触，相互碰撞。分子间彼此碰撞机会和碰撞次数很多，但并不是每一个分子的每一次碰撞都能起到作用。如果每一个分子的每一次碰撞都能起到作用，那么即使在低温条件下，燃烧反应也将在瞬时完成。然而燃烧反应并非如此，而是以有限的速度进行。所以提出只有活化分子的碰撞才有作用。这种活化分子是一些能量较大的分子。这些能量较大的分子碰撞所具有的能量足以破坏原有化学键，并建立新的化学键。但这些具有高水平能量的分子是极少数的。要使具有平均能量的分子的碰撞也起作用，必须使他们转变为活化分子，这一转变所需的最低能量称为活化能，用E表示。所以活化分子的能量比平均能量要大，而活化能的作用是使活化分子的数目增加。表示出活化能的意义。图7-1可见，要使反应物由A变成燃烧产物G,参加反应的分子必须首先吸收活化能E1,使活化分子数目增多，达到活化状态，数目较多的分子产生有效碰撞，发生反应而生成燃烧产物，并放出比El（活化能）更多的能量Ez,AE为燃烧反应在一定温度下，某一种燃料的活化能越小，这种燃料的反应能力就越强，而且反应速度随温度变化的可能性就减小，即使在较低的温度下也容易着火和燃尽。活化能愈大的燃料，其反应能力愈差，反应速度随温度的变化也愈大，即在较高的温度下才能达到较大的反应速度，这种燃料不仅着火困难，而且需要在较高的温度下经过较长的时间才能燃尽。燃料的活化能水平是决定燃烧反应速度的内因条件。一般化学反应的活化能大约在42420kJmol,活化能小于42kJmol的反应，反应速度极快，以至难于测定。活化能大于420kJmol的反应，反应速度缓慢，可认为不发生反应。燃煤的活化能及频率因子可在沉降炉中测定，表7-1是国内四种典型煤种的测定结果。不同的测试仪器所测量的数据差别较大，因此，只有同一仪器测量的数据才具有可比性，见表7-1。煤种Vdaf频率因子活化能%g/(cm2,s.MPa)KJ/mol无烟煤5.1596.8385.212贫煤15.1812.6155.098烟煤33.407.8945.452烟煤41.025.3138.911表格7-17.3.3温度对燃烧速度的影响温度对化学反应的影响十分显著。随着反应温度的升高，分子运动的平均动能增加，活化分子的数目大大增加，有效碰撞频率和次数增多，因而反应速度加快。对于活化能愈大的燃料，提高反应系统的温度，就能愈加显著地提高反应速度。7.4热力着火理论7.4.1热力着火理论的实用性煤粉燃烧过程的着火主要是热力着火，热力着火过程是由于温度不断升高而引起的。因为煤粉燃烧速度很快，燃烧时放出的大量热量使炉膛温度升高，而炉温升高促使燃烧速度加快；反应放热增加，又使炉温进一步提高。这样相互作用、反复影响，达到一定温度时，就会发生着火。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。只有稳定着火，才能保证燃烧过程持续稳定的进行，否则就可能中途熄火，使燃烧过程中断。在炉膛四周布置的水冷壁直接吸收火焰的辐射热，因而燃料燃烧时放出的热量，同时向周围介质和炉膛壁面散热。这时，要使可燃物着火并连续着火，必须使可燃物升温。7.4.2实现稳定着火的两个条件：（1）放热量和散热量达到平衡，放热量等于散热量。Qy=Qi(2)放热速度大于散热速度dQ、.”RdT，dT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。7. 4.3热力着火过程的特性曲线燃烧室内可燃混合物燃烧放热量为：E.=ZLQV2向周围环境散失的热量为:Q2=S(T-Tb)C2煤粉反应表面氧浓度；N燃烧反应中氧的反应系数；V可燃混合物的容积；Qi燃烧反应热：T燃烧反应物温度；Tb燃烧室壁面温度；-混合物向燃烧室壁面的放热系数;S-燃烧室壁面面积。图7-2如图7-2热力着火过程曲线点1：缓慢氧化状态点2：着火点，点3：高温燃烧状态点4：熄火点，点5：氧化状态熄火温度TXh总是比着火温度TZh高。着火温度和熄火温度并不是常数，它们随放热条件而变。7. 4.4锅炉运行中的热力着火分析放热速度与散热速度是相互作用的。在实际炉膛内，当燃烧处于高负荷状态时，由于燃煤量增加，燃烧放热量比较大，而散热量变化不大，因此使炉内维持高温状态。在高负荷运行时，容易稳定着火。当燃烧处于低负荷运行时，由于燃煤量减少，燃烧放热量随之减小，这时相对于单位放热量的散热条件却大为增加，散热速度加快，因此炉内火焰温度与水冷壁表面温度下降，使燃烧反应速度降低，因而放热速度也就变慢，进一步使炉内处于低温状态。在低负荷运行状态下，稳定着火比较困难，因必需要投入助燃油等燃料来稳定着火燃烧。对于低反应能力的无烟煤和劣质烟煤，不但着火困难，而且难于稳燃，因而容易熄火“打炮”。从以上分析，可得到提示：(1)着火和燃烧温度与水冷壁面积、进入炉内的新气流初温度相关。(2)在炉内可自动到达稳定着火状态，如果点火区的温度与燃料的活性不相适应，就需投入助燃油或采用强化着火的措施。7. 5火焰的传播8. 5.1火焰传播理论的实用性燃料燃烧过程中，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。了解火焰传播的知识，有助于掌握燃烧过程的调整要领，对稳定着火非常有用。9. 5.2层流火焰传播在静止的可燃气体混合物中，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，火焰一层一层的依次着火。火焰传播速度一般为20100cnso10. 5.3湍流火焰传播湍流火焰传播速度加快，一般为200cms以上。火焰短，燃烧室尺寸紧凑，湍流火焰易产生噪声。11. 5.4火焰传播形式<1）正常的火焰传播（缓慢燃烧）正常的火焰传播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,这种现象就称为火焰传播。正常的火焰传播过程中，火焰传播速度比较缓慢，约为l3ms,燃烧室内压力保持不变。炉内煤粉气流正常燃烧的火焰传播就属于正常的火焰传播。（2）反应速度失去控制的高速爆炸性燃烧炉膛内火焰传播为湍流火焰，火焰传播速度很快。出现爆炸性燃烧时，火焰传播速度极快，达100O-3000ms,温度极高，达6000；压力极大，达202650OPa（20.67）大气压）。爆燃是由于可燃物以极高的速度反应，以至于反应放热来不及散失，因而使温度迅速升高，压力急剧增大。而压力的急剧增大是由于高温烟气的比容比未燃烧的可燃混合物的比容大得多，高温烟气膨胀产生的压力波，使未燃混合物绝热压缩，火焰传播速度迅速提高，以致产生爆炸性燃烧。（3）正常燃烧向爆炸性燃烧的转变当火焰正常燃烧时，有时会发生响声。此时，如果缩热压缩很弱，不会引起爆炸性燃烧。但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。7.5.5不同燃料的火焰传播速度可燃混合物着火时的火焰传播速度即为着火速度。对于不同的燃料，火焰传播速度的差异很大。气体燃料和液体燃料的火焰传播速度远远大于煤粉气流的火焰传播速度。就煤粉气流本身而言，火焰传播速度的差别也很大。例如，燃用烟煤时的火焰传播速度比贫煤、无烟煤的火焰传播速度要大。因此，烟煤着火后，燃烧比较稳定。7.5.6煤粉气流火焰传播速度的影响因素煤粉气流的火焰传播速度受多种因素的影响，其首先决定于燃料中可燃挥发分含量的大小，其次还与水分、灰分、煤粉细度、煤粉浓度和煤粉气流混合物的初温及燃烧温度有关。一般情况下，挥发分大的煤，火焰传播速度快；灰分大的煤火焰传播速度小；水分增大时，火焰传播速度降低。提高煤粉细度时,挥发分析出快,并增加了燃料的反应面积,火焰传播速度可显著提高。提高炉膛温度时，火焰面向周围环境的散热减少，反应速度加快，因而提高了火焰传播速度。锅炉在高负荷运行时，炉膛环境温度较高，容易稳定燃烧；锅炉在低负荷运行时.，燃烧放热量减少，冷却散热条件增强，需要加强稳燃措施或增加易燃的液体或气体燃料，来帮助煤粉气流稳定燃烧，其实质是提高火焰传播速度。7.6链锁反应气体燃料的燃烧反应速度很高，而且在温度极低（如T-OK时）的场合下，反应仍可以很高的速度进行。这种反应并不是按化学反应方程式那样一步完成的，也并不需要给反应物质施加能量，使活化分子的数目增多。在气体燃料燃烧反应过程中，可以自动产生一系列活化中心，这些活化中心不断繁殖，使反应进行一系列中间过程，整个燃烧反应就象链一样一节一节传递下去，故称这种反应为链锁反应。链锁反应是一种高速反应。例如当温度超过500时，氢的燃烧就变为爆炸反应。氢的链锁反应过程：氢分子H吸收了极少的活化能，被质点M击活后，产生活化中心H同时产生游离基OH,便开始下列反应：H2÷M->2H+MH÷O2OH+O0+H2-*0H+H0h+h2-*h2o+h0h÷h2h2o+h总的反应平衡式为：H+3H2+O2-*3H+2H2O上式表明，一个氢分子与质点碰撞被击活而吸收活化能后，可以产生三个活化氢原子，而这三个活化氢原子在下一次反应过程中又可以产生九个活化氢原子，以此类推，。这是一种分支链锁反应，其反应速度极快。以至在瞬间即可完成。7.7煤粉的着火燃烧煤粉的燃烧过程可由下述过程粗略地描写：煤粉受热，水分析出一继续受热，绝大部分挥发分析出，挥发分首先着火一引燃焦碳，并继续析出残余的部分挥发分，挥发分与焦碳一道燃尽一形成灰渣。大部分挥发分着火，燃尽时间仅占整个燃烧过程的10%,约为0.20.5秒；而焦碳燃尽程度达到98%的过程所占的时间很长，约为90%,燃尽时间为12.8秒。从燃烧放热量来看，焦碳占煤粉总放热量的6095%。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。根据实际经验，一般着火时间长的燃料，所需的燃尽时间也相应地比较长。煤粉着火燃烧过程的细节十分复杂，只能说明几个阶段的主要特征。煤粉颗粒必须首先吸热升温，热源来自炉内130016(XC的高温烟气，通过对流、辐射、热传导方式使新鲜燃料受热升温。煤粉颗粒中水分首先析出，燃煤得到干燥，随着水分的蒸发，燃煤温度不断升高。对于不同煤种，大约在120-45(TC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。可燃挥发分气体的着火温度比较低，当氧气供应充足时，大约加热到450550C以上就可着火、燃烧，同时释放热量，加热焦碳。焦碳同时从挥发分燃烧的局部高温处和炉内高温烟气区吸收热量，温度升高，当达到焦碳的着火温度时，即着火燃烧，并放出大量热量。当焦碳大半烧掉之后，内部灰分将对燃尽过程产生影响。其原因是：焦碳粒中内部灰分均匀分布在可燃质中，在焦碳粒从外表面到中心一层一层地燃烧的过程中，外层的内在灰分裹在内层焦碳上，形成一层灰壳，甚至形成渣壳。从而阻碍氧向焦碳表面的扩散，使燃尽时间拖长。因此，灰分对燃尽过程的影响主要表现在内部灰分的作用上，而绝大部分单独存在的外部灰分对可燃层的燃尽不产生直接的妨碍作用。煤粉气流的着火温度也随煤粉细度而变化，煤粉越细，加热速度越快，越容易着火。这是因为煤粉越细，燃烧反应的表面积越大。所以在煤粉气流燃烧时，细煤粉首先着火。煤粉在炉内的燃烧情况更为复杂。因为煤粉颗粒有粗有细，挥发分析出时，所需的时间也长短不一。当细粒煤粉已进入焦碳燃烧过程，而粗粒煤粉还在析出挥发分。即细的煤粒已经烧完，粗的煤粒才刚刚开始燃烧。实验研究发现，煤粉在炉内的加热升温速度很快，升温速度为(0.5L0)*104/S,仅在0.10.2秒的时间内就能达到炉内燃烧时的温度水平1500C左右。在这种条件下，挥发分燃烧和焦碳燃烧这两个环节很难截然分开，在很大程度上可能是同时进行的。经验表明，可燃挥发分大的煤，还是比较容易着火和燃尽的，因为挥发分析出燃烧毕竟比焦碳的燃烧迅速得多，而且挥发分析出后可增大焦碳粒子与氧气接触的面积，提高焦碳粒子的反应活性。可燃挥发分仍对煤粉着火起着决定性的作用。煤的挥发分愈多，挥发分着火燃烧时释放的热量也愈多，这样焦碳得到充分加热并增加了与氧气接触的机会，因而燃烧的稳定性也愈高。7.8碳粒的燃烧(1)温度低于1200°C时碳粒表面的燃烧,如图7-3(2)温度高于1200°C时碳粒表面的燃烧，如图7-4图7-4(3)影响碳粒燃烧速度的主要因素1)碳粒表面上进行的化学反应速度2)氧向碳粒表面的扩散速度(4)碳粒燃烧的动力区、扩散区、过渡区1)动力区：温度低于900IOo(TC时，化学反应速度小于氧气向碳粒表面的扩散速度，氧气的供应十分充足，提高扩散速度对燃烧速度影响不大，燃烧速度取决于温度。2)扩散区:温度高于120(TC时，化学反应速度大于氧气向碳粒表面的扩散速度，以至于扩散到碳粒表面的氧气立刻被消耗掉，碳粒表面处的氟浓度接近于0,提高温度对燃烧速度影响不大,燃烧速度取决于氧气向碳粒表面的扩散速度。3）过渡区:介于动力区和扩散区之间，提高温度和提高扩散速度都可以提高燃烧速度。若扩散速度不变，只提高温度，燃烧过程向扩散区转化；若温度不变，只提高扩散速度，燃烧过程向动力区转化。（5）碳粒燃烧的动力区、扩散区、过渡区模型分析在碳粒表面上发生反应的氯量=扩散气流向表面输送的氧量，即可利用化学反应速度和气流的扩散速度表示燃烧速度：3=kC=ks（CoC）式中：k反应速度常数；Co、C一气流中和反应表面氧浓度；CO=Lr=y+k%Uks扩散速度系数，与气流的相对速度成正比，与粒子直径成反比。kz考虑了扩散和化学反应后，燃烧反应的总速度常数；当!-!-时，kzk,燃烧处于动力区；k即11当时，kzks,燃烧处于扩散区。6.燃油的燃烧研究6.1 燃油及其化学成分锅炉燃油主要是重油和渣油，其次是柴油。柴油又分为轻柴油和重柴油，轻柴油在发电厂中主要用于锅炉点火，重柴油有时也作为锅炉燃料。重油（也称为燃料油）是石油提炼出汽油、煤油、柴油、润滑油等产品后的剩余物，而渣油是进一步提炼后的剩余物，燃油是由不同成分的碳氢化合物组成的复杂混合物。从成分分析上看，它和煤一样，也是由碳、氢、硫、氯、氮、灰分、水分等组成。其特点是碳和氢的含量很高（碳的含量为84%-87%,氢的含量为12%-14%）,灰分和水分含量极少，所以发热量很高，燃油与煤相比较有以下优点：由于含氢量高，所以极易着火燃烧；灰分含量也极少，故不存在炉内结渣和磨损等问题。而且也不需要除渣、除尘设备；输送和运行调节也较方便。但应指出，由于含氢量高，燃烧后会生成大量的水蒸气，因此燃油中所含硫分和灰分使受热面腐蚀和积灰比较严重。此外，对燃油的管理必须注意防火。6.2 燃油的物理特性燃油的主要特性参数有粘度、凝固点、闪点、燃点、密度、发热量等，现分述如下：（1）粘度它是反映燃油流动性及雾化好坏的指标。粘度对油的输送和燃烧有很大的影响。粘度大、输送、装卸均较困难，而且不易雾化。为了便于输送和雾化，粘度应适当。油的粘度与温度有关，温度越高，越易雾化，温度越低，越不易雾化。为了便于输送和雾化，粘度应适当。油的粘度与温度有关，温度越高，粘度越小，一般重油在输送之前需要预热。（2）凝固点它指燃油失去流动性的温度。<3）闪点和燃点当燃油加热到某一温度时油面附近空气中的油气达到一定的浓度，如有明火接近，就能发出短暂的闪光（一闪即灭），此时的温度叫闪点。我国重油的闪点一般在80300°C之间。燃油达到闪点后，如对其继续加热，当温度升到某一数值后油将会着火燃烧。能使燃油持续燃烧（时间不少于5s）的最低温度称为燃点或着火点。油的燃点一般比它的闪点高2030C,其具体数值视燃油品种和性质而不同。燃油的闪点和燃点是安全防火的重要指标。为安全起见，锅炉在生产过程中，通常在敞开容器（如开式油槽、储油罐等）中加热燃油，油温至少应比闪点低IOC,在无空气的压力容器和输油管中可不受此限制，则可加热到满足粘度要求的温度，以保证燃油输送和雾化。（4）密度燃油的密度能在一定程度上反映油的物理特性和化学成分。密度大的燃油，其碳及杂质的含量较高，而氢的含量相对较小些，以至粘度较大，闪点较高、发热量较低。因此密度是检验和评价油的指标。6.3 燃油的燃烧油的燃烧与煤的燃烧有其相同的地方，如都是C、H、S与O化合的放热反应。但油的燃烧与煤的燃烧也有其不同的地方。6.3.1 油的燃烧特点（1）油是在气态下燃烧油是一种液体燃料，它的沸点要比着火点低，所以在油预热燃烧前，首先从液态变成气态，直接参加燃烧的是“油气”而不是液体。煤的燃烧，先是析出气态的挥发物（即挥发分）着火燃烧，这与油的燃烧有相似之处，即煤与油都是首先在气态下着火。往后煤与油的燃烧过程就不同了，前者是挥发分着火燃烧,放出热量，并加热固体焦炭，使其着火燃烧，而后者一直是由液体蒸发为气体，然后以“油气”的形式着火燃烧。（2）油的燃烧处于扩散燃烧范围前面谈到，油是在气态下燃烧的。这些由油蒸发，热分解出来的可燃气体，在较高炉温下，具有很快的化学反应速度，而氧的扩散混合速度相对较小，因而其燃烧速度取决于氯气对可燃气体的扩散情况，所以油的燃烧处于扩散区。在煤粉炉中，煤粉燃烧一直处于动力区或过渡区，要强化其燃烧，可依靠提高炉温和加强风、粉混合。而在燃油炉中，油的燃烧处于扩散区，要强化其燃烧，必须改善油的雾化质量和组织好油雾和空气的良好混合。6.3.2 油的燃烧过程及其阶段燃油经油雾化器喷入炉内后，并随之扩散开来，形成极细的雾化油滴，其直径约为100-300mo油滴在炉内吸热面逐渐蒸发成油气，蒸汽的油气与喷入炉中的空气混合成可燃混合物，并继续吸热，当温度升高达到油气混合物的燃点时，即开始着火燃烧。燃烧产生的热量，其中一部分由火焰传给油滴。使之不断蒸发，油气不断向外扩散，燃烧便连续下去。因此油雾火炬的燃烧过程可分为以下几个阶段：油的雾化、油滴蒸发和热分解、油气和空气混合成可燃混合物。可燃混合物的着火与燃烧。或者以着火面为分界，把油的燃烧过程简单地划分成两个阶段，即着火前的准备阶段和着火后的燃烧阶段。图6-1所示为油雾火炬的燃烧及烟气回流示意图，从图中可以看出油雾火炬两个阶段的划分情况。油雾火炬着火热量的来源与煤粉炉相同，是靠火焰的辐射热和高温烟气回流对油气空气混合物进行加热，其中烟气回流是主要的。6.3.3 油迅速而又完全燃烧的条件要使油迅速而又完全燃烧，必须从油的雾化与空气的强烈混合两个方面着手。（1）油的雾化油的雾化的目的是增加油的燃烧反应表面积,为迅速而完全燃烧创造条件。油的雾化（破碎）过程是用外力克服油本身内力（粘性力和表面张力）的过程。所以要把油雾化成很细的油滴，就要加大外力，减小油的粘性力和表面张力。良好的雾化质量应是油滴小而均匀，这样油的蒸发表面积大，蒸发速度快，可加快燃烧速度，缩短油滴燃尽所需的时间。（2）油雾与空气的混合燃油炉的炉膛内温度很高，而油的着火点乂较低，因而油在炉膛中的燃烧速度取决于油雾与空气的混合速度,混合速度的快慢乂主要取决于空气与油滴的相对速度以及气流的扰动程度，相对速度越高，扰动越强烈，混合情况就越好，燃烧就越迅速完全。所以采用合适的配风器，以足够高的速度将空气送入雾化火炬中，对于改善混合情况是有效的。油气是复杂的碳氢化合物，在较高的温度下，如果缺乏足够的氧气或与氧混合不良，就会裂解而生成大量的固体碳粒，称为碳黑。固体碳粒的燃烧要比气体燃烧困难。一旦产生出大量的碳黑。就会使烟囱冒出黑烟，这样既降低了锅炉热效率，又污染了大气。此外，碳黑及未燃尽油滴沉积在尾部受热面上，在一定条件下会引起二次燃烧，使受热面烧坏。因此，为了尽可能避免裂解，必须使油雾在着火前就和空气混合。即实现根部送风。6.3.4 强化油燃烧的一般措施（1）燃油入炉前应事先预热，油温提高后，有助于油的输送和雾化。一般炉前燃油的恩氏粘度最好为2d°Eo（2）必须提高油的雾化质量，使油滴细而均匀，这样既便于它的蒸发，又有利于和空气的充分混合。（3）根据燃油特性，选择合适的油雾化角，以便烟气回流，使油雾及时着火。（4）对空气进行预热，以保证燃油更好的雾化与蒸发。（5）使空气与油雾充分混合，混合越强烈越好。根部送风是油炉燃烧技术中的一个关键问题，要特别加以重视。5煤粉（粒）燃烧技术5.1 燃烧的基础知识5.1.1 燃烧燃料和氧化剂在一定条件下发生的一种同时伴有放热和发光效应的剧烈的氧化反应。燃烧三要素为燃料、助燃剂和着火源。5.1.2 燃烧的分类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：动力燃烧、扩散燃烧和过渡燃烧。（1）动力燃烧当温度较低时，化学反应速度较慢，而扩散速度相对较快，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地动力燃烧，或者说燃烧处于动力区。气体燃料的燃烧以及温度较低（VlOoOC）时的煤粉燃烧，基本属于动力燃烧，故燃烧速度与扩散混合、空气供应等条件关系不大。要强化燃烧，必须设法提高炉膛温度，以加强化学反应，采用其他办法效果不会太大。（2）扩散燃烧当温度较高时，化学反应速度较快，而扩散温度相对较小，燃烧速度主要决定于炉内氯对燃料的扩散情况，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，我们把这种燃烧情况叫做扩散燃烧，或者说燃烧处于扩散区。燃烧煤、焦炭等块状燃料，如温度高于1400°C,差不多都属于扩散燃烧。要强化扩散燃烧，应该改善扩散混合条件，如增大空气与燃料的相对速度等。提高炉温不能取得良好效果，燃烧固体块状燃料（多数是扩散燃烧），只要加强通风，就能提高燃烧速度，就是这个原因。（3）过渡燃烧当炉内温度与扩散混合情况相适应时,此时燃烧速度既于炉温有关,又与氧对燃料扩散、混合有关,我们把这种燃烧情况叫做过渡燃烧,或者说燃烧处于过渡区,炉温处于100O1400C的煤粉燃烧基本上属于过渡燃烧，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，如增大煤粉与气流的相对速度减小煤粉颗粒直径。在一定条件下，可以使燃烧过程由一个区域移向另一个区域。例如在反应温度不变的条件下，增加煤粉与气流的相对速度或减小煤粉颗粒直径（即煤粉变细），可使燃烧过程由扩散区移向过渡区，甚至动力区，同样地在扩散混合条件不变的情况下，降低反应温度，可将燃烧过程由扩散区移向过渡区，甚至动力区。煤粉的燃烧，主要取决于焦粒的燃烧。焦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煤粉燃烧的关键。就焦粒在炉内燃烧的情况来看，在高温燃烧中心粗焦粒可能处于扩散区，大部分细焦粒则处于动力区或过渡区，所以提高炉温和加强气流与煤粉的混合都是不可忽视。而焦粉在燃尽区，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，燃烧可能处于动力区，若扩散混合条件较差，燃烧亦可能处于扩散区。5.1.3 燃料的着火与着火温度图5-1通常燃烧过程中分两个阶段进行的，即着火阶段和燃烧过程本身。着火是燃烧的准备阶段。当燃料温度达到一定程度时，才能由缓慢的氧化反应墨迹到剧烈的氧化反应，这一瞬间现象称之为燃料着火。燃料开始发生剧烈氧化（即着火）所需的最低温度称之为燃料的着火温度或称之为着火点。典型的热力着火曲线如图5-1：当环境温度很低时（Tbl）,点1左边Ql>Q2a,使反应系统升温,达到平衡点1。但由于温度很低，放热量随温度的变化率小于散热量随温度的变化率，WdQlZDT<dQ2aDT,使点1右边出现QlVQ2a°在这种条件下，可燃物不能达到着火温度的状态，只能处于缓慢氧化状态点1。当环境温度提高时（Tb2）,点2右边Ql>Q2b,且在点2处dQldT>dQ2bdT0此时，由于温度较高，放热量随温度的变化率增大，只要温度稍有增加，燃烧反应将自动加速，转变到高温燃烧状态点3。这时，点2对应的温度即为着火温度。在此条件下，只要连续供应燃料和空气，就能实现稳定的着火和燃烧。当散热条件变化时，如由Q2b变为Q2c时，将出现着火中断的现象。点4对应的温度即为熄火温度。虽然在点4反应系统温度很高，但由于点4左边与右边均出现QVQ2c,且dQdTVdQzJdT,使反应系统温度最终变到点5的氧化状态。由图可知，熄火温度TXh总是比着火温度TZh高。实现稳定热力着火的条件为:(1)放热量和散热量达到平衡，放热量等于散热量。(2)放热量随系统温度的变化率大于散热量随系统温度的变化率。各种煤的着火温度煤种无烟煤烟煤褐煤着火温度(C)700800400-500250450表格5-1煤粉气流的着火温度煤种无烟煤烟煤褐煤着火温度(C)1000650840550表格5-25.1.4 影响燃烧反应速度的因素图5-2煤的燃烧属于多相化学反应，决定其反应速度快慢的根本原因在于活化分子有效碰撞的程度，如图5-2根据质量作用定律和阿累尼乌斯定律，具体因素有：(1)反应物浓度。在一定温度下，提高可燃物浓度，就能增加活化分子数量，提高燃烧速度。(2)活化能。参与燃烧反应的物质达到开始进行燃烧反应状态所需的最低能量，称为活化能E。活化能El越小，可燃物分子越容易”活化”，反应能力就越强，反应速度随温度变化也较小，就能在较低温度、较短时间内燃烬，释放出热能E2，放出热量Q。(3)温度。反应温度越高，分子运动的平均动能就高，活化分子的数目大大增加，有效碰撞频率和次数增多，反应速度就会加快。(4)压力。压力升高，体积减少，浓度增加，反应速度加快。5. 2煤粉的燃烧5.1.1 煤粉的燃烧过程煤粉在炉内燃烧大致经历三个阶段：着火前的准备，燃烧阶段和燃尽阶段。(1)着火前的准备阶段煤粉进入炉内至着火这一阶段为着火前的准备阶段。在此阶段内，煤粉中的水分要蒸发,挥发分要析出，煤粉的温度又要升高至着火温度，显然着火前的准备阶段即为吸热阶段，要使煤粉着火快要从以下两方面着手:1）应尽量减少煤粉气流加热到着火温度所需的热量，这可以通过对燃料预先干燥，减少输送煤粉的一次风量和提高风温。2）应尽快提供给煤粉的着火热，通过提高炉温和使煤粉气流与高温烟气强烈混合等方法来实现。（2）燃烧阶段当煤粉温度升高至着火温度而煤粉浓度又合适时,煤粉就开始着火燃烧,进入燃烧阶段。燃烧阶段是一个强烈的放热阶段，包括挥发分和焦炭的燃烧，首先是挥发分着火燃烧,放出热量，并加热焦炭粒，使焦炭的温度迅速升高并燃烧起来。焦炭的燃烧不仅时间长，而且不易燃烧完全，所以要使煤粉燃烧乂快又好，关键在于对焦炭的燃烧组织如何，保持足够高的炉温空气充分混合。（3）燃尽阶段燃尽阶段是燃烧阶段的继续。一些内部未燃尽而被灰包围的炭粒在此阶段继续燃烧，直至燃尽。这一阶段的特点是氧气供应不足，风粉混合较差，炉内温度较低，以至这一段需要的时间较长。为了使煤粉在炉内尽可能燃尽，以提高燃料的利用率，应保证燃尽阶段所需要炉拽出口的时间，并应设法加强扰动来击破灰衣，以便改善风粉混合，使灰渣中的可燃物烧透燃尽。如图53所示，为三个区域的火焰情况。即：着火区，燃烧区，燃尽区。根据R90=5的煤粉进行试验，其中97%的可燃质是在25%的时间内燃尽的，而其余的3%却要在75%的时间内燃尽。5.1.2 煤粉迅速而又完全燃烧的条件（1）要供给适量的空气要达到完全燃烧就必须供应炉膛适量的空气，即保持适当的过量空气系数。如果空气供应不足，即过量空气系数过小，将会造成不完全燃烧热损失；但空气供应过多，不仅使炉温降低引起燃烧不完全，还将使排烟量增大，造成排烟热损失增加。（2）要维持足够高的炉温燃烧快慢和完全程度均与温度有关。炉温过低不利于燃烧反应的进行，使燃烧不完全，所以温度应高些。适当高的炉温，不仅可以促使煤粉很快着火，迅速燃烧，而且可以保证煤粉充分燃尽，对固态排渣炉而言，炉温也不宜过高，过高的炉温会引起炉膛结渣，从而影响安全经济运行。（3）燃料与空气的良好混合燃料和空气混合是否良好，能否达到迅速完全燃烧起着很大的作用，为了做到使煤粉气流进入炉膛后迅速着火，着火后又迅速而完全地燃烧，煤粉炉一般都采用一、二次风组织燃烧。即煤粉由一次风携带进入炉膛，由于高温烟气的辐射和混入，使煤粉气流的温度很快达到着火点，使煤粉着火。所以一次风量不宜过大，只要能满足挥发分燃烧的需要即可，混入的热烟气则应温度高、数量大、这样才能使一次风和煤粉很快升温、着火。煤粉着火后，一次风很快被消耗，这时二次风以很高的速度4050ms喷入炉内与煤粉混合，形成强烈的扰动，冲破碳表面的烟气层和灰壳，以强行扩散代替自然扩散，从而提高扩散混合速度，使燃烧速度加快并完全燃烧。为了更好地组织燃烧，直流燃烧器二次风还可采取不同配风方式。关于这部分内容，详见第七章第一节中直流煤粉燃烧器。除此之外，炉内煤粉气流混合情况是否良好，还与炉膛形状，燃烧器的结构和布置等有关。一般情况下，炉内气流是旋转向上流动的，以促使气流和煤粉充分地混合。（4）足够的燃烧时间煤粉由着火到全部燃烧完毕，需要有一定的时间。煤粉从燃烧器出口到炉膛出口一般需要23s,在这段时间内煤粉必须完全烧掉，否则到了炉膛出口处，因受热面多，烟气温度很快下降，燃烧就会停止，从而造成不完全燃烧热损失。为了保证煤粉燃尽，除了保持炉内火焰充满度和使炉膛有足够的空间和高度外，还应设法缩短着火与燃烧阶段所需要的时间。总之，要保证燃料的良好燃烧，就必须满足以上这些基本条件，为此就要求燃烧设备具有合理的结构和布置，同时在运行中要科学地组织整个燃烧过程。5.1.3 影响煤粉气流着火与燃烧的因素煤粉气流进入炉膛后应迅速着火，着火后又应迅速而完全地燃烧。为此，就必须对影响着火与燃烧的因素进行分析。（1）燃料性质燃料中挥发分、水分、灰分对燃料着火与燃烧均有影响，下面就这些方面作一分析。挥发分的多少对煤的着火和燃烧影响很大。挥发分低的煤着火温度高,煤粉进入炉膛后,加热到着火温度所需的着火热比较多。就是说,必须把煤粉气流加热到更高的温度才能着火,达到着火所需的时间也长些，着火点离开燃烧器喷口的距离也长些。所以，当燃用无烟煤、贫煤等低挥发分煤时,为了着火迅速,应提高着火区温度,使高温烟气中尽可能多回流一些。挥发分高的煤着火是比较容易的，这时应注意着火不要太早，以免造成结渣或烧坏燃烧器。水分大的煤，着火需要的热量很多，同时由于一部分燃烧热消耗在加热水分并使其汽化和过热上，这就降低了炉内的烟气温度。从而使煤粉气流卷吸的烟气温度以及火焰对煤粉气流的辐射热都降低，这对着火显然是不利的。此外，炉内烟气温度低，也不利于燃烧化学反应的进行，影响煤粉迅速完全燃烧。灰分多的煤，着火速度慢，对着火稳定不利，而且燃烧时，灰壳对焦炭核的燃尽起阻碍作用，所以不易烧透。(2)煤粉细度煤粉越细，着火就越容易。这是因为在同样的煤粉质量浓度下，煤粉越细，进行燃烧反应的表面积就越大，而煤粉本身的热阻却减小。因而加热时，细煤粉的温升速度要比粗煤粉来得快，这样就可以加快化学反应速度和更快地达到着火。煤粉越细，燃烧越完全。另外，煤粉的均匀性指数n越小，粗煤粉就越多，燃烧完全程度会降低，因此烧挥分低的煤时，应该用较细较均匀的煤粉。(3)炉膛温度炉膛温度高，燃烧器根部回流或补入的热烟气温度也高，着火时间可以提高。炉膛温度高，燃烧迅速也易安全。但是，炉温过高，会造成炉内结渣。在烧低挥发分煤时，应适当提高炉温。为此，可以采用热风送粉，敷设卫燃带，保持较高负荷等