锅炉燃烧理论基础

学习燃烧理论的目的是为了了解认识燃烧过程的本质， 掌握燃烧过程的主要规律， 以便

控制燃烧过程的各个阶段，使其按照人们的要求的速度进行，燃烧理论解决的问题是：

(1) 判断各种燃料的着火可能性，分析影响着火的内因条件与外因条件以及着火过程基 本原理，

保证燃料进入炉内后尽快稳定地着火，保证燃烧过程顺利进行。 (2) 研究如何提高燃料的燃烧速度，使一定量的燃料在有限的空间和时间内尽快燃烧， 分析影

第一章锅炉燃烧理论基础

第一节 燃烧理论解决问题

响燃烧速度的内因条件与外因条件，以及燃尽过程的基本原理，提出加速燃烧反应， 提高燃烧效率的

途径。 (3)燃烧理论来源于生产实践和科学试验。反过来又指示出燃烧技术进步与发展的方 向。 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。

第二节质量作用定律---化学反应速度

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：

(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。

B A

A

A

心

dCH

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

aA+bB ==gG+hH (5-1)

dC

W= ----------

dt

dC—IT

(5-2)

(5-3)

W

G

dCG dt

WH =

H

dt

2.质量作用定律的意义

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，反应速度又可以表示为:

dCB …b

WB= —― = kBC；Cb

B

dt

式中 C A, C B---反应物A,B的浓度

-

dC

ab kCC

^= k CCAAB dt

BAB

(5-4)

化学反应式中，反应物 A,B的反应系数;

kA, kB---

反应速度常数。

3.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, 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：

固体燃料的浓度不变,

%5) k B fACb

dt

式中 C B----固体燃料表面附近氧的浓度

■ g LJ /\\ LJ

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。

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 性质及温度的关系为：

.这时，化学反应速度与燃料

I -

k = ko e

(- E/RT)

(5-6)

系数

式中,k0 -- 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

E—反应活化能； R一通用气体常数； T一反应温度:

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。

第三节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。

一. 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， 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， 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，

甚至引起爆炸。

是实现燃料尽快着火和连续 将在后面的内容中加以分析。

二. 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， 子反应的首要条件是两种分子必须相互接触，

由于燃料的多数反应都是双分子反应， 相互碰撞。分子间彼此碰撞机会和碰撞次数很

如果每一个分子的每一次碰撞都能起

然而燃烧反应并非如此， 而是 这种活化分子是一些能量较大

双分

多，但并不是每一个分子的每一次碰撞都能起到作用。 到作用，那么即使在低温条件下，燃烧反应也将在瞬时完成。 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。

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， 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。

用E表示。所以活化分子的

图5-1表示出活化能的意义。从图可见，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E ,

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E 应的净放热量为Q。

1 （活化能）更多的能量E 2 ,而燃烧反

能量 活化状态

反应过程

2.燃料的活化能对燃烧速度的影响

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， 下才能达到较大的反应速度， 时间才能燃尽。

这种燃料不仅着火困难，

即在较高的温度

而且需要在较高的温度下经过较长的

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

42?420kJ/mol ,活化能小于42kJ/mol的反应，反应速

度极快，以至难于测定。活化能大于420kJ/mol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 5-1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。

煤种 无烟煤 贫煤 烟煤 V daf

% 5.15 15.18 33.40 频率因子 g/(cm2.s.MPa) 96.83 12.61 7.89 活化能 KJ/mol 85.212 55.098 45.452 烟煤

41.02 5.31 38.911 三. 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

因而反应速度加快。 对于活化能愈大的

化分子的数目大大增加， 有效碰撞频率和次数增多，

燃料，提高反应系统的温度，就能愈加显著地提高反应速度。

第一节

一. 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，

热力着火理论

热力着火过程是由于温度不断升高而引起的。

而炉温升高促使燃烧速度加

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，

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。

.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。

Q1 = Q2

2、 放热速度大于散热速度

dQ 1 * dQ 2

dT 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， 中断，并不断向缓慢氧化的过程发展。

燃烧过程将因火焰熄灭而

三. 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：

Q1= koe COVQ「

2

RT

(5-7)