4 燃烧过程的理论基础

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1、第四章　燃烧过程的理论基础化学反应速度化学反应速度　　影响反应速度的因素固体燃料的燃烧煤燃烧的四个阶段焦炭的燃烧　煤和煤粉的燃烧特点煤粉气流的着火与燃烧着火与熄火的热力条件　煤粉气流着火热源煤粉气流的着火及影响因素　完全燃烧条件燃烧反应是一种发光放热的高速化学反应，同时伴随各种物理过程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化学反应速度化学反应速度在反应系统单位体积中物质（反应物或生成物）浓度的变化率，单位是mol/（cm3·s）对于反应式A＋B→G＋H反应速度为CA、CB、CG、CH分别为反应物A、B和

2、生成物G、H的浓度，mol/cm3α、β、γ、δ分别为相应的化学计量系数均相反应质量作用定律质量作用定律反映浓度对化学反应速度的影响对于均相反应，在一定温度下，化学反应速度与参加反应各反应物浓度乘积成正比，各反应物浓度的幂指数等于其相应的化学计量系数对反应A＋B→G＋H质量作用定律可用下式表示式中：k为反应速度常数，表示单位物质浓度时的反应速度在温度不变的情况下，反应物的浓度越高，分子的碰撞机会越多，化学反应速度就越快。多相反应质量作用定律多相燃烧反应在固体表面进行，固体燃料浓度不变（CA=常数），故多相反应速度w是指在单位时间、单位表面上反应物（气相）浓度的变化率式

3、中fA－单位容积两相混合物中固相物质的表面积；CB－气相反应物质的浓度阿累尼乌斯定律阿氏定律反映温度对化学反应速度的影响反应物浓度不变时，反应速度常数k随温度变化的关系式中k0－频率因子，近似为一常数R、T、E－通用气体常数、热力学温度、活化能活化能E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，挥发分含量小的煤，E大在一定的温度下，活化能E越大，则反应速度常数k值越小，反应速率越小；而在一定的活化能E下，温度越高，则反应速度常数k值越大，反应速率越大压力对反应速度的影响在反应容积不变的情况下，反应系统压力增高，就意味

4、着反应物浓度增加，化学反应速度增加煤燃烧过程的四个阶段预热干燥煤被加热至100℃左右，煤粒表面及煤粒缝隙间的水被逐渐蒸发出来。大量吸热挥发份析出并着火温度升至一定值，煤中挥发分析出，同时生成焦碳（固定碳）。挥发分的释放量及成分主要取决于升温速度。不同的煤，开始析出挥发分的温度不同，达到一定温度，析出的挥发分就着火、燃烧。对应的温度称煤的着火温度，不同煤的着火温度不同。少量吸热燃烧挥发份首先燃烧造成高温，包围焦炭的挥发分基本烧完且燃烧产物离析后，碳开始着火、燃烧。大量放热燃尽残余的焦炭最后燃尽，成为灰渣。少量放热上述各阶段实际是交叉进行的；其中着火和燃尽是最重要的两个阶段，着火

5、是前提，燃尽放热是目的焦碳的燃烧反应附加反应C及CO与空气中的水蒸汽产生的反应C+H2O→CO+H2C+2H2O→CO2+2H2CO+H2O→CO2+H2一次反应在一定温度下，碳和氧的化学反应可能有两种C+O2→CO2C+O2→CO二次反应一次反应的生成物CO2、CO与初始反应物碳和氧再次发生反应C+CO2→2COCO+O2→CO2焦碳燃烧的动力学特性氧气从外界扩散到炭粒周围，氧气通过灰壳的阻力，到达炭粒的表面；氧气吸附在炭粒表面；高温下，炭粒和氧进行化学反应，生成CO2和CO，同时不可燃物生成灰渣（灰壳的一部分）；焦碳燃烧按下述程序进行燃烧产物（CO2和CO）从炭粒表面上解

6、吸析；燃烧产物通过灰壳阻力向外扩散，其中CO2直接扩散在周围空气中，CO在扩散过程中遇氧气又变成CO2，然后再向远处空气中扩散焦碳燃烧的动力学特性焦碳的燃烧反应速度的影响因素可以是化学的（反应物的吸附作用、化学反应本身、或生成物的脱附作用）；也可以是物理扩散的（反应物或生成物向容积气相或颗粒气孔内的气相的扩散）焦碳的燃烧反应速度取决于上述连续过程中最慢的某一个阶段:氧向碳粒表面的扩散或在碳表面发生的化学反应碳的燃烧反应速度焦碳的燃烧反应速度取决于温度、焦碳颗粒尺寸、氧气浓度、环境压力和气体与焦碳颗粒之间的相对速度等式中：mp―焦碳颗粒质量；ρp―焦碳粒颗密度；P―压力；χ02

7、―氧气浓度；d―焦碳颗粒的直径；k―焦碳颗粒的反应速率常数碳的燃烧反应速度反应速度常数k取决于碳粒表面的化学反应速度常数kC和氧的扩散速度常数kD其中式中A为反应前置系数；R为通用气体常数d为碳粒直径；D为氧气扩散系数；为化学当量因子。若主要产物是CO2，则等于1；若主要产物是CO，则等于2；TP、Ta分别为碳粒温度和边界层中气体平均温度燃烧反应区域动力区燃烧反应的温度不高，kC很小，kD非常大，焦碳燃烧处于化学动力控制下，反应速率常数k=kC燃烧反应速度w取决于碳粒表面的化学反应速度,是随温度的