第五章燃烧理论基础及燃烧设备.doc

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1、第五章煤粉燃烧理论基础及燃烧设备第一节燃烧的基本理论燃烧一般是指燃料与氧化剂进行的发热与发光的高速化学反应。狭义地讲，燃烧是指燃料与氧的剧烈化学反应。燃料与氧化剂可以是同一形态的，如气体燃料在空气中的燃烧，称为单相（或均相）反应，燃料与氧化剂也可以是不同形态的，如固体燃料在空气中的燃烧，称为多相（或异相）燃烧。一、化学反应速度任何化学反应，均可以用以下的化学计量方程式表示：(5—1)化学反应速度可以用某一反应物浓度减少的速度（反应物消耗的速度）表示，也可以用生成物浓度增加的速度表示，其常用的单位是mol／(m3•s)。按不同反应物或生成物计算在时间t的瞬时反应速度为：（5—2）化学

2、反应速度不仅取决于参加反应的原始反应物的性质，而且与反应系统的条件有关，重要的条件是：①反应物的浓度；②温度；③压力；④是否有催化反应或连锁反应。1、浓度对化学反应速度的影响化学反应速度与浓度的关系可以用质量作用定律来说明。根据质量作用定律，对于均相反应，在一定温度下化学反应速度与参加化学反应的各反应物的浓度成正比，而各反应物浓度项的方次等于化学反应式中相应的反应系数。对式（5—1）表示的化学反应，其反应速度可表示为：（5—3）对于炭粒的多相燃烧来说，化学反应是在炭粒的表面进行的，可以认为炭粒的浓度不变化。因此，化学反应速度是指单位时间内炭粒表面上氧浓度的变化，即炭粒表面上的耗氧速

3、度,其化学反应速度为：（5—4）质量作用定律说明，在一定温度下而反应容积不变时，增加反应物的浓度即增大反应物的分子数，分子间碰撞的机会增多，所以反应速度加快。2、温度对化学反应速度的影响温度对化学反应速度有很大的影响可以用阿累尼乌斯定律表示：（5—5）这样，化学反应速度式（5—4）可写为：（5—6）式（5—6）说明，当反应物浓度不变时，化学反应速度与温度成指数关系，随着温度升高，化学反应速度迅速加快。这种现象可这样来解释：化学反应是通过反应物分子间的碰撞而进行的，但并不是所有的碰撞都能引起化学反应，只有其中具有较高能量活化分子的碰撞才能发生化学反应。为使化学反应得以进行，分子活化所

4、需的最低能量称为活化能，以表示。3、压力对化学反应速度的影响在反应容积不变的情况下，反应系统压力的增高，就以意味着反应物浓度增加了，从而使反应速度加快。化学反应速度与反应系统压力的次方成正比，式中——速度反应常数；——反应物质A的浓度比；——反应级数。4、催化反应如果把少量的催化剂加到反应系统中，使化学反应速度发生变化，则这种作用称为催化作用。5、连锁反应连锁反应可以使化学反应自动连续加速进行。连锁反应的机理是：在化学反应中，由于某种作用（热力活化、光子作用或者某种激发作用），使反应物形成了初始的活化分子，在某些有利的情况下，活化分子能够使化学反应过程开始出现一系列的中间反应，这些

5、中间反应大都是一些极简单的化学反应。在中间反应过程中，同时会产生一些新的活化分子，形成链，这些活化分子需要的活化能又较少，所以一旦形成了活化链，反应就可以自动连续加速进行，直到反应耗尽或连锁中断为止。二、氧的扩散速度炭粒与氧的燃烧化学反应是在炭粒表面进行的。由于化学反应消耗氧，炭粒反应表面氧浓度小于周围介质中的氧浓度,周围环境的氧不断向炭粒表面扩散。氧扩散过程的快慢用氧的扩散速度来反映。扩散速度可由下式确定：（5—8）根据传质理论可知，氧的扩散准则为：（5—9）式中——氧扩散的努谢尔特准则数；——燃料颗粒的粒径；——氧的分子扩散系数。由式（5—9）可得：（5—10）根据实验结果：(

6、5—11)式中——根据燃烧粒子与主气流相对运动速度计算的雷诺数。由式（5—10）、式（5—11）可知，氧的扩散速度不仅与氧的浓度差成正比；还与碳粒直径及气流与碳粒的相对速度有关。炭粒燃烧过程中，气流与炭粒的相对速度越大，扰动越剧烈，不仅氧向炭粒表面的供应速度增大，同时燃烧产物离开炭粒表面扩散出去的速度也增大，使氧的扩散速度加快。由于碳的燃烧是在炭粒表面进行的，炭粒直径愈小，单位质量炭粒的表面积愈大，与氧的反应面积也愈大，化学反应消耗的氧就愈多，炭粒表面的氧浓度就会降低。炭粒表面与周围环境的氧浓度差愈大时氧的扩散速度愈大。因此，供应燃烧足够的空气量、增大炭粒与气流的相对速度和减小炭粒

7、直径都可增大氧的扩散速度。三、燃烧速度与燃烧区域炭粒的多相燃烧反应由下列几个连续的阶段组成，即（1）参加燃烧的氧气从周围环境扩散到炭粒的反应表面；（2）氧气被炭粒表面吸附；（3）在炭粒表面进行燃烧化学反应；（4）燃烧产物由炭粒解吸附；（5）燃烧产物离开炭粒表面，扩散到周围环境中。炭粒燃烧速度是指炭粒单位表面上的实际反应速度。炭的多相燃烧速度既决定于氧向炭粒表面的扩散速度和在反应表面上进行的燃烧化学反应，最终决定于其中速度最慢的一个：炭粒表面按完全燃烧反应的化学反应速度