燃烧理论基础(65pages).ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 燃烧理论基础,复 习,1,、几种热损失。为了减小热损失，锅炉燃烧需要作到：,稳定着火、快速燃尽。,2,、为实现该目的，需寻找强化燃烧的方法，这就要认,识燃烧过程的本质。从而，需要学习基础燃烧理论,。,前言,燃烧概述,一、燃烧本质,燃烧是气体、液体或固体燃料与氧化剂之间发生的一种强烈的化学反应；,流动、传热、传质和化学反应同时发生有相互作用的综合现象；,典型的物理化学过程；,化学反应动力学、流体力学、传热传质学是研究燃烧反应过程的基础知识；,二、燃烧学的发展历史,直至,18,世纪中以前，发展缓慢，对燃烧现象的本质几乎一无所知。,之后：燃素的概念出现（物质是否燃烧被归于是否含有燃素）,1765,年燃烧是物质的氧化（燃烧理论的萌芽）,19,世纪出现热化学和化学热力学（将燃烧作为热力学系统，考察其初态和终态，静态特性的研究）,20,世纪初燃烧反应动力学（研究燃烧过程的动态过程的理论）,3040,年代火焰传播的概念湍流燃烧理论（认识燃烧过程的限制因素往往不是反应动力学，而是传热传质，即受限于物理过程）,5060,年代德国人,Von,Karmen,（,对宇航也有巨大的贡献）提出用连续介质力学来研究燃烧，称为化学流体力学或反应流体力学。,将经典流体力学的方法、边界层、射流理论等应用与研究燃烧,70,年代初，大型电子计算机出现，形成计算流体（计算燃烧）学，建立了燃烧的数学模拟方法和数值计算方法；,激光测量技术的出现，使精密测量成为现实。,基本理论,+,数学模型和数值计算,+,先进的测量技术。,三、当代对燃烧应用的要求,要求燃烧不断强化和趋于更高能量水平；,探讨高温、高压、高速、强湍流条件下的燃烧,要求燃烧过程高效率，节省燃料等；,洁净燃烧，减轻环境污染,火灾的起因与防治,第一节、,燃烧反应速度及其影响因素,燃烧反应和化学反应一样，根据参加反应的物质不同分为：,均相燃烧,气体燃料在空气中燃烧,异相燃烧,固体燃料在空气中燃烧，煤粉燃烧,一、反应速度的定义,根据质量作用定律，反应速度有不同的定义方式：,第一种定义：单位时间内和单位体积内燃烧掉的燃料量或消耗的氧量,举例：,在锅炉燃烧技术采用,炉膛容积热负荷,来表示燃烧反应速度：,单位时间内和单位体积内燃烧掉的燃料所释放出的热量,在一定的温度下，化学反应速度和各反应物的浓度成正比,1867,年由,Guldberg,和,Wage,提出,对均相反应：,A+A+A+A+,+,A +B+B+B+B+B+,+,B,b,a,第二种定义：,对于异相反应煤粉与空气混合物,二、影响化学反应速度的主要因素,1,，浓度,从前面反应速度的定义式，可知：浓度越大，反应速度越快。,原因：燃烧反应属双分子反应，只有当两个分子发生碰撞时，反应才能发生。浓度越大，即分子数目越多，分子间发生碰撞的几率越大。,2,压力,气态物质参加的反应，压力升高，体积减少，浓度增加，压力对化学反应速度的影响与浓度相同。,对理想气体混合物中的每个组分可以写出其状态方程：,3,温度,3.1,阿累尼乌斯定律,温度增加，反应速度近似成指数关系增加，体现在反应速度常数,阿累尼乌斯定律,(,瑞典物理化学家,1889,年提出,),3.2,阿累尼乌斯定律的讨论,-,活化分子、活化能,气体分子的运动速度、动能有大有小；,动能超过某一数值（,活化能,E,）,足以破坏原有结构发生反应的分子称为,活化分子；,分子发生反应，要提高能量，每摩尔气体分子所吸收的这部分能量,-,活化能,E,；,化学动力学的基础。,第三节,热力着火,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,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？,可燃混合物燃烧过程的发生与停止，即着火与灭火，燃烧能否稳定地进行，取决于燃烧过程中所提供的热力条件。,燃烧中同时存在着放热和散热，在不同的阶段存在着二者的不同工况。,二、,实现稳定着火的两个条件,A,、,放热量和散热量达到平衡，放热量等于散热量。,B,、,放热量随系统温度的变化率大于散量热随系统温度的变化率。,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。,三、热力着火的条件,放热,散热,，系统升温，反应加速，但同时散热也在增加，必达到平衡；,放热,散热,，系统降温，反应减速，但同时散热也在减少，也必达到平衡；,系统在不同条件下达到不同的平衡状态，,可能是有利的，燃烧稳定在正常工况，,可能是不利的，燃烧处于熄火状态。,1,、,放热与散热曲线,以强烈掺混的零维系统（煤粉空气混合物在燃烧室内）为例说明：,1,放热与温度的关系，,燃烧室内可燃混合物燃烧放热量为：,2,散热与温度的关系,加热混合物本身所消耗并带走的热量：,向周围介质散失的热量（对流,+,辐射）,四、,可燃混合物着火与灭火分析,将两组曲线综合在一起，可能存在以下三种情况：,（,1,）熄火状态；,（,2,）可能着火，正常燃烧；也可能熄火；,（,3,）正常燃烧,五、,关于着火温度的说明,着火温度不是物性参数，随所处热力条件的变化而不同，,各种实验方法所测得的着火温度值的出入很大，过分强调着火温度意义不大，,如，褐煤堆，如果通风不良，接近于绝热状态，孕育时间长，着火温度可低于大气温度。,着火温度的概念可以使着火过程的物理模型大大简化。,严格上，只说着火的临界条件或着火条件：使系统在某个瞬时或空间某部分达到高温的反应状态。,实现这一过渡过程的初始条件或边界条件为着火条件。,六、放热反应与吸热反应,随反应的进行，放出能量，抵偿,E,后，多余的为反应热（发热量）,放热反应,反之为吸热反应,活化能小，化学反应速度较快，,当,E,4,10,4,kJ/mol,，,极慢；,第三节、,链式反应（连锁反应）,一、链式反应理论的产生,许多化学反应，几乎所有的燃烧反应，均不简单地服从,质量作用定律和阿累尼乌斯定律。,如：氢气与空气的反应,在某些温度和压力下爆炸，在另一些温度和压力下不爆,炸，如：,冷焰，,低温时，磷、乙醚的蒸汽氧化。,二、链式反应原理,活化来源在反应过程中产生，中间产物,活化中心，,活化中心与反应物分子发生反应，本身消失，反应的结果又产生新的活化中心,通过活化中心进行反应要比原作用物直接反应容易得多，只需较少的活化能,三、链式反应的分类,新的活化中心的数目等于或大于原有的活化中心的数目,不分支反应,分支反应,链式反应分为,四、氢气与空气的反应,分支链式,爆炸反应,反应开始,H,原子为活化中心，,M,为任何活化分子,中间反应,一个,H,参加反应，经过一个链后形成,H,2,O,，,又同时产生三个,H,活化中心，再引起三个分支反应,五、分支链式反应的特点,1,、存在孕育期（诱导期，感应期），当活化中心积累到一定程度，才发生反应。,2,、反应自动加速，并可以在等温下加速到极大的数值。,第五节 火焰传播,一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，对稳定着火和防止爆燃极为重要。,二、火焰传播的形式,层流火焰传播,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。层流火焰传播速度一般为,20,100cm/s,。,湍流火焰传播,一般为,200cm/s,以上。,三、炉膛内的火焰传播,1,正常的火焰传播（缓慢燃烧）,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,2,反应速度失去控制的高速爆炸性燃烧,出现爆炸性燃烧时，火焰传播速度极快，达,1000,3000m/s,，,温度极高，达,6000,；压力极大，达,2.0265,Pa (20.67,大气压,),。,3,正常燃烧向爆炸性燃烧的转变,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。,四、,煤粉气流火焰传播速度的影响因素,挥发分含量,灰分、水分,煤粉细度,炉膛温度,第六节 煤粉的燃烧,一、煤粉的燃烧过程,煤粉受热，水分析出继续受热，绝大部分挥发分析出，挥发分首先着火引燃焦碳，并继续析出残余的部分挥发分，挥发分与焦碳一道燃尽形成灰渣。,二、,煤粉的燃烧时间,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。,三、,煤粉燃烧的主要特征,煤粉颗粒必须首先吸热升温，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，,大约在,120-450,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。,一、煤燃烧的主要阶段,挥发份释放及大部分烧掉所占时间约为总燃烧时间的十分之一，绝大部分时间为焦碳的燃烧。,一般认为是串联，也有交叉过程,加热,蒸发,挥发份释放,焦化,蒸发,挥发份燃烧,焦碳燃烧,空气,煤,烟气,灰渣,第七节 碳粒燃烧的动力区、扩散区和过渡区,一、,碳燃烧的反应环节,大致分为几个串联环节：,（,1,）氧气扩散到焦碳表面；,（,2,）氧气被碳表面吸附；,（,3,）在碳表面化学反应,（,4,）燃烧产物由焦碳表面解吸，,（,5,）二氧化碳向周围扩散。,碳反应速度决定于（,1,）和（,3,），,总体速度决定于二者较慢的一个。,二、,燃烧反应的动力区和扩散区,描述,异相燃烧过程中混合扩散与化学反应环节,1,碳粒表面化学反应速度表达式,异相化学反应：碳表面发生化学反应所消耗氧量,应等于,扩散到表面氧量,二者相等：,固体表面氧气浓度,C,b,随化学反应速度不同而变化的关系复杂，且不必知道,不同反应区域分析,动力与扩散燃烧理论,（,1,）动力区（化学动力控制区）,温度较低：碳表面化学反应速度远小于氧气向表面的扩散速度，氧气供应充分，足够反应所需。燃烧速度取决于化学反应速度，反应处于动力区。,K,很小（温度很低），,1/k,很大，所以,氧气从远处扩散到固体表面，消耗不多,k,服从阿定律的，与,k,的规律一样,（,2,）扩散区（扩散控制区）,温度增加，,k,急剧增大，耗氧量急剧增加，消耗掉扩散来的氧,气，还处于“待料”，燃烧速度取决于扩散，反应处于扩散区。,k,很大（温度很高），,1/k,很小，所以，,与温度,T,的关系十分微弱，而且扩散燃烧速度随 的增大而增大,3,）过渡区,k,与大小相差不多，服从：,动力与扩散燃烧理论应用,讨论,不同温度区域内，为提高反应速度，有不同的措施：,温度较低时,，提高燃烧速度的关键：,提高温度，氧气很充足，不必大量鼓风；,温度较高时,，提高燃烧速度的关键：,提高 ，缺氧是关键，要提高出力，应大量鼓风,。,第八节 碳粒的一次反应和二次反应机理,一、碳粒一次反应机理,将碳和氧气之间的直接反应称为一次反应。一次反应产物继续发生的化学反应称为二次反应。,1,、,温度在,1300,以下时的反应,第一步是形成碳氧络合物。即被碳粒所吸附的氧分子溶入碳粒晶格中，形成碳氧络合物：,(5-24),第二步是碳氧络合物的离解。即在高能量氧分子撞击下，碳氧络合物发生离解：,以上两个方程式相加：,2,、温度在,1600,以上时的反应,第一步仍然是形成碳氧络合物。,第二步同样是碳氧络合物在高温下受热分解：,以上两式相加：,3,、温度范围在,1300,1600,之间时的反应,由于同时存在氧分子溶于碳粒晶格和在晶格边界上化学吸附。和的比例取决于和的综合作用。在常压下，若碳粒表面氧浓度不很大时，化学吸附环节对化学反应起主导作用，也可近似认为是一级反应。,二、二次反应对碳粒燃烧影响,在几乎静止的空气中碳粒的反应可认为是二次反应。,1,、温度为,800,1200,时的反应,由图,5-8,可知，碳粒表面和浓度最高。由于在火焰锋面内已经完全燃烧，火焰锋面外浓度为零。氧气在向碳粒表面扩散过程中，在火焰锋面内被消耗一部分，氧气浓度在火焰锋面处下降很快。由碳粒表面和火焰锋面向周围扩散。,2,、温度为,1200,1300,时的反应,在高温下碳粒表面的反应实际上是还原反应。如图,5-9,所示。,