1、第第4章章 燃烧过程的基本知识燃烧过程的基本知识4.1燃燃 烧及其基本原理烧及其基本原理1.燃烧的基本条件燃烧的基本条件燃烧是燃烧是燃料中的可燃物质与氧气发生剧烈的、伴随发光发热的燃料中的可燃物质与氧气发生剧烈的、伴随发光发热的一种一种化学反应化学反应。燃烧燃烧过程包括化学反应的过程包括化学反应的放热放热过程、物质间的过程、物质间的相互运动、热量相互运动、热量传递、质量传递、能量相互转化传递、质量传递、能量相互转化等一系列的等一系列的物理、化学过程物理、化学过程。燃烧过程能持续进行，除了燃烧过程能持续进行，除了必须有燃料必须有燃料和燃烧所需要的足够数和燃烧所需要的足够数量的量的氧气氧气外，还必
2、须有：外，还必须有：（1）足够高的足够高的温度温度；（2）足够的传质）足够的传质动力动力，以使需要的氧气能及时到达燃烧区域；，以使需要的氧气能及时到达燃烧区域；（3）足够的）足够的时间时间，以使反应能够完成。，以使反应能够完成。2.化学反应速度及其影响因素化学反应速度及其影响因素燃烧遵循化学反应动力学的基本原理。燃烧遵循化学反应动力学的基本原理。化学反应速度是指单位时间内反应物质化学反应速度是指单位时间内反应物质(或生成物质或生成物质)浓度的变化，即浓度的变化，即 浓度、温度浓度、温度、压力及催化剂压力及催化剂影响化学反应速度。影响化学反应速度。对于对于简单反应简单反应或复杂反应中任一或复杂反
3、应中任一基元步骤基元步骤，均可，均可用以下的化学计量方程式表示，如用以下的化学计量方程式表示，如 a、b反应物反应物A、B的化学反应计量系数；的化学反应计量系数；g、h生成物生成物G、H的化学反应计量系数。的化学反应计量系数。反应物浓度对化学反应速度的影响可用反应物浓度对化学反应速度的影响可用质量作用定律来描述：质量作用定律来描述：合成速度等于正、逆反应速度之差，它在反应过合成速度等于正、逆反应速度之差，它在反应过程中不断减少，最后变为零。这时正、逆反应速程中不断减少，最后变为零。这时正、逆反应速度相等，也就是达到化学平衡状态。度相等，也就是达到化学平衡状态。仅适用于理想气体仅适用于理想气体燃
4、烧反应可由均相反应或多相反应所组成。燃烧反应可由均相反应或多相反应所组成。均相时可假定反应物及生成物都为理想气体均相时可假定反应物及生成物都为理想气体,可适可适用用!多相反应，即气相的反应物在单位时间内降低速度，多相反应，即气相的反应物在单位时间内降低速度，并不是对单位容积而言，而是对两种相态的物质交并不是对单位容积而言，而是对两种相态的物质交界处界处(反应气体与固体表面反应气体与固体表面)的单位面积而言。多相的单位面积而言。多相反应速度是指在单位时间、单位表面上参加反应的反应速度是指在单位时间、单位表面上参加反应的物质浓度的变化，即物质浓度的变化，即也适用也适用!温度对化学反应速度的影响很大
5、。温度对化学反应速度的影响很大。分子只有碰撞才能发生化学反应。但互相碰撞的分子只有碰撞才能发生化学反应。但互相碰撞的不一定都能发生反应。只有少数具有较大能量的不一定都能发生反应。只有少数具有较大能量的活化分子能够产生化学反应。活化分子能够产生化学反应。活化能：活化能：超过分子平均能量可使分子活化而发生超过分子平均能量可使分子活化而发生反应的能量。反应的能量。温度越高，分子的热运动越剧烈，分子所具有的温度越高，分子的热运动越剧烈，分子所具有的能量就越大，具有活化能或能量超过活化能的分能量就越大，具有活化能或能量超过活化能的分子数越多，化学反应也就进行得越剧烈、迅速。子数越多，化学反应也就进行得越
6、剧烈、迅速。温度对反应速度的影响集中反映在反应速温度对反应速度的影响集中反映在反应速度常数度常数k上。上。阿累尼乌斯定律：阿累尼乌斯定律：RTEekk0 反应速度与压力的关系在一般的锅炉燃烧过程中常反应速度与压力的关系在一般的锅炉燃烧过程中常可予以忽略，因为燃烧室中的压力接近常压。可予以忽略，因为燃烧室中的压力接近常压。对于增压燃烧锅炉及对在高原地区运行的锅炉，应对于增压燃烧锅炉及对在高原地区运行的锅炉，应考虑压力对燃烧的影响。考虑压力对燃烧的影响。4.2 着火和点火着火和点火1.1.基本理论基本理论着火阶段是燃烧的准备阶段。着火阶段是燃烧的准备阶段。缓慢氧化，不断积聚热量和活性粒子，达缓慢氧
7、化，不断积聚热量和活性粒子，达一定程度，燃料就会着火燃烧。是燃烧的一定程度，燃料就会着火燃烧。是燃烧的一种一种临界现象临界现象.如果所生的热量等于散失的热量或者活化中如果所生的热量等于散失的热量或者活化中心浓度增加的数量正好补偿其销毁的数量，心浓度增加的数量正好补偿其销毁的数量，这一反应过程称为稳定的氧化反应过程。这一反应过程称为稳定的氧化反应过程。如果氧化反应所产生的热量大于散失的热量，如果氧化反应所产生的热量大于散失的热量，或者活化中心浓度增加的数量大于其销毁的或者活化中心浓度增加的数量大于其销毁的数量，这一反应过程称为不稳定的氧化反应数量，这一反应过程称为不稳定的氧化反应过程。过程。由稳
8、定的氧化反应转变为不稳定的氧化反应由稳定的氧化反应转变为不稳定的氧化反应从而引起燃烧的一瞬间，称为从而引起燃烧的一瞬间，称为着火着火。着火机理：着火机理：热力着火热力着火可燃混合物由于自身的氧化反应放热或者由于外可燃混合物由于自身的氧化反应放热或者由于外部热源的加热，使得温度不断升高，导致氧化反部热源的加热，使得温度不断升高，导致氧化反应加快，从而聚积更多的热量，最终导致着火。应加快，从而聚积更多的热量，最终导致着火。链式着火链式着火可燃物反应过程中存在链载体，当链产生的速度可燃物反应过程中存在链载体，当链产生的速度超过其销毁的速度，或者反应本身为支链反应，超过其销毁的速度，或者反应本身为支链
9、反应，由于链载体的大量产生，使反应速度迅速增大，由于链载体的大量产生，使反应速度迅速增大，同时又产生更多的链载体，最终使反应物着火同时又产生更多的链载体，最终使反应物着火.两类着火方式：两类着火方式：自燃自燃缓慢氧化反应基础上，不断积聚热量和缓慢氧化反应基础上，不断积聚热量和活性粒子，温度不断升高，反应速度不活性粒子，温度不断升高，反应速度不断加快，一旦反应生成热量的速率超过断加快，一旦反应生成热量的速率超过散热速率而且不可逆转时，整个容积的散热速率而且不可逆转时，整个容积的可燃混合物就会同时着火，这一过程称可燃混合物就会同时着火，这一过程称为为自燃着火自燃着火。点燃点燃在冷的可燃混合物中，用
10、一个不大的点热在冷的可燃混合物中，用一个不大的点热源，使可燃混合物局部升温并着火燃烧，源，使可燃混合物局部升温并着火燃烧，然后将火焰传播到整个可燃混合物中去，然后将火焰传播到整个可燃混合物中去，这一过程称为这一过程称为点燃点燃，或称为被迫着火，或，或称为被迫着火，或称为强制点火，或简称点火。称为强制点火，或简称点火。实际的燃烧组织中，一般都靠点火使可燃实际的燃烧组织中，一般都靠点火使可燃混合物着火燃烧。混合物着火燃烧。影响可燃混合物的热力着火的因素影响可燃混合物的热力着火的因素:燃料的物理化学性质燃料的物理化学性质系统中的热力条件系统中的热力条件图图4.4 可燃混合物的热力着火过可燃混合物的热
11、力着火过程程 图图4.5 两种平衡状态的分析两种平衡状态的分析 不稳定的不稳定的平衡状态平衡状态稳定平稳定平衡状态衡状态着火温度表示可燃混合物系统化学反应可以自动加速着火温度表示可燃混合物系统化学反应可以自动加速而达到自燃着火的最低温度。而达到自燃着火的最低温度。着火温度并不是可燃物质化学常数或物理常数，但对着火温度并不是可燃物质化学常数或物理常数，但对各种物质的着火温度进行实验测定，并将所测定的着各种物质的着火温度进行实验测定，并将所测定的着火温度数值作为可燃物质的燃烧和爆炸性能的参考性火温度数值作为可燃物质的燃烧和爆炸性能的参考性指标。指标。在相同的测试条件下，不同燃料的着火、在相同的测试
12、条件下，不同燃料的着火、熄火温度不同，而对同一种燃料而言，不熄火温度不同，而对同一种燃料而言，不同的测试条件也会得出不同的着火温度。同的测试条件也会得出不同的着火温度。对煤，反应能力愈强对煤，反应能力愈强(越高，焦炭活化能越越高，焦炭活化能越小小)的煤，其着火温度越低，越容易着火，的煤，其着火温度越低，越容易着火，也越容易燃尽；也越容易燃尽；反之，反应能力越低的煤，例如无烟煤，反之，反应能力越低的煤，例如无烟煤，其着火温度越高，越难于着火和燃尽。其着火温度越高，越难于着火和燃尽。要加快着火，可以加强放热或减少散热。要加快着火，可以加强放热或减少散热。若散热条件不变，可增加可燃混合物的浓度和压若
13、散热条件不变，可增加可燃混合物的浓度和压力，初温，使放热加强；力，初温，使放热加强；若放热条件不变，可增加可燃混合物初温和减少若放热条件不变，可增加可燃混合物初温和减少气流速度、燃烧室保温等减少散热措施来实现。气流速度、燃烧室保温等减少散热措施来实现。点火要求点火源处的火焰能够传至整个可燃混合点火要求点火源处的火焰能够传至整个可燃混合物容积，因此着火条件不仅与点火源的性质有关，物容积，因此着火条件不仅与点火源的性质有关，而且还与火焰的传播条件有关。点火源主要有：而且还与火焰的传播条件有关。点火源主要有：灼热固体颗粒、电热线圈、电火花、小火焰等。灼热固体颗粒、电热线圈、电火花、小火焰等。2.煤粉
14、气流的着火煤粉气流的着火 煤粉空气混合物经燃烧器以射流方式被喷入炉膛后，煤粉空气混合物经燃烧器以射流方式被喷入炉膛后，通过湍流扩散和回流，卷吸周围的高温烟气，同时受通过湍流扩散和回流，卷吸周围的高温烟气，同时受到炉膛四壁及高温火焰的辐射，被迅速加热，当达到到炉膛四壁及高温火焰的辐射，被迅速加热，当达到一定温度后就开始着火。一定温度后就开始着火。煤粉气流的着火温度要比煤的着火温度高一些。煤粉气流的着火温度要比煤的着火温度高一些。煤粉空气混合物较难着火煤粉空气混合物较难着火。希望煤粉气流能在燃烧器喷口附近稳定着火。希望煤粉气流能在燃烧器喷口附近稳定着火。着火过早，可能使燃烧器喷口因过热而被烧坏，也
15、易着火过早，可能使燃烧器喷口因过热而被烧坏，也易使喷口附近结渣；使喷口附近结渣；着火太迟，就会推迟整个燃烧过程，致使煤粉来不及着火太迟，就会推迟整个燃烧过程，致使煤粉来不及烧完就离开炉膛，增大机械不完全燃烧损失，烧完就离开炉膛，增大机械不完全燃烧损失，着火推迟还会使火焰中心上移，造成炉膛出口处的对着火推迟还会使火焰中心上移，造成炉膛出口处的对流受热面结渣。流受热面结渣。为将煤粉气流更快地加热到煤粉颗粒的着火温度，一为将煤粉气流更快地加热到煤粉颗粒的着火温度，一般并不是将煤粉燃烧所需的全部空气都与煤粉混合来般并不是将煤粉燃烧所需的全部空气都与煤粉混合来输送煤粉，而只是用其中一部分来输送煤粉。输送
16、煤粉，而只是用其中一部分来输送煤粉。这部分空气称为这部分空气称为一次风一次风，其余的空气称为，其余的空气称为二次风二次风和和三三次风次风。煤粉气流着火后就开始燃烧，形成火炬，着火以前是煤粉气流着火后就开始燃烧，形成火炬，着火以前是吸热阶段，需要吸收一定的热量来提高煤粉气流的温吸热阶段，需要吸收一定的热量来提高煤粉气流的温度，着火以后才是放热过程。度，着火以后才是放热过程。将煤粉气流加热到着火温度所需的热量称为将煤粉气流加热到着火温度所需的热量称为着火热着火热。它包括加热煤粉及空气它包括加热煤粉及空气(一次风一次风)，并使煤粉中水分蒸，并使煤粉中水分蒸发、过热所需要的热量。发、过热所需要的热量。
17、着火热主要有着火热主要有两个来源两个来源：煤粉气流卷吸回来的高温煤粉气流卷吸回来的高温回流回流烟气烟气(包括内回流及包括内回流及外回流外回流)，这部分热烟气和新喷入的煤粉空气强烈混，这部分热烟气和新喷入的煤粉空气强烈混合，将热量以对流方式迅速传递给新燃料；合，将热量以对流方式迅速传递给新燃料；高温火焰及炉壁对煤粉气流的高温火焰及炉壁对煤粉气流的辐射辐射加热。加热。(a)在相同加热时间下，对在相同加热时间下，对流加热所得煤粉温度比辐流加热所得煤粉温度比辐射加热时高得多。因此，射加热时高得多。因此，高温回流烟气是煤粉气流高温回流烟气是煤粉气流着火的主要热源。着火的主要热源。(b)在相同加热方式下，
18、细在相同加热方式下，细颗粒煤粉的温升速度比粗颗粒煤粉的温升速度比粗颗粒大得多，即细煤粉先颗粒大得多，即细煤粉先达到着火温度，因此，煤达到着火温度，因此，煤粉愈细愈容易着火。粉愈细愈容易着火。图图4.6 不同加热方式时煤粉颗粒的不同加热方式时煤粉颗粒的温升与加热时间的关系曲线。温升与加热时间的关系曲线。1一对流加热曲线；一对流加热曲线；2一辐射加热曲线；一辐射加热曲线；3一考虑向周围介质散热时的曲线一考虑向周围介质散热时的曲线可见可见:着火热随着火热随燃燃料性质料性质(挥发分，挥发分，水分、灰分、煤水分、灰分、煤粉细度粉细度)和和运行工运行工况况(煤粉气流初温、煤粉气流初温、一次风率和风速一次风
19、率和风速)的变化而变化，的变化而变化，也与也与燃烧器燃烧器结构结构特性及特性及锅炉负荷锅炉负荷等有关。等有关。(展开讨展开讨论论)4.3 煤、焦炭和煤粉的燃烧煤、焦炭和煤粉的燃烧1.煤燃烧过程的煤燃烧过程的四个阶段四个阶段（1）预热干燥预热干燥阶段。煤受热升温后，煤中水分蒸发阶段。煤受热升温后，煤中水分蒸发出来。燃料要吸收热量。出来。燃料要吸收热量。（2）挥发分析出挥发分析出并着火阶段。挥发分一旦析出，会并着火阶段。挥发分一旦析出，会马上着火。马上着火。（3）燃烧燃烧阶段。包括挥发分和焦炭的燃烧。阶段。包括挥发分和焦炭的燃烧。（4）燃尽燃尽阶段。这个阶段主要是残余焦炭的最后燃阶段。这个阶段主要
20、是残余焦炭的最后燃尽，成为灰渣。尽，成为灰渣。实际燃烧过程中，各个阶段是实际燃烧过程中，各个阶段是交错交错进行的。进行的。2.碳的燃烧反应碳的燃烧反应 煤煤的燃烧主要是的燃烧主要是碳碳的燃烧。但的燃烧。但碳的燃烧和气化的反应很碳的燃烧和气化的反应很复杂复杂。存在多种理论。存在多种理论。3.碳的多相燃烧特点碳的多相燃烧特点碳的燃烧反应是多相燃烧反应。碳的燃烧反应是多相燃烧反应。由于燃料与氧化剂的相态不同，在碳表面上发生的多相由于燃料与氧化剂的相态不同，在碳表面上发生的多相反应由几个连续的阶段组成：反应由几个连续的阶段组成：(1)参与燃烧反应的气体分子参与燃烧反应的气体分子(氧氧)向碳粒表面的转移
21、与扩向碳粒表面的转移与扩散；散；(2)气体分子气体分子(氧氧)被吸附在碳粒表面上；被吸附在碳粒表面上；(3)被吸附的气体分子被吸附的气体分子(氧氧)在碳表面上发生化学反应生成在碳表面上发生化学反应生成燃烧产物；燃烧产物；(4)燃烧产物从碳表面上解吸附；燃烧产物从碳表面上解吸附；(5)燃烧产物离开碳表面，扩散到周围环境中。燃烧产物离开碳表面，扩散到周围环境中。燃烧反应的这五个阶段是连续进行的，任何一个燃烧反应的这五个阶段是连续进行的，任何一个环节都会影响全局。反应过程中最慢的那个阶段，环节都会影响全局。反应过程中最慢的那个阶段，决定了燃烧反应的速度。决定了燃烧反应的速度。其中，吸附阶段其中，吸附
22、阶段(2)和解吸附阶段和解吸附阶段(4)进行得最快，进行得最快，燃烧产物离开碳表面、扩散出去的阶段燃烧产物离开碳表面、扩散出去的阶段(5)也较快，也较快，比较慢而最主要的是氧向碳粒表面的转移扩散阶比较慢而最主要的是氧向碳粒表面的转移扩散阶段段(1)和氧在碳表面发生化学反应的阶段和氧在碳表面发生化学反应的阶段(3)这两这两个阶段。个阶段。因此，碳的多相燃烧速度既决定于氧向碳粒表面因此，碳的多相燃烧速度既决定于氧向碳粒表面的转移扩散速度，也决定于氧与碳粒的化学反应的转移扩散速度，也决定于氧与碳粒的化学反应速度，而且最终决定于其中速度最慢的一个。速度，而且最终决定于其中速度最慢的一个。4.多相燃烧反
23、应的燃烧区域多相燃烧反应的燃烧区域根据燃烧条件的不同，可以将多相燃烧分成三种燃烧根据燃烧条件的不同，可以将多相燃烧分成三种燃烧区域（工况），即：区域（工况），即：动力燃烧区域、扩散燃烧区域和过渡燃烧区域。动力燃烧区域、扩散燃烧区域和过渡燃烧区域。当燃烧反应的温度不高时，化学反应速度不快，此时当燃烧反应的温度不高时，化学反应速度不快，此时氧的供应速度远大于化学反应中氧的消耗速度，亦即氧的供应速度远大于化学反应中氧的消耗速度，亦即扩散能力远大于化学反应能力。这时燃烧工况所处区扩散能力远大于化学反应能力。这时燃烧工况所处区域称为动力燃烧区域。域称为动力燃烧区域。动力燃烧区域发生在低温区，在此区域内，
24、提升温度动力燃烧区域发生在低温区，在此区域内，提升温度是强化燃烧反应的有效措施。是强化燃烧反应的有效措施。如果燃烧反应的温度已经很高，化学反应能力远大如果燃烧反应的温度已经很高，化学反应能力远大于扩散能力，这时的燃烧区域称为扩散燃烧区域。于扩散能力，这时的燃烧区域称为扩散燃烧区域。在扩散燃烧区域，要强化燃烧，就必须加大风速，在扩散燃烧区域，要强化燃烧，就必须加大风速，加强碳粒与氧的扰动混合。加强碳粒与氧的扰动混合。在动力燃烧与扩散燃烧区域之间还有一个过渡燃烧在动力燃烧与扩散燃烧区域之间还有一个过渡燃烧区域，在过渡燃烧区域内，氧的扩散速度和碳粒的区域，在过渡燃烧区域内，氧的扩散速度和碳粒的化学反
25、应速度较为接近化学反应速度较为接近 燃烧过程在过渡燃烧区域的燃烧反应速度，将同时燃烧过程在过渡燃烧区域的燃烧反应速度，将同时取决于化学反应速度和扩散速度，两者的作用都不取决于化学反应速度和扩散速度，两者的作用都不能忽略。要强化这个区域的燃烧，提高温度和强化能忽略。要强化这个区域的燃烧，提高温度和强化碳粒与氧的扰动混合，同样都是重要的措施。碳粒与氧的扰动混合，同样都是重要的措施。5.煤与煤粉的燃烧特点煤与煤粉的燃烧特点（1）煤的燃烧特点）煤的燃烧特点 煤中含有水分，在煤的燃烧过程中，煤中含有水分，在煤的燃烧过程中，在固体表面的催化作用下，水蒸气在固体表面的催化作用下，水蒸气很易和很易和C的燃烧产
26、物的燃烧产物CO作用，生成作用，生成CO2和和H2，H2再与再与CO或或CO2反应，反应，其反应式为其反应式为CO+H2OCO2+H2 2CO+H2CO2+CH4 CO+3H2H2O+CH4 CO2+4H22 H2O+CH4 2 COCO2+C 催化作用不但使燃烧反应更加复杂，而且必须会使煤的燃烧反催化作用不但使燃烧反应更加复杂，而且必须会使煤的燃烧反应速度变化。应速度变化。煤在燃烧过程中可能分解挥发出游离的氢，氢的燃烧是分支煤在燃烧过程中可能分解挥发出游离的氢，氢的燃烧是分支链锁反应，会使燃烧速度进一步加快。链锁反应，会使燃烧速度进一步加快。煤在燃烧过程中，会因受热分解而析出挥发分，研究表明
27、，煤在燃烧过程中，会因受热分解而析出挥发分，研究表明，挥发分的析出和燃烧，几乎是和焦炭的燃烧是并行的。也就是挥发分的析出和燃烧，几乎是和焦炭的燃烧是并行的。也就是说，挥发分的析出和燃烧，几乎延续到煤粒燃烧的最后阶段。说，挥发分的析出和燃烧，几乎延续到煤粒燃烧的最后阶段。挥发分的存在和析出，对煤粒的燃烧速度有较大的影响。挥发分的存在和析出，对煤粒的燃烧速度有较大的影响。煤粒中有矿物杂质，在燃烧过程会生成煤粒中有矿物杂质，在燃烧过程会生成灰，灰会附在碳粒表面，形成灰层包裹灰，灰会附在碳粒表面，形成灰层包裹着碳粒。着碳粒。灰层会妨碍氧向碳粒表面的扩散，或者灰层会妨碍氧向碳粒表面的扩散，或者使碳粒的外
28、部反应表面减少，因而使燃使碳粒的外部反应表面减少，因而使燃烧速度受到影响，碳的燃尽就较困难。烧速度受到影响，碳的燃尽就较困难。（2）煤粉的燃烧特点）煤粉的燃烧特点除具有煤粒和碳粒的燃烧特点外，还有其他一些特除具有煤粒和碳粒的燃烧特点外，还有其他一些特点。点。现代煤粉炉的颗粒很小，一般为现代煤粉炉的颗粒很小，一般为30100m，炉膛炉膛温度又很高，煤粉在炉膛中的加热速度可以达到温度又很高，煤粉在炉膛中的加热速度可以达到(0.51)104s，仅以仅以0.10.2s的时间就迅速达的时间就迅速达到炉内的温度水平到炉内的温度水平1500。现代的煤粉炉内，细小的煤粉快速加热时，挥发分现代的煤粉炉内，细小的
29、煤粉快速加热时，挥发分析出、着火和碳的着火燃烧几乎是同时的，甚至可析出、着火和碳的着火燃烧几乎是同时的，甚至可能是极小的煤粒首先着火燃烧，然后才是挥发分的能是极小的煤粒首先着火燃烧，然后才是挥发分的热分解析出和着火燃烧。热分解析出和着火燃烧。4.4 油质燃料及气体燃料的燃烧油质燃料及气体燃料的燃烧 1.1.油的燃烧油的燃烧油的燃烧方式可分为两类：预蒸发型；喷雾型。油的燃烧方式可分为两类：预蒸发型；喷雾型。预蒸发型：使燃料在进入燃烧室间之前先蒸发为油蒸气，然后预蒸发型：使燃料在进入燃烧室间之前先蒸发为油蒸气，然后以不同比例与空气混合后进入燃烧室中燃烧。例如，汽油机装以不同比例与空气混合后进入燃烧
30、室中燃烧。例如，汽油机装有汽化器，燃气轮机的燃烧室装有蒸发管等。这种燃烧方式与有汽化器，燃气轮机的燃烧室装有蒸发管等。这种燃烧方式与均相气体燃料的燃烧原理相同。均相气体燃料的燃烧原理相同。喷雾型：将液体燃料通过喷雾器雾化成一股由微小油滴喷雾型：将液体燃料通过喷雾器雾化成一股由微小油滴(约约5050200200m)m)组成组成的雾化锥气流。在雾化的油滴周围存在空气，当雾的雾化锥气流。在雾化的油滴周围存在空气，当雾化锥气流在燃烧室被加热，油滴边蒸发、边混合、边燃烧。由化锥气流在燃烧室被加热，油滴边蒸发、边混合、边燃烧。由于油的沸点比着火温度低，故不会直接在液滴表面形成燃烧的于油的沸点比着火温度低，
31、故不会直接在液滴表面形成燃烧的火焰，而是蒸发的油蒸气离开油滴表面扩散并与空气混合燃烧，火焰，而是蒸发的油蒸气离开油滴表面扩散并与空气混合燃烧，因此，火焰面离开油滴表面有一定的距离。因此，火焰面离开油滴表面有一定的距离。锅炉中的燃烧一般都采用喷雾型燃烧方式。锅炉中的燃烧一般都采用喷雾型燃烧方式。为了使油蒸气尽快着火和燃烧，必须使油蒸气为了使油蒸气尽快着火和燃烧，必须使油蒸气与空气迅速混合。为了使喷嘴出口的雾化与空气迅速混合。为了使喷嘴出口的雾化气流气流易于着火，还常应用旋转气流以便在中心形成易于着火，还常应用旋转气流以便在中心形成回流区，使高温热烟气回流至火焰根部加热雾回流区，使高温热烟气回流至
32、火焰根部加热雾化气流，使之着火、燃烧。化气流，使之着火、燃烧。2.气体燃料的燃烧气体燃料的燃烧（1）燃烧方法燃烧方法灰分极少，燃烧属气相反应，其着火和燃烧容灰分极少，燃烧属气相反应，其着火和燃烧容易得多。易得多。燃气的燃烧速度和燃烧的完全程度主要取决于燃气的燃烧速度和燃烧的完全程度主要取决于燃气与空气的混合。燃气与空气的混合。按照燃气和空气是否在着火前进行预混合，可按照燃气和空气是否在着火前进行预混合，可将燃气的燃烧方法分为将燃气的燃烧方法分为扩散式燃烧、大气式燃烧和无焰式燃烧。扩散式燃烧、大气式燃烧和无焰式燃烧。（a）扩散式燃烧扩散式燃烧 指燃气和空气事先不混合而进行的燃烧。指燃气和空气事先
33、不混合而进行的燃烧。燃烧所需的氧气依靠扩散用从周围大气获得。燃烧所需的氧气依靠扩散用从周围大气获得。层流状态下，扩散燃烧依靠分子扩散作用使周围氧气层流状态下，扩散燃烧依靠分子扩散作用使周围氧气进入燃烧区；紊流状态下，则依靠紊流扩散作用来获进入燃烧区；紊流状态下，则依靠紊流扩散作用来获得燃烧所需的氧气。得燃烧所需的氧气。由于分子扩散进行得比较缓慢，因此层流扩散燃烧的由于分子扩散进行得比较缓慢，因此层流扩散燃烧的速度取决于氧气的扩散速度。这时燃烧化学反应进行速度取决于氧气的扩散速度。这时燃烧化学反应进行得很快，因而火焰面厚度很小。紊流扩散可使燃烧过得很快，因而火焰面厚度很小。紊流扩散可使燃烧过程得
34、到强化，火焰长度相应缩短。程得到强化，火焰长度相应缩短。（b）大气式燃烧大气式燃烧 燃气与燃烧所需的部分空气预混合后所进行的燃气与燃烧所需的部分空气预混合后所进行的燃烧。燃烧。其一次空气率一般为其一次空气率一般为0.50.6。这种预混的燃烧方法由。这种预混的燃烧方法由本生在本生在1855年发明，称为本生燃烧器年发明，称为本生燃烧器(或本生灯或本生灯)。它能从周围大气中吸入一些空气与燃气预混，在燃烧它能从周围大气中吸入一些空气与燃气预混，在燃烧时出现一种不发光的蓝色火焰。这种燃烧器的出现使时出现一种不发光的蓝色火焰。这种燃烧器的出现使燃烧，技术起了一个很大的变化。扩散火焰易产煤烟，燃烧，技术起了
35、一个很大的变化。扩散火焰易产煤烟，燃烧温度也相当低。但当预先混入一部分燃烧所需空燃烧温度也相当低。但当预先混入一部分燃烧所需空气后，火焰就变得清洁，燃烧得以强化，火焰温度也气后，火焰就变得清洁，燃烧得以强化，火焰温度也有所提高。因此本生式燃烧得到了广泛应用。有所提高。因此本生式燃烧得到了广泛应用。（c）无焰式燃烧）无焰式燃烧 指在燃烧前燃气与空气实现全部预混。指在燃烧前燃气与空气实现全部预混。混合所需的时间为零，燃烧在动力区进行。混合所需的时间为零，燃烧在动力区进行。无焰燃烧需要有燃烧火道作为燃烧的场所，无焰燃烧需要有燃烧火道作为燃烧的场所，用以稳定和强化燃烧过程。用以稳定和强化燃烧过程。无焰
36、燃烧时，燃烧速度高，燃烧强度大，其无焰燃烧时，燃烧速度高，燃烧强度大，其容积热负荷可为扩散式燃烧的数百倍，而且容积热负荷可为扩散式燃烧的数百倍，而且燃烧完全，没有火焰产生。燃烧完全，没有火焰产生。（2）稳定燃烧的范围）稳定燃烧的范围气体燃料燃烧时，着火处形成了火焰面。气体燃料燃烧时，着火处形成了火焰面。火焰面之后是高温的燃烧产物，之前是未燃的可燃火焰面之后是高温的燃烧产物，之前是未燃的可燃混合物。混合物。火焰面前后有很大的温度梯度，热量向前传播，使火焰面前后有很大的温度梯度，热量向前传播，使邻近的未燃气层温度升高，达到着火温度以后就形邻近的未燃气层温度升高，达到着火温度以后就形成新的燃烧面。成
37、新的燃烧面。火焰面不断向未燃气体方向传播的过程称火焰面不断向未燃气体方向传播的过程称火焰传播火焰传播。垂直于火焰面的传播速度称为法向垂直于火焰面的传播速度称为法向火焰传播速度火焰传播速度。气体混合物的流速在火焰面法线方向的分量高于火焰传播速度气体混合物的流速在火焰面法线方向的分量高于火焰传播速度时，火焰不断地远离燃烧器火孔，到一定距离之后就完全熄灭，时，火焰不断地远离燃烧器火孔，到一定距离之后就完全熄灭，这种现象称为这种现象称为脱火脱火。脱火后不仅锅炉不能正常工作，而且炉膛内会积聚有毒和爆炸脱火后不仅锅炉不能正常工作，而且炉膛内会积聚有毒和爆炸性气体，从而可能引起爆炸或其他事故，这是燃烧过程所
38、不允性气体，从而可能引起爆炸或其他事故，这是燃烧过程所不允许的。许的。脱火极限脱火极限(引起脱火的最低气速引起脱火的最低气速)是燃烧器的一个重要指标。是燃烧器的一个重要指标。气体混合物的流速在火焰面法线方向的分量低于火焰传播速度气体混合物的流速在火焰面法线方向的分量低于火焰传播速度时，火焰会沿着燃烧器混合管道逆向往回燃烧，火焰缩到燃烧时，火焰会沿着燃烧器混合管道逆向往回燃烧，火焰缩到燃烧器内部，这种现象称为器内部，这种现象称为回火回火。回火可能烧坏燃烧器和发生其他事故。引起回火的最高气流速回火可能烧坏燃烧器和发生其他事故。引起回火的最高气流速度称谓回火极限。度称谓回火极限。脱火极限和回火极限之
39、间为脱火极限和回火极限之间为稳定燃烧范围稳定燃烧范围，凡处于脱火极限和，凡处于脱火极限和回火极限之间的气流速度值都能保证稳定燃烧。回火极限之间的气流速度值都能保证稳定燃烧。脱火极限、回火极限的数值与燃气性质、一次空气率，脱火极限、回火极限的数值与燃气性质、一次空气率，燃烧器出口孔径、炉内压力和温度等因素有关。燃烧器出口孔径、炉内压力和温度等因素有关。一次空气量减小时，稳定燃烧的范围扩大。但一次空一次空气量减小时，稳定燃烧的范围扩大。但一次空气率过小时，发生黄色火焰的可能性增大。气率过小时，发生黄色火焰的可能性增大。当一次空气率增大到某一定值时，回火的可能性最大。当一次空气率增大到某一定值时，回
40、火的可能性最大。减小火孔尺寸，有助于扩大稳定燃烧的范围。减小火孔尺寸，有助于扩大稳定燃烧的范围。从燃烧的稳定性来看，扩散燃烧具有最好的性能。随从燃烧的稳定性来看，扩散燃烧具有最好的性能。随着预混程度的增加，稳定燃烧的范围缩小。着预混程度的增加，稳定燃烧的范围缩小。为了提高燃烧的稳定性，在大容量锅炉中燃用高热值为了提高燃烧的稳定性，在大容量锅炉中燃用高热值的天然气时，大多采用预混程度较低的扩散燃烧方式的天然气时，大多采用预混程度较低的扩散燃烧方式,此时，燃烧工况可以人为地进行调节。此时，燃烧工况可以人为地进行调节。4.5 燃烧完全的条件燃烧完全的条件良好燃烧的标志就是接近完全燃烧的程度良好燃烧的
41、标志就是接近完全燃烧的程度 ，也就是在炉内不结渣的前提下，燃烧速度快而也就是在炉内不结渣的前提下，燃烧速度快而且燃烧完全，得到最高的燃烧效率。且燃烧完全，得到最高的燃烧效率。燃烧效率可用下式表示：燃烧效率可用下式表示：为了完全燃烧，需要：为了完全燃烧，需要：（1）供应充足而又适量的空气）供应充足而又适量的空气 这是燃料完全燃烧的必要条件。空气量常用过量空这是燃料完全燃烧的必要条件。空气量常用过量空气系数来表示。气系数来表示。（2）适当高的炉内温度）适当高的炉内温度炉温高，着火快，燃烧速度快，燃烧易于趋向完全。炉温高，着火快，燃烧速度快，燃烧易于趋向完全。但过分地提高炉温也是不可取的。但过分地提
42、高炉温也是不可取的。（3）空气和煤粉的良好扰动和混合）空气和煤粉的良好扰动和混合（4）在炉内要有足够的停留时间）在炉内要有足够的停留时间4.6 燃烧质量的评价燃烧质量的评价评价燃烧质量的要素是燃烧评价燃烧质量的要素是燃烧稳定性稳定性、防结渣性防结渣性和和经济性经济性。稳定性和防结渣性合称为稳定性和防结渣性合称为燃烧可靠性燃烧可靠性，锅炉燃烧，锅炉燃烧首先要保证可靠性。首先要保证可靠性。锅炉运行时炉膛不应发生压力波动、熄火、爆锅炉运行时炉膛不应发生压力波动、熄火、爆燃等现象，并要保证满负荷、低负荷及快速变燃等现象，并要保证满负荷、低负荷及快速变负荷时的燃烧稳定性。负荷时的燃烧稳定性。煤粉锅炉无油
43、助燃的低负荷极限在一定程度上煤粉锅炉无油助燃的低负荷极限在一定程度上可作为判断燃烧稳定性的指标。可作为判断燃烧稳定性的指标。目前燃用优质烟煤的老型煤粉锅炉其无油助燃目前燃用优质烟煤的老型煤粉锅炉其无油助燃负荷可达额定负荷的负荷可达额定负荷的50506060；而新型大容；而新型大容量锅炉可达额定负荷的量锅炉可达额定负荷的25253030。锅炉运行时要防止在炉膛及屏式过热器区受热锅炉运行时要防止在炉膛及屏式过热器区受热面上产生严重的结渣、沾污等现象。面上产生严重的结渣、沾污等现象。燃料特性以及燃烧设备结构性能和运行方式等燃料特性以及燃烧设备结构性能和运行方式等对防止结渣都有影响。对防止结渣都有影响
44、。安全可靠的吹灰手段和除渣能力是减轻结渣危安全可靠的吹灰手段和除渣能力是减轻结渣危害的有力措施。害的有力措施。经济性用锅炉运行时的燃烧效率以及锅炉效率经济性用锅炉运行时的燃烧效率以及锅炉效率来表征。来表征。在考虑上述经济性的同时要考虑发电成本和厂在考虑上述经济性的同时要考虑发电成本和厂用电率，以便综合经济分析。用电率，以便综合经济分析。对整个电厂的经济性来说，则用发电煤耗率和对整个电厂的经济性来说，则用发电煤耗率和供电煤耗率来衡量。供电煤耗率来衡量。4.7 燃烧的方式燃烧的方式两种含义：两种含义：（1）燃烧火焰的组织方式；）燃烧火焰的组织方式；（2）燃料与氧气（空气）的相对运动方式。）燃料与氧
45、气（空气）的相对运动方式。1.火焰的类型火焰的类型按反应物所处形态，有均相与非均相燃烧。按反应物所处形态，有均相与非均相燃烧。气体燃烧是均相，液体与固体属非均相。气体燃烧是均相，液体与固体属非均相。均相燃烧的两个基本过程：燃料与氧化剂分子进行均相燃烧的两个基本过程：燃料与氧化剂分子进行质量交换的扩散及混合物发生反应。前者是物理过程，质量交换的扩散及混合物发生反应。前者是物理过程，后者是化学过程。后者是化学过程。如果物理过程长，燃烧时间主要取决于扩散时间，如果物理过程长，燃烧时间主要取决于扩散时间，这种燃烧就称为这种燃烧就称为“扩散燃烧扩散燃烧”，反之，如果燃烧时间，反之，如果燃烧时间主要取决于
46、化学反应速率主要取决于化学反应速率(化学动力学因素化学动力学因素)，则燃烧就，则燃烧就称为称为“动力燃烧动力燃烧”。工业燃烧着的气流即为火焰。工业燃烧着的气流即为火焰。根据气流状态，有层流火焰与紊流火焰。根据气流状态，有层流火焰与紊流火焰。作为第二级特征的流动状态不会改变燃烧类型，作为第二级特征的流动状态不会改变燃烧类型，因此扩散燃烧和预混燃烧都可分别出现两种火焰，因此扩散燃烧和预混燃烧都可分别出现两种火焰，于是共有四种火焰形式：预混层流火焰，预混紊于是共有四种火焰形式：预混层流火焰，预混紊流火焰，层流扩散火焰和紊流扩散火焰。流火焰，层流扩散火焰和紊流扩散火焰。非均相燃烧可视作在均相燃烧基础上
47、有更多物理、非均相燃烧可视作在均相燃烧基础上有更多物理、化学变化的燃烧现象，情况更复杂。但在类型特化学变化的燃烧现象，情况更复杂。但在类型特征上它们属扩散燃烧，并且主要为紊流扩散燃烧。征上它们属扩散燃烧，并且主要为紊流扩散燃烧。(a)固定床；固定床；(b)流动床；流动床；(c)鼓泡床；鼓泡床；(d)湍流床；湍流床；(e)快速床；快速床；(f)喷流床喷流床2床层的几种状态床层的几种状态固定床：床料高度未发生明显的变化。固定床：床料高度未发生明显的变化。流动床：料层高度发生变化，未产生大量的气泡，扰动并不强烈。流动床：料层高度发生变化，未产生大量的气泡，扰动并不强烈。鼓泡床：床内大量气泡，不断上移
48、，小气泡聚集成较大气泡穿过料层并破裂，两相混合鼓泡床：床内大量气泡，不断上移，小气泡聚集成较大气泡穿过料层并破裂，两相混合强烈，与水被加热沸腾时的情况相似。但料层还可看到比较清晰的界面。强烈，与水被加热沸腾时的情况相似。但料层还可看到比较清晰的界面。湍流床：床料内气泡消去，看不清料层界面，但床内仍存在一个密相区和稀相区。湍流床：床料内气泡消去，看不清料层界面，但床内仍存在一个密相区和稀相区。快速床：床料上下浓度更趋于一致，但细小的床料颗粒将聚成一个个小颗粒团上移，在快速床：床料上下浓度更趋于一致，但细小的床料颗粒将聚成一个个小颗粒团上移，在上移过程中有时小颗粒团聚集成较大粒团，较大粒团一般沿流动方向呈条状。上移过程中有时小颗粒团聚集成较大粒团，较大粒团一般沿流动方向呈条状。喷流床：空气速度再增加时，床料将均匀地、快速地全部喷出床外，也称做气力输送。喷流床：空气速度再增加时，床料将均匀地、快速地全部喷出床外，也称做气力输送。流动床、鼓泡床、湍流床、快速床都可称为流化床。流动床、鼓泡床、湍流床、快速床都可称为流化床。
