知识点：

①影响燃烧反应的因素

②着火与燃烧机理

③碳的多相燃烧

④煤粉气流着火

微课视频：

 

视频讲义：

 1. 所谓燃烧，本质上就是燃料中的可燃物与氧气发生的伴随发光发热的剧烈的化学反应，由于燃烧本质是一种化学反应，因此我们可以从分析化学反应的影响因素入手来理解影响燃烧反应的因素。燃烧化学反应是以燃料和氧化剂作为反应物生成燃烧产物的过程，该反应以正向氧化过程为主，但也存在一定量的逆向还原反应。影响燃烧化学反应的因素首先是反应物浓度，其反应速度与浓度的关系可以用质量作用定律来描述。一般来说，反应物浓度的增加是有利于提升正向氧化反应速度的。第二个影响燃烧反应的因素是温度，温度与燃烧反应速度的定量关系可以用阿累尼乌斯定律来进行描述，一般来说，燃烧反应速度是随着温度的增加而增加的。第三个影响燃烧反应的因素是催化剂，催化剂在燃烧反应中改变了中间反应过程，从而改变了化学反应的速度，但其本身不改变平衡态，且本身化学性质在反应前后保持不变。我们以NO对SO2燃烧反应的催化过程为例，由于NO参与了中间的氧化过程生成NO2，再参与还原过程还原为NO，尽管反应前后NO的量未发生改变，但中间反应过程及反应生成物均不同于SO2的直接氧化，因此其反应速度将显著改变。第四个影响因素取决于燃烧反应过程中是否有链锁反应过程，链锁反应又分为直链反应和分支连锁反应，一般来说，存在连锁反应有利于加速燃烧化学反应的进行过程。最后，燃烧化学反应所处的环境压力也会对其反应速度产生影响，基于道尔顿定律，反应物在系统中的分压力可以通过其体积分数求得，并根据克拉贝龙方程通过分压力求得反应物浓度，因此压力对燃烧反应速度的影响实际上是通过影响反应物浓度来实现的。

2. 着火现象发生在燃烧现象之前，是燃烧的准备阶段。常见的着火方式包括自燃着火和强迫着火两种，前者也称为自燃，后者称为点燃或点火。着火的机理一般包括两种，第一种是热力着火机理，即利用外部热源加热，使反应混合气达到一定的温度，化学反应所释放出的热量大于反应容器所散失的热量，从而使混合气的温度升高，相互促进，导致极快的反应速率而达到着火；另一种是链式着火机理，即链的分支反应使活化中心迅速增殖，从而使反应速率剧烈升高而导致着火。着火反应一般包括两个特征，其一是具有一定的着火温度，其二是在着火温度达到之前有一个感应期，也称为着火延迟期。以煤粒燃烧为例，整个过程分为四个阶段，第一阶段是预热干燥阶段，此时煤粒中水分充分析出，煤粒整体温度上升；第二阶段是挥发分析出并着火阶段；第三阶段是燃烧阶段，此时煤粒的燃烧化学反应速度较快，可燃物与助燃剂充分混合燃烧，释放大量的热能；第四阶段是燃尽阶段，此时煤种未燃碳因被煤灰包裹，其与空气接触较为困难，燃烧化学反应速度慢耗时很长。需要指出的是，对于入炉煤整体而言，上述的各阶段是交错进行的，干燥着火是燃烧的前提，而充分燃尽则是目的，由此可见，要使燃烧完全，必须实现迅速而稳定的着火，燃烧和燃尽阶段才可能进行，燃烧效率才有可能提高。

3. 在煤的燃烧过程中，固定碳颗粒的燃烧是最主要的部分，其燃烧机理较为复杂，有单膜层理论，双膜层理论等不同的理论流派，其一次燃烧产物包括CO,CO2等，其中CO向外扩散可进一步氧化，而CO2除向外扩散之外，也可能向碳核方向扩散进而被还原为CO，若在燃烧过程中有水蒸气的催化作用，其中间燃烧产物也可能包含氢气等，总而言之碳粒的燃烧本质上是一个多相燃烧过程，除助燃的O2和充分燃烧产物CO2本身为气态之外，在碳粒表面也可能存在着气相的一次气化产物CO或氢气等气相还原产物，碳的多相燃烧反应根据燃烧条件的不同，可以分为动力燃烧区、扩散燃烧区和过渡燃烧区。动力燃烧区是指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，亦即扩散能力远大于化学反应能力，因此在动力燃烧区内提升温度是强化燃烧反应的有效措施。扩散燃烧区域是指燃烧反应的温度已经很高，化学反应能力远大于扩散能力，此时燃烧速度取决于燃料与助燃剂的扩散混合速度，因此在扩散燃烧区内加大风速，加强碳粒与氧的混合，可以强化燃烧。而过渡燃烧区域则位于动力燃烧区与扩散燃烧区之间，在此区间，化学反应速度和反应物扩散速度共同决定燃烧反应速度。

4. 煤粉的燃烧具有煤粒和炭粒的燃烧特点，并且由于颗粒很小，炉膛温度很高，煤粉的加热速度可以达到0.5～1× 104℃/s，0.1～0.2s就达到1500℃，因此在现代电厂煤粉炉中细小煤粉着火/燃烧等过程几乎是同时的，甚至可能是极小的煤粒首先着火燃烧，然后才是挥发分的热解析出和着火燃烧。而要将喷射入炉膛内的煤粉气流引燃，则需要将煤粉气流加热到着火温度，这个过程所消耗的热量称为着火热。着火热用于加热煤粉和空气、水分蒸发和过热，其来源主要是煤粉气流卷吸高温回流烟气、高温火焰以及炉壁辐射提供的。影响煤粉气流着火的因素则包括：1）燃料的性质；2）炉内散热条件3）一次风量和一次风速；4）煤粉气流初温等几个条件。煤粉的最终燃烧效果我们常用燃烧效率来表示，其值等于百分之百减去固体和气体不完全燃烧热损失份额。为了提升煤粉的燃烧效率，尽可能使之完全燃烧，应当满足以下四个条件，分别是：1)供应合适与充足的空气量；2)维持适当高的炉膛温度；3)空气和煤粉气流在炉膛内有良好扰动和混合；4)保证煤粉在炉内有足够的停留时间。

除燃用煤粉外，有时候我们也会遇到燃油或者燃气的情况，对于燃油锅炉而言，先将燃油雾化为极小的油滴再喷射入炉膛燃烧的方式最为常见，整个燃烧过程可分为雾化、蒸发、“油气”与空气混合、着火燃烧等四个阶段；而燃气锅炉则根据其入炉前是否与空气进行充分混合而分为预混式燃烧，部分预混式燃烧，以及扩散式燃烧，前两种方式均指燃气与空气在入炉前有充分或部分的混合，而扩散式燃烧则表明燃气是在空气中首先扩散再着火燃烧的。