第4章 煤的燃烧理论分解
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《煤炭燃烧》PPT课件
（四）煤和空气的混合 具备煤和空气只是燃烧的必要条件，但还不充分。二者 必须充分接触和混合，才能保证煤完全燃烧。层燃炉的缺点 是煤和空气不能充分混合。块煤在燃烧过程中，外表面会形 成一定厚度的灰层，阻碍了空气和内层煤可燃质的接触，使 煤很难燃烧完全。另一方面，其燃烧产物（RO2、CO等）一 般因结构关系亦不能及时离开煤表面，这也阻挡周围空气与 煤继续接触，影响完全燃烧。这是层燃炉固体不完全燃烧热 损失较高的原因。解决这类问题的办法是对层燃炉加强拨火、 提高风速，促进燃烧产物的分离和煤块表面灰层的脱落。
（五）燃烧时间 足够的燃烧时间是保证煤燃尽的必要条件 之一。任何燃烧均需要有一定的时间，否则 就不能燃烧完全。实际操作中，足够的时间 往往是用足够的燃烧空间来实现的。例如煤 粉悬
第二节 煤炭燃烧方式
• 根据煤在燃烧过程中的运动状态，将其燃 烧方式分为三种：层状燃烧、悬浮燃烧和 流态化燃烧
• 当空气自下而上通过燃料层时，如果风速 不同，会出现三种不同的床层状态：（1） 固定床；（2）流态化；（3）气力输送状 态。
三）氧化剂（空气量）
一定量的煤燃烧需要一定量的空气。空气量不够， 会使有些可燃物得不到氧气而燃烧不完全。反之，过量 则造成排烟热损失增加。理论所需空气量可由化学计量 法得到。理论上，所供空气中的氧应与煤中可燃质按化 学方程式恰好完全反应。计算中取气体标准状态，认为 所有的气体都与理想气体一样。煤中可燃质分别按C、H、 S进行考虑，同时考虑N不参与燃烧，煤中O的存在使得 空气用量减少。由此计算理论所需空气量。
要保持料层流态化，关
键在于有一个适当的风
量。把布风板面积当作
空气流通面积计算出来
的风速叫做空截面气流
速度。使料层恰能开始
沸腾的空截面气流速度
煤粉燃烧理论及燃烧设备
五、煤粉燃烧理论及燃烧设备
Pulverized coal combustion
煤粉燃烧理论及燃烧设备
1. 燃烧基本理论 2. 煤粉气流着火燃烧 3. 煤粉燃烧器及点火设备 4. 煤粉炉的炉膛 5. 煤粉炉燃烧调整
1、燃烧基本理论
燃烧：燃料+氧化剂的发光发热的剧烈 化学反应
燃料：煤、油、可燃气体 氧化剂：空气或富氧
随着反应温度的升高，分子运动的平均动能增加，活化分 子的数目大大增加，有效碰撞频率和次数增多，因而反应 速度加快。对于活化能愈大的燃料，提高反应系统的温度， 也能提高反应速度。
反应温度
② 燃烧速度与燃烧区域
一 碳粒表面的燃烧过程
煤粉粒子由于热解析出挥发份后的剩余 物质称为焦碳。焦碳由灰和固定碳组成，内 部结构为多孔性。
dQ1 ≥ dQ2 dT dT
放热量随系统温度的变化率大于散 热量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。
② 燃烧过程的着火、熄火条件
Hale Waihona Puke 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。
燃烧放热量为（T、Qr）：
轴向叶片旋流煤粉燃烧器
注：适用于Vdaf≥25%，Qar,net,p ≥ 16800kJ/kg的烟煤和褐
切向叶片旋流 煤粉燃烧器
一次风： 直流
二次风： 切叶片旋流 器旋转
对理想气体混合物中的每个组分可以写出其状态方程：
pAV ART
CA
A
V
pA RT
CB
B
V
pB RT
w
p
a A
pBb
Pulverized coal combustion
煤粉燃烧理论及燃烧设备
1. 燃烧基本理论 2. 煤粉气流着火燃烧 3. 煤粉燃烧器及点火设备 4. 煤粉炉的炉膛 5. 煤粉炉燃烧调整
1、燃烧基本理论
燃烧：燃料+氧化剂的发光发热的剧烈 化学反应
燃料：煤、油、可燃气体 氧化剂：空气或富氧
随着反应温度的升高，分子运动的平均动能增加，活化分 子的数目大大增加，有效碰撞频率和次数增多，因而反应 速度加快。对于活化能愈大的燃料，提高反应系统的温度， 也能提高反应速度。
反应温度
② 燃烧速度与燃烧区域
一 碳粒表面的燃烧过程
煤粉粒子由于热解析出挥发份后的剩余 物质称为焦碳。焦碳由灰和固定碳组成，内 部结构为多孔性。
dQ1 ≥ dQ2 dT dT
放热量随系统温度的变化率大于散 热量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。
② 燃烧过程的着火、熄火条件
Hale Waihona Puke 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。
燃烧放热量为（T、Qr）：
轴向叶片旋流煤粉燃烧器
注：适用于Vdaf≥25%，Qar,net,p ≥ 16800kJ/kg的烟煤和褐
切向叶片旋流 煤粉燃烧器
一次风： 直流
二次风： 切叶片旋流 器旋转
对理想气体混合物中的每个组分可以写出其状态方程：
pAV ART
CA
A
V
pA RT
CB
B
V
pB RT
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pBb
徐通模燃烧学--第4章
是由于反应物在非人为状态下自发地进行分解（或氧 化等）反应，反应时放出一定的热量，并且反应放热 大于散热，造成了热积累，使得反应温度进一步升高。
11
第二节 热自燃理论
➢着火条件 ➢谢苗诺夫热自燃理论 ➢绝热条件下的自燃过程 ➢影响着火的因素 ➢热自燃界限
热能与动力工程系
热自燃现象频发
自燃的情况非常多。例如2010年夏天，我国各地温度屡创新高，汽车自 燃事故频发。
在实际应用中，燃料喷进去就着火时的环境温度， 常常把T0 当做自燃温度。
着火温度和熄火温度不是物性参数，随热力条件变 化而变化。
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，着火温度只表示了着火 的临界条件。
当然，着火温度的概念使着火过程的物理模型大大 简化，对于燃烧理论研究有重要意义。
大多数碳氢化合物燃料的燃烧反应都接近于二级反 应，二级反应的反应速率为
w kx f xox
p2 (RT )2
E
k0e RT x f xox
p2 R2T 2
VQk0Ex f xox
AF R3TC4
p2
E
e RT
1
压力增大，自燃温度降低；压力下降，
自燃温度升高，不易着火。高原地区发动机着火困难。
点1前的反应初始阶段，放热>散热，反 应系统开始升温，到达点1达到放热、 散热平衡。点1为稳定的平衡态。
系统处在点1左边时，Q1>Q2a，系统会 升高温度到达点1；在右边时，Q1<Q2a ，系统会降温回到点1。由于此时系统 温度低，处于缓慢氧化状态，不能进行 燃烧。此时不满足条件2。
热力着火曲线
点2就称为着火点，其对应的系统温度 Tzh称为燃料的着火温度。
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第二节 热自燃理论
➢着火条件 ➢谢苗诺夫热自燃理论 ➢绝热条件下的自燃过程 ➢影响着火的因素 ➢热自燃界限
热能与动力工程系
热自燃现象频发
自燃的情况非常多。例如2010年夏天，我国各地温度屡创新高，汽车自 燃事故频发。
在实际应用中，燃料喷进去就着火时的环境温度， 常常把T0 当做自燃温度。
着火温度和熄火温度不是物性参数，随热力条件变 化而变化。
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，着火温度只表示了着火 的临界条件。
当然，着火温度的概念使着火过程的物理模型大大 简化，对于燃烧理论研究有重要意义。
大多数碳氢化合物燃料的燃烧反应都接近于二级反 应，二级反应的反应速率为
w kx f xox
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E
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AF R3TC4
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压力增大，自燃温度降低；压力下降，
自燃温度升高，不易着火。高原地区发动机着火困难。
点1前的反应初始阶段，放热>散热，反 应系统开始升温，到达点1达到放热、 散热平衡。点1为稳定的平衡态。
系统处在点1左边时，Q1>Q2a，系统会 升高温度到达点1；在右边时，Q1<Q2a ，系统会降温回到点1。由于此时系统 温度低，处于缓慢氧化状态，不能进行 燃烧。此时不满足条件2。
热力着火曲线
点2就称为着火点，其对应的系统温度 Tzh称为燃料的着火温度。
煤炭的燃烧过程
煤炭的燃烧过程一、煤碳的燃烧过程煤从进入炉膛到燃烧完毕，一般经历四个阶段：水分蒸发阶段，当温度达到105℃左右时，水分全部被蒸发；挥发物着火阶段，煤不断吸收热量后，温度继续上升，挥发物随之析出，当温度达到着火点时，挥发物开始燃烧。
挥发物燃烧速度快，一般只占煤整个燃烧时间的1/10左右；焦碳燃烧阶段，煤中的挥发物着火燃烧后，余下的碳和灰组成的固体物便是焦碳。
此时焦碳温度上升很快，固定碳剧烈燃烧，放出大量的热量，煤的燃烧速度和燃烬程度主要取决于这个阶段；燃烬阶段，这个阶段使灰渣中的焦碳尽量烧完，以降低不完全燃烧热损失，提高效率。
良好燃烧必须具备三个条件：1、温度。
温度越高，化学反应速度快，燃烧就愈快。
层燃炉温度通常在1100~1300℃。
2、空气。
空气冲刷碳表面的速度愈快，碳和氧接触越好，燃烧就愈快。
3、时间。
要使煤在炉膛内有足够的燃烧时间。
碳燃烧时在其周围包上一层灰壳，碳燃烧形成的一氧化碳和二氧化碳往往透过灰壳向外四周扩散运动，其中一氧化碳遇到氧后又继续燃烧形成二氧化碳。
也就是说，碳粒燃烧时，灰壳外包围着一氧化碳和二氧化碳两层气体，空气中的氧必须穿过外壳才能与碳接触。
因此，加大送风，增加空气冲刷碳粒的速度，就容易把外包层的气体带走；同时加强机械拨动，就可破坏灰壳，促使氧气与碳直接接触，加快燃烧速度。
如果氧气不充足，搅动不够，煤就烧不透，造成灰渣中有许多未参与燃烧的碳核，另外还会使一部分一氧化碳在炉膛中没有燃烧就随烟气排出。
对于大块煤，必须有较长的燃烧时间，停留时间过短，燃烧不完全。
因此，实际运行中，一般采取供给充足的氧气，采用炉拱和二次风来加强扰动，提高燃烧温度，炉膛容积不宜过小等措施保证煤充分燃烧。
二、链条炉排的燃烧特点链条炉排着火条件较差，主要依靠炉膛火焰和炉拱的辐射热。
煤的上面先着火，然后逐步向下燃烧，在炉排上就出现了明显的分层区域，如图共分五个区。
燃料在新燃烧区1中预热干燥，在炉排上占有相当长的区域。
煤炭的燃烧过程分析苗媛
大致分为三个阶段 第一阶段 120℃以前脱去煤中游离水，120~200℃脱去 煤所
吸附的气体如CO、CO2和CH4等，200℃以后年轻的煤如褐 煤发生部分脱羧反应，有热解水生成，并开始分解放出气态 产物如CO、CO2和H2S等，300℃时开始热分解反应有微量 焦油产生。烟煤和无烟煤在这一阶段没有显著变化。
③ Wiser模型—— 20世纪70年代中期，W. H. Wiser（美）提出的
被认为是比较全面合理的模型。
特点：引入了用以解释煤热解、加氢、氧化等化学反应的弱键和桥键，较为全面和
合理。
④ 本田模型
特点：考虑了低分子化合物的存在，缩合环以菲环为主，由较长的次甲基键相连接。
但没有考虑氮和硫的结构。
H2O(l)→H2O(g)-44kJ/mol(g)
随温度继续增高，煤中有机质开始热分解，热分解形成两 种产物：一种是从煤大分子上断裂下来的侧链和官能团所 形成的挥发分，在挥发分气体中主要有CO、CO2、H2、 H2O、CH4及各种烃类化合物、含硫、含氮化合物等，另 一种是稠环芳香核缩聚为焦炭（固定碳）。这一阶段煤要 吸收热量，其热源由火种或原燃烧着的煤供给。
煤分子的基本结构单元类似于聚合物的聚合单体，分规则和不规则 两部分：
规则部分——由几个或十几个苯环、脂环、氢化芳香环及杂环（含氮、 氧、硫等元素）缩聚而成，称为基本结构单元的核或芳香核。
不规则部分——连接在芳香核周围的烷基侧链和各种官能团。
基本结构单元
➢ 煤的大分子是由若干基本结构单 元通过化学键连接而成的三维结 构，结构单元之间的连接是通过 次甲基键、醚键、硫醚、次甲基 醚以及芳香碳—碳键等桥键实现 的。
第二阶段 300~600℃，特征是活泼分解，以分解和解聚为 主，生成和排出大量挥发物，气体主要是CH4及同系物，还 有H2、CO、CO2及不饱和烃等。
最新煤的燃烧过程及燃烧条件
煤的燃烧过程及燃烧条件------------------------------------------作者xxxx------------------------------------------日期xxxx煤的燃烧过程及燃烧条件煤的燃烧是复杂的物理化学过程,煤进入炉内,收到高温烟气的加热,温度逐渐升高,在此期间经历干燥、干馏、挥发分着火燃烧、焦炭燃烧、焦炭燃尽等各个阶段.1、干燥：煤被加热时，首先是水分不断蒸发,煤被干燥，显然,煤中水分多，干燥多消耗的热量也多,时间也长。
2、干馏:煤被干燥后,继续被加热,达到一定温度就开始析出挥发分,同时生成焦炭，即是煤的干馏过程,每种挥发分越多,开始析出挥发分的温度越低，加热的温度越高,时间越长，析出的挥发分越多,因此，测定挥发分时规定了加热的温度和时间。
挥发分多，其中碳氢化合物也越多，重碳氢化合物在高温、缺氧的条件下,会进行热分解，形成微笑的碳粒，称为炭黑。
由于碳粒很小很轻，在炉内不易烧掉而随烟排走,形成黑烟,为了使燃烧充分,不冒黑烟，必须保证挥发分燃烧所需足够高的温度和充足的空气,例如加装二次风。
只有当挥发分达一定浓度,而且到一定温度时，才能着火燃烧，干馏阶段为燃烧前的准备阶段。
煤在燃烧的准备阶段中,非但不放热而且要吸收热量，所以必须组织好热量供应,其热源来自炉膛火焰或高温烟气、炽热的炉墙和炉拱等.热量供应情况就决定了准备阶段的时间长短。
3、挥发分着火燃烧:煤继续被加热，挥发分不断析出，而且温度也随之提高，挥发分中可燃物质与氧气的化学反应也在逐渐加快,当挥发分达到一定温度和浓度时，化学反应速度急速加快，着火燃烧，形成明亮的黄色火焰,这里，挥发分要加热到一定的温度时个重要条件.不同的煤的挥发分着火温度时不一样的，通常我们将挥发分着火温度看成煤的着火温度，挥发分燃烧时放出热量,将焦炭加热到赤红程度(已达到能够着火的温度），但是焦炭并不会立刻燃烧，因为挥发分包围了焦炭，挥发分首先遇氧将氧耗掉了,氧气不能扩散到焦炭的表面，焦炭只能被加热而不能燃烧。
煤的燃烧基本理论
低位发热量(Qnet)：指燃烧产物中的水以20℃蒸气存在时
的发热量。 (net—实得的) 实际上，Qnet更接近于实际，因此，燃烧计算中用Qnet 。不特指时
发热量一般均指Qnet 。
二、发热量的测定和计算 1. 发热量的测定 对于固、液体燃料，用氧弹量热计测定。
2. 发热量的计算
根据煤的组成，可用经验公式计算发热量。 (1)当已知燃料的元素分析值时，经验公式为： Qnet,ar = 339Car + 1030 Har-109 (Oar-Sar)-25 Mar
注：在煤的燃烧计算中必须用此基准的组成 。
(2)空气干燥基（又称为分析基）:
air dried
指分析实验室里所用的空气干燥煤样的组成，用下角标“ad”表示 。
即 Cad％+Had％+Sad％+ Oad％+Nad％+Aad％+Mad％=100％ 注：将煤样在20℃和相对湿度为70%的空气中连续干燥1h后质量变化
第一部分
煤的燃烧基本理论
河北联合大学
2013.8
裴秀娟
主要内容
§1-1
§1-2
煤的种类和组成
煤的发热量
§1-3
§1-4
燃烧计算
煤燃烧的基本理论
§1-1 煤的种类和组成
一、煤的种类和特点
按其挥发分含量，煤可分为褐煤、烟煤和无烟煤三类。
煤 种
Vdaf /％
褐 煤
＞37
烟 煤
10～45
若煤的挥发分过低(＜18%)，着火缓慢，形成的黑火头过长，使高温部 分火焰变短，影响熟料质量； 若挥发分过高(＞30%)，火焰变长，同时在对煤进行烘干时，会有一部 分挥发分溢出，造成浪费。 注意：当采取有效措施（如提高二次风温度、调整煤粉细度等）改善燃 烧条件时，对煤质的要求也可适当放宽。
煤炭的燃烧与能量转化
影响因素分析
燃料性质
煤炭的种类、成分、粒度 、水分等都会影响其燃 烧时间等条件对燃烧效率 有重要影响。
锅炉设计
锅炉的结构、受热面积、 热传导方式等也会影响煤 炭的燃烧效率。
提高燃烧效率的措施
01
02
03
04
选用优质煤炭
选择热值高、灰分低、硫分低 的优质煤炭，以提高燃烧效率
03
燃烧效率与影响因素
燃烧效率评估方法
01
02
03
热效率法
通过测量燃烧产生的热量 与燃料完全燃烧时释放的 理论热量之比来评估燃烧 效率。
排放物分析法
通过分析燃烧产生的废气 成分，如二氧化碳、一氧 化碳、氮氧化物等，来间 接评估燃烧效率。
燃料消耗率法
通过测量单位时间内消耗 的燃料量与产生的能量之 比来评估燃烧效率。
煤炭的燃烧与能量转化
汇报人：XX 2024-01-15
目录
• 煤炭燃烧基本原理 • 能量转化过程分析 • 燃烧效率与影响因素 • 污染物排放与控制技术 • 清洁能源替代与前景展望
01
煤炭燃烧基本原理
煤炭成分及性质
煤炭的组成
煤炭主要由碳、氢、氧、氮和硫 等元素组成，其中碳元素含量最 高。
煤炭的性质
。
优化燃烧条件
通过调整燃烧温度、氧气浓度 和燃烧时间等条件，使煤炭充
分燃烧。
改进锅炉设计
采用先进的锅炉结构和受热面 设计，提高热传导效率，减少
热损失。
采用先进技术
如采用富氧燃烧、流化床燃烧 等先进技术，可进一步提高煤
炭的燃烧效率。
04
污染物排放与控制技术
污染物种类及危害
硫氧化物（SOx）
煤炭中含硫，燃烧时会产生硫 氧化物，是酸雨的主要成因， 对人体呼吸系统和环境均有严
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煤种特性 加热环境的温度 加热时间的长短 煤粉颗粒的直径
煤龄越长，Vdaf越小。 T越高，Vdaf越大。 时间越长，Vdaf越大。 煤粉越细，Vdaf越大。
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挥发分对燃烧的影响
无
油
稳
燃
负
荷
着
（
火
温
）
度
（
） Vdaf (%)
2、燃烧化学反应速度描述
设有两种物质A、B，其化学反应方程式如下：
化学反应速度的大小用反应物或生成物浓度的变化来表示：
aA bB gG hH
燃料 氧化剂
燃烧产物
w dC dt
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3、均相反应，质量作用定律
工程上采用一些技术指标定性、近似描述煤的着火与燃烧 特性。
➢ 燃料特性指标 ➢ 着火难易指标 ➢ 热解特性指标 ➢ 燃烬性指标
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3、燃料特性指标
Vdaf： C/H： FC/Vdaf：
越高，着火越容易，燃 烧稳定性越好。
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用各组分的分压力来表示的反应系统中各 反应物的浓度
KP
pgGphH ＝ CgGChH
paA
p
b B
CaACbB
(RT )(gh)-(ab)
KC (RT)(gh)-(ab)
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第四章 煤的燃烧理论
一、燃烧基本理论 二、煤的着火与燃烧特性 三、煤粉气流的着火与燃烧
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一、燃烧基本理论
1、燃烧的概念 2、燃烧化学反应速度描述 3、均相反应，质量作用定律 4、非均（多）相反应 5、燃烧反应平衡常数 6、阿累尼斯( Arrhinius)定律 7、典型煤种的反应活化能E
挥发分对稳燃负荷的影响
℃ %
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Vdaf （%,） 挥发分对着火温度的影响
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煤粉气流着火指数与挥发分间的关系
1000
800
FI(℃ )
600
400
200 0
5 10 15 20 25 30 35
V (%) daf
物理意义
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-E
e RT
-有效碰撞占总
k
碰撞次数的比例
T
➢ 反应物的活化能越低，反应速度越快，反应 越能在相对较低的温度下进行。
➢ 反应的环境温度越高，则反应的速度越快。
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7、典型煤种的反应活化能E
fA
CB
—单位容积可燃混合物内煤粉的表面积；
—氧的浓度。
CB
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5、燃烧反应平衡常数
可逆反应，当正逆反应达到平衡时有：
kCaA C bB＝k , CgG C hH
CgGCh H源自＝kCaA
C
b B
k,
KC
KC即为反应系统达到 平衡时的平衡常数。
越高，煤化程度越高， 着火越难。
越高，煤中的挥发分相对含 量越低，着火越困难。
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Vdaf
煤着火温度、燃烧稳定性及燃烧效率的重要指标。
燃烧过程中实际释放的Vdaf量、成分有别于工 业分析中得到的Vdaf，其控制因素：
w - dCA dt
kCaACbB
CA、CB－反应物A、B的浓度； a、b—反应物A、B的反应系数； k—反应的速度常数。
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4、非均（多）相反应
• 炭或煤的反应速度可用下式描述：
w
- dCB dt
kfACBb
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1、燃烧的概念
燃烧是伴随有发光发热的一种特殊的氧化 反应，其反应物为氧气与各种燃料。
均相燃烧：
气体燃料的燃烧
非均相燃烧：
固体燃料的燃烧
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无烟煤：126～ 147kJ/gmol；
烟煤：104～ 126kJ/gmol； 褐煤：84～ 104kJ/gmol；
煤龄越长，反应的活化能越大，反应越难进行； 煤龄越短，反应的活化能越小，反应越易进行。
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4、着火难易指标
煤的反应活化能E：
燃料的反应活化能越低，着火越容易，燃烧速度越快；
着火温度Ti：
煤粉粒子或煤粉气流开始着火燃烧时的温度，为着火温度。 着火的显著标志就 是反应系统的温度一阶跃升高。
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6、阿累尼斯( Arrhinius)定律
数学描述
-E
k K0e RT
K0—指前因子，或反应物分子的碰撞总次数； E－反应物的反应活化能或发生反应所要求的最低能量； R－通用气体常数； T－反应环境的温度。
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燃烧特性
反映燃料着火难易、燃烧稳定性、燃烧速度、燃 烧效率、不同阶段燃烧动力学规律的燃烧技术指标。
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2、燃烧特性指标
各种燃料在不同条件下燃烧反应动力学的准确数学描述， 即阿累尼乌斯定律中K0、E的准确数学描述。
二、煤的着火与燃烧特性
➢ 着火与燃烧特性的概念 ➢ 燃烧特性指标 ➢ 燃料特性指标 ➢ 着火难易指标 ➢ 热解特性指标 ➢ 煤的燃烬特性
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1、着火与燃烧特性的概念
着火
由缓慢的氧化反应迅速过渡到剧烈自动加速反应过 程，反应系统的温度出现阶跃性升高。