第五章煤粉燃烧理论基础及燃烧设备
煤粉炉燃烧原理及燃烧设备
煤粉炉燃烧原理及燃烧设备第一节燃烧化学反应动力学基础燃烧一般是指燃料与氧化剂进行的剧烈化学反应。
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（均相）燃烧；燃料与氧气剂也可以是不同形态的，如固体燃料在空气中的燃烧，称为多相燃烧。
电厂锅炉的主要燃料是煤，使用空气作燃料的氧化剂。
电厂锅炉的主要燃料是煤使用空气作燃料的氧化剂一、碳粒的燃烧过程和燃烧速度炭粒表面的多相燃烧大致包括如下几个过程炭粒表面的多相燃烧大致包括如下几个过程：（1）参加燃烧的氧从周围环境扩散到炭粒的反应表面；（2）氧被炭粒表面吸附；（3）在炭粒表面进行燃烧化学反应；（4）燃烧产物由炭粒表面解吸附；（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，它取决于上述过程中进行得最慢的过程。
碳的燃烧速度主要决定于氧向炭粒表面的扩散速度和在反应表面上进行的化学反应速度最终决定于两者中的较慢者速度，最终决定于两者中的较慢者。
(吸附和解吸附过程速度快)1、影响化学反应速度的因素（1）浓度对化学反应速度的影响化学反应是在一定条件下反应物分子之化学反应是在一定条件下，反应物分子之间彼此碰撞而产生的，分子在单位时间内的碰撞次数越多则化学反应速度越快的碰撞次数越多，则化学反应速度越快。
分子碰撞次数决定于单位容积中反应物的分子数，即物质浓度。
在定温度下反应容积不变增加反应在一定温度下，反应容积不变，增加反应物的浓度即可增加反应物的分子数，分子之间的碰撞次数就会增多，反应速度就会加快。
加快（2）压力对化学反应速度的影响分子运动论认为，气体压力是气体分子撞击容器壁面的结果。
在温度和容积不变的条件下，反应物压力高，意味着反应物浓度大，因此化学反应速度就快。
（3）温度对化学反应速度的影响阿累尼乌斯定律反映的是温度对化学反应速度影响的规律。
阿累尼乌斯定律反映的是温度对化学反应速度影响的规律化学反应是在一定条件下，反应分子间发生碰撞而发生的，应在条件应发生撞发生的但并不是所有碰撞的分子都可以发生反应，只有那些碰撞能量足以破坏现存化学键并建立新的化学键的碰撞才是有效的。
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
《电厂锅炉原理及设备》复习要点提示
《电⼚锅炉原理及设备》复习要点提⽰《电⼚锅炉原理及设备复习要点提⽰》（第三版叶江明主编）授课教师：青⽼师考纲主编：⼩源考纲主审：得意⼩门⽣河南农业⼤学2016/6/15第⼀章电⼚锅炉原理及设备1、什么是锅炉的额定蒸发量、最⼤长期连续蒸发量、容量、额定压⼒、额定汽温？2、以⼀台电⼚锅炉为例，简单画出并简述锅炉中汽⽔、燃料、空⽓、灰渣的基本⼯作流程。
3、按⽔循环⽅式不同，锅炉可以分为哪⼏类，各有何特点？4、按燃烧⽅式不同，锅炉可以分为哪⼏类，各有何特点？5、锅炉本体主要由哪些主要部件组成?各有什么主要功能?答：1：额定蒸发量:在额定蒸汽参数，额定给⽔温度和使⽤设计燃料，保证热效率所规定的蒸发量，单位T/H最⼤长期连续蒸发量：在额定蒸汽参数，额定给⽔温度和使⽤设计燃料，长期连续运⾏所能达到的最⼤蒸发量，单位T/H或KG/S锅炉容量：在额定蒸汽参数，额定给⽔温度和使⽤设计燃料，每⼩时的最⼤连续蒸发量，单位，T/H额定压⼒：对应规定的给⽔压⼒，单位：MP额定温度：对应额定给⽔压⼒，额定给⽔温度2：燃料：煤由煤仓进⼊给煤机，再⼊磨煤机，磨成煤粉；在排粉机的作⽤下，被⼲燥剂输送到粗粉分离器，将不合格的粗粉分离出，返回重磨。
合格的煤粉被⼲燥剂输送到细粉分离器，将煤粉与⽓体分离开来，煤粉贮存在粉仓中；分离出来的⽓体叫乏⽓。
乏⽓⼀部分送⾄磨煤机⽤于磨煤机的风量协调，另⼀部分作为三次风。
粉仓中的煤粉由给粉机按负荷的要求送到混合器，与⼀次风混合，送到燃烧器，进⼊炉膛燃烧。
烟⽓:◆在炉膛中，燃料燃烧不断放出热量，产⽣⾼温烟⽓。
◆从炉膛流出、再进⼊⽔平烟道、垂直烟道、尾部烟道，并将热量传递给炉膛与烟道中布置的各种受热⾯，烟⽓的温度逐渐下降。
◆最后经过除尘设备、脱硫设备、引风机，由烟囱排出到⼤⽓。
灰渣：煤在炉膛内燃烧，最⾼温度可以达到1500~1600度(⽕焰中⼼)。
◆煤中的灰分⼀部分随烟⽓流出炉膛，进⼊烟道，叫飞灰，约占95%，最后由除尘器将它分离出来;◆另⼀部分进⼊炉膛底部，由排渣装置排出，约占5%。
5煤粉炉燃烧原理及燃烧设备
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2、旋转射流的特点
（1）二次风是旋转气流。一次风可以是旋转气流，也 可用扩锥扩展。因此整个气流形成空心圆锥形旋转气
流。
（2）旋转射流有强烈的卷吸作用，能将中心及外缘的 气体带走，造成负压区，在中心部分和外缘就会因高温烟 气回流而形成回流区。
–中心部分形成的回流区称为内回流区；
–外缘部分形成的回流区称为外回流区。
• 单蜗壳扩锥型旋流燃烧器： • 双蜗壳旋流燃烧器： • 轴向叶片旋流燃烧器： • 切向叶片式旋流燃烧器：
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三、新型煤粉燃烧器
（一）煤粉稳燃 1、常用稳燃措施 （1）敷设燃烧带； （2）热风送粉； （3）较低的一次风速和一次风率； （4）减小颗粒细度； （5）控制最低运行负荷以及采用性能良好的燃烧器。 2、三高区理论 高温、高煤粉浓度和适当高的氧浓度。
影响因素： （1）反应物性质；（2）反应物的浓度；（3）温度； （4）压力；（5）是否有催化剂或连锁反应。
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（二）质量作用定律
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（三）阿累尼乌斯定律
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（四）催化作用 催化剂本身不变 改变化学反应速度，不改变反应限度 （五）链锁反应 多米诺效应－活化分子
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沿炉膛高度燃料分级燃烧81
一次燃料 80%入炉燃料
二次燃料 20%入炉燃料
主燃烧区 100%NOX
再燃还原区
一次风
燃尽区
燃尽风
40%NOX 炉膛内燃料分级燃烧过程
燃烧理论基础简介
燃烧理论基础简介一、碳粒燃烧的动力区、扩散区、过渡区1．动力区：温度低于900～1000℃时，化学反应速度小于氧气向碳粒表面的扩散速度，氧气的供应十分充足，提高扩散速度对燃烧速度影响不大，燃烧速度取决于温度。
2．扩散区：温度高于1200℃时，化学反应速度大于氧气向碳粒表面的扩散速度，以至于扩散到碳粒表面的氧气立刻被消耗掉，碳粒表面处的氧浓度接近于0，提高温度对燃烧速度影响不大，燃烧速度取决于氧气向碳粒表面的扩散速度。
3．过渡区：介于动力区和扩散区之间，提高温度和提高扩散速度都可以提高燃烧速度。
若扩散速度不变，只提高温度，燃烧过程向扩散区转化；若温度不变，只提高扩散速度，燃烧过程向动力区转化。
二、直流煤粉燃烧器1、煤粉燃烧器的作用煤粉燃烧器是燃煤锅炉燃烧设备的主要部件。
其作用是：(1) 向炉内输送燃料和空气；(2) 组织燃料和空气及时、充分的混合；(3) 保证燃料进入炉膛后尽快、稳定的着火，迅速、完全的燃尽。
在煤粉燃烧时，为了减少着火所需的热量，迅速加热煤粉，使煤粉尽快达到着火温度，以实现尽快着火。
故将煤粉燃烧所需的空气量分为一次风和二次风。
一次风的作用是将煤粉送进炉膛，并供给煤粉初始着火阶段中挥发分燃烧所需的氧量。
二次风在煤粉气流着火后混入，供给煤中焦炭和残留挥发分燃尽所需的氧量，以保证煤粉完全燃烧。
直流燃烧器通常由一列矩形喷口组成。
煤粉气流和热空气从喷口射出后，形成直流射流。
（二）、直流煤粉燃烧器的类型直流煤粉燃烧器的一、二次风喷口的布置方式大致上有两种类型。
一类适用于燃烧容易着火的煤，如烟煤、挥发分较高的贫煤以及褐煤。
这类燃烧器的一、二次风喷口通常交替间隔排列，相邻两个喷口的中心间距较小。
我们称为均等配风方式，这种方式适合烟煤的燃烧。
因一次风携带的煤粉比较容易着火，故希望在一次风中煤粉着火后及时、迅速地和相邻二次风喷口射出的热空气混合。
这样，在火焰根部不会因为缺乏空气而燃烧不完全，或导致燃烧速度降低。
锅炉题和答案
第一章：绪论1、计算1台1025t/h 亚临界压力自然循环锅炉的年耗煤量、灰渣排放量。
已知，锅炉每年的运行小时数为6000h ，每小时耗煤128t ，煤的收到基灰分为A ar =8%。
答：解：（1）每年的煤耗量Ba=6000×128=76.8×104×8/100=6.144×104（t/a ）（2）每年的灰渣（飞灰、沉降灰、底渣之和）排放量44hz 876.810 6.14410(/)100100ar aA MB t a ==⨯⨯=⨯ 计算结果分析与讨论：（1）燃煤锅炉是一种煤炭消耗量很大的发电设备。
（2）1台300MW 机组每年排放的灰渣总量达到6.144万t ，应当对电厂燃煤锅炉排放的固体废弃物进行资源化利用，以便降低对环境的污染。
2、分析煤粉炉传热过程热阻的主要构成及提高煤粉炉容量的技术瓶颈。
答：传热系数的倒数2111()()()g m h K δδδαλλλα=++++ 其中，蒸汽或者水侧的对流放热系数α2=2000~4000W/(m2•K)，烟气侧的对流放热系数α1=50~80W/(2m •K)。
导热热阻相对较小，可以忽略不计。
因此锅炉的主要热阻出现在烟气侧。
要提高锅炉的容量，必须设法增加烟气侧的对流换热系数或者受热面面积。
煤粉炉提高容量的技术瓶颈就是烟气侧对流放热系数太小。
3、分析随着锅炉容量增加，锅炉给水温度提高的原因。
答：（1）锅炉的容量越大（即蒸汽流量D 越大），水蒸气的压力就会越高。
根据水的热力学性质，压力越高，水的饱和温度越高。
（2）为了保证水冷壁的系热量主要用于蒸发，而不是用于未饱和水的加热。
进入水冷壁的水的温度与对应压力下的饱和温度之间的差值基本上是常数。
（3）水在省煤器中吸热提高温度基本上是常数。
（4）综合分析（1）、（2），随着锅炉容量增加、水蒸气的压力就会提高。
来自省煤器出口的水与未饱和温度之间的差值等于常数，因此省煤器出口的水温会随着锅炉的容量的提高而提高，有因为水在省煤器中吸热提高温度基本上是常数，所以省煤器的入口水温，即给水温度随着锅炉容量的提高而提高。
第5章煤粉燃烧及燃烧设备——锅炉原理
❖ 四、影响煤粉着火的因素
❖ 在煤粉炉中，燃烧所需的空气被分成一次风和二次风。
❖ 一次风的作用是将煤粉通过燃烧器输送到炉膛，并供给 煤粉在着火阶段所需的空气；
❖ 二次风则在着火以后混入保证煤粉的燃尽。煤粉的点燃 过程是将一次风气流和高温炽热的烟气混合，使煤粉空 气混合物的温度升高到煤粉能够着火。
❖ 影响煤粉气流着火的主要因素是：
❖ 通过试验证明，锅炉的炉温在中温区域（1000～2000℃）内 比较适宜。当然，在中温区域，在保证炉内不结渣的前提下，
可以尽量提高些。
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❖ 3.足够的燃烧时间
❖ 在一定的炉温下，一定细度的煤粉要有一定的时间才能燃 尽。煤粉在炉内的停留时间，是煤粉自燃烧器出口一直到 炉膛出口这段行程所经历的时间。
❖ 燃烧器的尺寸也影响到着火。燃烧器出口截面积愈大，煤粉 气流的卷吸能力越小，着火点离喷口距离就愈远。因此，采 用尺寸较小的小功率燃烧器代替大功率燃烧器是合理的，因 为小尺寸燃烧器既增加了煤粉气流受热的周界面，也缩短了 着火区扩展到整个气流截面所需要的时间。
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❖ 6.锅炉负荷
❖ 锅炉经常在变负荷下工作。锅炉负荷降低时，燃料量减少， 放热量减少，而炉膛内的水冷壁和过热器等受热面的结构 和面积保持不变，致使炉膛平均烟温下降，燃烧器区域的 温度降低，煤粉气流的加热条件恶化，因而对煤粉气流的 着火和燃烧是不利的。
❖ 我国电厂在燃用无烟煤时，所设计的预热空气温度 一般为350~420C，以尽量使煤粉空气混合物的初 温接近300C。
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❖ 4.炉内散热条件
❖ 炉内散热条件好，则炉内温度低，从而不利于燃料 的着火和燃烧。因此实践中，为使低挥发分煤的及 时着火和稳定燃烧，常在燃烧器区域用耐火保温材 料将部分水冷壁遮盖起来，构成所谓的卫燃带，以 减少水冷壁吸热量、维持燃烧器区域的温度水平， 进而改善煤粉气流的着火和燃烧条件。
第五章 煤粉燃烧理
dC
a b k AC A C B
k k0e
E RT
b wB k 0 C B e
E RT
3、活化能的影响：在一定温度下，活化能越大，活化分子 数越少，则化学速度越慢；反之，若活化能越小，化学反应 速度就越快。在相同条件下，不同燃料的焦碳的燃烧反应， 其活化能是不同的，高挥发分煤的活化能较小，低挥发分煤 的活化能较大。各类煤的焦炭按方程反应的活化能的值 (MJ/kmol) 分别为： 褐煤：92~105；烟煤：117~134；无烟煤：140~147 4、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，就意 味着反应物浓度增加，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：
r kC0
当温度很高时（＞1400℃），化学反应速度常数随温度的升 高而急剧增大，炭粒表面的化学反应速度很快，以致耗氧速 度远远超过氧的供应速度，炭粒表面的氧浓度实际为零。这
时»，则 ks≈ ， k
r kC0
3、过渡燃烧区 介于上述两种燃烧区的中间温度区，化学反应 速度常数与氧的扩散速度系数处于同一数量级，因 而氧的扩散速度与炭粒表面的化学反应速度相差不 多，这时化学反应速度和氧的扩散速度都对燃烧速 度有影响。这个燃烧反映温度区称为过渡燃烧区。 在过渡燃烧区内，提高反应系统温度，改善氧的扩 散混合条件，强化扩散，才能使燃烧速度加快。 在煤粉锅炉中，只有那些粗煤粉在炉膛的高温 区才有可能接近扩散燃烧。在炉膛燃烧中心以外， 大部分煤粉是处于过渡区甚至动力区的。煤粉锅炉 着火区是动力区。 因此煤粉锅炉提高炉膛温度和氧的扩散速度都可 பைடு நூலகம்强化煤粉的燃烧过程。
B ks r
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2021年2月8日
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
第二节
煤粉气流的着火和燃烧
第三节
煤粉燃烧器及点火设备
第四节
煤粉炉的炉膛及其特性
第五节
燃烧调整实验方法
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第一节 燃烧的基本理论
燃烧概念
—— 燃料与氧化剂进行的发热与发光的高速化学反应 ➢ 单相（均相）反应 ➢ 多相（异相）燃烧
第二节 煤粉气流的着火和燃烧
一、煤粉的燃烧过程 二、燃烧过程着火和熄火的热力条件 三、煤粉气流的着火 四、燃烧完全的条件
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一、煤粉的燃烧过程
1．煤粉燃烧的三个阶段
1）着火前的准备阶段（吸热）
煤粉气流被烟气加热→T↑→M蒸发→干燥煤粉热分解，析出V（煤的特性、 加热T和速度）→V着火燃烧→放出的热量加热炭粒→炭粒温度↑→达到一定T 并有O接触→炭粒着火燃烧
2．燃烧过程中的放热和吸热
➢ 1）燃烧室内煤粉空气混合物燃烧的放热量Q1 ➢ 2）燃烧过程中向周围介质的散热量Q2
3．Q1-T、Q2-T变化曲线及分析
Q1
k0e
E RT
COn2VQr
Q2 ST Tb
4．加快着火的方法
➢ 1）加强放热：散热条件不变，C↑、p↑、T0↑ ➢ 2）减少散热：放热条件不变，T0↑，气流速度↑、燃烧室保温
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1．C对ω的影响
1）化学反应本质
—— 一定条件下，不同反应物分子彼此碰撞 →单位t内碰撞次数↑→ω↑
┠单位V内反应物分子数（物质C）
2）ω与C的关系——质量作用定律
（1）均相反应 一定T下，ω与参加化学反应的各反应物 的C成正比，各反应物浓度项方次取相应 的反应系数
（2）多相燃烧 单位t内炭粒表面上O浓度的变化——ωB
一、化学反应速度
化学计量方程式 aA bB gG hH
化学反应速度的表示
A
dCA dt
B
dCB dt
G
dCG dt
H
dCH dt
➢ 1）反应物消耗的速度 或 生成物浓度增加的速度
➢ 2）单位：mol/m3·s
➢ 3）影响反应速度的因素
• （1）原始反应物的性质 • （2）反应系统的条件：反应物浓度、温度、压力、是否有催化反应或连锁反应
3）结论：若T、V一定，反应物C↑→ω↑
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A
dCA dt
kACAaCBb
B
dCB dt
kCBb
甲烷燃烧
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2．T对ω的影响
1）反应速度常数k（若反应物C不随t变化）
Arrhenius定律
E
k k0e RT
2）
B
k0
C
b B
e
E RT
（1）若C不变，ω与T成指数关系：T↑→ω↑ （2）现象解释：活化分子的碰撞才是反应的有效碰撞 （3）T一定，E↑→ω↓
2）扩散燃烧区（T>1400℃） →改善扩散混合条件，相对速度↑或d↓
3）过渡燃烧区（1000℃<T<1400℃） →提高T，改善扩散混合，强化扩散
煤粉锅炉
➢ （1）粗煤粉：炉膛高温区，接近扩散燃烧 ➢ （2）其余煤粉：炉膛燃烧中心外，都为过渡、动力区
层燃炉：扩散区→强化燃烧→强制通风
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2）燃烧阶段（放热）
煤粉颗粒局部着火燃烧 →燃烧扩散到整个表面
3）燃尽阶段
炭粒变小，表面形成灰壳， 少量未燃尽炭继续燃烧
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一、煤粉的燃烧过程
2．炭粒的燃烧
1）煤粉燃烧的关键
➢ （1）可燃质的主要部分 ➢ （2）燃烧过程最长 ➢ （3）放热量份额大
2）燃烧机理 C O2 CO2 一次反应 2C O2 2CO
C CO2 2CO 二次反应 2CO O2 2CO2
3）不同T下炭粒燃烧过程
➢ （1）T<1200℃ ➢ （2）T>1200℃
4）影响炭粒燃烧的因素
T、是否等温、炭粒的几何形状和结构、炭粒周围气流性质
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二、燃烧过程着火和熄火的热力条件
1．着火和Tzh
➢ 1） 缓慢氧化状态→高速燃烧状态的瞬间——着火 ➢ 2） 转变瞬间的T——Tzh
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1．炭粒的多相燃烧反应
1）参加燃烧的O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（最快） 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（最快） 5）燃烧产物离开炭粒表面，扩散到周
围环境中（较快）
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4．燃烧过程反应区域
1）动力燃烧区（T<1000℃）取决于T和燃料反应特性 →提高T以强化动力燃烧工况
3）实际炉内燃烧：C、p基本不变，T↑→加速燃烧反应，缩短燃烧时间
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3．p对ω的影响
1）V不变，p↑→C↑→ω↑ 2）ω与p的n次方成正比：
ห้องสมุดไป่ตู้
kn
x
n A
p RT
n
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4．催化反应
1）催化作用：催化剂加入反应系统，引起ω变化 2）特点
➢ （1）催化剂可影响ω，但自身不受影响 ➢ （2）一定条件下不能改变平衡状态，只能改变达到平衡的t（实质是改变E）
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不同状态物质的燃烧
自然界里的一切物质，在一定温度和压力下，都以一定状态（固态、 液态、气态）存在。这三种状态的物质燃烧过程是不同的。固体和液 体发生燃烧，需要经过分解和蒸发，生成气体，然后由这些气体成分 与氧化剂作用发生燃烧。气体物质不需要经过蒸发，可以直接燃烧。
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➢ 1）（C0－CB）——供应燃烧足够空气量 ➢ 2）d↓→表面积↑→与O的反应面积↑→O消耗↑→CB↓→（C0－CB）↑→ωks↑—
—减小d ➢ 3）气流与炭粒的相对速度↑→扰动↑→O向炭粒表面的供应速度↑，燃烧产物
离开表面的速度↑→ωks↑
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三、燃烧速度与燃烧区域
1．炭粒的多相燃烧反应 2． 炭粒燃烧速度ωks：单位表面上的实际反应速度 3．稳定燃烧：ωB =ωks =ωr 4．燃烧过程反应区域
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5．连锁反应
1）作用：使化学反应自动连续加速进行
2）机理
3）反应过程
➢ （1）链的激发形成过程 ➢ （2）链的传递过程 ➢ （3）链的断裂过程
4）不分支连锁反应 分支连锁反应
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二、氧的扩散速度
1．炭粒的燃烧：炭粒在表面与O进行 2．O的扩散速度：ωks=αks（C0－CB）