第二节　燃烧理论

一、理论燃烧温度定义

燃料在定容或定压下燃烧时，其产生的热量常分为两个部分：一部分传给周围环境；另一部分使燃烧产物加热，温度升高。传给外界的热量越少，燃烧产物的温度越高。当传给外界的热量为零，即实现绝热的完全燃烧时，燃烧产物的温度达到最大值，这时燃烧产物所达到的温度称为绝热燃烧温度或理论燃烧温度。此处的完全燃烧包括两方面的含义：一方面是指燃料被氧化至最高价氧化物，即充分燃烧；另一方面是指燃料的燃烧率为100%。比如冶金中，炭在燃烧带内的燃烧是一个绝热过程，也就是说炭燃烧氧化成CO所放出的热量全部用以加热所形成的煤气，所形成的燃烧。

二、燃烧理论解决的问题

为了了解认识燃烧过程的本质，掌握燃烧过程的主要规律，以便控制燃烧过程的各个阶段，使其按照人们要求的速度进行，燃烧理论解决的问题如下。

①判断各种燃料的着火可能性，分析影响着火的内因条件与外因条件以及着火过程基本原理，保证燃料进入炉内后尽快稳定地着火，保证燃烧过程顺利进行。

②研究如何提高燃料的燃烧速率，使一定量的燃料在有限的空间和时间内尽快燃烧，分析影响燃烧速率的内因条件与外因条件，以及燃尽过程的基本原理，提出加速燃烧反应、提高燃烧效率的途径。

③燃烧理论来源于生产实践和科学试验，反过来又指示出燃烧技术进步与发展的方向。

三、质量作用定律

1. 概述

燃烧是一种发光发热的化学反应。燃烧速率可以用化学反应速率来表示。

在等温条件下，化学反应速率可用质量作用定律表示。即反应速率一般可用单位时间、单位体积内烧掉燃料量或消耗掉的氧量来表示。可用下面的式子表示炉内的燃烧反应：

化学反应速率可用正向反应速率表示，也可用逆向反应速率来表示。

2. 质量作用定律的意义

1867年，挪威化学家C.M.古尔德贝格和P.瓦格根据化学反应的速率与参加反应的活性质量（就是指分压强或浓度或摩尔分数）成正比的关系提出质量作用定律。理想气体混合物在恒温恒压下进行化学反应达到平衡状态时，参加反应的每一种气体的分压强p0i或浓度C0i与系统的压强和温度间应满足其关系。

1879年古尔德贝格和瓦格根据分子碰撞理论导出了质量作用定律，并指出分子碰撞仅仅有一部分导致反应。他们称平衡态为“可移动平衡态”。其后，化学家们利用一系列气态反应验证了质量作用定律。

（1）适用范围　质量作用定律不仅适用于气体，也适用于稀溶液。如果除了气体和稀溶液以外，还有纯固体参加反应，则因为纯相的化学势只依赖于温度和压强，故在前二式的左端并不包含有关纯相的因子，仍然只需写出气体（或溶质）的分压强或浓度的乘积即可，就好像固体根本不存在一样。事实上，固体的存在只影响平衡常数对温度和压强的依赖关系。

（2）作用意义　根据质量作用定律，可以确定化学反应中各反应物和生成物的活性质量之间的联系。它在化学平衡学说中具有重要的意义。

质量作用定律说明了参加反应物质的浓度对化学反应速率的影响。

其意义是：对于均相反应，在一定温度下，化学反应速率与参加反应的各反应物的浓度乘积成正比，而各反应物浓度的方次等于化学反应式中相应的反应系数。

由于燃烧是复杂的物理化学过程，燃烧速率的快慢，取决于：

①可燃物与氧的化学反应速率；

②氧和可燃物的接触混合速率。

前者称化学反应速率，也称化学条件；后者称物理混合速率，也称物理条件。

化学反应速率与反应空间的压力、温度、反应物质浓度有关，且成正比。例如，锅炉的实际燃烧中，影响化学反应速率的主要因素是炉内温度，炉温高，化学反应速率快。

燃烧速率除与化学反应速率有关外，还取决气流向碳粒表面输送氧气的快慢，即物理混合速率。而物理混合速率取决于空气与燃料的相对速率、气流扰动情况、扩散速率等。

化学反应速率、物理混合速率是相互关联的，对燃烧速率均起制约作用。例如，高温条件下应有较高的化学反应速率，但若物理混合速率低，氧气浓度下降，可燃物得不到充足的氧气供应，结果燃烧速率也必然下降。因此，只有在化学条件和物理条件都比较适应的情况下，才能获得较快的燃烧速率。

上述说明，在一定温度下，提高固体燃料附近氧的浓度，就能提高化学反应速率。反应速率越高，燃料所需的燃尽时间就越短。上述关系只反映了化学反应速率与参加反应物浓度的关系。事实上，反应速率不仅与反应物浓度有关，更重要的是与参加反应的物质本身有关，具体地说，与煤或其他燃料的性质有关。化学反应速率与燃料性质及温度的关系可用阿累尼乌斯定律表示。

四、阿累尼乌斯定律

在实际燃烧过程中，由于燃料与氧化物（空气）是按一定比例连续供给的，当混合十分均匀时，可以认为燃烧反应是在反应物质浓度不变的条件下进行的。这时，化学反应速率与燃料性质及温度的关系为：

k=k0e（-E/RT）

式中　k0——相当于单位浓度中，反应物质分子间的碰撞频率及有效碰撞次数的系数；

E——反应活化能；

R——通用气体常数；

T——反应温度；

k——反应速度常数（浓度不变）。

阿累尼乌斯定律说明了燃料本身的“活性”与反应温度对化学反应速率的影响关系。

什么是燃料的“活性”呢？可以简单地理解为燃料着火与燃尽的难易程度。例如，气体燃料比固体燃料容易着火，也容易燃尽。而不同的固体燃料，“活性”也不同，烟煤比无烟煤容易着火，也容易燃尽。因此，燃料的“活性”也表现为燃料燃烧时的反应能力。燃料的“活性”程度可用“活化能”来表示。

五、影响化学反应速率的因素

质量作用定律和阿累尼乌斯定律指出了影响燃烧反应速率的主要因素是反应物的浓度、活化能和反应温度。

1. 反应物浓度的影响

虽然认为实际燃烧过程中，参加反应物质的浓度是不变的，但实际上，在炉内各处，在燃烧反应的各个阶段中，参加反应的物质的浓度变化很大。

在燃料着火区，可燃物浓度比较高，而氧浓度比较低。这主要是为了维持着火区的高温状态，使燃料进入炉内后尽快着火。但着火区如果过分缺氧则着火就会终止，甚至引起爆炸。因此在着火区控制燃料与空气的比例达到一个恰到好处的状态，是实现燃料尽快着火和连续着火的重要条件。反应物浓度对燃烧速率的影响关系比较复杂，将在后面的内容中加以分析。

2. 活化能对燃烧速率的影响

（1）活化能概念　燃料的活化能表示燃料的反应能力。活化能的概念是根据分子运动理论提出的，由于燃料的多数反应都是双分子反应，双分子反应的首要条件是两种分子必须相互接触，相互碰撞。分子间彼此碰撞机会和碰撞次数很多，但并不是每一个分子的每一次碰撞都能起到作用。如果每一个分子的每一次碰撞都能起到作用，那么即使在低温条件下，燃烧反应也将在瞬时完成。然而燃烧反应并非如此，而是以有限的速率进行。所以提出只有活化分子的碰撞才有作用。这种活化分子是一些能量较大的分子。这些能量较大的分子碰撞所具有的能量足以破坏原有化学键，并建立新的化学键。但这些具有高水平能量的分子是极少数的。要使具有平均能量的分子的碰撞也起作用，必须使他们转变为活化分子，这一转变所需的最低能量称为活化能。所以活化分子的能量比平均能量要大，而活化能的作用是使活化分子的数目增加。

（2）燃料的活化能对燃烧速率的影响　在一定温度下，某一种燃料的活化能越小，这种燃料的反应能力就越强，而且反应速率随温度变化的可能性就减小，即使在较低的温度下也容易着火和燃尽。

活化能愈大的燃料，其反应能力愈差，反应速率随温度的变化也愈大，即在较高的温度下才能达到较大的反应速率。这种燃料不仅着火困难，而且需要在较高的温度下经过较长的时间才能燃尽。

燃料的活化能水平是决定燃烧反应速度的内因条件。

一般化学反应的活化能大约在42～420kJ/mol，活化能小于42kJ/mol的反应，反应速率极快，以至难于测定。活化能大于420kJ/mol的反应，反应速率缓慢，可认为不发生反应。

燃煤的活化能及频率因子可在沉降炉中测定，表1-1是国内四种典型煤种的测定结果。不同的测试仪器所测量的数据差别较大，因此，只有同一仪器测量的数据才具有可比性。

3. 温度对燃烧速率的影响

温度对化学反应的影响十分显著。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，因而反应速率加快。对于活化能愈大的燃料，提高反应系统的温度，就能愈加显著地提高反应速率。

4. 煤、煤粉气流和气体燃料的着火温度的影响

其见表1-2～表1-4。挥发分大的烟煤，活化能小，反应能力强，着火温度低，即使周围散热条件较强，也容易稳定着火；挥发分很低的无烟煤，活化能大，反应能力低，着火温度最高，需要减小周围散热，维持高温状态，才能稳定着火。