着火和点火

5.1.2　着火和点火

1.着火机理和着火方式

着火阶段是燃烧的准备阶段。在这一阶段，可燃物质与氧化剂在缓慢氧化的基础上，不断地积聚热量和活性粒子，到达一定程度燃料就会着火燃烧。着火是燃烧过程的临界现象之一。

事实上，任何可燃物质在一定条件下与氧接触都会发生氧化反应。如果氧化反应所产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，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，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过程。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，称为着火。

着火的反应机理有二：其一是热力着火。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。其二是链式着火。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，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。

着火的方式有两类：一类称为自燃。一定条件下，可燃混合物在缓慢氧化反应的基础上，不断地积聚热量和活性粒子，混合物的温度不断升高，反应速度不断加快，即使可燃混合物不是绝热的，一旦反应生成热量的速率超过散热速率而且不可逆转时，整个容积的可燃混合物就会同时着火，这一过程称为自燃着火。另一类称为点燃。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，然后将火焰传播到整个可燃混合物中去，这一过程称为点燃，或称为被迫着火，或称为强制点火，也简称点火。实际的燃烧组织中，一般都靠点火使可燃混合物着火燃烧。

可燃混合物的热力着火不仅与燃料的物理化学性质有关，而且还与系统中的热力条件有关。设有一密闭容器，其容积为V，容器内充满温度和浓度都均匀的可燃混合物。容器内壁温度为T₀，反应物的温度为T，反应物的浓度为C_A，C_B。V和T0不随反应时间而改变。单位时间容器内由于化学反应所产生的热量为

式中：W为化学反应速度；Q为燃料的热值。

图5.4　可燃混合物的热力着火过程

由于着火以前，温度T不高，反应速度很小，可认为反应物的浓度没有变化。将上式中的各常数项的乘积用A表示，则

将式（5.16）绘在图上，得到容器内由于化学反应而产生的热量Q与温度T的关系（为使问题简化，未考虑由于温度升高而使活化中心增加从而对化学反应速度产生的影响），见图5.4中的指数曲线L。

单位时间内可燃混合物通过容器壁向外界散失的热量为

式中：α为由混合物向内壁的散热系数；F为容器的内表面积。

由于容器中混合物的温度T变化不大，可认为α近似为常数。用B表示αF，则

式（5.18）在图5.4中为一直线M。散热线M的斜率取决于散热条件，它与横坐标的交点就是T₀。

当温度T₀较低时，散热曲线M和发热曲线L有两个交点，即图5.4中的点1和点2。这两个交点都符合发热量等于散热量的条件，即都处于平衡状态。为比较这两个交点的差异，将它们分别绘于图5.5中。

首先分析交点2。假设由于偶然的原因使温度下降一些，则由于化学反应产生的热量小于散失的热量，温度将不断下降。假设温度偶尔升高，则产热量大于散热量，温度将不断升高。因此，温度的任何微小波动都会使反应离开平衡状态，所以交点2是不稳定的平衡状态。

对于交点1，假设温度偶然降低，则产热量将大于散热量，温度将回到原处。假设温度偶尔升高，则散热量大于产热量，使温度又降回原处，所以交点1是稳定的平衡状态。但由于该点处混合物的温度很低，化学反应速度也很慢，是缓慢的氧化状态。

当T₀逐渐升高时，直线M向右移动，在M′位置时与曲线L相切于点i。点i是稳定状态的极限位置。若内壁温度T_0i再升高一点，曲线M′就移到M″的位置，曲线L和M″无交点。此时，产热量总大于散热量，温度不断升高，反应不断加速，于是化学反应就从稳定的、缓慢的氧化反应转变成为不稳定的、剧烈的燃烧。产热曲线与散热曲线的切点i称为着火点，相应的温度T_i称为着火温度或自燃温度。

图5.5　两种平衡状态的分析

应该指出，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。着火温度对某一可燃混合物来说，并不是一个化学常数或物理常数，而是随具体的热力条件的不同而不同。

若散热条件不变，升高压力将使反应物的浓度增加，化学反应速度加快，图5.6中产热曲线L将向左上方移动。到L′位置时出现一个切点，就是着火点i。压力继续升高，产热量永远大于散热量。

由图5.7，当发热曲线L不变时，若散热加强，直线M的斜率将增大，着火温度将由T_i升高到T′_i。

图5.6　压力升高时可燃混合物的热力着火过程

图5.7　着火点与散热条件的关系

由于着火点是产热曲线与散热曲线的相切点，因此有

将式（5.16）和式（5.18）代入上式，得到

联立后得到

求解式（5.21）便得到切点i的温度，即着火温度

上式中的根号前若取正号，将得到一个实际达不到的温度数值，故取负号。

将式（5.22）展开成级数，则

由于数值很小，忽略三次方以后各项（误差不超过1%），得

或

以上两式确定了使可燃混合物着火的条件，并用数量关系表达出来。为了能使可燃混合物着火，只需将其从温度T₀加热，使温度上升ΔT＝。

通常情况下，E＝（12.5～25）×10⁴ J/mol，周围介质的温度T₀＝700K，则着火前的加热程度

因此T_i与T₀相差很小。有的试验中用T₀代表着火温度，并不引起很大误差。

尽管着火温度并不是可燃物质的化学常数或物理常数，但可对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指标。表5.1给出了某些可燃物质的着火温度的一般数值。

表5.1　各种可燃物质的着火温度（常压下在空气中燃烧）

在相同的测试条件下，不同燃料的着火、熄火温度不同，而对同一种燃料而言，不同的测试条件也会得出不同的着火温度。但仅就煤而言，反应能力愈强（V_daf越高，焦炭活化能越小）的煤，其着火温度越低越容易着火，也越容易燃尽；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。

从上面的分析可知，要加快着火，可以从加强放热和减少散热两方面着手。在散热条件不变的情况下，可以增加可燃混合物的浓度和压力，增加可燃混合物的初温，使放热加强；在放热条件不变时，则可采用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。

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，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。

2.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，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，当达到一定温度后就开始着火。试验发现，煤粉气流的着火温度要比煤的着火温度高一些。表5.2和表5.3是在一定测试条件下分别得出的煤的着火温度和在煤粉气流中煤粉颗粒的着火温度。可以看出，煤粉空气混合物较难着火。

表5.2　煤的着火温度

表5.3　煤粉气流中煤粉颗粒的着火温度

锅炉炉膛中，希望煤粉气流能在燃烧器喷口附近稳定地着火。但如果着火过早，可能使燃烧器喷口因过热而被烧坏，也易使喷口附近结渣；如果着火太迟，就会推迟整个燃烧过程，致使煤粉来不及烧完就离开炉膛，增大固体不完全燃烧损失，另外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。

为了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输送煤粉，而只是用其中一部分来输送煤粉。这部分空气称为一次风，其余的空气称为二次风和三次风。

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着火热。它包括加热煤粉及空气（一次风），并使煤粉中水分蒸发及过热所需要的热量。

着火热主要有两个来源：一是被煤粉气流卷吸回来的高温回流烟气（包括内回流及外回流），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；二是高温火焰及炉壁对煤粉气流的辐射加热。

图5.8给出了不同加热方式时煤粉颗粒的温升与加热时间的关系曲线^［1］。

图5.8　煤粉的加热曲线

1—对流加热曲线；2—辐射加热曲线；3—考虑向周围介质散热时的曲线

分析该加热曲线可以得到如下结论：

①在相同加热时间下，对流加热所得煤粉温度比辐射加热时高得多。因此，高温回流烟气是煤粉气流着火的主要热源。

②在相同加热方式下，细颗粒煤粉的温升速度比粗颗粒大得多，即细煤粉先达到着火温度。因此，煤粉愈细愈容易着火。

用干燥剂送粉，即乏气送粉时，着火热Q_zh可用下式来计算：

式中：B_r为每只燃烧器的燃煤量（以原煤计），单位为kg/h；V⁰为理论空气量，单位为m³/h；α_r为由燃烧器送入炉中并参与燃烧的空气所对应的过量空气系数；r₁为一次风风率；c_1k为一次风比热容，单位为kJ/（m³·℃）；t_zh为着火温度，单位为℃；t₀为煤粉与一次风气流的初温，单位为℃；c_q为过热蒸汽的比热容，单位为kJ/（kg·℃）；ΔM为原煤在制粉系统中蒸发掉的水分，单位为kg/kg（煤）。

由上式可见，着火热随燃料性质（着火温度，燃料水分、灰分、煤粉细度）和运行工况（煤粉气流初温、一次风率和风速）的变化而变化。此外，也与燃烧器结构特性及锅炉负荷等有关。

下面分析影响煤粉气流着火的主要因素。

（1）燃料的性质

燃料性质中对着火过程影响最大的是挥发分含量V_daf。挥发分V_daf降低时，煤粉气流的着火温度显著提高，着火热也随之增大，就是说，必须将煤粉气流加热到更高的温度才能着火。因此，低挥发分煤的着火更困难些，着火所需时间更长些，着火点离开燃烧器喷口的距离自然也增大了。

原煤水分增大时，着火热也随之增大，同时水分的加热、汽化、过热都要吸收炉内的热量，致使炉内温度水平降低，从而使煤粉气流卷吸的烟气温度以及火焰对煤粉气流的辐射热也相应降低，这对着火显然也是更加不利的。

原煤灰分在燃烧过程中不但不能放热，而且还要吸热。特别是当燃用高灰分的劣质煤时，由于燃料本身发热量低，燃料的消耗量增大，大量灰分在着火和燃烧过程中要吸收更多热量，因而使得炉内烟气温度降低，同样使煤粉气流的着火推迟，而且也影响了着火的稳定性。

煤粉气流的着火温度也随煤粉的细度而变化，煤粉愈细，着火愈容易。这是因为在同样的煤粉浓度下，煤粉愈细，进行燃烧反应的表面积就会愈大，而煤粉本身的热阻却减小，因而在加热时，细煤粉的温升速度要比粗煤粉快。这样就可以加快化学反应速度，更快地着火。所以在燃烧时总是细煤粉首先着火燃烧。由此可见，对于难着火的低挥发分煤，将煤粉磨得更加细一些，无疑会加速它的着火过程。

（2）炉内散热条件

从煤粉气流着火的热力条件可知，如果放热曲线不变，减少炉内散热，有利于着火。因此，在实践中为了加快和稳定低挥发分煤的着火，常在燃烧器区域用铬矿砂等耐火材料将部分水冷壁遮盖起来，构成所谓卫燃带。其目的是减少水冷壁吸热量，也就是减少燃烧过程的散热，以提高燃烧器区域的温度水平，从而改善煤粉气流的着火条件。实际表明敷设卫燃带（也称燃烧带）是稳定低挥发分煤着火的有效措施。但燃烧带区域往往又是结渣的发源地，必须加以注意。

（3）煤粉气流的初温

由式（5.25）可知，提高初温t₀可减少着火热。因此，在实践中燃用低挥发分煤时，常采用高温的预热空气作为一次风来输送煤粉，即采用热风送粉系统。

（4）一次风量和一次风速

由式（5.25）可知，增大煤粉空气混合物中的一次风量可相应增大着火热，这将使着火延迟；减小一次风量，会使着火热显著降低。但一次风量不能过低，否则会由于煤粉着火燃烧初期得不到足够的氧气，而使化学反应速度减慢，阻碍着火燃烧的继续扩展。另外，一次风量还必须满足输粉的要求，否则会造成煤粉堵塞。因此，对应于一种煤，有一个最佳的一次风率。

一次风速对着火过程也有一定的影响。若一次风速过高，则通过单位截面积的流量增大，势必降低煤粉气流的加热速度，使着火距离加长。但一次风速过低时，会引起燃烧器喷口被烧坏，以及煤粉管道堵塞等故障，故有一个最适宜的一次风速，它与煤种及燃烧器型式有关。

（5）燃烧器结构特性

影响着火快慢的燃烧器结构特性，主要是指一、二次风混合的情况。如果一、二次风混合过早，在煤粉气流着火前就混合的话，等于增大了一次风量，相应使着火热增大，推迟着火过程。因此，燃用低挥发分煤种时，应使一、二次风的混合点适当地推迟。

燃烧器的尺寸也影响着火的稳定性。燃烧器出口截面积愈大，煤粉气流着火时离开喷口的距离就愈远，着火拉长了。从这一点来看，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。这是因为小尺寸燃烧器既增加了煤粉气流着火的表面积，同时也缩短了着火扩展到整个气流截面所需要的时间。

（6）锅炉负荷

锅炉负荷降低，入炉燃料相应减少，虽然水冷壁总的吸热量也减少，但减少的幅度较小，相对于每千克燃料来说，水冷壁的吸热量反而增加。这样一来，炉膛平均烟温下降，燃烧器区域的烟温也降低，因而对煤粉气流的着火是不利的。当锅炉负荷降到一定程度时，就会危及着火的稳定性，甚至可能熄火。所以，着火稳定性条件常限制煤粉锅炉负荷的调节范围。