燃烧学-第七章-固体燃料的燃烧课件.ppt

1、固体燃料的燃烧煤的燃烧过程大致可分为5步：干燥干燥。100左右，析出水分；热解热解。约300以后，燃料热分解析出挥发分，为气态的碳氢化合物，同时生成焦和半焦；着火着火。约500，挥发分首先着火，然后焦开始着火；燃烧燃烧。挥发分燃烧，焦炭燃烧。挥发分燃烧速度快，从析出到基本燃尽所用时间约占煤全部燃烧时间的10%；挥发分的燃烧过程为气-气同相化学反应，焦炭的燃烧为气-固异相化学反应；燃尽燃尽。焦炭继续燃烧，直到燃尽。这一过程燃烧速度慢，燃尽时间长。煤被加热到一定温度后，进入热分解阶段。热分解阶段释放出焦油和气体，并形成剩余焦炭，这些焦油和气体称为挥发分。挥发分由可燃气体混合物、二氧化碳和水组成。其

2、中可燃气体包括一氧化碳、氢、气态烃类和少量酚醛。煤加热时释放出的挥发分的重量和成分取决于加热升温速度、加热最终温度和在此温度下的持续时间。根据升温速度不同，将热解过程分为慢速热解和快速热解：慢速热解慢速热解：加热煤粒的升温速度小于2/s;快速热解快速热解：加热煤粒的升温速度大于104/s；居于慢速热解和快速热解之间的热解过程为中速热解中速热解。煤的热解过程快速玻璃化孔隙中液态热解产物沸腾，释放出气泡此时孔隙中充满液态热解产物初次挥发物焦油、CO2、CO、C2、C6H6、CH4、H2O半焦孔隙加大慢速热解，温度水平为400600快速热解，温度水平为2000 初次挥发物中速初次挥发物扩散通过煤粒内

3、部孔隙或燃料层时裂解或热分解二次挥发物CO2、CO、C2H6、CH4、H2O、液体+二次焦油半焦慢速离解三次挥发物饱和和不饱和H2和气态碳氢化合物焦炭煤的热解过程及其复杂，因而建立热解反应动力学模型来描述煤粒热解的动力学过程，并进而计算挥发物的析出速率也是一个十分复杂的问题。RTEaakddavvvexp0上式可描述中等温度时的热解过程，称为一步反应模型，由Badzioch提出。T热解温度；av在时间t内析出的挥发分的质量；av从煤粒中析出的挥发分的最大质量。Stickler提出了两个平行反应方程模型，假定煤粉颗粒在快速热解下由两个平行反应控制RTEkkRTEkk20221011expexp挥

4、发分av1+剩余焦炭ah1挥发分av2+剩余焦炭ah2Ck1a11-a1k2a21-a2cvccakakaddaakkdda221121a1、a2挥发分在两个反应中所占当量百分数ac原煤中干燥无灰基挥发分含量av1、av2两个反应所析出的挥发分的质量ah1、ah2两个反应所析出的焦炭的质量Stickler给出：E1=74106J/mol；E2=252464J/mol；k01=3.7105s-1；k02=1.461013s-1；由于E2E1，k02k01，所以在低温时，第一个方程将起主要作用；在高温时，第二个方程将起主要作用。根据Lanmuir的异相反应理论：碳和氧的异相反应是氧分子溶入碳的晶格

5、结构的表面部分，由于化学吸附络合在碳晶格的界面上。在碳表面上的吸附层只有单分子的厚度，该吸附层首先形成碳氧络合物，然后由于热分解或其他分子的碰撞而分开，这称为解析。解析形成的反应产物扩散到空间，剩下的碳表面再度吸附氧气。整个碳表面上的气固异相反应可分为以下步骤：氧必须扩散到碳表面；扩散到碳表面的氧被表面吸附；吸附在碳表面上的氧在表面进行反应，形成反应物；反应物从表面解析；解析的产物必须从碳表面扩散出去。整个碳表面上的反应速度取决于上述步骤中最慢的一个。先不考虑扩散的因素，假定碳表面上吸附了氧的面积份额为q，即：q 吸附了气体分子的表面积固体的总表面积在吸附了氧的碳表面积上，已不能再吸附新的氧分

6、子了，而只能解析氧和碳的反应产物。解析速度和q 成正比：vj=k-1q解析速度常数由于剩余部分没有吸附氧，因而表面附近的氧分子就会吸附上去，其吸附速度和(1-q)及表面上的氧的浓度成正比 vs=k1 Cs(1-q)吸附速度常数碳表面上的氧浓度如果吸附和解析之间达到平衡，此时碳表面上吸附了的氧的面积份额q 将不再变化，从而可求出q：11111kkBBCCkCkCkssssq由于碳和氧的反应只能在吸附了氧的那部分碳表面上发生，因此q 越大，碳和氧的反应速率也越大，反应速率v和q 成正比：ssCBCkkvq上式可能存在三种情况：BCs此时，v=Cs k/B=kCs说明：BCs此时，v=kCs/(Cs

7、+B)=k说明：k=k/BBCs此时，只有部分固体表面被氧吸附，碳表面处氧的浓度为中等，因此：10,nkCcBCkvnsss低于800阶段，吸附能力强，碳表面氧浓度高，属于零级反应温度高于1200阶段，碳表面处氧浓度很低，属于一级反应在8001200 之间的阶段，一般为分数级反应实际应用中，为简化，可将碳氧反应作为一级反应来处理碳燃烧是一个气固间的异相化学反应过程，此时碳和氧之间的反应是在碳的吸附表面上进行的。研究表明，碳燃烧释放热量的主要化学反应使碳和氧的直接反应，也称为一次反应。C+O2=CO2+409 MJ2C+O2=2CO+245 MJ一次反应生成的CO和CO2通过周围的介质扩散出去，

8、能够重新被碳表面从气体介质中吸附，在一定条件下发生二次反应。CO+O2=2CO2+571 MJC+CO2=2CO-162 MJ一次反应和二次反应同时交叉平行进行着，构成碳燃烧过程的基本化学反应。当碳表面有水蒸气存在时，还可能进一步进行以下的反应：C+H2O=CO+H2C+2H2O=CO2+2H23C+4H2O=4H2+2CO+CO2C+2H2=CH4在靠近碳表面的气体层中，还可能发生下列反应：2H2+O2=2H2OCO+H2O=CO2+H2上述反应过程中哪些是主要的，取决于温度、压力以及气体成分等燃烧过程的具体条件。石墨的晶格结构：六角形组成的几面叠结而成。晶体内部每个碳原子三个价电子在几面内

9、形成稳定化学键，第四个价电子则分布在基面之间的空间内，键的结合力较弱。，碳晶格表面和周界上能吸附气体分子，称为物理吸附。物理吸附不能发生化学变化。，气体分子具有较高的相对速度，能侵入石墨晶格表面层基面间的空间内，把基面的空间距离撑大，和碳原子形成新的键。碳和氧会形成固溶络合物，该络合物可能会由于其他具有一定能量的氧分子碰撞而结合成CO和CO2。，单纯物理吸附不存在，晶体周界对氧分子的化学吸附能力增加，吸附后形成的碳氧络合物会受热分解成为CO和CO2气体，或被其他分子碰撞而离解，离开晶体而形成自由分子。对于碳和氧的一次反应产物，有三种观点：二氧化碳学说 一氧化碳学说 目前普遍接受的第三种观点温度

10、在温度在1300以下时，碳和氧的反应机理以下时，碳和氧的反应机理 物理吸附为主，反应过程为一级反应；氧分子落入碳晶格内生成络合物。3C+2O2=C3O4 由于温度不高，络合物热离解的可能性不大而处于稳定状态，一旦有能量较高的氧分子撞击此部分时，将发生以下离解反应：C3O4+C+O2=2CO2+2CO 简化方程式可写成：4C+3O2=2CO2+2CO温度在温度在1600以上时，碳和氧的反应机理以上时，碳和氧的反应机理 高能氧分子份额增多了，但同时已溶解的氧分子的解脱作用也加大了；碳和氧的一次反应通过晶体边界的棱和顶角的化学吸附完成；高温下氧分子撞击碳表面的频率增大，但此时化学反应取决于较慢的化学

11、吸附速度，与氧分子浓度和撞击频率无关。属于零级反应。化学吸附形成络合物：3C+2O2=C3O4 高温下自行热分解C3O4=2CO+CO2 简化方程式可写成：3C+2O2=2CO+CO2C+CO2=2CO该反应为一吸热反应，是煤气发生炉中进行的主要化学反应。CO2首先要吸附到碳的晶体上，形成络合物，然后络合物分解成CO，解析离开碳表面。由于CO2的化学吸附活化能比氧的溶解活化能大得多，因此这一反应只有在温度很高时才能显著起来。T400，CO2的固溶络合和化学吸附络合开始显著；T700，零级反应。最为薄弱环节为碳氧络合物如何自我分解。T950，一级反应。最为薄弱环节为碳氧络合物受CO2撞击分解 温

12、度更高，一级反应。最为薄弱环节为化学吸附过程C+H2O=CO+H2吸热反应，反应级数一般认为是一级反应；C与H2O的反应速度约比C与O2的反应速度快3倍；水蒸汽也是经过吸附、络合与解析等一系列中间环节而引起的，起决定性环节是中间络合物的生成和分离。定义：反应物因原子不均匀分配而转化成两种不同产物的反应；2CO=C+CO2该反应为放热反应，是气化反应的逆反应；在温度降低时，会引起析碳；对于冶金炉、合成氨装置和燃油炉，这是一个重要问题。温度很高时，不能发生岐化反应；温度很低时，反应速度太低，也不能析碳，仅在2001000的温度范围内，才可能析碳。岐化反应的最大速度出现在温度为400600范围内。推

13、导碳燃烧速度推导碳燃烧速度碳燃烧速度：碳在单位时间、单位表面积上燃烧的质量。先考察碳燃烧时氧量的平衡 碳燃烧反应的氧量ws0=kCs 周围扩散到碳表面的氧量vO2=ad(C-Cs)平衡状态，ws0=vO2即：kCs=ad(C-Cs)氧扩散到碳表面的扩散速度常数CkCddsaa于是CkCkkwdddsaaa1110碳的燃烧速度：CkwGdscsa1110碳与氧的化学计量比折算反应速度常数：dzskka111Gsc=kzs C对上述结果进行讨论kad，1/k0kzs ad，Cs adGsc=ad C反应温度很高时，化学反应能力很强，碳的燃烧速度取决于氧气扩散速度；称为扩散控制燃烧，又称扩散燃烧区。

14、k 10，动力燃烧区；Sm=0.110，过渡燃烧区；Sm100时，Nud=0.7Re0.5谢苗诺夫准则可以表达为：RTEddmekDNukDNuS0dd从上式可以看出，影响Sm的因素包括以下几项：火焰温度T；气流相对速度w；活化能E，频率因子k0；煤的粒径d。上述各参数对谢苗诺夫准则的影响表现为：温度T25.1,exp,00mSTTDDTSRTETmmmSm，T，趋于扩散区 气流相对速度wmdSwffNuw,(Re),d趋于动力区 反应活化能E（煤质）和频率因子k0（煤质）mmSkSRTEE,exp,0趋于动力区趋于扩散区 燃料粒径mdmSwffNuS,(Re),dd总的趋势，趋于扩散区例如：

15、粒径10mm时，T=1000进入扩散燃烧区 粒径0.1mm时，T=1700 进入扩散燃烧区例题：无烟煤，煤粒d=60mm，炉温1300,煤粒气流之间的相对速度w=5m/s，煤粒反应活化能150kJ/mol，频率因子k0=14.9103m/s，判断该燃烧处于何燃烧区?计算碳燃烧速度。在燃烧中，uD=D0(T/T0)m=1.9810-5(1300+273)/2732=65710-6m2/sRe=wd/u=56010-6/65710-6=0.46Re很小，按Re0处理，则Nud=210140156.09.21m/s156.0109.14exp)2731300(3.810150303kSeRTEkkd

16、ma推导碳粒燃尽时间模型假定：r0rdr微元体在d 时间内，燃烧掉的质量为dGdG=-4pr2rdr碳燃烧速度rprppddrdrdrrdrdGGcs2224441221122211102000000krDDCrdrrkDDCrkDDCkDrCGrDrDNurDCkGGdrdGdrdrcsdddcsrcscsrraarr微元体燃烧时间碳燃尽时间煤的粒径 扩散燃烧区，D/r0 k，D/r0k ad)20202rDCrr 动力燃烧区，D/r0 k，D/r0k 1(k ad)00rkCrr 过渡燃烧区，D/r0 k，D/r0k 1(k ad)r012炉内温度 扩散燃烧区)15.0()0.25.1(,

17、1TnTDTCn 动力和过渡燃烧区,csGkT燃料性质 挥发分含量越高，焦炭含量越少，燃尽时间越短；同时，挥发分析出后，所残留焦炭疏松，密度小，易于与空气接触，燃尽时间也要减少。化学当量比 化学当量比越大，碳粒周围氧浓度越高，燃尽时间越短。但同时，随着化学当量比的提高，燃烧温度要降低，排烟热损失要增加，有可能造成燃尽时间延长。通常的做法是根据燃料的性质，将化学当量比控制在1.01.4范围内。煤燃烧方式分类燃烧方式分类各种燃烧方式下燃烧的共性问题控制煤燃烧过程的关键要素着火热Qi煤和气流进入燃烧室到实现着火燃烧所需要吸收的热量来源组成例 Vdaf=20%的烟煤，Qi=1050kJ，Ti=840

18、煤气 ，Qi=840kJ，Ti=600 无烟煤 ，Qi=1300kJ，Ti=1000由此发现，燃料挥发分越低，含碳量越高，煤的着火热越大，着火温度越高影响着火热的因素燃料性质的影响与煤一同送入燃烧室的风量的影响 风温的影响 其他因素改善煤着火的措施控制煤的粒度控制煤的含水量控制空气量在着火区域创造局部高温区一次风和二次风由于空气吸热占着火热的比例非常高，降低空气吸热量是减小着火热的重要举措把空气分批送入燃烧室，可以有效降低着火热，由此，把空气分为一次风和二次风对煤粉燃烧过程而言一元燃烧热工况试验对马弗炉里煤粉与空气气流的燃烧过程进行了一元系统的燃烧热工况计算马弗炉：一种不用燃油而用煤块与煤粉生

19、火的燃烧器。煤粉炉生火时先用煤块在手烧炉排上烧着，然后把手烧炉烧旺使马弗炉的炉温达到800100度，这时将煤粉与空气气流送进马弗炉，使气流在马弗炉内着火，着火以后的煤粉气流吹进煤粉炉，这样就慢慢地使煤粉炉生火。一次风管道二次风管道马弗炉马弗炉燃烧过程计算 实验条件 实验方案方案一 所有空气(a=0.5)都作为一次风和煤粉一起进入炉内（即a0.5），气流从初温127开始得到马弗炉内的烟气卷吸和辐射受热而逐渐升温。距马弗炉出口0.35m处达到着火温度835，于是煤粉着火燃烧，温度迅速上升。当气流到达x1=0.63m处时，空气烧光，其在马弗炉内的燃烧基本结束。从这个方案可以看出，全部空气都用作一次风

20、，提高了最初的煤粉气流的热容量。使加热到着火的时间(由此也决定了空间长度)延长，这样就不能缩短整个火炬长度。方案二 空气分成一次风(Da1=0.15)与二次风(Da20.35)。一次风量较少，所以煤粉气流受热升温较快，到0.06m处温度就已上升到825。但是这时尚未达到着火温度，然而二次风就在这个时候加入，结果使整个煤粉气流的温度下降到320，然后象方案1一样地逐惭升温、着火、燃烧。火炬长度仍为x1=0.63m。从这个方案可以看出，二次风过早地在一次风与煤粉气流尚未着火燃烧以前送入，其结果与全部空气作为一次风一样，也不能缩短火炬长度。方案三 一次风量仍相当于Da1=0.15，二次风量也相当于D

21、a2=0.35，但是加入地点推迟到0.09m处。于是煤粉与一次风气流在0.07m处着火燃烧，一次风中的氧很快就消耗掉，气流温度升高到1500。但是此时二次风量一次加得太多了，混合以后又使温度降低到745(着火温度以下)，火炬被中途淬熄。此后，部分燃烧过的煤粉气流和二次风的混合物重新受热，达到0.29m处再度着火，而在x1=0.48m处二次风中的氧也消耗完，马弗炉内的燃烧过程基本上结束。从这个方案可知，二次风在一次风中的氧消耗完以后加入，对于缩短火炬长度是有帮助的。但是一次加入的二次风量过多，使燃烧中断，所以火炬长度缩短得不多。方案四 一次风量Da1=0.15，二次风分为两批，第一批Da21=0

22、.15，第二批Da22=0.2，分别在0.09m与0.2m处加入。一次风和煤粉气流仍象方案3一样，很快地升温着火，到0.09m处就已达到1500。此时第一批二次风(Da22=0.15)加入，虽然总的气流温度由于混合有所下降，但只下降到1020，仍在着火温度以上，所以能够继续猛烈地燃烧，当达到0.20m处，气流温度已高达1800，此时第二批二次风(Da22=0.20)再度加入，所以燃烧依然十分强烈，温度又回升上去。达到xa=0.24m处，全部空气中的氧烧光，马弗炉内的燃烧基本结束。上述四个实验方案对比配风原则 供应的空气应该分成一次风与二次风，这样可以加快气流的升温着火。一次风量不宜过多(对于煤

23、粉气流，大致相当于挥发分燃烧的化学当量比)。二次风应在煤粉着火并把一次风中的氧消耗掉的时候加入。二次风应分批加入，第一批烧完了再加入第二批。如果掌握不住上一批二次风刚巧在哪里烧完，因而难以选择下一批二次风应该加入的准确地点，那么与其早一些，毋宁迟一些。二次风每批送入的数量应有限制，使部分燃烧的煤粉气流与新加入的二次风混合以后的温度不低于着火温度，避免中途淬熄，以保证燃烧继续进行。煤的燃尽任务：保证焦炭在一定的燃烧室空间充分燃尽控制要素保证煤燃尽的主要措施燃烧温度氧浓度停留时间燃料特性煤粉空气混合物气流较难于点燃煤粉炉中，燃烧所需空气分为一、二次风。一次风作用：将煤粉通过燃烧器输送到炉膛，并供给

24、煤粉在着火阶段所需空气；二次风作用：煤粉着火以后混入保证煤粉燃尽。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的温度。煤粉着火温度使有一定条件下煤粉着火的临界条件决定的，不同条件所测得的着火温度不同。不同煤种煤粉气流中颗粒的大致着火温度煤 种挥发分vdaf(%)着火温度Tj（）褐 煤50550烟 煤406503075020840贫 煤14900无烟煤41000一般情况下，煤粉气流在着火过程中所吸收的热量只有1030%来源于辐射传热量，所以其主要的热量来源是对流换热。着火热着火热：将煤粉加热到着火温度所需热量称为着火热。着火热主要有三部分构成：干燃料

25、升温所需要的热量，约20%空气升温所需要的热量，约70%水分升温所需要的热量，约10%影响着火热的因素燃料性质的影响一次风量的影响 一次风温的影响 其他因素煤粉气流的燃尽过程较长，实际工作中需要一定的燃烧室冷却面积进行火焰的辐射换热，燃尽时间会更长。煤粉气流燃烧正常时，一般离燃烧器喷口0.30.5m处开始着火，离喷口12m的距离内，大部分挥发分已经析出和烧掉，但是焦炭粒的燃烧常要持续1020m或更远的距离，有一个较长的燃尽过程。一般煤粉锅炉燃烧室设计足够大，保证在燃烧室的一般高度处，能达到约98%的燃尽率。煤粉燃烧要注意控制其污染物排放 污染物主要包括粉尘、氮氧化物和硫氧化物，下一章重点讨论

26、煤粉同其他燃料相比，较难与着火。为了达到一定的着火温度，需要供给煤粉气流足够的着火热。实际燃烧过程中，希望尽可能的减少煤粉气流的着火热，改善着火条件，稳定燃烧。对于具体的燃烧设备，希望煤粉气流在喷入燃烧室后，有适当的着火距离（着火点距喷口的距离）。着火距离过小，容易烧坏喷口。着火距离过大，煤粉燃尽的行程就长，所需燃烧室的高度和体积就大。对于难着火煤粉，通常着火距离过长，这时需要通过一定的技术减小着火距离。实际煤粉燃烧过程中使用煤粉燃烧器组织煤粉气流着火燃烧本节重点介绍实际燃烧器工作中煤粉和空气射流是如何组织燃烧的常见的煤粉燃烧型式 旋流煤粉燃烧 直流切圆煤粉燃烧F通过蜗壳或叶片使射流产生回流区

27、。高温烟气在回流区负压的作用下被卷吸。一次风在回流区与高温烟气相接触，并被点燃。挥发分着火燃烧。焦炭着火燃烧时，二次风及时补入，保证燃尽。依靠旋转射流可产生回流区，单只燃烧器可独立组织点火燃烧。燃烧器布置容易。旋转射流刚性较差，轴向速度衰减快，射程短。容易造成二次风过早混入一次风中。适用煤种：烟煤。不适宜燃用低挥发分煤种。切向燃烧炉中四个角置燃烧器之间进行了有效的帮助和协作，每一个燃烧器给下邻角燃烧器起点燃作用。燃烧器一次风煤粉气流的向火一侧的侧面受到上邻角燃烧器喷出的火炬冲击获得了高温烟气。至于背火一侧的气流切面也卷吸了炉墙附近的热烟气，但热量较少。此外，一次风和二次风之间也进行着少量的过早

28、混合。切向燃烧炉内四角燃烧器都切于“假想切圆”，所以它们都带有动量矩，整个炉膛出现旋转的大气流，或称大旋涡，也就是旋转的火焰。旋转火焰中流速最大的地方称为实际切圆，它被认为是射流中心线之所在。旋转火焰是由所有一次风和二次风射流织成，在炉内已汇成体。二次风射流的流量大，流速高，动量流率及其动量矩都在各股射流中占首位，因而是旋转火焰的主力，也就是说，炉内旋转火焰的旋转速度主要决定于二次风。一般希望旋转火焰能充满炉内大部分体积，并且各层射流的实际切圆都大小适当。如切圆太大，则旋转火焰逼近炉墙，容易结渣；如切圆太小，则旋转火焰不能充分利用炉膛体积进行燃尽，而且燃烧器出口处得不到旋转火焰的对流传热，影响着火。一、二次风射流的实际切圆还宜于差不多一样大小，这样便于一、二次风就近混合而且下二次风位于下一次风的下方，其湍动可托住煤粉减少煤粉离析。