燃燒學(xué)-6.固體燃料—煤燃燒

1、 固體燃料種類、特性，碳的燃燒化學(xué)反應(yīng)過程，煤的固體燃料種類、特性，碳的燃燒化學(xué)反應(yīng)過程，煤的各種燃燒方法各種燃燒方法碳的燃燒化學(xué)反應(yīng)過程碳的燃燒化學(xué)反應(yīng)過程 天然固體燃料天然固體燃料 木質(zhì)燃料木質(zhì)燃料 冶金生產(chǎn)：煉焦和氣化冶金生產(chǎn)：煉焦和氣化工業(yè)爐窯工業(yè)爐窯 不不 同同 種種 類類 煤煤 的的 特特 點(diǎn)點(diǎn)泥煤褐煤煙煤無煙煤碳化程度密度吸水性揮發(fā)分運(yùn)輸儲存氫氧含量可燃性發(fā)熱量機(jī)械性能粘結(jié)性低高小大強(qiáng)弱高低差好難易高低好差低高弱最好常見固體燃料可燃質(zhì)情況常見固體燃料可燃質(zhì)情況可燃質(zhì)可燃質(zhì)惰性質(zhì)惰性質(zhì) ： 煤的主要可燃元素，燃燒時放出大量的熱。煤的主要可燃元素，燃燒時放出大量的熱。 ： 煤的主要可

2、燃元素（可燃?xì)涿旱闹饕扇荚兀扇細(xì)?、化合氫、化合氫 ）。）。 ： 煤中一種有害物質(zhì)。和碳、氫構(gòu)成氧化物煤中一種有害物質(zhì)。和碳、氫構(gòu)成氧化物 。： 一般不參加燃燒反應(yīng)，是燃料中的惰性元素。一般不參加燃燒反應(yīng)，是燃料中的惰性元素。 ：有機(jī)硫有機(jī)硫 (S機(jī)機(jī))黃鐵礦硫黃鐵礦硫 (S礦礦)硫酸鹽硫硫酸鹽硫 (S鹽鹽) 可燃硫或揮發(fā)硫可燃硫或揮發(fā)硫 ：煤中所含的礦物雜質(zhì)煤中所含的礦物雜質(zhì)(主要是碳酸鹽、粘主要是碳酸鹽、粘 土礦物質(zhì)、以及微量稀土元素等土礦物質(zhì)、以及微量稀土元素等) 。 ：外部水分外部水分( 也叫做濕分或機(jī)械附著水也叫做濕分或機(jī)械附著水)內(nèi)部水分內(nèi)部水分：燃料完全燃燒后燃燒產(chǎn)物冷卻到

3、使其：燃料完全燃燒后燃燒產(chǎn)物冷卻到使其中的水蒸氣凝結(jié)成中的水蒸氣凝結(jié)成0的水時所放出的熱量的水時所放出的熱量。：指的是燃料完全燃燒后燃燒產(chǎn)物中的：指的是燃料完全燃燒后燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣冷卻到水蒸氣冷卻到20時放出的熱量時放出的熱量。22409COCO222245COCOKJKJ 表示整個化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)平衡和熱平衡，是表示整個化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)平衡和熱平衡，是。 反應(yīng)過程反應(yīng)過程反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)機(jī)理n 研究表明，碳與氧相遇后首先發(fā)生研究表明，碳與氧相遇后首先發(fā)生：n 初次反應(yīng)生成的初次反應(yīng)生成的CO和和CO2通過周圍的介質(zhì)擴(kuò)散出去，通過周圍的介質(zhì)擴(kuò)散出去， 能夠重新被碳表面從氣體介質(zhì)中吸附，在一定條件下

4、發(fā)能夠重新被碳表面從氣體介質(zhì)中吸附，在一定條件下發(fā) 生生。n 初次反應(yīng)和二次反應(yīng)同時交叉平行進(jìn)行著，構(gòu)成碳燃初次反應(yīng)和二次反應(yīng)同時交叉平行進(jìn)行著，構(gòu)成碳燃 燒過程的基本化學(xué)反應(yīng)。燒過程的基本化學(xué)反應(yīng)。224322COCOCO22322COCOCO或或22162CCOCO2222571COOCOKJ KJ22222CH OCOH22123CH OCOHKJ242CHCH3C+4H2O=4H2+2CO+CO22H2+O2=2H2OCO+H2O=CO2+H2224322COCOCO22322COCOCO或或23432COC O絡(luò)合：絡(luò)合：342222C OCOCOCO離解：離解： 224322COC

5、OCO氧消耗速度氧消耗速度(即燃燒速度即燃燒速度)為：為：2121ObbKk qk Cqk1絡(luò)合速度；k2 撞擊下離解的速度常數(shù)；Cb 氧的表面濃度。 bbbObCkkCkkqqCkqkqK2121211111111112bbbObCkkCkkqqCkqkqK21212111111111121： ，則，則 一級反應(yīng)，與氧氣的一次方成正比，反應(yīng)速度取決于離解速度一級反應(yīng)，與氧氣的一次方成正比，反應(yīng)速度取決于離解速度2： ，則，則 零級反應(yīng)，反應(yīng)速度取決于絡(luò)合速度，而與氧氣濃度無關(guān)零級反應(yīng)，反應(yīng)速度取決于絡(luò)合速度，而與氧氣濃度無關(guān) ：bCkk2111bObCkK22bCkk211112kKObbO

6、bCkK2223432COC O絡(luò)合：絡(luò)合：3422C OCOCO熱分解：熱分解： 22322COCOCO化學(xué)吸附速度化學(xué)吸附速度( (即燃燒速度即燃燒速度) )為：為： （一級反應(yīng)）一級反應(yīng)）21ObbKk C 2ObbKkC撞擊下分解的速度常數(shù)：撞擊下分解的速度常數(shù)：k1化學(xué)吸附的速度常數(shù)：化學(xué)吸附的速度常數(shù)： k1反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)機(jī)理阿累尼烏斯定律：阿累尼烏斯定律： 0expEkkRTk22162CCOCOKJ n 該反應(yīng)為一吸熱反應(yīng)，是煤氣發(fā)生爐中進(jìn)行的主要化該反應(yīng)為一吸熱反應(yīng)，是煤氣發(fā)生爐中進(jìn)行的主要化 學(xué)反應(yīng)。學(xué)反應(yīng)。n COCO2 2首先要吸附到碳的晶體上，形成絡(luò)合物，然后絡(luò)首先要吸

7、附到碳的晶體上，形成絡(luò)合物，然后絡(luò) 合物分解成合物分解成COCO，解析離開碳表面。，解析離開碳表面。 222CObCOCO bKkC“ 碳的氧化反應(yīng)和氣化反應(yīng)相比，究竟哪一個速度快？碳的氧化反應(yīng)和氣化反應(yīng)相比，究竟哪一個速度快？” 往往是往往是鍋爐和冶金爐燃燒技術(shù)上感興趣的一個問題。鍋爐和冶金爐燃燒技術(shù)上感興趣的一個問題。 碳的氧化反應(yīng)的活化能碳的氧化反應(yīng)的活化能較小一些，表現(xiàn)為一根稍平較小一些，表現(xiàn)為一根稍平緩的直線。緩的直線。 碳與二氧化碳的氣化反碳與二氧化碳的氣化反應(yīng)的活化能大一些，表現(xiàn)為應(yīng)的活化能大一些，表現(xiàn)為一根較陡的直線。一根較陡的直線。 比較后知，氧化反應(yīng)的比較后知，氧化反應(yīng)的速

8、度常數(shù)在速度常數(shù)在12001500的的范圍內(nèi)比氣化反應(yīng)的速度常范圍內(nèi)比氣化反應(yīng)的速度常數(shù)要大數(shù)要大1030倍。倍。 ：強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，如強(qiáng)化，放熱：強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，如強(qiáng)化，放熱 更多，溫度更高，反應(yīng)更加劇，更多，溫度更高，反應(yīng)更加劇， 其其的。的。：強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)。如一時強(qiáng)化，：強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)。如一時強(qiáng)化， 吸熱增多，溫度降低，則反應(yīng)減吸熱增多，溫度降低，則反應(yīng)減 緩，其緩，其。22123CH OCOHKJ22162COCOCKJn 該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，是氣化反應(yīng)的逆反應(yīng)；該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，是氣化反應(yīng)的逆反應(yīng)；n 在溫度降低時，會引起析碳；對于冶金爐、合成氨裝置和燃油爐，在溫度降低時，會引起析碳

9、；對于冶金爐、合成氨裝置和燃油爐， 這是一個重要問題。這是一個重要問題。n 溫度很高時，不能發(fā)生岐化反應(yīng)；溫度很低時，反應(yīng)速度太低，也溫度很高時，不能發(fā)生岐化反應(yīng)；溫度很低時，反應(yīng)速度太低，也 不能析碳，僅在不能析碳，僅在2001000的溫度范圍內(nèi)，才可能析碳。的溫度范圍內(nèi)，才可能析碳。n 岐化反應(yīng)的最大速度出現(xiàn)在溫度為岐化反應(yīng)的最大速度出現(xiàn)在溫度為400600范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。煤的燃燒逆流式逆流式順流式順流式交叉式交叉式 燃料和空氣供給方法燃料和空氣供給方法 圖圖6-5 煤的層燃式燃燒煤的層燃式燃燒 利用空氣使煤在沸騰層狀態(tài)利用空氣使煤在沸騰層狀態(tài)下完成傳熱、傳質(zhì)和燃燒反應(yīng)。下完成傳熱、傳質(zhì)和

10、燃燒反應(yīng)。n ： 用較高速度把氧化劑即空氣用較高速度把氧化劑即空氣從下面吹入比較細(xì)的燃料粒子層從下面吹入比較細(xì)的燃料粒子層中，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到某一臨界速度時，中，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到某一臨界速度時，粒子層的全部顆粒就失去了穩(wěn)定粒子層的全部顆粒就失去了穩(wěn)定性，整個粒子層就好像液體沸騰性，整個粒子層就好像液體沸騰那樣，產(chǎn)生強(qiáng)烈的相對運(yùn)動，故那樣，產(chǎn)生強(qiáng)烈的相對運(yùn)動，故稱為沸騰式燃燒，也叫做流化床稱為沸騰式燃燒，也叫做流化床燃燒。燃燒。 （a）火炬式燃燒）火炬式燃燒 （b）旋風(fēng)式燃燒）旋風(fēng)式燃燒圖圖6-7 懸浮式燃燒懸浮式燃燒將固體燃料先磨成細(xì)粉，然后隨空氣流在爐將固體燃料先磨成細(xì)粉，然后隨空氣流在爐 膛內(nèi)呈懸浮狀態(tài)進(jìn)行燃燒。