燃燒學講義第7章固體燃料燃燒

1、1第第7章章 固體燃料燃燒固體燃料燃燒 n7.1 7.1 概述概述n7.2 7.2 異相化學反應及碳化學反應速度異相化學反應及碳化學反應速度n7.3 7.3 碳球燃燒過程與燃盡時間碳球燃燒過程與燃盡時間n7.4 7.4 煤粉兩相流的燃燒煤粉兩相流的燃燒 n7.5 7.5 煤粉的火炬燃燒煤粉的火炬燃燒27.1 概述n煤的燃燒過程有自己的特點：氣態(tài)產(chǎn)物：揮發(fā)分V受熱裂解著火燃燒加熱剩余固態(tài)產(chǎn)物：焦炭C加熱著火燃燒供O2燃盡放熱Q煤3可見：焦炭焦炭（C C）無論在煤中的質量百分比或燃燒放熱（發(fā)熱量）無論在煤中的質量百分比或燃燒放熱（發(fā)熱量）的百分比都是占主要地位。的百分比都是占主要地位。 n 煤中焦

2、炭量占55-96.5%，發(fā)熱量占66-95%。n 焦炭燃燒是異相化學反應，反應速度慢。焦炭燃燒的時間約占全部燃燒時間的90%，也就是說，揮發(fā)分燃燒時間僅約10%。這也說明了焦炭燃燒比氣體燃料燃燒要困難的多。n 從提供熱量的角度，焦炭具有主要意義，它提供了大量的熱量。焦炭占可燃成分的質量百分比，%焦炭發(fā)熱量占煤總發(fā)熱量的百分比，%無煙煤96.595煙煤57-7859.5-83.5褐煤5566泥煤3040.5木柴15204煤燃燒過程的特點總結n揮發(fā)份的燃燒過程：先析出，然后遵循氣體燃料燃燒的規(guī)律。類似與液體燃料燃燒的過程，也存在一個“析出潛熱”。n煤的燃燒過程主要是焦炭燃燒一個異相（非均相）化學反

3、應過程。遵循固體燃料燃燒特有的規(guī)律。n所以，本章重點討論焦炭的燃燒過程。5煤中碳的結構特征n固體碳的兩種結構金剛石和石墨n金剛石的晶格結構中C原子排列十分緊密，原子鍵結合力很大，所以金剛石硬度高而活性小，很不容易氧化，且壓力越高熱穩(wěn)定性越好，故沒有燃燒價值。6煤中碳的結構特征1.4110-10m3.34510-10m第一層第二層第三層第四層煤中主要是石墨晶格，石墨晶格是復雜的六棱柱結構組合。7煤中碳的結構特征1.4110-10m3.34510-10m第一層第二層第三層第四層在六角形基面中，碳原子間距1.4110-10m，所以結合比較牢固。而六角形基面之間的距離較大 ， 可 達3.34510-1

4、0m，故結合較弱，不能阻止其它原子（如O原子）的深入，而發(fā)生氧化反應。8煤中碳的結構特征1.4110-10m3.34510-10m第一層第二層第三層第四層另外，六角形基面上的C原子都是以3個價電子與基面上其它C原子結合，結合緊密，反應活性就低。而周界和邊緣上的C原子的結合鍵要少，因此活性較好，但是活化能仍然較高。9影響焦炭反應特性的因素n內空隙及表面積、密度n煤中含有水分n煤中含有灰分n煤中揮發(fā)份的量以及析出過程n這些都影響著焦炭的反應特性107.2 異相化學反應動力學7.2.1 異相化學反應基本步驟n碳的燃燒是一種氣固兩相間在碳的表面上進行的化學反應(非均相化學反應)。n通常氣固異相反應包括

5、如下步驟： 117.2.1 異相化學反應基本步驟O2第一步：O2必須通過擴散到達碳的表面，并被碳表面吸附第二步：在碳表面上進行碳氧反應，并生成反應產(chǎn)物第三步：反應產(chǎn)物從碳的表面上脫離（解吸），并從碳表面向外擴散開去碳球而整個碳表面上的反應速度決定于其中最慢的一步。12溫度與吸附的關系溫度條件吸附原理吸附的化學變化常溫主要是物理吸附，并隨T-吸附氣體脫離無化學變化中溫氣體分子溶入晶格基面之間-形成固溶絡合物發(fā)生化學變化（絡合物與原來的氣體- O2的性質不同）高溫不存在物理吸附，僅有很少的固溶絡合物。主要是晶體周界和邊緣上的C原子對氣體（O2）的化學吸附，但吸附活化能很大。只能在很高溫下，化學吸附

6、才顯著。只能在很高溫下，化學吸附才顯著。發(fā)生化學變化，產(chǎn)生新氣體。化學吸附后的新氣體可能自動或被撞擊而解吸。13焦炭反應活性 n由于碳晶體邊界與中心的活性不同（鍵能低）邊界反應活性更好。n基面上與基面間的活性不同（間隙大）基面間反應活性更好。n內、外表面積大小不同，活性不同表面積大反應活性更好。n所以不同的焦炭其化學反應速度相差甚大。一般密度小孔隙率高（疏松）的焦炭，粒徑小的焦炭（比表面積大，內空隙易暴露），反應活性更強。 14對對C + CO2 = 2CO 反應的焦炭活性順序反應的焦炭活性順序 活性大活性小泥煤焦炭木炭褐煤焦炭煙煤焦炭無煙煤焦炭157.2.2 碳燃燒異相反應理論n根據(jù)異相反應

7、的步驟，首先需要建立的理論，是吸附（解吸）的理論O2第一步：O2必須通過擴散到達碳的表面，并被碳表面吸附碳球16設碳表面上的吸附了氧的面積份額為q，則 又稱表面遮蓋率。吸附了O2的碳表面上，不能再吸附新的O2分子，而只能把碳氧反應產(chǎn)物解吸出去。因此，解吸的速率wj與碳表面上O2的吸附面積份額q成正比，即吸附面積率q愈大，反應物愈多，向外解吸速度wj愈快O2碳球碳的總表面積分子的表面積吸附了qn 或 （k-1解吸的比例常數(shù)）jwq1jwkq17同樣，在碳表面上(1-q)的面積份額上沒有吸附O2，故碳表面附近的O2就有可能再吸附上去。吸附上去的速率wx決定于碳表面附近的O2濃度Cb和(1-q)的大

8、小。O2碳球吸附與解吸的平衡 或 （k1吸附的比例常數(shù)）11xbwkCq1xbwCq當達到平衡時 即 jxww111bkqk CqbbbbKCKCCkkCkq111111kkK其中18q與K及Cb的關系02468100.00.20.40.60.81.0CbCb=10Cb=1qK=k1/k-1Cb=0.119碳表面碳表面O2濃度很低的情況濃度很低的情況n顯然：化學反應只能在吸附了O2的那一部分表面q上發(fā)生，因此q發(fā)生碳燃燒反應的機會燃燒速度。所以：碳燃燒化學反應速度 或n討論： 當碳表面附近O2濃度很低時，即 ，則 結論：結論：a化學反應速度wm與氧濃度Cb一次方成比例。反應級數(shù)為一級，n=1；

9、 b ，說明碳表面吸附的O2很少，吸附能力很弱。mwq1bmbKCwk qkKC21OKC21mOwqKC1q20碳表面碳表面O2濃度很高的情況濃度很高的情況n 當碳表面O2濃度CO2很高，即 ，則結論：結論：a此時wm與Cb的0次方成比例，與碳表面附近O2濃度無關。此時為0級反應 n=0 b此時，q1 說明碳表面吸附O2的能力很強，幾乎達到了飽和，同時說明解吸能力很弱。n 當碳表面O2濃度CO2中等時，可認為 n=01 即為分數(shù)的反應級數(shù)。21OKC201mOwqKC2nmOwqC1bmbKCwk qkKC21溫度對化學反應因素的影響n通常，在處理碳的燃燒反應時，有時為簡化問題起見，可以把它

10、當作n=1的一級反應處理。即溫度T碳表面O2濃度CO2吸附能力q反應級數(shù)n800（低溫階段）CO2高q1，吸附強n=01200（高溫階段）CO2低q90.1190.90.10.90.1mSzlkCCb300000exp()exp()zlzlzlDNuNuDEEkkkRTRTNu2 1Re Prmnc討論： 顆粒直徑0mSzlk當T當相對速度Re )exp(RTEmSzlkmSzlk向動力區(qū)移動；向擴散區(qū)移動；向動力區(qū)移動；31粒徑對進入擴散區(qū)溫度的影響設煤的E=126168kJ/mol進入擴散區(qū)的溫度T0=10mm0=0.1mm1200K2000K32思考題n前面已經(jīng)討論過，比表面積大的細小煤

11、粉反應活性好。家用煤球爐在800多就能穩(wěn)定燃燒，而大型煤粉爐卻在1200 以上才能穩(wěn)定燃燒。這與“煤粉反應活性好”的結論矛盾嗎？n大容量鍋爐為什么要使用煤粉燃燒的方式？337.2.4 碳燃燒化學反應機理碳燃燒化學反應機理 基本的宏觀反應 n1、一次反應指碳與氧之間的直接反應 C + O2 = CO2 + 409MJ 2C + O2 = 2CO + 245MJn2、二次反應指一次反應的產(chǎn)物在碳表面或空間的再反應 2CO+O2=2CO2+571MJ （放熱反應） CO2+C=2CO-162MJ （吸熱反應） 一次反應和二次反應是碳燃燒過程中的基本反應，實一次反應和二次反應是碳燃燒過程中的基本反應，

12、實際過程中交叉平行進行著。際過程中交叉平行進行著。 347.2.4 碳燃燒化學反應機理 CO2COO2CO2C反應機理1CO2或CO反應機理2O2357.2.4 碳燃燒化學反應機理 n溫度不太高，氣化反應尚不能發(fā)生，CO也不能與O2在空間發(fā)生反應。反應式為：n4C + 3O2 = 2CO2 + 2COCO2 和 CO由表面向遠處擴散，濃度也是一路遞減。O2濃度由遠處向近處一路遞減，直到碳球表面。o火焰鋒面cO2CO濃度CO2x溫度低于70036n溫度還不夠高，氣化反應仍不能發(fā)生。反應式仍為：n4C + 3O2 = 2CO2 + 2COnCO2 濃度高于 CO濃度。nO2濃度由遠處向近處一路遞減

13、，只有和CO反應后剩余的O2才能擴散到碳球表面。n但是，CO可以與O2在空間發(fā)生反應。火焰鋒面以外沒有CO。o火焰鋒面cO2CO濃度CO2x溫度在8001200之間37n溫度已足夠高，碳球表面發(fā)生氣化溫度已足夠高，碳球表面發(fā)生氣化反應：反應：nC + CO2 = 2COn火焰鋒面上CO2 濃度最高。并向兩側擴散，向內供給氣化反應所需的CO2 。向外則擴散到遠處。n碳球表面因為得不到O2只能發(fā)生氣化反應。氣化反應所需的吸熱由CO燃燒的放熱供給。nCO與O2在空間發(fā)生反應，并把向碳球表面擴散的O2完全消耗掉?；鹧驿h面以外沒有CO。而火焰鋒面以內沒有O2。o火焰鋒面cO2CO濃度CO2x溫度高于12

14、00387.2.4 碳燃燒化學反應機理 3、其它反應其它反應在碳燃燒過程中如果有水蒸汽（這是經(jīng)在碳燃燒過程中如果有水蒸汽（這是經(jīng)常普遍存在的）還會發(fā)生其他反應常普遍存在的）還會發(fā)生其他反應 C+H2O=CO+H2 （吸熱） C+2H2O=CO2+2H2 3C+4H2O=2CO+CO2+4H2 以上反應究竟哪些是主要的，這需要看具體情況。實際上，以上反應究竟哪些是主要的，這需要看具體情況。實際上，一次反應只表示了反應的反應物和最終的生成物及其物一次反應只表示了反應的反應物和最終的生成物及其物質平衡及熱平衡關系，并未說明碳和氧的燃燒反應的具質平衡及熱平衡關系，并未說明碳和氧的燃燒反應的具體過程，因

15、此應進一步研究。體過程，因此應進一步研究。24C+2HCH 增壓常壓，高溫39碳與氧燃燒的化學反應（一次反應）機理碳與氧燃燒的化學反應（一次反應）機理 n各國許多學者的研究由于實驗條件的差別，結論是不盡相同。大致有各國許多學者的研究由于實驗條件的差別，結論是不盡相同。大致有三種觀點：三種觀點： 1、二氧化碳學說：、二氧化碳學說：CO2是一次反應的產(chǎn)物，而是一次反應的產(chǎn)物，而CO只是只是CO2+C的二次的二次反應產(chǎn)物反應產(chǎn)物 2、一氧化碳學說：、一氧化碳學說：CO是一次反應的產(chǎn)物，在碳表面附近是一次反應的產(chǎn)物，在碳表面附近CO+O2才生才生成了成了CO2 3、兩步反應說：、兩步反應說： 第一步生

16、成絡合物第一步生成絡合物 xC+y2 O2 =CxOy （碳氧絡合（碳氧絡合物）物） 。 第二步絡合物的分解第二步絡合物的分解 CxOy=mCO2+nCO 其其nm隨溫度隨溫度T升高升高而升高而升高三種觀點至今尚未統(tǒng)一，不過普遍接受第三種觀點三種觀點至今尚未統(tǒng)一，不過普遍接受第三種觀點即碳氧反應先生成即碳氧反應先生成碳氧絡合物，然后絡合物再同時生成碳氧絡合物，然后絡合物再同時生成CO2和和CO結論：結論：C與與O2的異相化學反應過程是經(jīng)歷吸附的異相化學反應過程是經(jīng)歷吸附絡合絡合熱分解（或離解熱分解（或離解解吸）一系列環(huán)節(jié)完成的。解吸）一系列環(huán)節(jié)完成的。40碳和碳和CO2化學反應機理化學反應機理

17、又稱碳的氣化反應或又稱碳的氣化反應或CO2的還原反應的還原反應n這是一個吸熱的異相化學反應，所以在低溫下（如800）化學反應速度0，且活化能很高，因此這個反應只能在1300的高溫下才能進行。n煤的氣化反應常作為測定煤活性的基礎。反應進程中的關鍵反應級數(shù)nT700（1）固溶絡合+化學吸附表面（2）CO2濃度較高KbCO2與CCO2無關0級（3）CO生成很少，化學反應速度很慢T950表面CO2濃度不高，決定于化學吸附KbCO2CCO21級41 C氣化和氧化反應的活氣化和氧化反應的活化能與溫度的關系化能與溫度的關系 3 6 8 2 4 4 5 6 2620K=23471540K=1267 1240K

18、=967lgk T-1104/K8 無 煙 煤 焦 炭 的 氣 化 E2=322kJ/mol7 無 煙 煤 焦 炭 的 氣 化E2=276kJ/mol6 煙 煤 焦 炭 的 氣 化E2=230kJ/mol5 褐 煤 焦 炭 的 氣 化E2=184kJ/mol氣化反應2C+O2 =2CO10 3 5 7 E2E2T氧化反應氧化反應C+O2 =CO24 無煙煤焦炭的氧化E1=147kJ/mol3 無煙煤焦炭的氧化E1=128kJ/mol2 煙 煤 焦 炭 的 氧 化E1=105kJ/mol1 褐 煤 焦 炭 的 氧 化E1=84kJ/mol結論：關于活化能特性氣化反應的活化能E2總是氧化反應的活化

19、能E1對于同一種焦碳統(tǒng)計平均E22.2 E142C氣化和氧化反應的活化能（氣化和氧化反應的活化能（E）與溫度（）與溫度（T）的關系）的關系 3 6 8 2 4 4 5 6 2620K=23471540K=1267 1240K=967lgk T-1104/K8 無煙煤焦炭的氣化E2=322kJ/mol7 無煙煤焦炭的氣化E2=276kJ/mol6 煙 煤 焦 炭 的 氣 化E2=230kJ/mol5 褐 煤 焦 炭 的 氣 化E2=184kJ/mol氣化反應2C+O2 =2CO10 3 5 7 E2E2T氧化反應C+O2 =CO24 無煙煤焦炭的氧化E1=147kJ/mol3 無煙煤焦炭的氧化E

20、1=128kJ/mol2 煙 煤 焦 炭 的 氧 化E1=105kJ/mol1 褐 煤 焦 炭 的 氧 化E1=84kJ/mol結論：關于化學反應速度常數(shù)k的特性a)對同一種焦碳當氣化反應的速度常數(shù)k2=氧化反應速度常數(shù)k1的臨界溫度T=2347即T2347 k2k1，T2347 k2k1在T=12001300區(qū)間 k2= k1/10或k1=10 k243 C氣化和氧化反應的活化能與溫度的關系 3 6 8 2 4 4 5 6 2620K=23471540K=1267 1240K=967lgk T-1104/K8 無煙煤焦炭的氣化E2=322kJ/mol7 無煙煤焦炭的氣化E2=276kJ/mo

21、l6 煙 煤 焦 炭 的 氣 化E2=230kJ/mol5 褐 煤 焦 炭 的 氣 化E2=184kJ/mol氣化反應2C+O2 =2CO10 3 5 7 E2E2T氧化反應C+O2 =CO24 無煙煤焦炭的氧化E1=147kJ/mol3 無煙煤焦炭的氧化E1=128kJ/mol2 煙 煤 焦 炭 的 氧 化E1=105kJ/mol1 褐 煤 焦 炭 的 氧 化E1=84kJ/mol結論：關于化學反應速度常數(shù)k的特性b)對對各種不同的焦碳 當T=1267 各種焦碳的k2都相等當T=967 各種焦碳的k1都相等44C氣化和氧化反應的活化能（E）與溫度（T）的關系 結論：氧化反應是放熱反應自我促進

22、機制 （正反饋）促進反應速度再氧化反應速度放熱溫度10expmbbEwkCkCRT45C氣化和氧化反應的活化能（氣化和氧化反應的活化能（E）與溫度（）與溫度（T）的關系）的關系 結論：氣化反應是吸熱反應自我抑制機制 （負反饋）促進反應速度氣化反應速度吸熱溫度10expmbbEwkCkCRT46C和水蒸氣的化學反應機理和水蒸氣的化學反應機理水煤氣發(fā)生原理水煤氣發(fā)生原理 n這也是一個異相吸熱化學反應n C+H2O=CO+H2 n該反應與C+O2的氧化反應相比n共同點：n異相反應：吸附絡合熱解、離解解吸過程n反應級數(shù)：n=1n不同點： EC+H2O1.6EC+O247C和水蒸氣的化學反應機理和水蒸氣

23、的化學反應機理水煤氣發(fā)生原理水煤氣發(fā)生原理 n與C+CO2氣化反應相比n EC+H2O0.73EC+CO2n (EC+CO22.2EC+O2) n所以經(jīng)研究，水煤氣反應比氣化反應約快3倍。 487.3 碳球燃燒速度與燃盡時間7.3.1 碳球的燃燒 一、假設 燃燒反應在擴散區(qū)燃燒，即C球表面O2濃度很低，Cb0 碳球表面進行氧化一次反應C+O2=CO2，生成物CO2向外擴散，沒有氣化反應CO2+C=2CO發(fā)生 碳球相對運動Re=0(與周圍氣體之間無相對運動) 碳球周圍氣體濃度分布均勻49二、二、碳碳球表面擴散燃燒的燃燒速度球表面擴散燃燒的燃燒速度 kg/(m2s) 那么單位時間單位C表面積上消耗

24、的C量應為：單位時間內燒掉的C量應為2ObzlKC22OCbbzlDCKKC22()()2CbDCmK50三、單位時間內，三、單位時間內，碳碳球質量的減少量為球質量的減少量為n兩個 相等，移項積分n積分區(qū)間：從0n ：從0 32()62rrddmdd m 004rDCdd 2208rDCK8rDCK式中 51這就是碳球擴散燃燒時的直徑平方直線定律直徑平方直線定律 n討論當0時, rjn可知：煤燃燒時，磨得越細(0)，反應越快，燃盡時間rj越短nK的實驗結果n 對煤粉燃燒時 K=0.0229 mm2/sn對單顆煤粉時 K=0.16 mm2/s（大約是單個油滴的1/51/6）220K20rjK52

25、7.3.2 有二次反應的情況 n考慮實際有二次反應(2CO+O2 =2CO2及C+CO2=2CO)時的情況n由于上述反應與溫度區(qū)間有關，故分別討論 531) 當T12001300 ，此時溫度很高，此時溫度很高， Cb=0 n氧氣還能擴散到碳球表面時，碳球與氧氣反應式為：n3C+2O2=CO2+2COnCO/CO2=2 n氣化反應發(fā)生：nCO2+C =2COn總反應式為n4C+2O2=4COn=(412)/(232)=0. 75 n溫度進一步升高，氣化反應速度加快，同時空間中CO的燃燒速度也加快，使得碳球表明只發(fā)生氣化反應CO2+C =2CO，空間中發(fā)生反應為2CO+O2 =2CO2，總反應為C

26、+O2=CO2 ，此時=(112)/(132)=0. 375 O2COCO2火焰鋒面58n溫度已足夠高，碳球表面發(fā)生氣溫度已足夠高，碳球表面發(fā)生氣化反應：化反應：nC + CO2 = 2COn火焰鋒面上CO2 濃度最高。并向兩側擴散，向內供給氣化反應所需的CO2 。向外則擴散到遠處。n碳球表面因為得不到O2只能發(fā)生氣化反應。氣化反應所需的吸熱由CO燃燒的放熱供給。nCO與O2在空間發(fā)生反應，并把向碳球表面擴散的O2完全消耗掉?；鹧驿h面以外沒有CO。而火焰鋒面以內沒有O2。o火焰鋒面cO2CO濃度CO2x溫度高于1200594)碳球表面的碳球表面的C燃燒速度與與溫度燃燒速度與與溫度T的關系的關系

27、 KcbT第1段：溫度很 低 ， 動 力控 制 區(qū) ， 只發(fā) 生 氧 化 反應氧化反應4C+3O2=2CO2+CO氣化反應C+CO2=2CO第2段：溫度上升，進入擴散控制區(qū)，反應速度與T無關第3段：溫度很高，碳球表面發(fā)生氣化反應，燃燒又轉入動力控制第4段：溫度繼續(xù)提高，燃燒再次轉入擴散控制605)當碳球與周圍氣流存在相對運動時的燃燒特點當碳球與周圍氣流存在相對運動時的燃燒特點 當Re很小時 ， 研 究發(fā) 現(xiàn) 在 碳球 周 圍 有淺 藍 色 火焰 ， 表 明CO在碳球周圍燃燒 61當Re100時 燃燒情況有很大改變：碳球周圍燃燒變的很不均勻 當T100時 燃燒情況有很大改變：碳球周圍燃燒變的很不

28、均勻 當T1200，碳球后部回流區(qū) 中 被 C O 和CO2包圍，阻礙了擴散O2進去。后部有氣化反應 CO2+O2=2CO，而回流區(qū)中幾乎不存在氧化反應。 尾跡有CO在燃燒。 2CO +O2=2CO2。O2擴散進不到回流區(qū)中。 火焰鋒面COCO2CO2O2O2O2O2O2CO2O2O2O2O2CO2CO63實例 n層燃爐很接近Re比較大的燃燒特點(煤尺寸mmcm級)n旋風爐的煤尺寸是mm級，是極高溫極高Re下的強化燃燒方法n沸騰爐的煤尺寸是mm級，是在較低溫度(800950)下，靠著Re來強化燃燒n煤粉爐中煤尺寸是m級，所以隨風飄動，Re0，故可近似當作焦碳在靜止空氣中燃燒647.3.3 多孔

29、焦炭球燃燒特點 n焦炭的結構特點在于多孔性，即使對于比較緊密的無煙煤，也存在大量內孔，不同煤種的焦炭內部孔隙率很不相同。單位體積的內部表面積估算數(shù)據(jù)如下： 木炭電極炭無煙煤內比表面積Sn（m2/m3） (0.571.14)104(0.75) 104(13)10465n焦炭燃燒的異相反應不僅能在外表面上進行，同樣能在內表面與進行。所以，內反應是不能忽視的。這就是多孔焦炭燃燒的特點。 661、反應總表面積S=S1+S2 n外表面積 （設碳球半徑r）n內表面積 (Sn為內比表面積m2/m3)n總表面積 ，考慮總面積參與反應，相當于化學反應常數(shù)K增加了 倍。n用反應氣體交換常數(shù)b代替K，則214Sr3

30、243nrSS1(1)3nS rSS3nS r(1)3nbS rK67討論： n在低溫下，化學反應速度慢。內表面上的O2濃度就等于外表面O2濃度Cb； n隨著溫度T的化學反應速度，以至O2的擴散跟不上內表面的化學速度，此時內表面O2濃度到0。即Cb內=0。 68n 反應溫度從低溫高溫 n反應總面積的倍數(shù)從 1n反應交換常數(shù)b從 K13nS r(1)3nS rK69n引入一個調節(jié)參數(shù)n可以推知：溫度處于高低溫之間時，n反應面積提高的倍數(shù)為n反應交換常數(shù)b為 n其中=0113nSr3(1)nrKS又稱O2的有效滲入深度高溫時 低溫時70結論： n在動力區(qū)中（低溫），內表面參與化學反應。在擴散區(qū)中（

31、高溫），內表面對化學反應已無作用。 712多孔焦炭的燃燒速度n有人對燃用無煙煤的煤粉爐進行了計算：n煤粉直徑=100m，E=141kJ/mol，內部孔隙比表面積Sn=3104 m2/m3，爐溫在1427 下的系數(shù)0.20.3n計算結果b（1.21.3）K n zl/ b0.60.7 處于過渡區(qū) 21111(1)3ObzlbzlnCCKrKS72各階段C燃燒通用式 211OCbbzlbCKK溫度T反應方程炭表面O2濃度Cb12001300 3C+2O2=CO2+2CO+ ) C+CO2=2CO0.75C表面溫度很高，O2不足，即 同時產(chǎn)生更多CO。3C+2O2=CO2+2CO進入擴散燃燒區(qū)，n=

32、1 4C+2CO2=4CO20ObC737.4 氣流燃燒的熱工況n熱工況：討論氣流溫度在某一系統(tǒng)中如何變化的問題。n溫度和燃燒反應速度這兩個因素相互促進。燃燒加強以后使溫度升高，溫度升高以后更使燃燒加強但是有時條件不利的話，也可能使這兩個因素相互促退 747.4.1 零元系統(tǒng)的燃燒熱工況零元系統(tǒng)：也稱為“強烈攪拌的模型”假設某一空間，例如一個爐膛，內部的氣體極強烈地摻混以至爐內溫度T、濃度C等物理參數(shù)非常均勻進口體積流量：qV氣流溫度：T0燃料或氧的濃度：C0體積：V溫度：T濃度：C出口溫度：T濃度：C75系統(tǒng)產(chǎn)熱情況n爐膛容積中的產(chǎn)熱率 n按氣流可燃成分的消耗率計算 消去C就得到Q：燃料與空

33、氣混合物的發(fā)熱量：氣流的密度10exp()EQk CVQRT10()VQqCC QvvvqVk)RTE(QCq)RTE(-Vk-C)Q(CCQq-C)Q(C)RTE(-VkCQQ1exp1exp11exp1000000176系統(tǒng)產(chǎn)熱情況n如把產(chǎn)熱率分攤給每1m3流過爐膛的的氣體，則得單位產(chǎn)熱量01100exp()1vC QQqEqRTk單位產(chǎn)熱量q1與溫度T的關系停留時間0 = V/qV 0C0Qq1T77系統(tǒng)散熱情況n氣流所帶走的散熱量：n每1m3氣體的單位散熱量 ：220()pVQqc TTq20()VpQqcTTTT0q2單位散熱量q2與溫度 T 的關系78零元系統(tǒng)的熱工況)如果產(chǎn)熱和散

34、熱曲線處于q1與q2I位置，氣流熄火）如果產(chǎn)熱和散熱曲線處于q1與q2III氣流正常燃燒）如果產(chǎn)熱和散熱曲線處于q1與q2II位置，氣流可能 熄 火 ， 也 可 能 正 常 燃燒零元系統(tǒng)的燃燒熱工況q2Cq1q2q2ACBAqT79零元系統(tǒng)的熱工況a)如果交點是A，氣流熄火，這是個穩(wěn)定點b）如果交點是C，氣流正常 燃 燒 ， 這 也 是 個 穩(wěn) 定點c）如果交點是B，是個不穩(wěn)定點，如果溫度脈動向低溫方向，則交點移動到A點，發(fā)生熄火；如果溫度脈動向高溫方向，則交點移動到B點，正常燃燒零元系統(tǒng)的燃燒熱工況q2Cq1q2q2ACBAqT80各種因素對零元系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性的影響 na) 0增加，q1上移

35、，熄火的可能性減小，燃燒穩(wěn)定性改善； 0C0Qq1Tq2停留時間0 = V/qV81各種因素對零元系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性的影響 nb)發(fā)熱量增加時, q1線在縱坐標方向成比例地放大, 可使燃燒穩(wěn)定性改善 QC0Qq1Tq282各種因素對零元系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性的影響 nc)氣流的初溫T0升高時，q2線平行向右移動，燃燒穩(wěn)定性改善 T0C0Qq1Tq283分析煤粉爐的燃燒熱工況時，不能不考慮水冷壁所吸收的熱量如果把火焰對水冷壁的輻射散熱考慮進去，則散熱率為 84220()4.9 10/plyxVVQqc TTS Tqq C0QTqI2qII2qIII2qI1qII1qIII184存在煙氣回流的情況，由于化學反

36、應工況不變，所以，根據(jù)熱平衡的原理，煙氣回流實際上相當于抵消了部分的散熱 01100exp()1vC QQqEqRTk220() 1VpVVqQqcTTqqqVqvqvV產(chǎn)熱20()VVpQqqc TT散熱85存在煙氣回流的情況，由于化學反應工況不變，所以，根據(jù)熱平衡的原理，煙氣回流實際上相當于抵消了部分的散熱 T0C0Qq1TqVqIII2qII2qI286零元系統(tǒng)燃燒熱工況的結論因素名稱 符號趨勢燃燒穩(wěn)定性爐膛容積 V燃料流量 qV燃料發(fā)熱量Q氣流初溫 T0爐膛吸熱煙氣回流 qV844.9 10/lyxVS Tq 877.4.2 一元系統(tǒng)的燃燒熱工況n一元系統(tǒng)：系統(tǒng)中在氣流的橫截面上溫度、

37、濃度等參數(shù)是均勻的，僅沿氣流方向這些參數(shù)才有變化。一元系統(tǒng)中可以對氣流燃燒過程進行計算 88方案1n所有空氣（ =0.5）作為一次風和煤粉一起進入爐內（即1 = 0.5）xx1n從這個方案可以看出，全部空氣都用作一次風，提高了最初的煤粉氣流的熱容量，使加熱到著火的時間（由此也決定了空間長度）延長，這樣就不能縮短整個火炬長度。TzhT89方案2n空氣分成一次風(1 =0.15)與二次風(2=0.35)這個方案可以看出，二次風過早地在一次風與煤粉氣流尚未著火燃燒以前送入，其結果與全部空氣都作為一次風一樣，也不能縮短火炬長度。 xTzhTx1二次風過早進入90方案3n空氣分成一次風(1 =0.15)

38、與二次風(2=0.35)，推遲二次風加入點xx2n二次風在一次風中的氧消耗完以后加入，對于縮短火炬長度是有幫助的。但是一次加入的二次風過多，使燃燒中斷，所以火炬長度縮短得不多。TzhT 二次風適時進入 91方案4n二次風分為兩批，空氣分成一次風(1 =0.15)與二次風(21=0.15和22=0.2)。xx3n二次風加入點燃燒溫度高，雖然溫度略在降低，但燃燒依然十分強烈 ，溫度又較快回升上去。 TzhT 二次風分兩次進入 92四種方案比較n一元系統(tǒng)的燃燒熱工況分析可以正確地反映合理組織氣流燃燒過程的方法。歸納起來，可列成下列原則： 1）供應的空氣應該分成一次風與二次風，可以加快氣流的升溫著火2

39、）二次風應分批加入，第一批燒完了再加入第二批。3）二次風每批送入的數(shù)量應有限制，避免中途淬熄、保證燃燒繼續(xù)進行。 xx2TzhT1234x1x3937.5 煤粉氣流的著火過程n煤粉氣流的著火熱來源：煤粉與一次風氣流噴進爐膛后到對流傳熱與輻射傳熱而升溫著火。 n煤粉著火熱的傳遞過程：輻射傳熱直接到達煤粉表面而被煤粉吸收。對流傳熱則是煙氣與一次風混合，先傳給一次風，再由一次風傳給煤粉。n根據(jù)近年來我國的研究，輻射傳熱大約可供給著火所需熱量的1030%。著火所需熱量主要來源是對流傳熱。947.5.1 煤粉氣流著火和燃燒的特點煤粉空氣混合物點燃困難n一次風著火溫度高 n一次風著火吸熱量大 一次風的作用

40、：輸送煤粉供揮發(fā)分燃燒用O2對低Vdaf煤，一次風供揮發(fā)分燃燒的量少，不夠運送煤粉之需要，往往按送粉的需要來選用較大的一次風量。95煤粉氣流（一次風）的著火溫度煤種Vdaf (%)煤粉氣流著火溫度靜止煤粉著火溫度褐煤50550煙煤403020650750840400-500貧煤14900650-800無煙煤41000650-800煤粉的點燃不僅要點燃煤，還要供一次空氣達到煤的著火溫度Tzh。這個溫度比煤本身著火溫度要高得多。 96一次風著火吸熱量大 根據(jù)計算，把Vdaf=20%的煙煤空氣混合物加熱到著火溫度840，需熱量1050 kJ/kg煤，具體到表如下表：燃料空氣混合物著火溫度吸熱量kJ/

41、kg(燃料)煙煤空氣混合物Vdaf=20%8401050煤氣空氣混合物600684無煙煤空氣混合物10001300從以上計算可見煤粉氣流著火的難度 977.5.2煤粉氣流著火熱Qzh計算公式n1. 著火熱傳遞方式輻射（%）對流（%）蘇聯(lián)（過去）2-595-98中國（研究總結）10-3070-90n 2. 著火吸熱組成 011110() (-) kJ/hkjkkkmzhQBVrccTT 一次空氣吸熱 煤粉吸熱計算燃料量 過量空氣系數(shù) 理論空氣量 一次風份額 煤粉比熱987.5.3 旋轉射流的著火n煤粉與一次風氣流噴入爐膛后與回流區(qū)流來的回流氣體混合，并受到火焰的輻射，同時二次風與一次風混合，增大

42、了著火所需熱量；在這樣三個因素起作用的條件下煤粉與一次風氣流升溫到著火溫度而著火。n著火后一部分煤粉與一次風氣流轉而流入回流區(qū)，其他部分繼續(xù)與二次風混合而燃燒，并向下游流去。 一次風著火點著火點著火溫度著火溫度Tzh回流煙氣回流煙氣特征長度 l二次風二次風997.7.4 直流射流中煤粉的著火 煤粉、空氣 混合物 調節(jié)風 調節(jié)器 調節(jié)器 濃縮器 向火側（濃） 背火側（淡） 假想切圓 實際切圓 直流燃燒噴出的煤粉氣流一般在爐內呈切圓布置，形成切向燃燒（四角或四墻切圓燃燒）100n角置直流燃燒器的煤粉一次風氣流所獲得的對流傳熱來自爐內正在旋轉的火焰，其中尤其是上鄰角燃燒器的火炬沖撞。n爐內旋轉火焰的

43、旋轉速度主要決定于二次風 2k1k2kzxy一次風二次風二次風旋轉火焰的方向上游鄰角送到向火側的高溫煙氣背火側卷吸的高溫煙氣一、二次風過早混合101n除了保持一、二次風以合適的方式混合，以及充分的煙氣回流之外，切圓燃燒還必須防止一次風或整組射流偏轉貼壁：一次風噴口的假想切圓選用得小一些；設計燃燒器時避免整組噴口過分高而瘦；或者把爐角做成大倒角，直流燃燒器放在大倒角后形成的爐角壁面上。 1027.8 煤粉氣流燃盡困難，故燃盡過程很長對煤粉-空氣混合物：n離噴口0.30.5m或x/B(無因次距離，B為燃燒器噴口寬度）=0.51的距離內開始著火； n大部分揮發(fā)分大約離噴口12 m處已揮發(fā)完并燃燒掉；

44、n但是焦炭的燃燒一般要延續(xù)到離噴口1020m，燃燒過程很長，可見焦炭燃盡的難度。 103n爐內停留時間n爐膛的容積熱負荷n若假定Vy和Qar,net基本上保持不變，則有 n即煤粉在爐內的停留時間反比于爐膛容積熱負荷yVQyjyjyVQB VB V,jar netVB QqV1Vq104實驗統(tǒng)計的沿燃燒室長度的相對燃盡率n粉氣流在爐內的燃燒要給足足夠的空間和爐內停留時間，即爐膛有足夠高度。n爐內停留時間 一般停留時間25秒 煤種 沿爐膛的相對長度x/L（L 為爐膛總長度） 0.15 0.20 0.30 0.40 0.50 1.0貧煤、無煙煤7286%8690%9295%9396%9497% 96

45、97%煙煤9094929695979698 98999899.5褐煤919593979698979898999999.5煤與重油混燒（=1.02）94969698979999.5yVQ105除以上爐膛空間（高度）、停留時間外，從燃燒化學反應速度的角度，主要還有：n燃燒溫度的影響：對煤粉爐內溫度10001500之間（處于過渡區(qū)），進入擴散區(qū)2000K（1700），顯然提高T對焦炭燃盡有利。n爐膛煙氣的O2濃度對燃盡影響很大，火焰最高溫度大約離噴口4m遠。適當?shù)乃腿隣2提高；適當?shù)乃腿敕椒∣FA（Over-Fire Air）n煤粉細度：揮發(fā)分愈低，則E愈大，著火燃盡時間愈長，故煤粉需磨得很細。強化

46、煤粉氣流燃盡的措施1067.9 燃燒中的污染物的形成n燃燒過程中主要的污染物：粉塵，硫氧化物，氮氧化物，烴，一氧化碳，二氧化碳n（1）粉塵：是由煤灰，未燃碳和碳黑引起的。主要的措施是煙氣除塵后排空。n（2）硫氧化物SOx：由于煤中黃鐵礦硫和有機硫燃燒生成的，減少硫氧化物排放的措施有爐前脫硫，爐內脫硫和煙氣脫硫三類脫硫技術 n（3）氮氧化物：溫度型氮氧化物由空氣中的氮在火焰高溫下氧化生成；快速型氧化氮是由于空氣中的氮和氧原子通過等的觸媒作用生成的。燃料型氧化氮是由燃料中的氮與空氣中的氧化合生成的。主要措施是抑制燃燒溫度和采用小于1的過量空氣系數(shù)（形成還原性氣氛）。 1077.10 結渣n結渣：爐膛火焰內的煤粉顆粒一般已處于熔融狀態(tài)，如果它在被氣流攜帶輸運水冷壁的路線上來不及凝