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1、第九章 固体燃料燃烧,传质过程,在含有两种或两种以上组分的流体内部，如果有浓度梯度存在，则每一种组分都有向低浓度梯度方向转移，以削弱这种浓度不均匀的趋势。这样的转移过程称之为传质。,传质产生条件,浓度梯度存在 温度梯度是热量传递的推动力 浓度梯度是质量传递的推动力 二元混合物中，温度梯度或总压力梯度的存在也会引起相应的浓度扩散,混合物浓度表示方法,浓度梯度是传质的推动力，组分的浓度通常用质量浓度(kg/m3)和物质的量浓度c(kmol/m3)表示,Fick定律,MA 质量通量密度 kg/(m2s) NA物质的量通量密度 kmol/(m2s),质扩散系数D,是一个物性参数 表征了物质扩散能力的大
2、小 取决于混合物的性质，压力与温度。 主要靠实验确定,斯蒂芬流（stefen流）,多组分流体在一定条件下（相分界面发生物理或化学过程），在界面处将形成一定的浓度梯度，因而可能形成多种组分的法向的扩散物质流。 在相分界面上有物理或化学过程存在，那么它将产生或消耗一定的质量流。因此在相分界面上会产生一个与扩散物质流相关的法向总物质流。 这个总物质流是由表面本身的因素造成的 这一现象是斯蒂芬在研究水面蒸发时首先发现的，称之为斯蒂芬流,Stefen流产生条件,相分界面处有扩散现象存在 同时有物理或化学过程存在,9.1 煤的燃烧过程,煤的结构特点 煤是由很多不同结构的含C、H、O、N、S的有机聚合物粒子
3、和矿物杂质混合而成，各种有机聚合物粒子之间常由不同的碳氢支链连结成更大的粒子。 煤的燃烧过程：,引言,干燥 热解及挥发分析出 挥发分燃烧 焦炭燃烧,9.1 煤的燃烧过程,煤的热解过程,当煤加热到足够高的温度时，煤先变成塑性状态，失去棱角而使其形状变得更接近于球形，同时开始释放挥发份。,挥发份释放后留下的是一多孔的炭。热解过程中不同的煤有着不同程度的膨胀。,9.1 煤的燃烧过程,煤的热解过程,加热速率对挥发份析出的速率及其成分有很大的影响； 慢速加热时大部分转化成碳，而快速加热时则得到很小，甚至无碳。 煤粒终温对挥发分析出的最终产量影响很大： 随着热解温度的提高，挥发分产量可高达70%以上，即挥
4、发分并不是一个确定不变的常数。,9.1 煤的燃烧过程,煤的燃烧过程,挥发份的燃烧 焦炭的燃烧,焦炭含量占5597%，燃烧时间占90%，发热量占6095%,9.2 固体碳粒的燃烧,气固两相燃烧反应过程 两相反应的特点：物质在相的分界表面上发生反应。反应的一般步骤： 以上步骤依次发生。整个反应过程的快慢取决于各步中最慢的一步。,反应分子扩散到表面 分子在表面发生吸附作用 被吸附的分子在表面上进行化学反应 生成物从表面解吸 生成物扩散离开表面,9.2 固体碳粒的燃烧,气固两相反应理论,假设碳与氧燃烧的生成物只有二氧化碳，并仿照传热学中对流换热系数的概念引入对流扩散系数 ，则氧从周围向单位碳粒表面的扩
5、散量可以写为,氧在碳表面处的反应的速度（单位碳粒表面、单位时间燃烧掉的氧量）可表示为,在稳定燃烧状态时，向碳粒扩散的氧量应等于碳粒燃烧所消耗的氧量。因此,9.2 固体碳粒的燃烧,气固两相反应理论,9.2 固体碳粒的燃烧,气固两相反应理论,多相燃烧反应阻力：,燃烧反应的化学阻力,氧气扩散过程中的物理阻力,根据多相燃烧反应的化学阻力与物理阻力的对比，可将多相燃烧反应分为三类：,动力燃烧、扩散燃烧、过渡燃烧,9.2 固体碳粒的燃烧,气固两相反应理论,动力燃烧：,当化学阻力比物理阻力大得多时，燃烧速度取决于化学反应速度，故称为动力燃烧。,碳表面上氧气浓度接近于周围气流中氧的浓度。这种情况相当于较低温度
6、下的燃烧情况。此时由于化学反应速度很低，从远处扩散到碳表面的氧消耗得很少，从而使得碳表面氧的浓度等于远处环境中氧的浓度 。,9.2 固体碳粒的燃烧,气固两相反应理论,扩散燃烧：,当化学阻力比物理阻力小得多时，燃烧速度取决于氧分子扩散速度，故称为扩散燃烧,碳表面上氧气浓度接近于零。这相当于在高温下的燃烧情况。此时由于温度很高，化学反应能力已大大超过扩散能力，使所有扩散到碳表面的氧立即全部反应掉，从而导致碳表面的氧浓度为零 。,9.2 固体碳粒的燃烧,气固两相反应理论,过渡燃烧：,当化学阻力与物理阻力在同一数量级时，两者均不可忽略，燃烧工况处于扩散控制与动力控制之间，故称为过渡燃烧,9.2 固体碳
7、粒的燃烧,气固两相反应理论,温度对碳燃烧速率及碳表面氧浓度的影响,碳燃烧速率随温度的变化 1、动力燃烧区 2、过渡燃烧区 3、扩散燃烧区,碳燃烧时其表面氧浓度分布 1动力区；2，3过渡区；3扩散区,9.3 碳粒燃烧的化学反应,碳与氧的反应,碳粒燃烧的三种模型：,一般认为碳的氧反应首先生成碳氧络合物，碳氧络合物进一步反应同时产生一氧化碳和二氧化碳。写成化学式即为,二氧化碳是初次反应产物的模型； 一氧化碳是初次反应产物的模型； 二氧化碳、一氧化碳同时是初次反应产物的模型,9.3 碳粒燃烧的化学反应,碳与氧的反应,温度不同时，由于反应机理上的区别，生成物中一氧化碳和二氧化碳的比例也不相同。比值n/m
8、随温度上升而增大。,络合,离解,总的简化反应式,在1300以下或碳表面氧的分压很低、浓度很小的情况下,氧分子溶入碳的晶体内构成固溶络合物,9.3 碳粒燃烧的化学反应,碳与氧的反应,络合,离解,总的简化反应式,在1600以上：,碳氧反应机理逐步转为由化学吸附引起，络合物不待氧分子撞击就自行热分解,9.4 二次反应对碳粒燃烧的影响,二次反应对碳粒燃烧的影响,温度低于800时碳粒周围的燃烧情况,9.4 二次反应对碳粒燃烧的影响,二次反应对碳粒燃烧的影响,温度在8001200时静止碳粒燃烧情况,9.4 二次反应对碳粒燃烧的影响,二次反应对碳粒燃烧的影响,温度大于12001300时碳粒周围的燃烧情况,9
9、.5 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,固体燃料的燃烧方式,层燃燃烧 悬浮燃烧 沸腾燃烧,9.5 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,层燃燃烧,逆流式（上饲式） 顺流式（下饲式） 交叉式（前饲式）,燃烧状态：大部分燃料在炉栅上燃烧，可燃气体及一小部分细屑燃料则在燃烧室空间内呈悬浮燃烧,9.5 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,层燃燃烧,固定火床燃烧过程,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,层燃燃烧,新燃料层：煤干燥、干馏，将水汽、挥发物等带离煤层进入炉膛空间，挥发分及CO与煤层着火燃烧； 还原层：气流中CO2与碳起还原反应，即CO2 +C2CO，温度越高，速度越快 氧化层：主要进行氧化反应，末端气体的温度
10、也达到最高 冷空气进入，炉栅和灰渣被冷却，而空气则被预热,燃烧过程：,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,层燃燃烧,如果燃烧层稳定，氧化层的厚度几乎不随鼓风量变化 改变煤层的厚度还可以改变烟气的成分 一次空气主要是供给焦炭燃烧的需要，二次空气则是供给挥发物、CO以及部分被气流扬起的细小煤粒等燃烧的需要； 一般取空气过剩系数1.31.7,燃烧规律：,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,层燃燃烧,链条炉中燃烧区段分布图,1 预热干燥区 2 挥发分析出与燃烧区 3a 焦炭氧化层区 3b 焦炭还原区 4 灰渣燃尽区,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,悬浮燃烧,燃烧状态：将磨成微粒或细粉状的燃料
11、与空气混合后从喷燃器喷出，在炉膛空间呈悬浮状态时的一种燃烧。,直流式（火炬式）,旋涡式（旋风式）,特点：燃烧速度快、燃烧效率高、燃烧温度高、煤耗低、调节方便,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,悬浮燃烧,燃烧过程： 煤粉进入到炉膛受到导热、对流及辐射加热、逸出挥发分，并升温着火，形成着火区 着火后煤粉与空气强烈反应，并放出大量的热，构成燃烧区 当温度达到最大值后，燃烧过程已相当完全，反应减慢，这时放热量小于散热量，温度下降，从而进入燃尽区,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,悬浮燃烧,（1）一、二次空气的比例要合适，考虑两个方面： （A）一次风携带煤粉喷入燃烧室或窑炉并供逸出的挥发分燃烧
12、（B）煤粉制备系统的设计要求及窑炉的特点。 （2）一、二次空气的温度 一次风的温度150，以防止煤粉发生爆炸；二次风的温度不受限制（尽量高）。 （3）控制适当的过剩空气系数 水泥回转窑的过剩空气系数一般为1.051.15。（注意：若为满足烘干机对烟气温度的要求而需掺入冷空气时，则应在煤粉基本燃烬之后的地段再掺入）。,燃烧规律：,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,悬浮燃烧,煤粉燃烧器：,直流煤粉燃烧器,旋流煤粉燃烧器,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,沸腾燃烧,空气速度与煤粒存在状态：,速度低：碎煤颗粒静止在布风板上； 速度达某值：煤粒被风托起，颗粒之间的空隙加大，颗粒在一定高度内上下翻
13、腾，煤颗粒能悬浮在空气中，受热完成干燥、预热、干馏、挥发分逸出及燃烧、焦炭的燃烧及燃烬等燃烧过程 流速过快：煤不完全燃烧。,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,沸腾燃烧,沸腾燃烧室的底部安装有布风板炉栅，块煤经锤链式破碎机破碎后，其粒度在0.510mm之间，碎煤经喂煤口投放到布风板炉栅上，布风板下为风室，空气由此向上吹送。,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,沸腾燃烧,A、煤粒与空气之间能充分混合。空气过剩系数小，燃烧速度非常迅速 B、热效率高，可达95%以上 C、燃烧温度稳定，可保持在9601050范围内 D、可充分利用各种劣质燃料 E、沸腾燃烧室结构简单、操作灵活、易于调节、自动化程度
14、高及操作环境好 F、空气动力消耗大，烟气中飞灰量较多 G、操作不当时，不完全燃烧造成的热损失大 H、煤的结焦性强时，排渣困难,沸腾燃烧的特点：,9.10 水煤浆燃烧,水煤浆,（1）用于工业蒸汽锅炉 （2）用于电站锅炉 （3）用于各种工业窑炉 （4）用于内燃机 （5）用于燃气轮机联合循环 （6）用于煤粉锅炉的点火燃料,水煤浆是近十几年发展起来的一种新型燃料，它由煤粉、水和少量化学添加剂组成。水煤浆的用途可以代油：,9.10 水煤浆燃烧,水煤浆的制作,湿磨 将原料煤湿磨至需要的颗粒尺寸，一般为50200m。 浮选净化 含有合格煤粉的煤浆被送到浮选净化段，通过浮选工艺除去其中大部分灰分和硫分。 过滤
15、和脱水 从浮选段出来的煤浆送至一过滤器（常用真空浓缩过滤器），把水煤浆制成相对干燥和清洁的煤饼状，以使最终的水煤浆产品达到所要求的固体浓度。 混合和储存 由浓缩过滤器出来的清洁煤浆的滤饼被送到连续搅拌的混合器，在混合器中加入化学添加剂，以满足所需要的水煤浆特性。当混合过程完成以后，水煤浆就制备好了，可以泵送去储存或直接输送到用户。,制造水煤浆主要包括以下几个部分：,9.10 水煤浆燃烧,水煤浆的制作,9.10 水煤浆燃烧,水煤浆的燃烧,9.11 煤的气化,煤的气化,煤的气化是一个热化学过程，即用氧或含氧化合物（如水蒸气、二氧化碳）通过高温的煤层或焦炭层，使燃料中的有机物氧化，并转化生成含有H2
16、、CO等可燃气体的过程。根据所用气化剂及煤气成分、热值的不同，生产的煤气可分为：空气煤气、混合煤气、水煤气以及半水煤气等 。,9.11 煤的气化,煤的气化,煤气的气化方法主要有两种：一种是沸腾层气化，以富氧空气和水蒸气为气化剂连续地送入粉状燃料层中，使燃料呈沸腾状态气化。这种方法气化强度高、生产能力大，但需使用氧气，而且原料适用范围狭窄（要求使用化学活性高的燃料制气），故采用这种气化方法的工厂不多。另一种是固定床气化法，它是目前国内广泛采用的一种制气方法,9.11 煤的气化,空气煤气,氧化层,还原层,干馏层,干燥预热层,气化剂,9.11 煤的气化,空气煤气,氧化层,还原层,干馏层,干燥预热层,气化剂,热值： 气化效率：,9.11 煤的气化,空气煤气,影响制气过程的因素： 反应温度 还原反应是吸热反应，升高反应温度有利于CO的生成 反应温度过高，会使灰渣熔融，结成大块，造成操作困难 反应温度一般控
