7固体燃料的燃烧.ppt

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1、 第七章固体燃料的燃烧 固体燃料 煤 油页岩 木柴 甘蔗渣等都是碳氢化合物 可作为固体燃料 煤占我国一次能源消费的70 以上 消费的煤中80 以上用于燃烧 我国是少有的以煤为主的国家 煤的燃烧比较复杂 木柴等容易燃烧 煤中焦炭占煤中可燃质重量的55 97 焦炭的发热量也占煤的总发热量的60 95 第一节概述 固体燃料的多相扩散燃烧过程相当复杂 首先要使氧气到达固体表面 在固体表面和氧气之间界面上发生多相化学反应 其后 化学反应所需要的雾质量则靠自然扩散或强制扩散所形成的物质转移来提供 第二节煤的燃烧过程及特点 一 煤粒的燃烧过程 从燃料干燥开始到干馏出挥发物以至挥发物基本燃尽所需的时间仅占燃料

2、全部燃烧时间的10 实际的燃烧各过程相互交叉进行或者某些阶段是同步进行的 在煤粒的燃烧过程中 起决定作用的是碳的燃烧过程 即碳和氧在煤粒表面进行的化学反应过程 碳的燃烧速度不仅和化学反应本身有关 而且还和氧扩散到碳表面的速度有关 扩散速度和反应速度之间差别可能很大 当其中一个速度远小于另一个速度时 燃烧速度取决于较小的一个 二 碳燃烧的化学反应机理 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 409MJ2C O2 2CO 245MJ一次反应生成的CO和CO2通过周围的介质扩散出去 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

3、O2 2CO2 571MJC CO2 2CO 162MJ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 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 1 碳和氧的化学反应 当碳表面有水蒸气存在时 还可能发生以下反应 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 2 碳与氧的反应理论 1 对于碳和氧的一次反应产物

4、 有三种观点 a 二氧化碳学说碳的氧化产物中CO2是初次产物 燃烧中的CO是CO2与C相互作用形成的二次反应产物 b 一氧化碳学说碳与氧反应的初次产物是CO CO再与氧化合生成CO2 c 目前普遍接受的第三种观点碳与氧首先生成碳氧络合物 络合物再生成CO和CO2 碳和氧反应的络合物理论温度在1300 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 2C

5、O2 2CO 温度在1600 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 CO2 2 碳和二氧化碳的反应C 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

6、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 T 700 零级反应 最为薄弱环节为碳氧络合物如何自我分解 T 950 一级反应 最为薄弱环节为碳氧络合物受CO2撞击分解 温度更高 一级反应 最为薄弱环节为化学吸附过程 3 碳和水的反应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 4 岐化反应 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

7、 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200 1000 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400 600 范围内 三 煤的燃烧方式 按燃烧方式分类 1 层状燃烧 固定床 2 气流燃烧 气流夹带床 3 流化床燃烧 块煤 型煤或原煤置于固定或移动的炉栅上面 空气通过燃烧层进行燃烧反应 最宜燃烧块度为25 50mm 将固体燃料先磨成细粉 然后随空气在炉膛内呈悬浮状态进行燃烧 可分为直流式 煤粉直径300 500

8、 m 和旋风式 煤粉直径2 3mm 较高速度的空气从底部经过炉篦吹入较小的燃料粒子层中 6mm 当风速达到某一临界速度时 粒子层的全部颗粒向上漂浮 靠近炉壁的颗粒则向下降 整个粒子层象液体沸騰一般 1 层状燃烧 固定床燃烧 炉栅燃烧系统可分为 层状燃烧系统加煤机机动炉排燃烧系统 层状燃烧是一种最简单和最普通的块煤燃烧法 在中小型工业炉中占有一定地位 但难以满足大型工业炉的需要 并不能完全实现机械化和自动化 层状燃烧系统包括 人工进料层燃炉 下部进料层燃炉 倾斜炉栅层燃炉 移动炉栅层燃炉 倾斜炉栅层燃炉 层状燃烧的特征 燃料放在炉篦上空气通过炉篦下方炉篦孔穿过燃料层并和燃料进行燃烧反应生成的高温

9、燃烧产物离开燃料层进入炉膛 两个重要参数 煤粒大小 烧烟煤时 20 30mm燃烧煤层厚度 薄煤层燃烧100 150mm厚煤层燃烧200 400mm 沿煤层厚度方向气体成分的变化曲线如图所示 大致可分为 灰渣带 氧化带 还原带 和干馏带 氧化带厚度大约等于煤粒尺寸的3 4倍 只有当煤层厚度大于氧化带厚度时 才会出现还原带 CO2被C还原成CO 人工加煤的燃烧炉 人工加煤层状燃烧炉组成 灰坑 积存灰渣 使空气沿炉篦平面分布均匀 高约800mm 炉篦 支承煤层 空气进入通道 灰渣掉落通道 为避免堵塞 炉篦缝应上小下大 灰层 50 60mm厚灰层能保护炉篦 同时有助于空气预热并使之均匀分布 燃烧空间

10、使燃烧产物能够通畅地进入炉膛 并使烟气中的可燃气体能在燃烧炉内完全燃烧 新燃料周期性地加进炉内 燃烧过程具有周期性 加煤清渣全靠人力 劳动强度大 劳动条件差 下伺 绞煤机 一种应用较广的机械加煤设备 水套8用于冷却灰渣 避免与燃烧炉围墙粘连在一起 可以借助渣板9的翻转将灰渣排入渣车 或采用人工出渣 右图表示下加煤燃烧炉的基本燃烧过程 当燃料向上运动时 它逐渐被加热 干燥 并析出挥发物 在燃料层表面的已是焦炭 挥发物和空气的混合物经过焦炭层 在焦炭层的孔隙中燃烧 焦炭在新燃料的推动下向炉篦两侧运动 并与氧接触而燃烧 显然 新燃料的送入速度及送入的空气量应有严格的要求 否则可能出现当新燃料到达燃料

11、层表面还未着火的不正常燃烧情况 b 链条炉 是一种结构比较完善的机械化层燃炉 炉子的燃烧过程不随时间变化 克服了人工炉燃烧的周期性缺点 实现了燃烧过程的连续化 链条炉的引燃主要靠炉膛内的辐射热 所以着火条件较差 必须在炉膛采取一些有效措施 如设置炉拱和使用二次供风 抛煤机 由给煤器和抛煤器组成 前者将煤从煤斗输送至抛煤器 后者则负责将煤抛撒到炉篦上 若与往复炉排配合使用 可使投煤和清灰工作实现机械化 振动炉排 煤在炉排上靠振动产生的惯性徐徐向后移动 并与空气相交而遇 新的煤由煤斗不断补充引入炉内 按照先后顺序 得到干燥 预热 着火 燃烧和燃尽 2 流化床燃烧 是介于固体燃料的火床燃烧和煤粉燃烧

12、之间的一种燃烧方式 由上升气流支撑的颗粒床 气流可为空气 燃烧气体产物和其它气流 流化床技术已逐渐成为一种商业燃烧技术 研制开发了常压沸腾床燃烧器 循环流化床燃烧器和加压流化床燃烧器 可用于生物质燃料 泥炭 烟煤和褐煤 无烟煤碎屑 洗煤泥 石油焦 油页岩 城市固体废物燃料和各种有害废弃物 图示为沸腾床系统 流化床燃烧系统一般包括 燃料和石灰石进料系统 流化床反应器 废热锅炉及空气污染控制系统 APCS 流化床反应器内同时有同相气相氧化反应和异相气固反应 许多反应在床层顶部到燃烧室的自由空间进行 床层中的石灰石 酸性气体吸附剂 被分解为CaO和CO2 然后CaO与SO2和HCL反应 脱除酸性气体

13、混合物 流化床燃烧器在燃烧后处理过程中不再需要酸性气体清洗系统 布袋过滤器或除尘室用于空气污染控制目的已经足够 沸腾床主要是要把所有固体物质保持在密相流化床中 循环流化床反应器则是把床层介质及固体燃料吹出 然后在旋风除尘器即U型除尘其中重新捕获这些固体颗粒并重新加入反应器 加压流化床表观速度与沸腾床接近 但工作压力为1 2MPa 流化床燃烧原理 固体燃料颗粒的湍动 导致了与质量和热量传递结果有关的固体颗粒间的更加紧密地接触 并且导致了床层温度的更加均匀一致 在床层内可直接加入酸性气体吸附剂 如石灰石 简化了酸性气体控制系统 由于燃料分配系统 空气分配系统的位置已确定 加上在反应器内及器壁上安装

14、有热量回收管 为了加强污染控制系统 温度则作为一个独立的可控制的变量使用 作为除热池的惰性材料床层的使用能够减缓通常含水量较高的燃料或固体废弃物燃料不能燃烧的影响 沸腾床工艺过程 一次空气从床层底部鼓入 床层可在一定的空气流速范围内达到流化 二次空气可在床层与自由空间的交接处以上的不同高度鼓入 以确保反应器的燃烧阶段进行完全和确保固体颗粒和挥发分析出物的完全燃烧 燃料可通过一系列的床内分布器加入床层 热回收可通过传承内部的埋管或通过流化床反应器器壁的冷却管和燃烧系统下游的锅炉来完成 另外 可以把氨加入到自由空间用于NOx的控制 循环流化床工艺过程 燃料的加料系统是通过床层内加料或循环物料流把燃

15、料和石灰石加入燃烧室 循环流化床的速度能够沿反应器把所有的固体颗粒吹向固体回收系统 为了使燃烧进行完全和控制反应器内的气流速度 空气是在不同高度和不同的分布点进行分布 热回收是由镶嵌在循环流化床墙壁内的冷却管和外部热交换器完成的 沸腾床燃烧机理 燃料或者从床层表面上方加入或者通过分布器从床层内部加入 干燥过程立刻开始并且颗粒内部析出的气体对颗粒产生浮力 整个燃烧过程可分为 裂解过程半焦氧化挥发分在自由空间的氧化废气的形成 裂解过程 当颗粒干燥后并加热到反应温度 裂解开始 在裂解的过程中 由于气体内部压力的作用 固体颗粒可能断裂为碎片 图示为一般沸腾床反应器的速度曲线 空气加入反应器主要是用来传

16、送冲泡煤机下来的燃料或以二次空气形式加入到自由空间 颗粒可以漂浮在床层的表面 但不能进入自由空间区域 在该区域更快的气流速度可能把颗粒从反应器带到旋风除尘器 半焦氧化 当裂解完成后 半焦开始氧化 半焦的点燃主要与颗粒尺寸 燃料可怜的热惰性 燃烧有效热 反应器温度以及床层与半焦颗粒的热传递有关 540 C 半焦不会燃烧580 C左右 半焦在流化床中燃烧需要400s830 C 半焦燃烧时间只需要6 8s 半焦化导致CO的产生 反应式为C OH CO H半焦化生成CO比生成CO2更显著 由于颗粒表面的机械磨蚀和大的半焦颗粒的分裂 半焦氧化过程还产生细小的半焦颗粒 粉末在流化床反应器的床层与自由空间过渡区域的变化情况如图所示 燃烧时间与燃料初始时刻的直径平方成正比 不同的燃料燃烧时间有较大的差异 活性越高的燃料所用的时间越少 燃料类型对所需燃尽时间的影响如图所示 挥发分在自由空间的氧化 固体颗粒的燃烧的重点是裂解过程和半焦氧化过程 然而 流化床燃烧器展示了有关挥发分燃烧的奇异特征 譬如CO的氧化 CO OH CO2 HOH的形成机理 H O2 OH O O H2O OH O 挥发分在自由空间的