燃烧技术第五章1

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1、,燃烧技术,清华大学 工程力学系钟北京,课程内容目录,第一章 绪论 第二章 燃料及燃烧计算 第三章 气体燃料燃烧技术 第四章 液体燃料燃烧技术 第五章 固体燃料燃烧技术 第六章 燃烧污染和防治 第七章 燃烧试验和模化,第五章 固体燃料燃烧技术,工程与日常生活中常用的固体燃料有煤、焦炭、油页岩、木柴等。但使用最多的是煤炭。 我国煤炭资源丰富，是煤炭生产与消费的大国之一。在我国的一次能源中，煤占70%以上。其中80%以上直接用于燃烧。因此，学习和了解煤燃烧过程的规律和各种燃煤技术，对于充分、有效的利用我国的煤炭资源具有十分重要的意义。,第五章 固体燃料燃烧技术,煤的燃烧比气体和液体燃料复杂的多，它

2、属于多相燃烧。煤的燃烧经历了一系列的过程。首先是煤中的水分蒸发。然后，煤中的挥发份(多以CmHn形式)析出、着火、燃烧。最后是焦炭的着火、燃烧。 煤的燃烧时间主要取决于焦炭的燃烧，挥发份燃烧的时间很短，约占10%。燃料燃烧所产生的热量主要也来自焦炭。,第五章 固体燃料燃烧技术,焦炭燃烧对燃煤的整个过程起决定性作用。它不仅决定了煤粒的燃烧时间，决定了炉膛的大小，而且决定了炉膛内的温度水平。但是煤的挥发份对焦炭的着火起决定作用。正是由于煤的挥发份着火、燃烧，释放热量，对焦炭加热，点燃焦炭颗粒。因此，煤的挥发份多少，是煤着火难易程度的一个重要判据。,第五章 固体燃料燃烧技术,在本章，我们首先回顾一下

3、煤燃烧的有关理论，然后重点介绍煤的燃烧技术。 5-1、固体燃料燃烧理论的回顾 5-2、层燃炉 5-3、煤粉燃烧 5-4、旋风燃烧 5-5、流化床燃烧,5-1固体燃料燃烧理论的回顾,一、煤的热分解理论 二、碳燃烧的异相反应理论 三、碳燃烧反应的控制 四、碳粒的多孔性及二次反应对燃烧的影响 五、碳粒的燃尽时间 六、煤的燃烧及燃烧方式,一、煤的热分解理论,1、挥发份的概念 2、煤的热解机理 3、挥发份析出量及其成分构成,1、挥发份的概念,当煤粒加热到一定温度以后，开始释放出焦油和气体，并逐步形成剩余的焦炭。这个过程就是煤的热解过程。释放出来的焦油和气体称为挥发份。 挥发份的组成：可燃气体(如CO、H

4、2、CH4和CmHn等)混合物和惰性气体(CO2、N2和H2O等)组成。,1、挥发份的概念,挥发份的含量：同一种煤在不同的热解条件下，得到的挥发份含量与组成不同。即：（Weight and Compounds）=,1、挥发份的概念,根据加热速率的不同 ，煤的热解过程可分为快速热解和慢速热解： 快速热解：对煤粒的加热速率104/s。如:d100m的煤粉在煤粉炉中的热解就属于快速热解，其热解过程可在0.1s内完成。 慢速热解：对煤粒的加热速率环烷烃烯烃，炔烃烷烃。 不带侧链的分子比带侧链的分子稳定，所以侧链先断裂，侧链越长，越容易断裂。 各种碳链的强度不同，碳和其它分子间的键能也不相同，键能越大，

5、键的强度越大。一般C-H牢固，C-O不牢固。 分子紧密程度越高，即煤的核越大，其热稳性越好。,煤的热解的主要过程,煤在加热升温时，将发生很复杂的物理化学过程，其中包括一系列串联或并联的化学反应。煤热解的主要过程有： (1).T105 析出吸留气体和水分。直到300 水分充分析出。 (2).T=200300 开始析出气体产物如CO、CO2，并有少量焦油析出，煤粒开始变软，成为塑性状态。,煤的热解的主要过程,(3).T=300550 大量析出焦油和气体 (CH4、饱和烃与不饱和烃及CO、CO2)，这些气体称为初次挥发物。初次挥发物扩散到煤粒孔隙和燃料层。再次热解，形成二次挥发物。 (4).T=50

6、0750 半焦开始热解，大量析出含氢较多的气体。 (5).T=7591000 半焦继续热解，析出少量以含氢为主的气体，半焦生成高温焦炭。,3、挥发份析出量及其成分构成,温度对挥发份析出的影响,3、挥发份析出量及其成分构成,不同热解条件下挥发份的析出量的计算公式有许多，但都是经验公式，是针对不同的煤粒和热解条件得到的。Badzioch和Hawksley在1000 的N2运载气流中对d=20，40和60m的煤粉进行快速热解（加热速率为2.55.0104 /s ),得到了运用于弱膨胀煤的经验公式为:,3、挥发份析出量及其成分构成,其中:G等温热解的失重（g）；工业分析可燃基挥发份含量；R可燃基挥发物

7、的含碳量；T加热温度（K）；等温热解的时间（s）；,3、挥发份析出量及其成分构成,C1、C2和C3分别为实验煤种的待定常数。对低级煤：C1=0.14，C2=1.5 10-5，C3=8900，Q=1.3；对具有高膨胀能力的煤，当温度在5001000 之间时，C1=0.51，Q=1.51.8.,挥发份成分、失重与加热时间和温度的关系,二、碳燃烧的异相反应理论,碳的燃烧是碳与O2的异向反应。主要包括以下几个步骤： (1)氧气扩散到碳的表面； (2)扩散到碳表面的O2被表面吸附； (3)吸附在碳表面上的O2与C反应，形成反应产物：,二、碳燃烧的异相反应理论,(4)反应产物从碳表面解吸 (5)解吸的产物

8、从碳表面扩散出去。 碳的燃烧速度取决于上述过程中最后的一步。在考虑扩散因素的条件下有： 表面遮盖率。表示碳表面吸附了O2的份额。,二、碳燃烧的异相反应理论,在这一部分表面上，不能在吸附新的O2 ，而只能解吸C+ O2的反应产物。因此，解吸速率为： (a)、 解吸速率k-1 解吸速度常数(1- )部分的碳表面还可以吸附O2 。因而表面附近的O2将吸附上去，其吸附速率与(1- )和表面O2浓度成正比。即：,二、碳燃烧的异相反应理论,(b)、Vs=k1Cs(1-) 吸附速率 k-1吸附速度常数 Cs碳表面O2的浓度 当吸附与解吸达到平衡时，有：Vj=Vs，即,二、碳燃烧的异相反应理论,(d)、C+

9、O2的反应速度与吸附O2的表面积成正比。讨论：,二、碳燃烧的异相反应理论,此时，反应速率与C表面O2浓度的一次方成正比。反应是一级的。此外，由 可得 1。表明碳表面处O2浓度很低，吸附了O2的表面积很小，说明吸附能力很弱。,二、碳燃烧的异相反应理论,二、碳燃烧的异相反应理论,二、碳燃烧的异相反应理论,小结: (1)当温度1200 时，碳表面O2浓度低，属一级反应； (3)当温度处于8001200 之间时属分数级反应。,三、碳燃烧反应的控制,碳的燃烧速率可以用碳表面O2的消耗速率来表示.,三、碳燃烧反应的控制,三、碳燃烧反应的控制,三、碳燃烧反应的控制,三、碳燃烧反应的控制,三、碳燃烧反应的控制

10、,三、碳燃烧反应的控制,燃烧工况可以用反应速度常数k和传质系数d之间的关系来判断。通常用Semenov (谢苗诺夫)或Damkoler (邓克尔)准则：,三、碳燃烧反应的控制,所以，影响Sm的因素有温度，压力，气流速度和颗粒直径及燃料的反应性E和k0,三、碳燃烧反应的控制,当温度和传质条件不变的情况下，颗粒直径越小，Sm越大。随着0减小，燃烧由扩散燃烧转向动力燃烧。当颗粒直径和传质条件不变的条件下，温度升高。Sm变小，燃烧由动力控制转为扩散控制。因此小颗粒燃烧必须在较高温度下，才有可能有动力控制转入扩散控制。,三、碳燃烧反应的控制,对于煤粉燃烧，由于煤粉颗粒直径很小，因此，煤粉的扩散燃烧是很有

11、限的：直径为10mm的煤粒在1000时即处于扩散燃烧。而直径为0.1mm的煤粉在1700 时才处于扩散燃烧。所以对于煤粉直径在0.050.1mm，在煤粉炉中燃烧时一般处于动力控制燃烧或过渡燃烧。,四、碳粒的多孔性及二次反应对燃烧的影响,1、多孔性对碳粒燃烧的影响 前面所讨论的碳粒燃烧速率，是假设燃烧反应仅在碳粒的表面上进行的，碳粒内部无孔隙。但实际的焦炭是一个多孔介质，其燃烧不仅在外表面，而且在内表面同时进行。因此，在这种情况下，不能忽略内表面对碳粒燃烧的影响。,四、碳粒的多孔性及二次反应对燃烧的影响,四、碳粒的多孔性及二次反应对燃烧的影响,四、碳粒的多孔性及二次反应对燃烧的影响,(2)、碳球

12、温度很高时，反应速度很快。O2扩散速率远远跟不上反应的需要。 O2几乎在碳的表面完全消耗掉。这时内表面的O2浓度几乎为零。在这种情况下，内表面几乎没有作用。此时，总反应速率为：,四、碳粒的多孔性及二次反应对燃烧的影响,(3)、当温度从低温变成高温时，碳球的总反应速率常数k*比k大的那部分值，就从(r/3)Si k降为零。若用Sik来表示增大的份额，则有：r/3反应有效深入深度，若O2能完全渗入碳粒内部，内、外表面各处的O2浓度均为Cs，则此时的有效渗入深度=r/3 ，如O2不渗入碳球内部，则 =0。,四、碳粒的多孔性及二次反应对燃烧的影响,总反应速率常数总是可以写成：,四、碳粒的多孔性及二次反

13、应对燃烧的影响,2、二次反应对碳燃烧过程的影响 当碳和氧的燃烧反应，不仅有碳和氧直接接触的一次反应，还有一次反应物CO 和CO2所进行的二次反应。考虑二次反应时，碳的燃烧速率有所变化。,二次反应对碳燃烧过程的影响,二次反应对碳燃烧过程的影响,碳粒燃烧工况随温度的变化,碳粒燃烧速度与温度和氧气扩散速度的关系,五、碳粒的燃尽时间,1、不考虑二次反应的燃尽时间 2、考虑二次反应的燃尽时间,1、不考虑二次反应的燃尽时间,按单位碳表面积上、单位时间所消耗的氧量计算，碳的燃烧速率可表示为: (1)、扩散燃烧：,1、不考虑二次反应的燃尽时间,1、不考虑二次反应的燃尽时间,1、不考虑二次反应的燃尽时间,当碳球燃尽时，即 =0时可计算得到碳球的燃尽时间：上式说明，扩散燃烧时，碳球的燃尽时间与它的初始直径平方成正比。,1、不考虑二次反应的燃尽时间,1、不考虑二次反应的燃尽时间,设在0内反应速度常数为定值，对上式积分，得：-0=-kd 其中：因此碳球的燃尽时间为：上式表明，在动力燃烧时，碳粒的燃尽时间与其初始直径成正比。,1、不考虑二次反应的燃尽时间,1、不考虑二次反应的燃尽时间,积分上式得到，过渡燃烧时燃烧时间可分为动力燃烧时间和扩散燃烧时间。上述讨论中，未考虑Stefan流。当考虑它的影响时，求碳球燃尽时间可利用如下守恒方程：,