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1、第六章 煤 的 燃 烧,第一节 煤的燃烧过程、特点及其热解 第二节 碳燃烧化学反应的过程 第三节 碳的动力燃烧与扩散燃烧 第四节 碳的燃烧化学反应 第五节 多孔性碳球的燃烧 第六节 灰分对焦炭燃烧的影响 第七节 煤粉燃烧,第一节 煤的燃烧过程、特点及其热解,一、煤的燃烧过程 二、水分的蒸发过程及对燃烧的影响 三、煤的热解与挥发分的燃烧 四、煤粒的着火 五、煤粒燃烧的一些实验研究结果 六、影响煤粒着火的因素 七、焦炭的燃烧特性,一、煤的燃烧过程,图6-1 Wiser提出的煤分子结构模型,二、水分的蒸发过程及对燃烧的影响,1)水分蒸发后形成内部中空的多孔结构粒子，减少了各种反应的内部阻力，增大了反
2、应比表面积。 2)高温下水分蒸发时发生的爆裂现象形成颗粒表面的大空穴或碎成几个小块，增加了反应的比表面积。 3)在高温下水蒸气和炭可进行气化反应，对炭的燃烧起到了催化作用。,三、煤的热解与挥发分的燃烧,1.煤的热解 2.挥发分的燃烧,1.煤的热解,(1)煤热解中的主要化学反应 (2)煤热解的实验 (3)煤热解的影响因素 热解过程中产生的挥发分由可燃气体混合物、二氧化碳和水蒸气等组成，其中可燃气体主要包括一氧化碳、氢气、气态烃和少量酚醛。 (4)煤热解的数学描述 由于煤热解的复杂性，要从微观的角度来分析热解过程是比较困难的，目前大部分研究者是从实验入手，获得各种参数对挥发分产量与成分的影响的数据
3、，从而建立描述热解过程的数学模型。,(1)煤热解中的主要化学反应,0602B.TIF,(2)煤热解的实验,图6-2 汇合温度与挥发分析出之间的关系曲线,(3)煤热解的影响因素,图6-4 热解终温与热解产率的关系 GMZ满洲里褐煤 GDY大雁褐煤 GLC黄县褐煤 GYX先锋褐煤,2.挥发分的燃烧,图6-5 煤粒着火温度与的关系,四、煤粒的着火,图6-6 某种煤粒的着火方式图谱 非均相着火 均相着火 联合着火,五、煤粒燃烧的一些实验研究结果,实验中发现煤粒的燃烧大致分为四个阶段：煤的预热及挥发分着火，经历时间为1；挥发分的燃烧，经历时间为2；从挥发分燃完后，焦炭的预热到焦炭着火，经历时间为3；焦炭
4、的燃烧和燃尽，经历时间为4；实验中发现，挥发分燃烧时，煤粒直径几乎不变，煤粒表面局部地方有时有挥发物喷流，这表明挥发分的释放不是均匀的。,六、影响煤粒着火的因素,图6-7 煤的灰分、水分对理论燃烧温度的影响 1煤的收到基发热量 2煤的收到基水分,六、影响煤粒着火的因素,图6-8 煤粉粒子的升温过程,七、焦炭的燃烧特性,1)动力控制区。 2)扩散控制区。 3)过渡区。,第二节 碳燃烧化学反应的过程,一、碳燃烧化学反应的步骤 二、碳燃烧过程中的吸附和解吸,一、碳燃烧化学反应的步骤,1)氧气从气相扩散到固体碳表面(外扩散)。 2)氧气再通过颗粒的孔道进入小孔的内表面(内扩散)。 3)扩散到碳表面上的
5、氧被表面吸附，形成中间络合物。 4)吸附的中间络合物之间，或吸附的中间络合物和气相分子之间进行反应，形成反应产物； 5)吸附态的产物从碳表面解吸。 6)解吸产物通过碳的内部孔道扩散出来(内扩散)。 7)解吸产物从碳表面扩散到气相中(外扩散)。,二、碳燃烧过程中的吸附和解吸,1)当B时，式(6-36)分母中的可以忽略，此时就有 2)当B时，由式(6-36)可见 3)当B时，只有部分碳表面被氧吸附，碳表面氧的质量浓度为中等，01，此时反应处于上述两种情况之间，反应速率为,三、碳燃烧过程中的扩散,1.分子扩散 2.湍流扩散 3.对流扩散 4.碳燃烧中的扩散,1.分子扩散,表6-1 部分气体在空气中的
6、扩散系数(0，101.33kPa),2.湍流扩散,图6-9 传质的有效滞流膜层,3.对流扩散,物质在湍流流体中的传递，主要是由于流体中质点的运动引起的。如将一勺糖投于一杯水中，用勺搅动，整杯水就会更快、更均匀地变甜，这就是湍流扩散的表现。,4.碳燃烧中的扩散,经过这样的处理，就等于把涡流扩散的传递作用转化为分子扩散的传质。由图可见，整个有效滞流膜层的传质推动力即为气相主体与相界面处的分压之差，这意味着从气相主体到相界面处的全部传质阻力都包括在此有效滞流膜层之中。,第三节 碳的动力燃烧与扩散燃烧,1)当kzl时，折算反应速率常数Kzl。 2)当kzl时，折算反应速率常数Kk，式(6-58)变为
7、3)当kzl时，即化学反应能力与氧气的扩散能力处在同一数量级的情况下，此时燃烧强化的实现与k和zl两者都有关，无论提高k还是zl，都可以收到强化燃烧的效果。,第四节 碳的燃烧化学反应,一、碳的晶格结构 二、碳与氧的反应机理 三、碳和二氧化碳的反应机理 四、碳与水蒸气的反应 五、表面反应的碳球燃烧速率 六、二次反应对碳燃烧过程的影响 七、具有空间二次反应的碳球燃烧速率,4)也可能出现氧到不了固体表面的情况,图6-11 几种可能的碳燃烧化学反应过程,一、碳的晶格结构,图6-12 石墨的晶格结构,二、碳与氧的反应机理,1) CO2是一次反应产物，而燃烧反应产物中的CO，只是CO2和C二次反应的产物。
8、 2) CO是一次反应产物，反应产物CO在碳表面附近与O2接触被氧化成CO2。 3)碳和氧反应首先生成不稳定的碳氧络合物，即,三、碳和二氧化碳的反应机理,表6-4 C+C在950以上、常压下的反应活化能,四、碳与水蒸气的反应,碳和水蒸气的反应是水煤气发生炉中的主要反应。高温下碳与水蒸气发生的主要反应。,五、表面反应的碳球燃烧速率,五、表面反应的碳球燃烧速率,六、二次反应对碳燃烧过程的影响,1.在静止空气中(或者对应碳球与空气之间相对速度的Re100)碳球表面的燃烧 3.碳球在还原性气氛下的燃烧,1.在静止空气中(或者对应碳球与空气之间相对速度的Re100)碳球表面的燃烧,0615.TIF,1.
9、在静止空气中(或者对应碳球与空气之间相对速度的Re100)碳球表面的燃烧,0616.TIF,2.在流动介质中(对应碳球与空气之间相对速度的Re100)碳球表面的燃烧,0617.TIF,2.在流动介质中(对应碳球与空气之间相对速度的Re100)碳球表面的燃烧,0618.TIF,3.碳球在还原性气氛下的燃烧,图6-19 卧式旋风炉死 角气化的示意图 1喇叭形出口锥 2死角 3火焰锋面,七、具有空间二次反应的碳球燃烧速率,1) r=处，=21%，CO=0，=0。 2) 碳球表面上，进行着反应式(6-69)或式(6-70)和反应式(6-67)。,2) 碳球表面上，进行着反应式(6-69)或式(6-70
10、)和反应式(6-67)。,图6-20 碳球燃烧速率计算的系数 1500m(细颗粒) 25mm(粗颗粒),2) 碳球表面上，进行着反应式(6-69)或式(6-70)和反应式(6-67)。,图6-21 函数()、()的数值,第五节 多孔性碳球的燃烧,1)温度较低时，反应速率较慢，氧的扩散速率远远大于碳球孔隙所构成的内表面上的反应速率，反应气体逐步扩散到多孔性碳球的内部孔隙中，直至碳球中心。 2)随着温度上升，反应速率加快，反应消耗速率开始大于反应气体的扩散速率。 3)若碳球温度很高，碳与氧的化学反应速率很快，以至于氧渗入碳球内部孔隙的扩散速率远小于碳球内部氧的消耗速率，此时内表面上的氧浓度几乎为零
11、，碳球内部停止了碳和氧的反应，空气中的氧只能在碳球外表面和碳发生反应。,第六节 灰分对焦炭燃烧的影响,一、碳粒燃烧过程的物理模型 二、不同燃烧温度下灰分对燃烧的影响 三、灰分对焦炭燃烧的其他影响,一、碳粒燃烧过程的物理模型,1.均匀反应模型 2.不均匀反应模型 3.微粒模型,1.均匀反应模型,图6-25 均匀反应模型燃烧反应示意图,2.不均匀反应模型,图6-26 不均匀反应模型燃烧反应示意图,2.不均匀反应模型,图6-27 球形碳粒燃烧时的气体浓度分布 未燃烧碳核的半径 R燃烧界面 的半径 灰层的半径,二、不同燃烧温度下灰分对燃烧的影响,1.燃烧温度低于灰的软化温度时灰分对燃烧的影响 2.燃烧
12、温度高于灰的熔化温度时灰分对燃烧的影响,1.燃烧温度低于灰的软化温度时灰分对燃烧的影响,图6-28 板形煤层示意图 周围介质中的氧浓度 c灰层表面的氧浓度 碳层表面 的氧浓度 l煤层厚度的一半 灰层厚度,2.燃烧温度高于灰的熔化温度时灰分对燃烧的影响,当燃烧温度高于灰的熔化温度时，燃烧产生的不再是松积的灰层，而是产生具有一定流动性的熔渣。 实验发现若灰分较少，熔渣的绝对量就会减少，表面张力与粘性力相对较大时，熔渣仍附着在碳粒上，阻碍氧气向颗粒内部的扩散。,三、灰分对焦炭燃烧的其他影响,(1)热效应 大量的灰改变了煤粒的热效应，当灰加热到高温时，会消耗一定的能量，还可能发生相变。 (2)辐射特性
13、 灰的辐射特性不同于焦炭，因此灰的存在给碳的燃尽提供了一个辐射传热的固态介质。 (3)颗粒尺寸 焦炭燃烧过程中，会发生破裂，变成几个更小的颗粒进行燃烧，焦炭的破裂特性与灰分的种类、性质有着密切的联系。 (4)催化效应 焦炭中某些矿物质已经证明能使焦炭的反应性增强，尤其是在低温条件下。,第七节 煤粉燃烧,一、煤粉气流的输送与分配 二、煤粉气流的着火,一、煤粉气流的输送与分配,1)在水平直管内的气固两相流动浓度分布中，水平方向上管中心浓度低，而靠近管壁处浓度较高，并近似为对称分布，这是由于湍流扩散效应和静电作用所致。 2)在弯管内，当弯曲角在12弧度内，离心分离的作用远大于重力分离的作用，固体颗粒
14、在靠近弯管的外侧壁形成一股高浓度的固体颗粒束，这就是在气力输送中造成输送管弯头部位外侧磨损严重的主要原因。,一、煤粉气流的输送与分配,3)在弯管中由于惯性离心力的分离作用远大于重力分离的作用，在通过管轴线的铅垂面上测得固体颗粒浓度分布趋于均匀而呈对称分布，靠近管下部的颗粒浓度在降低，这说明在弯管内不易产生沉积和堵塞现象。 4)在弯管的出口接直管道作颗粒分布的恢复性实验发现，在直管长度与管径之比大于3.3之后，内外固体颗粒质量流量近似相同，即得到完全恢复，这就是固体颗粒在流动中的恢复特性。,一、煤粉气流的输送与分配,图6-29 气体-颗粒混合物的水平流动,一、煤粉气流的输送与分配,表6-8 各种
15、颗粒的沉降速度适应(适应=1000kg/，=1kg/，v=201/s),一、煤粉气流的输送与分配,图6-30 沉降速度的大致数值关系 (适用于煤密度=1000kg/) 1空气温度0 2空气温度1000,一、煤粉气流的输送与分配,图6-31 水平直管和弯管内 固体颗粒在垂直方向的分布,二、煤粉气流的着火,图6-33 煤粉的加热曲线 1对流加热曲线 2辐射加热曲线 3考虑向周围介质散热时的曲线,二、煤粉气流的着火,图6-35 煤粉气流单位 产热量与温度的关系,二、煤粉气流的着火,图6-36 煤粉气流热平衡关系,三、旋转射流中煤粉的着火,(1)关于fre的讨论 (2)关于f2k的讨论 同样忽略K中f
16、2k的影响，从式(6-201)显然可以看出，增大f2k将导致Co下降，在挥发分燃烧阶段混入冷的二次风不利于温度水平的提高。 (3)关于K的讨论 当Co为正值的时候，随着K值的增大，式(6-200)中分子增大，分母减小，Co增大，着火点的温度上升。,三、旋转射流中煤粉的着火,0640.TIF,三、旋转射流中煤粉的着火,图6-41 旋流燃烧器出口速度分布,三、旋转射流中煤粉的着火,图6-42 旋流燃烧器烟气回流卷吸和煤粉着火过程,三、旋转射流中煤粉的着火,图6-43 着火过程的物理模型,四、直流射流中煤粉的着火,0644.TIF,四、直流射流中煤粉的着火,图6-45 角置直流燃烧器煤粉气流在空间 受热着火过程的示意图 1k一次空气 2k二次空气 3旋转火焰的方向 4上邻角的火焰送到向火面的高温烟气 5背火面卷吸的热烟气 6一、二次风的过早混入,五、煤粉气流的燃尽过程,2)氧气占空气中的质量百分数为23.2%; 3)碳
