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第九章　固体燃料燃烧

第九章　固体燃料燃烧. §9.1 　煤的燃烧过程. 引言. 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：. 干燥 热解及挥发分析出 挥发分燃烧 焦炭燃烧. 煤的热解过程. §9.1 　煤的燃烧过程. 　　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。. 煤的热解过程. §9.1 　煤的燃烧过程.

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第九章　固体燃料燃烧

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  1. 第九章　固体燃料燃烧

  2. §9.1　煤的燃烧过程 • 引言 • 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： 干燥 热解及挥发分析出 挥发分燃烧 焦炭燃烧

  3. 煤的热解过程 §9.1　煤的燃烧过程 　　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。

  4. 煤的热解过程 §9.1　煤的燃烧过程 • 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，即挥发分并不是一个确定不变的常数。

  5. 煤的燃烧过程 §9.1　煤的燃烧过程 • 挥发份的燃烧 • 焦炭的燃烧 焦炭含量占55~97%，燃烧时间占90%，发热量占60~95%

  6. §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

  7. §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α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

  8. §9.2 固体碳粒的燃烧 • 气固两相反应理论 表观速度常数 多相燃烧反应阻力

  9. §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

  10. §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 。

  11. §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 。

  12. §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

  13. §9.2 固体碳粒的燃烧 • 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

  14. §9.2 固体碳粒的燃烧 • 气固两相反应理论 • 碳燃烧状态的判别准则 谢米诺夫准则： 氧的浓度比：

  15. §9.2 固体碳粒的燃烧 • 气固两相反应理论 • 两相反应的级数－吸附理论 在固体燃料表面，两相反应的级数0~1级。 很小 很大 中值 一级反应 0级反应 n=0~1

  16. §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： 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 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

  17. §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随温度上升而增大。 　　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 络合 离解 总的简化反应式

  18. §9.3　碳粒燃烧的化学反应 • 碳与氧的反应 　　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 络合 离解 总的简化反应式

  19. 　吸附到碳的晶体上形成络合物，然后络合物分解成　　，并解吸离开碳表面。由于　　的化学吸附活化能比氧的溶解活化能大得多，因此只有在温度很高时，这一反应才显著起来。　吸附到碳的晶体上形成络合物，然后络合物分解成　　，并解吸离开碳表面。由于　　的化学吸附活化能比氧的溶解活化能大得多，因此只有在温度很高时，这一反应才显著起来。 §9.3　碳粒燃烧的化学反应 • 碳与二氧化碳的反应

  20. 与碳的气化反应十分类似，同样为吸热反应。反应级数为一级，活化能比气化反应的活化能大，约为　　　　　　　　。反应进行过程中水蒸气也是经过吸附、络合与分解一系列环节才完成水煤气的生成的。与碳的气化反应十分类似，同样为吸热反应。反应级数为一级，活化能比气化反应的活化能大，约为　　　　　　　　。反应进行过程中水蒸气也是经过吸附、络合与分解一系列环节才完成水煤气的生成的。 §9.3　碳粒燃烧的化学反应 • 碳与水蒸气的反应

  21. §9.3　碳粒燃烧的化学反应 • 一氧化碳的分解反应 　一氧化碳的分解反应是碳的气化反应的逆反应。这个反应会导致碳的析出，因而也是一个重要问题。

  22. §9.4　多孔性碳粒的燃烧 　　实际上碳是一种多孔性物质，因此反应不仅在外表面进行，而且在碳的内部也进行。 木炭内部的反应表面积为57～114 电极碳为70～500 无烟煤为100 这些数据表明，内部表面对反应的影响是不可忽视的。

  23. §9.4　多孔性碳粒的燃烧 • 多孔性碳粒燃烧速率 　若每单位体积碳粒所含内部孔隙的表面积为　　，则对半径为r的碳粒球体，其内外表面积之和为： 当温度较低时内表面上各处的氧浓度都相同，且等于碳粒外表面的氧浓度　　　 碳球的总反应速率为： 式中　　为包括了对应内表面的碳球的总反应速度常数

  24. §9.4　多孔性碳粒的燃烧 • 多孔性碳粒燃烧速率 　　当碳球温度很高时，内表面上氧浓度接近于零，亦就是碳球内表面停止了碳和氧的一次反应。只有碳球外表面能和氧发生反应。于是氧在碳表面上的总反应速度就变成

  25. §9.4　多孔性碳粒的燃烧 • 多孔性碳粒燃烧速率 低温时　　　　　　　　　　　　　高温时 令： ε称为反应的有效渗透深度

  26. §9.4　多孔性碳粒的燃烧 • 多孔性碳粒燃烧速率 总反应速度常数： 总反应速度： 　　考虑碳粒内外扩散作用，同时又考虑了内外表面上化学反应影响的化学反应速度

  27. §9.5　二次反应对碳粒燃烧的影响 • 碳粒燃烧的一次反应与二次反应

  28. §9.5　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

  29. §9.5　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800~1200℃时静止碳粒燃烧情况

  30. §9.5　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1200~1300℃时碳粒周围的燃烧情况

  31. §9.5　二次反应对碳粒燃烧的影响 • 碳粒燃烧随温度变化 1、氧化反应动力区 2、氧化反应扩散区 3、还原反应动力区 4、还原反应扩散区

  32. §9.5　二次反应对碳粒燃烧的影响 • 流动条件下的碳粒燃烧 碳粒表面附近的燃烧情况 1-迎风面；2-背风面；3-回流区；4-火焰锋面

  33. §9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 • 碳粒燃烧速率 近似算法（稳定燃烧）： 传热与传质完全可以类比，Le=1 Stefan流不是很大时：

  34. §9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 • 碳粒燃烧速率 当Stefan流的影响不可忽略时： 扩散方程： 能量方程： 　　假设没有空间气相反应，则在任何半径上的总质量流均应相等：

  35. §9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 • 碳粒燃烧速率

  36. §9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 • 碳粒燃烧速率

  37. §9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 • 碳粒燃烧速率 由能量方程亦可求得： 由阿累尼乌斯定律亦可求得：

  38. §9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 • 碳粒燃烧速率

  39. §9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 • 碳粒燃尽时间

  40. §9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 • 碳粒燃尽时间 当燃烧为纯扩散燃烧时， 碳粒燃尽时间： 　　碳粒进行扩散燃烧时，碳粒燃尽时间与碳粒直径的平方成正比。

  41. §9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 • 碳粒燃尽时间 当燃烧处于动力燃烧状态：

  42. §9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 • 碳粒燃尽时间 当燃烧处于动力燃烧状态： 　　碳粒进行动力燃烧时，碳粒燃尽时间与碳粒直径成正比。

  43. §9.7 灰分对碳燃烧的影响 • 灰分对碳板燃烧过程的影响 假设： • 燃烧过程是一维稳定过程； • 灰分在碳板中均匀分布； • 燃烧时的含灰碳板的温度为定值； • 燃烧反应只在灰层和碳板的界面上进行，不考虑内部燃烧 　　在稳定燃烧情况下，单位时间通过单位面积的氧扩散量等于碳反应的消耗量：

  44. §9.7 灰分对碳燃烧的影响 • 灰分对碳板燃烧过程的影响 反应物质交换总阻力 外部扩散阻力 灰层扩散阻力 化学反应阻力

  45. §9.7 灰分对碳燃烧的影响 • 灰分对碳板燃烧过程的影响 碳板的燃尽速率：

  46. §9.7 灰分对碳燃烧的影响 • 灰分对球形碳粒燃烧过程的影响

  47. §9.7 灰分对碳燃烧的影响 • 灰分对球形碳粒燃烧过程的影响 扩散控制 动力控制

  48. §9.8 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

  49. §9.8 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

  50. §9.8 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

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