第七章 煤燃烧原理与技术

1. 第七章　煤燃烧原理与技术 煤粒的燃烧过程 煤粒的热分解 碳粒燃烧的异相化学反应速度 煤粒的燃烧 碳粒的动力扩散燃烧区 碳粒的燃烧反应机理与燃尽时间 碳的气化反应及其对燃烧的影响 焦炭的燃烧 煤的层状燃烧技术 煤的沸腾燃烧技术 煤的燃烧方式与技术 煤的旋风燃烧技术 煤的悬浮燃烧技术 煤粉射流稳燃机理 煤粉燃烧稳燃技术 新型稳燃技术

2. 7.1煤粒的燃烧

3. 7.1.1煤粒的燃烧过程 • 煤的燃烧过程大致可分为5步： • 干燥 100℃左右，析出水分； • 热解 约300℃以后，燃料热分解析出挥发分，为气态的碳氢化合物，同时生成焦和半焦； • 着火 约500℃，挥发分首先着火，然后焦炭开始着火； • 燃烧 挥发分燃烧，焦炭燃烧。挥发分燃烧速度快，从析出到基本燃尽所用时间约占煤全部燃烧时间的10%；挥发分的燃烧过程为气-气同相化学反应，焦炭的燃烧为气-固异相化学反应； • 燃尽 焦炭继续燃烧，直到燃尽。这一过程燃烧速度慢，燃尽时间长。

4. 褐煤燃烧时温度和质量随时间的变化

5. 常见固体燃料可燃质情况

6. 一、煤的热解过程 7.1.2煤的热分解 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。 • 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。

7. 一、煤的热解过程 • 煤被加热到一定温度后，进入热分解阶段。 • 热分解阶段释放出焦油和气体，并形成剩余焦炭，这些焦油和气体称为挥发分。 • 挥发分由可燃气体混合物、二氧化碳和水组成。其中可燃气体包括一氧化碳、氢、气态烃类和少量酚醛。 • 煤加热时释放出的挥发分的重量和成分取决于：加热升温速度、加热最终温度和在此温度下的持续时间等。根据升温速度不同，将热解过程分为慢速热解和快速热解： • 慢速热解：加热煤粒的升温速度小于2℃/s; • 快速热解：加热煤粒的升温速度大于104℃/s； • 居于慢速热解和快速热解之间的热解过程为中速热解。 • 直径小于100μm的煤粉在煤粉炉属于快速热分解，不到0.1s内完成热分解。

8. 热解过程：分解反应和缩合缔合反应。 • 1.煤在热解过程中随着温度的上升，在105℃以前主要析出吸附气体和水分，但水分要到约300℃时才能完全析出。 • 2.在200～300℃时析出热解水，并开始析出气态产物（如CO和CO2等），同时有微量的焦油析出，而且随着温度的上升，煤粒会变软并成为塑性状态。 • 3.在300～500℃时，开始大量析出焦油和气体（主要为CH4及其同系物，以及不饱和烃及CO、CO2等），即初次挥发物。 • 4.在初次挥发物扩散出来通过煤粒孔隙或燃料层时，它们有可能再次分解或热解形成二次挥发物。 • 5.在500～750℃时，半焦开始热解，此时开始大量析出含氢较多的气体。 • 6.在760～1000℃时，半焦继续热解，析出少量以含氢为主的气体，半焦变成高温焦炭。

9. 初次挥发物 此时孔隙中充满液态热解产物 焦油、CO2、CO、C2、C6H6、CH4、H2O 快速 玻璃化 孔隙中液态热解产物沸腾，释放出气泡 孔隙加大 半焦 慢速热解，温度水平为400~600℃ 快速热解，温度水平为2000 ℃ 二次挥发物 中速 CO2、CO、C2H6、CH4、H2O、液体+二次焦油 初次挥发物 初次挥发物扩散通过煤粒内部孔隙或燃料层时裂解或热分解 三次挥发物 慢速 饱和和不饱和H2和气态碳氢化合物 半焦 离解 焦炭 一、煤的热解过程 • 煤的热解过程

10. 煤热解产物的产量 • 煤在热分解时其析出产物产量决定因素：对煤的加热速率、加热时的温度范围、加热的持续时间、煤颗粒尺寸、气氛压力、成分等因素。 • （1）对于每一具体的加热速率，挥发分的总析出量以及挥发物中气态和液态碳氢化合物的比例随加热温度的升高而增加。 • （2）如果热解的最终加热温度保持在低水平（例如500℃）不变，则随着加热速率的增加挥发分的总析出量将增加但挥发物中气体和液体碳氢化合物的比例将减小。 • （3）当热解的最终加热温度很高（例如高于1000℃）时，在高的加热速率下，挥发分的总析出量及其气液碳氢化合物的比例均增加。 • （4）加热温度越高，停留时间越长，同样的煤热解时析出的挥发分越多。

11. 二、煤的热解反应动力学模型 1、一步 反应模型 • 煤的热解过程及其复杂，因而建立热解反应动力学模型来描述煤粒热解的动力学过程，并进而计算挥发物的析出速率也是一个十分复杂的问题。 上式可描述中等温度时的热解过程，称为一步反应模型，由Badzioch提出。 k0 —表观频率因子； E —视在活化能； R —通用气体常数；T—热解温度；av—在时间t内析出的挥发分的质量；av∞—从煤粒中析出的挥发分的最大质量。

12. k1 挥发分av1+剩余焦炭ah1 a1 1-a1 Coal k2 挥发分av2+剩余焦炭ah2 a2 1-a2 二、煤的热解反应动力学模型 2、平行反应模型 • Stickler提出了两个平行反应方程模型，假定煤粉颗粒在快速热解下由两个平行反应控制 • Stickler给出： • E1=74106 J/mol；E2=252464 J/mol； • k01=3.7×105s-1；k02=1.46×1013s-1； • 由于E2>E1，k02>k01，所以在低温时，第一个方程将起主要作用；在高温时，第二个方程将起主要作用。 a1、a2——挥发分在两个反应中所占当量百分数 ac——原煤中干燥无灰基挥发分含量 av1、av2——两个反应所析出的挥发分的质量 ah1、ah2——两个反应所析出的焦炭的质量

13. 二、煤的热解反应动力学模型 3、三方程模型 Wen．C．TChen．L．H提出一组在惰性气体中三个同时进行的反应方程模型。该模型假定，当煤粒在惰性气体中温度升高时，在煤粒内部就会进行热分解，产生焦油和气体产物。然后，这些产物再进行下面的二次反应： （1）从相应的官能团裂解形成较轻的气体产物。 （2）当焦油通过煤粒内孔隙扩散时所进行的聚合和分解反应。 如果假定在热解时所有的反应都是一级反应，并且服从Arrhenius定律，则三个同时进行的反应方程可以写成下面的形式：

14. k2 k3 k1 脱挥发分： 煤 X1焦油+(1-X1)焦炭 式中，X1-在热解脱挥发分阶段煤转化为焦油的质量百分数；αc-干燥无灰基煤的密度，单位为g/cm3。 如原煤中焦油的干燥无灰基份额为αT，则有 裂解： 分解：

15. 焦油、气体的生成率RT、RG如下： 在煤的气化或燃烧过程中，煤气炉或燃烧室中所析出的焦油和气体的数量。 煤热解模型的反应动力学模型

16. 7.1.3碳粒燃烧的异相化学反应速度 • 整个碳表面上的气固异相反应包括以下的步骤： • （1）氧扩散到碳表面。 • （2）扩散到碳表面的氧被表面吸附。 • （3）吸附在碳表面上的氧在表面进行反应，形成反应产物。 • （4）反应产物从表面解吸。 • （5）解吸的产物从碳表面扩散出去。 • 整个碳表面上的反应速度取决于以上步骤中最慢的一个。 • 如果不考虑扩散的因素，并假定碳表面上吸附了氧的面积份额为θ ，则

17. 式中，θ－表面遮盖率，表示有气体吸附层覆盖的有效反应表面。式中，θ－表面遮盖率，表示有气体吸附层覆盖的有效反应表面。 在吸附了氧的θ份额碳表面积上不能吸附新的氧，只能解吸氧和碳的反应产物，解吸速率和θ成正比： v1＝k－１θ 式中, k－１为解吸速率常数，v1为解吸速度。 由于在（1-θ）份额的碳表面积上还没有吸附氧，其吸附速率和（1-θ）及表面上氧的浓度成正比 vS＝k1CS（1-θ） 式中, k1－吸附速率常数， CS－碳表面上氧的浓度，vS－吸附速度。

18. 式中，B= 。 如果吸附和解吸之间达到平衡，则 由于氧和碳的反应只能在吸附了氧的那一部分碳表面上发生，因此，θ越大，碳和氧的反应速率也越大，反应速率V和θ成正比：

19. 由此式可见： （1）当B>>CS时，异相化学反应速率只和碳表面处氧浓度的一次方成正比，反应是一级反应。 （2）由 ，当B>>CS时，θ<<1。 这时可能有以下三种情况： 1．B>>CS 在B>>CS时，由V=k/ 令 则v=kCS (4-18) 式中，k为化学反应速率常数。

20. （2）由 ，当B<<CS时，θ≈1。 2．B<<CS 在B<<CS时，由V= ， 或者 V=k （令k=k/） 则知： （1）在B<<CS时，异相化学反应速率和碳表面处的氧浓度无关，即 V＝kCS0 此时反应是零级反应。

21. 3．B≈CS 此时只有部分固体表面被氧吸附，碳表面处氧的浓度为中等，并有0<θ<1， 由于 ， 0<n<1 此时反应为分数级反应，反应级数n由试验决定。 实际温度低于800 ℃，碳表面氧浓度很高，属于零级反应；温度高于1200 ℃，属于一级反应；而800~1200 ℃，一般为分数级反应。简化起见，可作为一级反应处理 。

22. 式中： －在单位扩散面积的质量扩散流率，mol/m2·s； D－质量扩散系数，m2/s； C－气体浓度，mol/m3； y－在y方向气体扩散的距离，m； 式中负号表示物质扩散方向与浓度增加的方向相反。 7.1.4碳粒的动力扩散燃烧区 一、分子转移系数 费克的分子扩散定律指出：物质的扩散转移数量与浓度梯度成正比，即 （4-21）

23. 　　在分子的不规则运动中，除了物质的扩散转移外，还有动量转移和热量转移。　　在分子的不规则运动中，除了物质的扩散转移外，还有动量转移和热量转移。 由牛顿的粘性定律可知： 式中：F－流体之间的内摩擦力，Pa； v－流体速度，m／s； μ－动力粘性系数，Pa·s；

24. 傅立叶的热传导公式为： 式中：q－传导的热量流率，W/m2； T－温度，K； λ－物质的导热系数，W/m； 这三种转移都是以分子热运动为基础的同一物理机理。运动本身是质量转移，当介质具有非均一浓度的情况，这种转移就表现为物质交换现象；当介质中各部分存在着不同的动量或不同的热能时，这种转移就表现为动量的交换或热量的交换现象。

25. 式中： －气体分子运动的平均速度； 　　　 －气体分子运动自由行程的平均长度； ρ－气体的密度； CV－气体的定容比热。 这三种现象的数学表达式的比例系数，即D、μ和λ相互之间也存在着一定的关系。

26. 运动粘滞系数= ，而导温系数a=λ/ρCV，故 D≈v =a 表给出几种气体在一个大气压和0℃下的三种系数值。可以看到，每一种气体分子的扩散系数D，运动粘滞系数γ和导温系数a具有相同数量级的数值，数值上接近。通常把这三个系数称为分子转移系数。

27. 几种气体的分子转移系数值 动量传递、热量传递、质量传递。牛顿粘性定律、傅立叶导热定律、费克扩散定律分别为τ=-υdu/dy ；q=-λdT/dy ；J=-ρDABdYA/dy 普朗特数Prandtl：Pr=υ/α衡量动量传递与能量传递的快慢之比 施密特数Schmidt：Sc=υ/D动量传递与质量传递的快慢之比 刘易斯数Lewis：Le=α/D 衡量能量传递与质量传递的快慢之比 描述动量、热量和质量的规律有相似的数学表达式和相似的准则数（普朗特数、施密特数、刘易斯）叫三传的比拟。

28. 二、氧气在碳粒表面上的扩散规律 设空气流中氧气的浓度为C∞，碳粒表面上氧气的浓度为CS，在浓度差的作用下氧气向碳粒表面扩散，如图为空气流流经球状颗粒时的扩散情况。 碳颗粒表面氧气浓度分布

29. 由扩散定律得到，氧气从空气流向碳粒表面扩散的数量为：由扩散定律得到，氧气从空气流向碳粒表面扩散的数量为： 式中：S＝4πr2 可得 积分得

30. 称azl为质量交换系数。 单位面积的氧扩散流率 , mol/(m2s)

31. 式中： －氧从远处（或主流体）扩散到碳粒表面 的流率，mol/m2·s； azl －质量交换系数，m/s； C∞－远处（或主流体）的氧浓度，mol/m3； CS－碳粒表面处的氧浓度，mol/m3。 对于单位颗粒面积，氧的扩散流率为 碳粒表面氧化反应速度以燃烧反应耗氧量为基准时, 则

32. 式中：k－表面氧化反应速度常数,则得到 kCS＝az1（C∞-CS） 代入式 得 KZ称为碳粒表面燃烧反应的折算反应速度常数。则：

33. 三、碳表面燃烧反应区的类型 根据化学反应速度常数k与质量交换系数az1之间的关系，碳粒表面的燃烧反应存在着三种不同的类型（或称三种燃烧区）。 1、动力燃烧区（动力区） 当温度较低时，化学反应速度常数很小，k<<az1，则得 KZ＝k 碳粒表面上的氧浓度十分接近于远处（或主气流中）的氧浓度C∞，CS≈C∞。

34. 2、扩散燃烧区（扩散区） 当温度很高时，化学反应速度常数很大，k>>az1，则得 KZ＝az1 故： 碳粒表面的氧浓度很低，几乎为零，CS ≈0。 3、过渡燃烧区（过渡区） 当K与azl相差不大，总的燃烧速度仍须按式 计算。由于这时的燃烧工况处于扩散控制和动力控制之间(过渡燃烧区或过渡区)。这时碳表面的氧浓度介于扩散和动力燃烧之间，0<CS<C∞。

35. 碳燃烧速率与温度的关系 1—动力区；2—过渡区；3—扩散区 与燃烧面的距离y 碳燃烧过程中其表面附近氧的浓度分 1—动力区；2，3—过渡区；4—扩散区 煤粉直径为100µm，约在1900K以上，燃烧反应才能进入扩散区。一般固态排渣煤粉炉火焰中心温度1750K。煤粉炉的燃烧一般处于动力控制燃烧或过渡燃烧区。

36. 7.1.5碳粒的燃烧反应机理与燃尽时间 碳粒的燃烧是一个气固间的异相反应过程，此时碳和氧之间的反应是在碳的吸附表面上进行的。在氧化气氛下的燃烧反应： C+O2=CO2+40.8×104 KJ/mol 2C+O2=2CO+24.5×104 KJ/mol 另外产物CO在靠近碳表面的气体边界层中如果与氧相遇，还会发生下面的燃烧反应： 2CO+O2=2CO2+57.1×104 KJ/mol 在一定的温度条件下或当碳表面处有水蒸汽存在时，碳还会发生气化反应： C+CO2=2CO-16.2×104 KJ/mol C+H2O=CO+H2-11.9×104 KJ/mol

37. 碳的晶格结构 石墨的晶格结构：六角形组成的基面叠结而成。晶体内部每个碳原子三个价电子在基面内形成稳定化学键，第四个价电子则分布在基面之间的空间内，键的结合力较弱。

38. 碳的晶格结构 • 常温下，碳晶格表面和周界上能吸附气体分子，称为物理吸附。物理吸附不能发生化学变化。 • 温度较高时，气体分子具有较高的相对速度，能侵入石墨晶格表面层基面间的空间内，把基面的空间距离撑大，和碳原子形成新的键。碳和氧会形成固溶络合物，该络合物可能会由于其他具有一定能量的氧分子碰撞而结合成CO和CO2。 • 温度很高时，单纯物理吸附不存在，晶体周界对氧分子的化学吸附能力增加，吸附后形成的碳氧络合物会受热分解成为CO和CO2气体，或被其他分子碰撞而离解，离开晶体而形成自由分子。

39. 一、碳和氧的燃烧反应机理 三种观点 1、认为CO2是初级产物，即在碳粒表面上所进行的化学反应：C＋O2＝CO2 所生成的CO2与炽热的碳相互作用C+CO2=2CO, 形成了二次产物CO。 2、认为CO才是初级产物，即在碳粒表面上所进行的化学反应是：2C＋O2＝2CO 所生成的CO在脱离固体表面向外扩散的途中与O2相遇进行反应才生成CO2，即2CO＋O2＝2CO2

40. 3、碳与氧首先生成碳氧络合物，络合物再生成CO和CO23、碳与氧首先生成碳氧络合物，络合物再生成CO和CO2 在碳粒表面上进行的化学反应，CO2和CO这两种产物是同时出现的，但随着反应温度的变化，产物中CO2与CO的比例不同。这个观点被迈耶等人的实验所证实，他们的实验结果如下： • 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 = 2CO2+2CO • 其产物中CO2与CO的比例是：1：1

41. 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，但同时已溶解的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 • 其产物中CO2与CO的比例是：1：2； • 在温度为1200～1600℃的范围内，得到了一些不大确定的结果。

42. 二、碳粒的燃尽时间 1、简单的计算公式 1916年努谢尔特提出了碳粒燃烧速度与燃尽时间的计算方法。假定 （1）碳粒燃烧处于扩散区，表面氧浓度很小，可以认为 CS≈0； （2）碳球表面进行的反应是C＋O2＝CO2，产物CO2向外扩散，且CO2不与固定碳发生二次反应，即没有CO产生； （3）碳球处于静止的空气中燃烧，即碳球与周围气体没有相对运动。努谢尔特准则为常数，即 式中：az1－质量交换系数； δ－碳粒直径； D－氧的扩散系数。

43. 在扩散燃烧区，根据碳球燃烧速度公式，KZ≈az1，所以碳表面氧消耗率为在扩散燃烧区，根据碳球燃烧速度公式，KZ≈az1，所以碳表面氧消耗率为 ＝az1C∞ 式中：az1－质量交换系数； C∞－主流体（或远处）的氧浓度。 努谢尔特假定反应方程式为C＋O2＝CO2，那么碳的消耗量与氧的消耗量之间的比例为： 因此碳的消耗率为 =iaz1C∞

44. 使 则 整个碳球的表面积S= πδ2 ,所以整个碳球的燃烧率为: 如碳球的密度为ρc，碳球在燃烧过程中半径的变化率为 ，则

45. 碳球开始燃烧时，直径为δ0；经过τ时间的燃烧以后，碳球直径为δ,积分上式可得碳球开始燃烧时，直径为δ0；经过τ时间的燃烧以后，碳球直径为δ,积分上式可得 设C∞和D不随时间变化，那么 ∴ 上式称为碳球燃烧的直径平方－直线定律。 碳球燃尽时，δ＝0，所以碳球燃尽时间为

46. 2、修正后的计算公式： 对三条假设作若干修正以推导较为普遍适用的碳粒燃尽时间计算公式。 (1) 煤粉燃烧一般发生在过渡区。因而，氧消耗率表示碳粒燃烧速度公式采用更为普遍的式子：

47. （2）实际碳粒燃烧反应包括许多其它反应式。因而碳氧消耗量比用β表示。以碳耗率表示的碳球燃烧速度公式为：（2）实际碳粒燃烧反应包括许多其它反应式。因而碳氧消耗量比用β表示。以碳耗率表示的碳球燃烧速度公式为： （3）煤粉燃烧中，煤粉随气流飘动，即煤粉在气流中燃烧，煤粉周围气体中的氧浓度C将随时间而不断降低。所以碳球表面燃烧速度应为

48. 由于碳球随气流飘动，碳球与气流之间没有相对运动，其努谢尔特准则Nuzl＝2由于碳球随气流飘动，碳球与气流之间没有相对运动，其努谢尔特准则Nuzl＝2 ∴ 代入 得 设碳球的原始半径为r0，经过时间τ燃烧。碳球半径减少为r，令y＝r/r0。则碳球剩留的份额为y3。而烧掉的份额为(1－y3)。 碳球周围气体中原始氧浓度为C0，其相应的过量空气系数为α0。经过τ时间燃烧气体中氧浓度降低为C，相应的过量空气系数为α0-(1-y3)。

49. ∵ 代入式 得 又有： 由以上二式可得:

50. 当τ＝0时，碳球半径为r0，则y＝1； 当τ＝τr（燃尽时间）时，碳球半径r＝0，则y＝0。 令 则得：