（工程热物理专业论文）燃煤高温烟气助燃低热值气体燃烧实验研究.pdf

a thesis submitted in partial of fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering experimental study on combustion of low calorific value fuel gas supported by hyperthermy coal exhaust gas candidate: qinglong pei major: engineering thermodynamics supervisor: prof.jin shiping prof. huang suyi huazhong university of science coal gas; endothermal jet combustion; the rule of diminishing marginal effect 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii 目目 录录 摘 要 . i abstract . ii 1 绪论 . 1 1.1 中国煤资源 . 1 1.2 中国褐煤热解现状 . 3 1.3 课题来源与目的. 5 1.4 课题主要内容 . 6 1.5 低热值气体燃烧研究现状 . 7 2 实验原理概述 . 10 2.1 煤块的燃烧机理. 10 2.2 气体燃烧理论 . 13 3 实验设计 . 19 3.1 实验用原料介绍. 19 3.2 实验台架搭建 . 21 3.3 实验可行性分析. 26 4 实验内容 . 28 4.5 燃煤实验 . 28 4.6 燃气实验 . 33 5 总结与后续工作 . 42 5.1 总结 . 42 5.2 后续工作 . 42 致 谢 . 44 参考文献 . 46 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 中国煤资源中国煤资源 1.1.1 中国煤资源形势 我国的煤炭资源极其丰富，根据全国第三次煤田预测结果，除台湾之外，我国全 国境内 2000 米垂直深度以上的煤炭资源储量超过 5 万亿吨。在这 5 万亿吨储煤中， 垂直深度 1000 米以上的易开采的储煤总量为 1.84 万亿吨。 2003 年，我国矿产资源部门公布，我国煤炭资源保有量为 10210 亿吨，其中已 经利用的有 3500 亿吨，未利用的有 6700 亿吨。 根据世界矿产资源年评 2002-20031所提供的数据，我国境内已探明并且可 开采的煤碳资源储量为 1145.00 亿吨，占世界已探明可开采煤储量的 11.6%，位列世 界第三，只在美国、俄罗斯之后。 从以上数据可以看出，我国的煤炭资源储量丰富。并且在已经探明的一次能源储 量中，煤炭占 94.0%，石油和天然气分别占 5.4%和 0.6%。因此，我国此种状况的能 源资源条件决定了我国以煤为主的能源结构，并且在短时间内难以改变，煤炭是我 国的主要能源并且在未来的数十年之内仍将是我国的主要能源。 1978 年，我国 的煤炭资源产2量为 6.18 108吨，到 2009 年，我国的煤炭产量已经上升到 30.5 108 吨。这是一个十分快速的增加过程，30 年的时间内，我国的煤炭产量增加了几乎 5 倍。我国的煤炭总产量占世界总产量的比例高达 42%，年总产量占世界年总产量的 80%以上。我国的煤炭消费量分别占我国一次能源消费和消费总量的 76%和 69%3。 并且，有关机构预测，到 2020 年，我国煤炭的消费总量将达到 38 108吨，占我国一 次能源消费中的比例为 55%左右，到 2050 年，煤炭消费量占一次能源消费量的比例 仍有 50%左右。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1.1.2 我国煤炭资源的煤质特征 我国煤炭资源的煤种十分齐全，煤炭品质从褐煤到无烟煤具有分布。其中，褐煤 占全国煤炭资源保有量的 12.69%。烟煤占我国煤炭资源保有量的 69.95%。长焰煤、 不粘煤、弱粘煤、中粘煤等低变质烟煤占我国煤资源保有量的 42.46%。这些煤的煤 质十分优良，可作为动力用煤、生产水煤气、水煤浆的优质原料，具有很高的利用 价值。气煤、气肥煤、肥煤、1/3 焦煤、焦煤和瘦煤等中变质烟煤资源，占我国煤资 源保有量的比例为 27.49%。无烟煤占我国煤炭资源保有量的 14.70%。虽然我国的煤 炭资源煤种齐全，但是炼焦用煤缺乏。 在我国尚未开采利用的煤炭资源中，21.6%的煤炭资源属于特低灰分(灰分小于 5%)、低灰(灰分小于 10%)煤种，43.9%的煤碳资源属于低中灰煤(灰分 10%20%)煤 种， 32.7%的煤炭资源属于中灰煤(灰分 20%30%)煤种， 1.8%的的煤炭资源属于中高 灰煤种。 由上述数据可知，我国煤炭资源的煤种十分齐全，烟煤占我国煤炭保有量的比重 最高，无烟煤其次，褐煤资源占我国总煤炭资源的比重位居第三。在我国尚未开采 利用的煤炭资源中，低中灰煤所占比例接近一半，中灰煤所占比例高达 32.7%。褐煤 属于中灰煤，具有中灰煤的一半性质，是中灰煤代表性煤种。因此褐煤的研究利用 也能拓展到其他中灰煤，褐煤的开发利用具有重要的价值。 1.1.3 褐煤资源简介 全世界范围内， 褐煤的已探测储量约有 4 万亿吨， 世界总探明储量比例高达 40%。 其中，美国拥有 900 多亿吨褐煤储量，位居第一；俄罗斯拥有 800 多亿吨褐煤储量， 紧随其后；中国位居第三，褐煤储量高达 400 亿吨。 我国 90.29%以上的煤炭资源分布于我国昆仑秦岭大别山一线以北的北方地 区，而北方地区的煤炭资源又相对集中于山西、陕西、宁夏、河南及内蒙古中南部 等地区。 其中内蒙的煤炭资源发现的较晚， 开采利用的也较晚， 但其储量丰富、 易于开采， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 现已经成为我国主要的产煤省区。2009 年，内蒙古东乌珠穆沁旗发现一座储量近 2 亿吨的大型褐煤煤田。至此，内蒙古新增煤炭储量 5500 亿吨，煤炭总储量超过 7000 亿吨，位居全国第一。同年，内蒙古自治区煤炭产量高达 6.37 亿吨，超过山西，成 为中国最大的产煤地区。 然而，在内蒙已探明的煤炭储量中，有不少为褐煤。有数据显示，我国褐煤量 2118 亿吨，主要分布在内蒙古东部，云南东部、东北和华南也有少量。 这证明，内 蒙的已探明煤炭储量中，有接近 25%的煤炭为褐煤。 1.2 中国褐煤热解现状中国褐煤热解现状 1.2.1 褐煤提质工艺简介 褐煤热解工艺按照加热终温、加热速度、加热方式、热载体类型、气氛、压力等 工艺条件分为不同类型，归纳起来大体可分为三类：非蒸发脱水提质技术、成型提 质技术、热解提质技术。 非蒸发脱水提质技术以高温高压蒸汽干燥技术为代表， 它通过高温高压的条件来 该表褐煤的物理与化学结构，是一种将褐煤转化为高效的煤燃料的方法。这种技术， 将褐煤与高温高压的蒸汽直接接触，从而使褐煤中的水分脱出，增强褐煤的致密性、 疏水性。 成型提质技术是将褐煤通过挤压、剪切等物理作用力的加工，形成型煤再利用的 技术。在成型过程中，褐煤的胶原结构与空隙结构受到了不可逆的破坏，进而从物 理性质上对褐煤本质进行了改进，使其煤化度提高。 热解提质技术是利用高温或者是低温的无氧环境对褐煤进行加热， 通过热解褐煤 的方式得到半焦和焦油。 国内外典型的热解工艺包括： 外热立式炉工艺、 内热立式炉工艺、 美国的 toscoal 工艺、encoal 工艺、日本的煤快速热解工艺、德国的 lr 工艺、澳大利亚的流化 床快速热解工艺、前苏联的 3tx（etch）175 工艺、中国的多段回转炉工艺、中 国固体热载体新法干馏工艺及气体工艺。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 1.2.2 内蒙褐煤热解项目 褐煤又名柴煤，是一种煤化程度低的煤。外观多呈褐色，光泽暗淡，含有较高的 内在水分和不同数量的腐殖质。其不仅热值低，难以作为动力煤，并且化学反应性 强，在空气中容易风化，不易储存和远运。 为了解决此问题，内蒙在巩固提升传统资源型产业的基础上，严格落实煤炭资源 就地转化原则，积极推进现代煤化工产业。从 2006 年开始，在煤炭资源丰富的鄂尔 多斯、锡林郭勒、呼伦贝尔等煤炭资源集中地，现代煤化工产业开始蓬勃发展，形 成了包括大唐多伦煤制烯烃项目、新奥集团二甲醚项目、包头神华煤制烯烃项目、 通辽煤化工乙二醚项目、神华集团煤直接液化项目、伊泰集团间接煤制油项目等几 十项重大规模煤化工项目。 其中，针对褐煤利用的煤化工项目更是如雨后春笋，蓬勃发展。目前内蒙重点的 褐煤提质项目名录如下： 1 呼伦贝尔东能化工有限公司年产 500 万吨褐煤低温热解项目（年处理褐煤 500 万吨，年产半焦 200 万吨、焦油 30 万吨、粗苯 1.25 万吨、煤气 5.5 亿立方米。项目 总投资 9.2587 亿元） 2 内蒙锡林河煤化工有限责任公司褐煤提质项目（年处理褐煤 90 万吨，总投资 9800 万，鲁奇三段炉） 3 黑龙江大福通公司 100 万吨褐煤提质项目（总投资 3000 万元） 4 白音华褐煤提质实验项目和华兴工贸褐煤干燥项目（总规模为 1500 万吨/年， 一期规模 300 万吨/年，总投资 3.6 亿元，采用振动混流干燥技术工艺） 5 辽宁春成集团褐煤改性提质项目（总投资 6 亿元，30 条生产线，年加工褐煤 1500 万吨，滚筒烘干工艺技术） 6 苏尼特左旗小白杨矿业公司东苏褐煤干燥项目（年处理褐煤 450 万吨，总投资 4.5 亿元，滚筒烘干工艺技术） 7 中电投蒙东褐煤提质项目（规模 300 万吨/年，总投资 3.8 亿元） 8 大唐项目（一期 50 万吨，采用北京电科院国电富通炉型，投资 4500 万，目前 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 筹建 500 万吨规模项目） 9 霍林郭勒市内蒙古源源化工科技有限责任公司褐煤提质项目（年产 100 万吨， 总投资 11893 万元） 10 西乌旗华兴工贸褐煤干燥项目（年处理褐煤 500 万吨，首期建设规模 150 万 吨，总投资 9320 万元，采用振动混流干燥工艺技术） 11 华能伊敏煤电褐煤提质项目（100 万吨/年，后期规模 500 万吨/年） 12 北方联合电力公司褐煤提质项目（年处理褐煤 400 万吨，总投资 6 亿元，低 温干馏炉工艺） 13 鄂温克旗褐煤提质项目（总投资 9.95 亿元） 14 神华呼伦贝尔褐煤提质项目（首期 100 万吨/年，后期 1000 万吨/年） 15 大唐华银锡林浩特褐煤干燥项目（年处理 500 万吨） 1.3 课题来源与目的课题来源与目的 1.3.1 课题来源 大唐华银锡林浩特项目部隶属于大唐华银电力股份有限公司，成立于 2008 年 2 月，并负责大唐华银锡林浩特褐煤干燥项目。该项目引进美国 encoal 公司 lfc 煤炭轻度气化节能工艺技术，对锡林郭勒盟丰富的褐煤资源进行提质，生产稳定性 好、含硫量低、热值高的低温半焦煤（pdf）和低温煤焦油（cdl） 。其生产的低温 半价煤热值高、便于运输，可运用于煤化工行业、电力行业与冶金行业等。 然而，在褐煤热解提质的过程中，产生大量低热值气体。该气体热值大概为 360 大卡左右，若直接排放不仅对大气造成污染，而且浪费能源。但若要对其进行回收 利用，由于其热值太低，燃烧条件十分苛刻，存在技术上的难点。大唐华银锡林浩 特项目部为解决此难题，与华中科技大学热能与动力工程学院热能利用新技术研究 所签订了褐煤燃烧的含氧烟气与低热值褐煤热解气燃烧试验技术协议。本课题即来 源于此协议。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 1.3.2 课题目的 根据褐煤燃烧的含氧烟气与低热值褐煤热解气燃烧试验技术协议要求，该项目需 解决的关键技术如下： 关键技术名称 需要控制的主要参数 1 型煤高温烟气氧含量的控制 为了满足物料及热量平衡，褐煤燃烧后的烟 气含氧量要控制在 10%左右。过剩空气系数受到 限制，不能高也不能低，要在一定的范围内受控。 2 型煤高温烟气含尘量控制 通过高温除尘后烟气中粉尘含量和最大粉尘 颗粒满足后续工艺要求。 3 低热值热解气稳定燃烧控制 根据前期试验结果及本次燃料燃烧特性确定 热风炉整体结构。 4 燃烧产物控制 参照可行性报告在一定的褐煤、低热值煤气 流量下试验测试数据，确定满足工艺物料、热平 衡等要求的物料流量。 本课题重点针对以上关键技术中的型煤高温烟气氧含量控制、低热值热解气稳定 燃烧控制和燃烧产物控制进行实验研究。其中，通过调节过剩空气系数控制型煤燃 烧所产生的高温烟气氧含量；通过调节炉膛温度控制低热值热解气的稳定燃烧；通 过调节过剩空气系数、燃煤速度、低热值热解气流量控制燃烧产物成分。 本课题的最终目的为获取低热值燃气在高温型煤烟气助燃条件下的燃烧特性，再 根据燃烧特性设计燃烧炉结构，最终设计工程模型与工艺流程。 1.4 课题主要内容课题主要内容 1.4.1 主要内容 通过实验方法分析利用型煤高温烟气助燃低热值气体的燃烧特性研究。 影响低热值燃气稳定燃烧的主要条件为高温烟气含氧量、炉膛温度等，而影响高 温烟气氧含量和炉膛温度的因素有型煤燃烧速度、过剩空气系数、助燃空气温度、 低热值燃气流量、实验炉散热等，本实验先确定一个最佳型煤燃烧状况，固定型煤 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 燃烧速度、助燃空气温度、低热值燃气流量，重点分析研究低热值燃气热值随炉膛 温度的变化关系。 1.4.2 研究适用范围 工业生产过程常常产生大量的低热值气体，例如煤炭生产、煤化工、石油化工、 钢铁、冶金等工业等，并且产生的低热值气体的量非常巨大，然而由于低热值气体 的利用效率低，工业上通常采取的办法为将其排空，这样不仅浪费能源，而且造成 空气污染。钢铁行业在生产钢的同时，会产生大量的高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤 气。其中，高炉煤气热值约为 3600 至 4200kj/m ，是一种典型的低热值气体。有数 据显示，每生产 1 吨生铁会产生 1600 至 2000m 的超低热值高炉煤气4。煤炭生产过 程中也会产生大量的低热值煤层气，目前对于这种煤层气，仍采取直接放散的措施。 全世界因煤矿开采每年排入大气层中的甲烷(ch4)气体总量为 2500 万吨，总热值相 当于 3370 万吨标准煤的热值，我国就占其中的 45，造成了巨大的能源浪费5。 虽然本课题的出发点在于回收利用褐煤热解提质项目中所产生的低热值气体， 但 是试验中所采用的低热值气体燃料由乙炔和氮气配比而成，对于其他类型低热值气 体仍然具有适用性。 1.5 低热值气体燃烧研究现状低热值气体燃烧研究现状 对于低热值气体利用研究，在国内外都开展过相关的工作。但是由于低热值气体 利用效率低下，并且利用成本教高，有关这方面的研究不够深入，并且关于超低热 值（500 至 1000 大卡）气体燃烧的研究更是少之又少，特别是关于超低热值的实际 运用方面的研究几乎空白。本实验研究的低热值气体，热值为 400 大卡至 1000 大卡 的范围之内，属于超低热值的范畴，并且本实验研究的出发点在于实际工程应用， 因此本实验研究十分有意义。 要解决低热值气体的利用问题的关键在于如何让低热值气体的稳定燃烧。 对于 低热值气体的稳燃技术，赵黛青等6将其分成两类，即优化着火条件稳燃技术和优化 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 燃烧场结构稳燃技术，进行了介绍。其中优化着火条件的稳燃技术包含浓缩煤粉燃 烧技术、分级点火方式、高温空气预热燃烧三种，优化燃烧场结构稳燃技术包括钝 体稳燃技术、u 形管稳燃技术、旋流稳燃技术三类。国内外对低热值气体的研究也 主要是通过以上几种方式解决低热值气体的稳燃问题。 1.5.1 国外研究现状 国外对于低热值气体的研究相对国内来说较早，美国、澳大利亚、日本等国在 90 年代就开始了相关的研究。国外对于低热值气体燃烧的研究主要偏重于低热值气 体燃烧器的设计，通过设计优良的燃烧器结构以解决低热值气体的稳燃问题。 p.d.j.h 7等人在 1998 年设计了一种 2570kj/m 的低热值气体能够稳定燃烧的燃 烧器，该燃烧器采取螺旋式结构，从而使燃气与空气的混合达到充分的混合，最终 使低热值气体稳定燃烧。 flox 公司8设计了一种通过预热助燃空气和燃气的燃烧器， 并使用该燃烧器燃烧甲烷浓度为 7%的废气。z.al 一 hamamre 等9于 2006 年设 计了一种新型燃烧器，它采用碳化硅和氧化铝多孔介质结构，利用碳化硅和氧化铝 多孔介质的蓄热能力对低热值气体进行辐射加热，从而达到增强低热值气体燃烧强 度和燃烧稳定性的效果。a.al-halbouni10设计了一种通过分散小孔产生旋流而加强 低热值气体和空气混合效果的燃烧器。 1.5.2 国内研究现状 在国内，对于气体燃烧的研究不少，然而对低热值气体的研究也比较缺乏。早期 主要是马晓茜等人对其进行了研究。1995 年，马晓茜对低热值稳燃技术进行了探讨， 她提出低热值气体的燃烧受燃料的热值和温度等的影响，并且燃料的温度会影响低 热值气体的燃烧极限热值。1996 年，马晓茜的团队使用开缝钝体燃烧器，并采用空 气预热的方式，使热值为 3191kj/m 的高炉煤气达到稳燃11 12。 近年来，由于能源形势趋于紧张，并且政府与企业开始大力实施节能减排政策， 国内关于低热值气体燃烧的研究越来越多。其中，以低热值气体燃烧为专题并进行 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 了全面研究的有陈福龙、张健等人。代表性文献有陈福龙的低热值煤气燃烧实验 研究和张建的低热值煤气燃烧过程的数值模拟与实验研究 。 在低热值煤气燃烧实验研究中，陈福龙创造性的以液化石油气作为高热值燃 气、液化石油气与氮气混合模拟低热值气体，采用回流区分级着火燃烧技术，通过 高低热值燃气配比混合的方法，实现低热值气体的稳燃。在实验研究中，他实现了 高、低热值燃料供热比为 21:89、热值为 1200kj/kg 的低热值气体稳燃，并研究了在 不同的空气旋流强度和二次燃料出口角条件下的燃料燃烧特性及变化规律。 在低热值煤气燃烧过程的数值模拟与实验研究中，张建设计了低热值气体燃 烧系统，该系统主要包括燃料部分、送风部分、燃烧部分、数据采集部分以及后处 理部分。然后，运用 gambit 软件对该系统进行了三维建模，在此基础上，使用 fluent 软件对流动与燃烧过程进行了数据模拟，主要模拟了低热值燃烧系统在燃 烧过程中的压力分布、速度分布、温度分布、浓度分布，并对模拟结果进行了分析。 同时，通过改变燃烧系统的相关参数，分析了预热空气温度、预热煤气温度、氧含 量和过剩空气系数对低热值气体燃烧状况的影响。最后，张建根据设计的低热值气 体燃烧系统搭建了相关的实验台架，进行了实验研究，对模拟结果进行了验证、优 化。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 2 实验原理概述实验原理概述 2.1 煤块的燃烧机理煤块的燃烧机理 煤是埋藏在地下的古代植物经历了复杂的物理变化和化学变化之后形成的一种 可燃的固体矿物，是不可再生的能源。煤主要由碳、氢、硫和磷等元素组成，其中 碳氢氧三种元素占 95%以上。在工业中，煤是重要的能源，同时也是冶金、化工行 业的重要原料。 一般情况下，煤的燃烧经历以下几个步骤： (1)水分的蒸发。煤在着火之前，有一个加热升温的过程中，在该过程的前期， 煤中所含的水分被蒸发。该过程为吸热过程。 (2)挥发分析出燃烧。煤中的水分被蒸发之后，其中的挥发分被高温析出并开始 燃烧。该燃烧过程独立于煤焦颗粒的燃烧。 (3)煤焦燃烧。当挥发分燃烧完之后，剩下的基本为煤焦的燃烧。该过程提供燃 料燃烧过程中释放的主要热量，持续的时间也最长，约占全部燃烧过程的 90%。 燃烧过程如下图所示: 图 2-1 煤颗粒燃烧历程 以上过程为单个煤颗粒的燃烧过程，而在煤的实际燃烧过程中，煤的燃烧是十分 复杂的一个过程。在此过程中，水分的挥发、挥发分的析出燃烧、煤焦的燃烧，此 三个过程同时进行，相互影响。其中，挥发分的析出燃烧和煤焦的燃烧在整个煤燃 烧过程中起着重要的作用，是煤的燃烧特性的关键影响因素。以下将对煤燃烧过程 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 中挥发分的析出燃烧和煤焦的燃烧两者之间的关系以煤的燃烧机理进行介绍。 在挥发分析出燃烧的过程中，煤颗粒的物理 在脱挥发分过程中，煤粉颗粒的物理化学特性、燃烧条件等都对煤颗粒的脱挥发 分速率、挥发分物质的组成以及残留煤焦结构有着很大的影响13 14。以此同时，挥 发分的析出燃烧也会从以下两个方面对整个燃烧过程造成影响15： （1）直接影响 挥发分作为煤成分的一部分，其析出与燃烧会造成煤质量的减少，同时构成煤燃 烧的放出热量的一部分。挥发分作为气体形态析出后，会在煤颗粒表面和表面附近 的气态环境中燃烧，其产生的热量使气体环境温度升高，同时迅速加热煤颗粒本身， 提高煤颗粒温度，加速煤颗粒的多相着火与燃烧。 （2）间接影响 在常温常压状态下，煤中的挥发分大多以固体化学物的形态存在于固体煤焦中。 当煤被加热时，挥发分析出并燃烧，此时煤颗粒的化学组成、表明形态和孔隙结构 都会发生变化，煤焦的燃烧反应性能也随之而改变。此变化将促进煤颗粒的燃烧， 加速煤颗粒的燃烧速度。然而，挥发分析出并在煤焦表面及其表面气体环境中燃烧 却抑制了氧化剂向煤焦表面的扩散，从而抑制了煤颗粒的燃烧速度。 挥发分的析出与燃烧对煤颗粒的燃烧有利有弊，但总体上来说，更有利于煤颗粒 的燃烧。 煤的热解过程，主要为挥发分的析出过程，它主要包含以下几个过程16： (1)低温时，煤表面的水被热量蒸发，该过程主要为物理变化，是吸热过程。 (2)温度上升至 300-400时，热解过程的水分环境生成。 (3)温度进一步上升至 400-900时，煤颗粒发生软化，析出焦油以及氢气。该过 程为热解的主要过程。 (4)最后，当温度上升至 900以上时，产生一氧化碳与氢气。 挥发分的析出之后， 其在煤颗粒表面及其表面的气体环境中与氧气发生反应而形 成燃烧，这使煤颗粒的温度得以升高，但同时有消耗了煤颗粒表面及其表面气体环 境中的氧气，使氧浓度降低。一般情况下，我们认为，当挥发分燃烧完之后，煤焦 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 才开始进行燃烧，然而，实际研究表明，挥发分的燃烧与煤焦的燃烧之间并没有明 显的界限。 由于上述挥发分燃烧致使煤颗粒表面及其表面的气体环境中氧含量的减少， 因此 煤颗粒表面与助燃煤颗粒的自由气体之间存在着氧气以及反应气体的浓度差。该浓 度差致使氧气与反应气体以分子扩散的形式在煤颗粒表面及其表面气体环境中进行 传输。同时，在理想环境下，我们认为煤焦与氧的反应只在其活性表面进行，而非 活性表面，即使其发生接触，也不会有任何化学反应发生。因此，我们可以将煤焦 的燃烧看成是煤焦中的碳与反应气体在活性表面发生的气固异相反应。其反应过程 可细分为以下几个步骤： （1）反应气体从气相扩散到颗粒外表面（外扩散） ； （2）反应气体再通过颗粒的孔隙向内部表面扩散（内扩散） ； （3）反应气体被表面上的活化点所吸附，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与气相分子间进行反应； （5）吸附态的产物从固体表面脱吸附； （6）产物分子通过固体的内部孔道向外表面扩散（内扩散） ； （7）产物分子从外表面扩散到气相中去（外扩散） 。 温度是影响煤燃烧速率的重要因素之一，而反过来煤燃烧的速率也影响温度。 walker 等人17以温度为基底划分了煤颗粒燃烧的不同的反应阶段，如下图所示。 图 2-2 煤颗粒燃烧阶段 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 区域（低温阶段） ：在较低的温度下，由于挥发分反应速度较慢甚至还未开始 析出，所以煤焦表面及其表面气体环境与助燃煤颗粒燃烧的自由气体之间的浓度差 不大，反应气体与氧气扩散速率很慢，因而煤焦反应速率也很慢。这段时间内，煤 处于剧烈氧化反应，即燃烧的酝酿阶段。 区域（中温阶段） ：该过程中，主要的化学活动为挥发分的析出与燃烧。在中 等温度条件下，挥发分开始发生燃烧，消耗煤焦表面及其表面气体环境中的氧气， 从而使煤焦表面及其表面气体环境中的氧含量大幅降低，反应气体含量大幅升高。 这时候反应气体与氧气开始在煤焦表面及表面气体环境和助燃自然气流之间开始扩 散。此阶段的反应较为剧烈，不仅挥发分剧烈燃烧，煤焦也开始发生燃烧反应，处 于升温阶段。 区域（高温阶段） ：在该阶段，挥发分的燃烧处于末期，主要为煤焦的燃烧。 挥发分的燃烧不断散发热量，在其燃烧末期，煤焦及其所处环境的温度已经很高， 并且此时煤焦表面及其表面气体环境中的氧含量已经基本恢复正常水平，煤焦与氧 气的氧化反应速率最高，燃烧速度最快。若有一定量的煤焦存在，该阶段温度将维 持一段时间不变。 综上所述，可得出以下结论： (1)煤的燃烧与挥发分的析出燃烧、煤焦的燃烧有着密切的关系，而挥发分的燃 烧又对煤焦的燃烧有着重要的影响。因此煤的燃烧速率被挥发分的燃烧速率和煤焦 的燃烧速率所决定。 (2)煤的燃烧分低温、中温、高温三个阶段，三个阶段反应各不相同，各有特点。 在高温阶段，煤的燃烧温度有一个维持稳定的状态。因此，在实际实验过程中，可 通过不断加入新煤的方法，使温度稳定的维持在一定范围之内。 2.2 气体燃烧理论气体燃烧理论 能产生热能或动力的气态可燃物质，我们称之为气体燃料。它一般含有低分子量 的碳氢化合物、氢气和一氧化碳等可燃气体。常见的气体燃料有天热的沼气、天热 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 气，经过人工加工的石油气、焦炉煤气、水煤气等。 在工业上，可燃气体不仅可以作为燃料提供热量，同时还能作为工业原料，用于 合成氨、有机合成等化学工业。作为燃料而言，气体燃料优质、高效、清洁，着火 温度低，燃烧速度快，燃烧效率高，易于工业控制，具有以下优点： 1 环保性 相对煤、柴油、汽油等固体、液体燃料，气体燃料的含硫量、含氮量都要低得多， 并且不含灰分。因此，气体燃料燃烧烟气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物含量 极低，主要含量为二氧化碳、气体水，十分环保。气体燃料利于环境保护，是一种 基本无污染的燃料，在环保要求十分严格的地区也能够使用。 2 易传输性 气体燃料可通过管道实现远距离的输送，十分的方便。没有煤、柴油、汽油等固 体、液体燃料的装载、运输、卸载过程中产生的能源消耗、污染排放、噪声排放等 问题。 3 易控制性 由于气体燃料具有着火温度低、燃烧速度快、燃烧效率高等燃烧特性，并且主要 通过管道输送，因此在工业运用中，只需要通过调节阀门、风门等调节可燃气体的 流量，就可以达到控制气体燃烧，控制负荷、温度、烟气成分等关键工艺参数。因 此，气体燃料具有很好的操作性、控制性。 气体燃烧的分类多种多样，根据气体热值可以分为高热值燃料、中热值燃料和 低热值燃料。高热值燃料指的是发热量高于 15.07mj/m3的气体燃料，中热值燃烧指 的是发热量介于 6.2815.07 mj/m3之间的气体燃料，低热值燃料指的是发热量低于 6.28 mj/m3的气体燃料。 本文研究的低热值气体热值在均在 1000 大卡， 即 4.18 mj/m3 以下。 可燃气体与空气中的氧接触，一旦所处的环境达到一定条件，就会发生化学反 应。根据该化学反应的强度，可分为稳定的氧化反应与不稳定的氧化反应。氧化反 应，是一个先吸热，再放热的过程。当发生氧化反应时，如果其散发的热量能够大 于反应的吸热量，那该氧化反应为稳定的氧化反应。反之，如果氧化反应的散热量 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 小于反应的吸热量，则为不稳定氧化反应。本文中所研究的低热值气体，它在一般 的条件下，难以发生燃烧，即其氧化反应放出的热量远远小于其氧化反应的吸热量， 属于不稳定的氧化反应。因此需要通过高温烟气助燃的方式，为其氧化反应提供有 利的条件，提供热量。 气体的燃烧方式分为扩散燃烧和预混燃烧。扩散燃烧指可燃气体在氧化剂中边 扩散边燃烧，常见的有气体燃料的射流燃烧。预混燃烧指的是可燃气体与氧气预先 进行混合，然后再进行燃烧，对于工业炉的燃烧，大多属于预混燃烧。 预混燃烧的燃烧过程包括三个部分：1、气体燃料和氧气的混合；2、可燃混合 气体的加热与着火；3、可燃混合气的燃烧。将可燃混合气体的加热与着火和可燃气 体的燃烧过程合为可燃气体的燃烧过程，那气体的燃烧过程则可分为两个阶段：可 燃气体与氧气的混合与可燃气体的燃烧。此时，扩散燃烧也符合此结论。不考虑两 个阶段在时间上的重叠， 则整个燃烧过程所耗时间 包括气体混合时间 mix和气体燃 烧时间 che，即: =mix+che 当 chemix时，我们可近似得到 =che。此时，燃烧发生在预混很小甚至几乎没 有预混的情况下，一般为扩散燃烧。这种情况下，化学动力学因素控制着燃烧速率， 主要表现为性质、温度、压力、浓度的因素对燃烧状况的影响很大。当 chemix时， 我们可近似得到 =mix。 此时， 在燃烧之前， 可燃气体与氧气有充足的时间进行混合， 属于预混燃烧的一种。在这种情况下，燃烧速率受化学动力学因素影响不大，主要 受流体动力学因素影响，即主要受可燃气体与氧气的混合效果影响。 无论是气体燃烧，液体燃烧，还是固体燃烧，都存在着扩散燃烧现象。例如某些 高挥发性的液体燃料，通过喷嘴形成细颗粒的液体进入空气，这些液体颗粒能够迅 速的挥发，形成扩散燃烧。本文中，低热值气体的燃烧方式为射流燃烧，属于扩散 燃烧的一种。 根据对射流燃烧流场的探测与分析，可沿着射流方向将射流分成三段：初始段、 过渡段、自模段，如下图所示： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 图 2-3 射流分布图 射流离开喷口后，由于与外围气体之间速度差的存在和粘度的存在，将产生紊流 漩涡层，与外界气体发生能量、动量与质量的交换。这种紊流漩涡会侵蚀主流，从 而形成楔形射流核，也称为势流核心。核心内仍保持喷口处的初始速度、温度与浓 度，是整个射流的核心所在。这就是射流初始段。 射流内外边界之间形成紊流边界层。由于该边界层是射流与外界气体相切的边 界，也称为剪切层；同时该边界层也是射流气体与外界气体产生物质交换，进行混 合的边界，因此也称为掺混层。在此处，由于射流的卷吸作用，外界流体将跨流与 主流进行混合，动量、能量、质量都将进行交换，并随着混合区的不断扩大，最终 在射流中心汇合，势流核心也随之消失。在该段范围内，射流沿程各个界面上的速 度分布不断变化，最终成为相似的速度温度。该范围称为射流过渡段。 过渡段之后，射流进入自模段，这段也是射流的充分发展区。这个区域内，射流 沿程各截面上轴向速度都呈正态分布的特征。 一般的射流燃烧，都是一个向外放热的过程，因为一般情况下，气体的燃烧所处 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 的环境温度都低于气体燃烧温度，这样射流气体不断的向外放热。在射流边界层， 射流气体与外界气体之间的热量交换体现为射流气体向外界气体放热。而在本文中， 低热值气体的燃烧条件为高温助燃烟气环境，所以存在两种情况。第一种情况，低 热值气体燃烧温度高于助燃烟气温度，此时在射流气体边界层，热量从射流气体流 向外界气体，表现为放热。第二种情况，低热值气体燃烧温度低于助燃烟气温度， 此时在射流气体边界层，热量从外界气体流向射流气体，表象为吸热。若将燃烧时 射流气体向外界放热称为放热射流燃烧，将燃烧时射流气体向外界气体吸热称为吸 热射流燃烧，则在本研究中，不仅存在放热射流燃烧，还存在吸热射流燃烧。 可燃气体的燃烧的具有燃烧速度快、燃烧稳定的特点，但是不同的气体燃料、不 同的燃烧条件下，可燃气体的燃烧速度与稳定性不同。影响可燃气体燃烧速度与稳 定性的因素有很多，主要因素如下： 1、混合比 气体的燃烧是可燃气体与反应气体之间的反应，需要两种原料，即氧化剂与还原 剂。一般的气体燃烧指的是可燃气体与空气的燃烧，因此可燃气体与空气的比例是 影响可燃气体燃烧速度与燃烧稳定性的重要因素。理论上来说，按照化学反应方程 式中的比例进行混合是最佳比例。 2、混合程度 可燃气体与氧气若只按照合适的比例进行了配比，但是如果它们的混合效果不 好，那燃烧速度与稳定性都将受到影响。虽然理论上来说，化学方程式中的比例是 最佳比例，但是实际燃烧中，可燃气体与氧气达不到化学方程式中的完美混合状态。 因此，实际情况中，常常要求氧气偏多，以让可燃气体尽可能的燃烧完全，即实际 燃烧中的过剩空气系数大于 1。 3、燃料分子结构 不同的燃料，其成分不同，分子结构也不同，燃烧速度与燃烧稳定性也不同。实 验表明，可燃气体的相对分子质量越大，可燃极限变窄。饱和烃类的燃烧速度与碳 原子数目无关。但是对于不饱和烃来说，碳原子数目越少，燃烧速度越高，碳原子 数目越多，燃烧速度越低，碳原子数目大于 8 时，燃烧速度没有明显变化。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 4、初始温度影响 可燃气体与氧气反应的初始温度越高， 燃烧时速度越快， 燃烧稳定性越强。 因此， 工程中常常采取预热可燃气体与助燃空气的方式提高燃烧效果。 5、燃料性质 对于燃烧来说，是一种高温的反应，其反应时温度越高，反应越剧烈，燃烧越稳 定。同时，对于燃烧中的气体来说，热量的传递速度越快，燃烧反应自然越快越稳 定。所以燃料的发热量越高，并且传热系数越高，燃烧速度越快，燃烧稳定性越好。 6、燃料添加物 实验表明，可燃气体或者氧气中若加入氮气、二氧化碳等不可燃气体，其燃烧速 度会变慢，燃烧稳定性降低；若加入某些微量元素如铁、铜等作为催化剂，则燃烧 速度变快，燃烧稳定性升高。 本实验研究中，主要研究的高温助燃烟气温度与低热值气体热值之间的关系，使 用乙炔模拟低热值气体中的可燃成分，氮气模拟低热值气体中的不可燃成分。从可 燃气体的热值角度来讲，实验需研究的气体为低热值气体，燃烧速率和燃烧稳定性 低。从燃料添加物的角度来讲，实验使用的可燃气体中加入了氮气这种不可燃气体， 燃烧速度和燃烧稳定性也低。使如此恶劣燃烧性质的低热值气体稳定燃烧，正是本 实验研究的目的之一。从初始温度的角度来讲，实验采取高温烟气助燃低热值气体 的方法，既保证了助燃气体的初始温度，又能加热低热值气体，因此此方法在原理 上就具有了可行性。 综上所述，可以得到以下结论： （1） 本实验研究属于低热值气体燃烧实验研究范畴。 （2） 本实验中低热值气体的燃烧是一种不稳定的氧化反应 （3） 本实验中低热值气体的燃烧属于扩散燃烧中的射流燃烧，并且涉及到放热 射流燃烧和吸热射流燃烧两种燃烧形式。 （4） 本实验中低热值燃烧的燃烧速度和燃烧稳定性非常低，要保证其稳定燃烧 具有挑战性。 （5） 本实验所采用的高温烟气助燃低热值气体燃烧的方法在理论上具有可行性。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 3 实验设计实验设计 3.1 实验用原料介绍实验用原料介绍 在本实验中，涉及到的燃烧原料有两种，一为固体燃料煤，二为气体燃料乙炔。 根据实验要求，固体燃料选取武汉当地常用煤，形状为不规则小煤块；气体燃料选 取乙炔，并用氮气与之配比模拟低热值条件燃气。 3.1.1 煤种选择 本实验对实验用煤进行了成分检测，其检测结果如下： 表 3-1 实验用煤成分检测表 检测项目：水分、灰分、挥发分、全硫、发热量检测项目：水分、灰分、挥发分、全硫、发热量 检测所依据的规程规范（代号、名称） ：检测所依据的规程规范（代号、名称） ： gb/t 2122008 煤的工业分析方法 gb/t 2142007 煤中全硫的测定方法 gb/t 2132008 煤的发热量测定方法 检测所使用的主要仪器检测所使用的主要仪器 仪器名称仪器名称 仪器型号仪器型号 仪器编号仪器编号 电子天平 al-204 g31 电热恒温鼓风干燥箱 ft101ap-3 m21 微机全自动定硫仪 sds-616 m4 灰挥测试仪 sdtga100 m5 微机全自动量热仪 sdc311 m3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 检测环境检测环境: 全硫室：温度 18 湿度 45rh 大气压力 100.1 kpa 量热室：温度 25 湿度 20rh 大气压力 100.1 kpa 分析室：温度 18 湿度 50rh 大气压力 100.1 kpa 样品编号样品编号 036-2011 样品名称样品名称 煤样 收收样日期样日期 2011-4-7 检测日期检测日期 2011-4-11 项目名称项目名称 检测结果检测结果 mad 1.32 aad 22.49 vad 19.15 fcad 57.04 st,ad 0.30 qgr,ad (mj/kg) 23.86 qgr,d (mj/kg) 24.18 qnet,ar(mj/kg) 23.01 以上检测结论说明该煤样具有一般普遍煤种性质，具有代表性。并且本实验中， 煤燃烧的主要目的是为产生高温含氧烟气对低热值气体进行助燃，煤的成分含量并 非主要影响因素。 3.1.2 气体燃料选择 乙炔，俗称风煤、电石气，是炔烃化合物系列中体积最小的一员，主要作工业用 途，特别是烧焊金属方面。