第7章 固体燃料燃烧

1、燃料与燃烧 第七章固体燃料燃烧 第七章固体燃料燃烧 煤是由植物经过物理和化学的演变和沉积 而成的、棕色至黑色的可燃烧的固体。 在煤化过程的不同阶段，把煤分成：泥煤、 褐煤、烟煤及无烟煤。 植物质的 堆积阶段 菌解作 用阶段 碳化作 用阶段 第七章固体燃料燃烧 煤是由极其复杂的有机化合物组成的。主 要的化学成分有： C、H、O、N、S、 A （灰分）及W（水分） 可燃质 惰性质 C C： 可燃元素，煤化程度越高含碳量越大。完 全燃烧时生成二氧化碳，此时每千克纯碳 可放出32866 kJ热量；不完全燃烧时生成一 氧化碳，此时每千克纯碳放出的热量仅为 9270kJ H H： 可燃元素。发热量最高，每

2、千克氢燃烧后的低热值 为120370kJ（约为纯碳发热量的4倍），含量较少， 在可燃质中含碳量为85%时，有效氢含量最高，约 5%。在煤中氢以两种形式存在，与碳、硫结合在一 起的，叫做可燃氢，它可以有效地放出热量。另一 种是和氧结合在一起的，叫化合氢，它不能放出热 量，在计算发热量和理论空气量时，以有效氢为准。 O O和和N N： 不可燃成分，氧和碳、氢等结合生成氧化物而使碳、 氢失去燃烧的可能性。可燃物质中碳含量越高，氧含 量越少。氮一般不能参加燃烧，但在高温燃烧区中和 氧形成的NOx是一种排气污染物，煤中含氮约0.52%。 S S： 三种存在形式：有机硫，黄铁矿硫，硫酸盐。硫酸盐中 的硫不

3、能燃烧，它是灰分的一部分；有机硫和黄铁矿硫 可燃烧放热，但每千克可燃硫的发热量仅为9100kJ。硫 燃烧后生成SO2、SO3，它危害人体，污染大气并可形 成酸雨。在锅炉中则会引起锅炉换热面腐蚀。 第七章固体燃料燃烧 第七章固体燃料燃烧 煤的分类和表述取决于由化学分析得 出的结果。煤的化学分析分两类： 第七章固体燃料燃烧 把煤用C、H、O、N、S、W、A中 全部或部分组分的质量百分数表示，构 成煤的成分： 应用基成分、分析基成分 干燥基成分、可燃基成分 第七章固体燃料燃烧 第七章固体燃料燃烧 %100% yyyyyyy WASNOHC %100% fffffff WASNOHC %100% gg

4、gggg ASNOHC %100% rrrrr SNOHC 第七章固体燃料燃烧 第七章固体燃料燃烧 测定水分、挥发分、灰分、固定碳、 硫分的百分比及发热量。只测前四项称 为半工业分析。 %100% yyyy GD WAVC 第七章固体燃料燃烧 水分 挥发分 灰分 固定碳 将煤样 加热到 110时 所失去 的重量 隔绝空气 继续加热 到850 时所失去 的重量 通入空气燃烧后 剩下的为灰分， 失去的为固定碳 第七章固体燃料燃烧 第七章固体燃料燃烧 1kg煤完全燃烧后所放出的燃烧热即发 热量，单位kJ/kg。 kgkJSCHCQ rrrrr DW /)(1091030339 发热量可以用氧弹式量热

5、计直接测定， 也可以根据元素分析值近似计算： 低热值:即不包括水蒸气 凝结成水时的冷凝热 第七章固体燃料燃烧 kgkJQ y dw / 一般煤中含碳量为85%时，发热量最大。 第七章固体燃料燃烧 煤的粘结性： 煤的结焦性： 粉碎后的煤在隔绝空气情况下加热到一定 温度时，煤的颗粒相互粘结成焦块的性质。 粉碎后的煤在隔绝空气受热后生成优质焦 炭的性质。 结焦性好的自然粘结性好，但粘结性好不一定结 焦性好。如有的煤粘结性好，能结焦，但焦炭裂 缝多、强度差，其结焦性并不好。粘结性好坏主 要取决于煤中所含沥青质的多少。 第七章固体燃料燃烧 煤的反应性： 煤的可燃性： 22 2 2 HCOOHC COCO

6、C 22 COOC 第七章固体燃料燃烧 煤水桨是高浓度的煤粉颗粒悬浮 在水中的混合物，是以煤代油的技术 手段。一般煤的含量为5070%。 第七章固体燃料燃烧 煤与空气、氢气、氧气、蒸汽及二氧 化碳中的一种或几种的混合物的化学反应 得出的气态产物，即煤气，这一过程称为 煤的气化过程。 第七章固体燃料燃烧 煤的结构特点煤的结构特点 煤是由很多不同结构的含煤是由很多不同结构的含C、H、O、N、 S的的有机聚合物有机聚合物粒子和粒子和矿物杂质矿物杂质混合而成，混合而成， 各种有机聚合物粒子之间常由不同的碳氢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支链连结成更大的粒子。 第七章固体燃料

7、燃烧 煤的燃烧过程：煤的燃烧过程： 干燥干燥 热解及挥发分析出热解及挥发分析出 挥发分燃烧挥发分燃烧 焦炭燃烧焦炭燃烧 第七章固体燃料燃烧 当煤加热到足够高的温度时，煤先变成塑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。形，同时开始释放挥发份。 24426222 HCO、焦油、焦油、CHHCHCCOOH 挥发份释放后留下的是一多孔的炭。热解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。过程中不同的煤有着不同程度的膨胀。 第七章固体燃料燃烧 加热速率对挥发份析出的速率及其

8、成分有很大加热速率对挥发份析出的速率及其成分有很大 的影响；的影响； 慢速加热时大部分转化成碳，而快速加热时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。则得到很小，甚至无碳。 第七章固体燃料燃烧 煤粒终温对挥发分析出的最终产量影响很大：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以上，即挥发分并不是一个确定不变的常 数。数。 第七章固体燃料燃烧 挥发份的燃烧挥发份的燃烧 焦炭的燃烧焦炭的燃烧 焦炭含量占焦炭含量占5597%， 燃烧时间占燃烧时间占90%，发，发 热

9、量占热量占6095% 第七章固体燃料燃烧 两相反应的特点：物质在相的分界表面上发两相反应的特点：物质在相的分界表面上发 生反应。反应的一般步骤：生反应。反应的一般步骤： 1. 反应分子扩散到表面反应分子扩散到表面 2. 分子在表面发生吸附作用分子在表面发生吸附作用 3. 被吸附的分子在表面上进行化学反应被吸附的分子在表面上进行化学反应 4. 生成物从表面解吸生成物从表面解吸 5. 生成物扩散离开表面生成物扩散离开表面 第七章固体燃料燃烧 以上步骤依次发生。整个反应过程的快以上步骤依次发生。整个反应过程的快 慢取决于各步中最慢的一步。慢取决于各步中最慢的一步。 第七章固体燃料燃烧 假设碳与氧燃烧

10、的生成物只有二氧化碳，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并仿照传热学中对流换热系数的概念引入的概念引入 对流扩散系数，则氧从周围向单位碳粒对流扩散系数，则氧从周围向单位碳粒 表面的扩散量可以写为表面的扩散量可以写为 * D )( 0 , * 222 OODO g 第七章固体燃料燃烧 氧在碳表面处的反应的速度（单位碳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）可表示粒表面、单位时间燃烧掉的氧量）可表示 为为: : 0, 22 OO K 第七章固体燃料燃烧 在在稳定燃烧状态稳定燃烧状态时，向碳粒扩散的时，向碳粒扩散的 氧量应等于碳粒燃烧所消耗的氧量

11、。因氧量应等于碳粒燃烧所消耗的氧量。因 此此: : 0,0, * 2222 )( OOOOD K 第七章固体燃料燃烧 , * * 0, 2 2 2 O OD D O K , * , 2 2 2 2 11 O OD O O K K g )( 0 , * 222 OODO g 第七章固体燃料燃烧 2 11 1 * OD K K 2 111 * OD KK 表观速度常数表观速度常数 多相燃烧反应多相燃烧反应 阻力阻力 第七章固体燃料燃烧 2 111 * OD KK 多相燃烧多相燃烧反应阻力反应阻力： 燃烧反应的燃烧反应的 化学阻力化学阻力 氧气扩散过程中的物理阻力氧气扩散过程中的物理阻力 第七章固体

12、燃料燃烧 多相燃烧多相燃烧反应阻力反应阻力： 根据多相燃烧反应的化学阻力与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：的对比，可将多相燃烧反应分为三类： 动力燃烧、扩散燃烧、过渡燃烧动力燃烧、扩散燃烧、过渡燃烧 第七章固体燃料燃烧 动力燃烧：动力燃烧： 当化学阻力比物理阻力大得多时，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。速度取决于化学反应速度，故称为动力燃烧。 2 * OD K 2 O KK 2 111 * OD KK 第七章固体燃料燃烧 动力燃烧：动力燃烧： 2 * OD K ,0, 22 OO , * * 0,

13、2 2 2 O OD D O K 第七章固体燃料燃烧 动力燃烧：动力燃烧： ,0, 22 OO 碳表面上氧气浓度接近于周围气流中氧的碳表面上氧气浓度接近于周围气流中氧的 浓度。这种情况相当于浓度。这种情况相当于较低温度下较低温度下的燃烧情况。的燃烧情况。 此时由于化学反应速度很低，从远处扩散到碳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度等于远处环境中氧的浓度 。 第七章固体燃料燃烧 扩散燃烧：扩散燃烧： 当化学阻力比物理阻力小得多时，燃烧速当化学阻力比物理阻力小得多时，燃烧速 度取决于氧

14、分子扩散速度，故称为扩散燃烧度取决于氧分子扩散速度，故称为扩散燃烧 2 * OD K * D K 2 111 * OD KK 第七章固体燃料燃烧 扩散燃烧：扩散燃烧： 2 * OD K0 0, 2 O , * * 0, 2 2 2 O OD D O K 第七章固体燃料燃烧 扩散燃烧：扩散燃烧： 0 0, 2 O 碳表面上氧气浓度接近于零。这相当于在碳表面上氧气浓度接近于零。这相当于在高高 温下温下的燃烧情况。此时由于温度很高，化学反应的燃烧情况。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

15、氧浓度的氧立即全部反应掉，从而导致碳表面的氧浓度 为零为零 。 第七章固体燃料燃烧 过渡燃烧：过渡燃烧： 当化学阻力与物理阻力在同一数量级时，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，故称为过渡燃烧动力控制之间，故称为过渡燃烧 2 * DO K 2 11 1 * OD K K 第七章固体燃料燃烧 过渡燃烧：过渡燃烧： 2 * DO K ,0, 22 0 OO , * * 0, 2 2 2 O OD D O K 第七章固体燃料燃烧 温度对温度对碳燃烧速率碳燃烧速率及碳表面氧浓度的影响及碳表面氧浓度的影响 1

16、1、动力燃烧区、动力燃烧区 2 2、过渡燃烧区、过渡燃烧区 3 3、扩散燃烧区、扩散燃烧区 第七章固体燃料燃烧 温度对碳燃烧速率及温度对碳燃烧速率及碳表面氧浓度碳表面氧浓度的影响的影响 第七章固体燃料燃烧 碳燃烧状态的判别准则碳燃烧状态的判别准则 谢米诺夫准则：谢米诺夫准则： K S D m m S 动力燃烧动力燃烧过渡燃烧过渡燃烧扩散燃烧扩散燃烧 9.00.119.00.90.10.90.1 ,0, 22 / OO 第七章固体燃料燃烧 两相反应的级数吸附理论两相反应的级数吸附理论 11 1 2 2 KPK PKK Kw O O 第七章固体燃料燃烧 两相反应的级数吸附理论两相反应的级数吸附理论

17、 11 1 2 2 KPK PKK Kw O O 1 1 2 K PK Kw O Kw n O KPw 2 2 O P 很小很小 很大很大 中值中值 一级反应一级反应 0级反应级反应 n=01 第七章固体燃料燃烧 两相反应的级数吸附理论两相反应的级数吸附理论 在固体燃料表面，两相反应的在固体燃料表面，两相反应的 级数级数0101级。级。 第七章固体燃料燃烧 碳粒燃烧的三种模型：碳粒燃烧的三种模型： 初次反应产物初次反应产物: : 第七章固体燃料燃烧 一般认为碳的氧反应首先生成一般认为碳的氧反应首先生成碳氧络合物碳氧络合物， 碳氧络合物进一步反应同时产生一氧化碳和二碳氧络合物进一步反应同时产生一

18、氧化碳和二 氧化碳。写成化学式即为氧化碳。写成化学式即为 yxO CO y xC 2 2 nCOmCOOC yx 2 第七章固体燃料燃烧 温度不同时，由于反应机理上的区别，生温度不同时，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。成物中一氧化碳和二氧化碳的比例也不相同。 比值比值n/mn/m随温度上升而增大。随温度上升而增大。 nCOmCOOC yx 2 第七章固体燃料燃烧 432 23OCOC COCOOCOC22 2243 COCOOC2223 22 络合络合 离解离解 总的简化反应式总的简化反应式 在在13001300以下或碳表面氧的分压很低、以下或碳表面氧的分压很

19、低、 浓度很小的情况下浓度很小的情况下 氧分子溶入碳氧分子溶入碳 的晶体内构成的晶体内构成 固溶络合物固溶络合物 第七章固体燃料燃烧 络合络合 离解离解 总的简化反应式总的简化反应式 在在16001600以上：以上： 432 23OCOC 243 2COCOOC 22 223COCOOC 碳氧反应机理逐步转碳氧反应机理逐步转 为由为由化学吸附化学吸附引起，引起， 络合物不待氧分子撞络合物不待氧分子撞 击就自行热分解击就自行热分解 第七章固体燃料燃烧 kJCOCOC 4 2 102 .162 吸附到碳的晶体上形成络合物，然后络合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

20、于物分解成，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，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，这一反应才显著因此只有在温度很高时，这一反应才显著 2 COCO 2 CO 第七章固体燃料燃烧 kJCOCOC 4 2 102 .162 第七章固体燃料燃烧 与碳的气化反应十分类似，同样为吸热反应。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反应级数为一级，活化能比气化反应的活化能 大，约为大，约为 。反应进行过程中。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水蒸气也是经过吸附、络合与分解一系列环节 才完

21、成水煤气的生成的。才完成水煤气的生成的。 kJHCOOHC 2 22 10123 molkJ /106 .37 4 第七章固体燃料燃烧 kJCCOCO1622 2 一氧化碳的分解反应是碳的气化反应的逆反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，因而也是一个应。这个反应会导致碳的析出，因而也是一个 重要问题。重要问题。 第七章固体燃料燃烧 32 /cmcm 实际上碳是一种多孔性物质，因此反应不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。仅在外表面进行，而且在碳的内部也进行。 这些数据表明，内部表面对反应的影响是 不可忽视的。 木炭内部的反

22、应表面积为木炭内部的反应表面积为5757114114 电极碳为电极碳为7070500500 无烟煤为无烟煤为100100 32 /cmcm 32 /cmcm 第七章固体燃料燃烧 若每单位体积碳粒所含内部孔隙的表面积为若每单位体积碳粒所含内部孔隙的表面积为 ，则对半径为，则对半径为r r的碳粒球体，其内外表面积之的碳粒球体，其内外表面积之 和为：和为： i S ) 3 1 ( 3 4 3 rS SSrS i i 第七章固体燃料燃烧 式中为包括了对应内表面的碳球的总反应式中为包括了对应内表面的碳球的总反应 速度常数速度常数 0, * 0, 22222 ) 3 1 ( OOOOiO CSKCKS r

23、 SG 碳球的总反应速率为：碳球的总反应速率为： * K 当温度较低时内表面上各处的氧浓度都相同，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且等于碳粒外表面的氧浓度 0, 2 O C 第七章固体燃料燃烧 0 ,0 , * 22222 OOOOO CSKCSKG 22 * OO KK 当碳球温度很高时，内表面上氧浓度接近于当碳球温度很高时，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。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面上的总反应速度

24、就变成 第七章固体燃料燃烧 3 0 r )1 ( 22 * iOO SKK 222 3 * OiOO KS r KK 称为反应的有效渗透深度称为反应的有效渗透深度 低温时高温时低温时高温时 0 22 * OO KK 令： 第七章固体燃料燃烧 )1 ( 22 * iOO SKK 0 ,0 , * 22222 )1 ( OiOOOO CSKCKg )1 ( 11 2 2 2 * , iOD O O SK C g 总反应速度常数：总反应速度常数： 总反应速度：总反应速度： 考虑碳粒内外扩散作用，同时又考虑了内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外表面上化学反应影响

25、的化学反应速度 第七章固体燃料燃烧 22 2 ( ) ( )22 ( )2 aCOCO bCOCO cCCOCO 一次反应 表面反应 一次反应 二次反应 22 2 1 )(COOCOd二次反应空间反应 COCOOC2234 22 第七章固体燃料燃烧 温度低于温度低于800800时碳粒周时碳粒周 围的燃烧情况围的燃烧情况 COCOOC2234 22 第七章固体燃料燃烧 温度在温度在80012008001200时静止碳时静止碳 粒燃烧情况粒燃烧情况 COCOOC2234 22 第七章固体燃料燃烧 温度大于温度大于1200130012001300时时 碳粒周围的燃烧情况碳粒周围的燃烧情况 COCOO

26、C223 22 COCCO2 2 COCCO COOCO 2 2 1 2 22 第七章固体燃料燃烧 1 1、氧化反应动力区、氧化反应动力区 2 2、氧化反应扩散区、氧化反应扩散区 3 3、还原反应动力区、还原反应动力区 4 4、还原反应扩散区、还原反应扩散区 第七章固体燃料燃烧 碳粒表面附近的燃烧情况碳粒表面附近的燃烧情况 1- 1-迎风面；迎风面；2- 2-背风面；背风面；3- 3-回流区；回流区；4- 4-火焰锋面火焰锋面 第七章固体燃料燃烧 近似算法（稳定燃烧）：近似算法（稳定燃烧）： 2 11 1 * OD K K , 22 OO Kg D ds N D u * StefanStefa

27、n流不是很大时：流不是很大时： ds DNu D * 传热与传质完全可以类比，传热与传质完全可以类比，Le=1Le=1 )Re35. 0exp(1 Re35. 0 2 u N Re7 . 0100Re 2Re u u N N 时， 很小时， 第七章固体燃料燃烧 当当StefanStefan流的影响不可忽略时：流的影响不可忽略时： dr dT r dr d dr dT GC dr df Dr dr d dr df G p OO 2 2 4 4 22 扩散方程：扩散方程： 能量方程：能量方程： 第七章固体燃料燃烧 当当StefanStefan流的影响不可忽略时：流的影响不可忽略时： 假设没有空间气

28、相反应，则在任何半径上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：的总质量流均应相等： .44 2 00 2 0 constVrVrG 第七章固体燃料燃烧 22 222 22 000,0 0 22 000 0 44 ()44 OO OOO p dfdf r DfGr Df GG drdr dTdT GC TTrr drdr 积分：rr 0 第七章固体燃料燃烧 443212 22 COOC 0, 0,0, 2 22 32 12 32 44 OC OCO gg gg 2 2 32 12 O OC G GGG 第七章固体燃料燃烧 2 2 2 1 4 2 O O O f dr df Dr

29、 G 第七章固体燃料燃烧 0, 0, 0 2 22 2 1ln4 O OO O f ff rDG 0, 0, 0 2 222 1ln4 O OOO C f ff rD G G 积分：积分：从从0r 第七章固体燃料燃烧 由能量方程亦可求得：由能量方程亦可求得： 2 2 0 0 1ln 4 O p p O Q TTC r C G 2 2 0 0 1ln 4 O p p O C Q TTC C r G G 由阿累尼乌斯定律亦可求得：由阿累尼乌斯定律亦可求得： )/exp(4 00,0, 2 0 222 RTEfKrG OOO 第七章固体燃料燃烧 0, ,0,0 2 22 2 O OO O p f f

30、f Q TTC C Le1 P D 假设 第七章固体燃料燃烧 dt dd r r dt dr rgrG C CCC 2 0 0 0 0 2 0 2 0 8 444 0, , 0 2 22 ln4 O OO C f f rD G G 0, , 2 0 2 2 ln )( 8 O O C f f D dt dd 第七章固体燃料燃烧 当燃烧为当燃烧为纯扩散燃烧纯扩散燃烧时，时， t f D dd O C , 2 0 2 0, 0 2 1ln 8 0 0, 2 O f , 2 0, 0 2 1ln8 O C b f D d t 碳粒燃尽时间：碳粒燃尽时间： 碳粒进行扩散燃烧时，碳粒燃尽时碳粒进行扩散燃

31、烧时，碳粒燃尽时 间与碳粒直径的平方成正比。间与碳粒直径的平方成正比。 第七章固体燃料燃烧 当燃烧处于当燃烧处于动力燃烧动力燃烧状态：状态： )/exp(4 0,0, 2 0 222 RTEfKrG G OOO C dt dd r dt dr rG C CC 0 2 0 0 2 0 2 44 C OO RTEfK dt dd )/exp(2 )( 0,0, 022 第七章固体燃料燃烧 当燃烧处于当燃烧处于动力燃烧动力燃烧状态：状态： t RTEfK dd C OO )/exp(2 0,0, 0 22 )/exp(2 0,0, 0 22 RTEfK d t OO C b 碳粒进行动力燃烧时，碳粒

32、燃尽时碳粒进行动力燃烧时，碳粒燃尽时 间与碳粒直径成正比。间与碳粒直径成正比。 第七章固体燃料燃烧 燃烧过程是一维稳定过程燃烧过程是一维稳定过程 灰分在碳板中均匀分布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，不考虑燃烧反应只在灰层和碳板的界面上进行，不考虑 内部燃烧内部燃烧 假设：假设： 第七章固体燃料燃烧 222 22 2 2 ,0 ,0,0 ,0 , () ODOO OO O O gCC CC D x KC K C 灰 在稳定燃烧情况下，单位在稳定燃烧情况下，单位 时间通过单位面积的氧扩散量时间通过单位面积的氧扩散量

33、 等于碳反应的消耗量：等于碳反应的消耗量： 第七章固体燃料燃烧 KD x C g D O O 11 , 2 2 灰 KD x K D 111 灰 反应物质交反应物质交 换总阻力换总阻力 外部扩外部扩 散阻力散阻力 灰层扩灰层扩 散阻力散阻力 化学反化学反 应阻力应阻力 第七章固体燃料燃烧 d dx g g C O C 2 d dx KD x C C D O 11 , 2 灰 碳板的燃尽速率：碳板的燃尽速率： 第七章固体燃料燃烧 KD x C x DO C 1 2 1 , 2 灰 KD d C d DO C b 1 2 1 , 2 灰灰 碳板的燃尽速率：碳板的燃尽速率： 第七章固体燃料燃烧 0,

34、 2 1 10 0,0,01 0, 2 0 2 1 2 22 222 4 )(4 )(44 O OO OODO KCr rr CCDrr CCrgr 灰灰 K C r r D rr CC r r CCr g OOO D OO O 1 )( 1 )(4 0, 0 110 0,0, 2 0 1 0, 2 0 22222 2 灰灰 第七章固体燃料燃烧 0 110 2 0 1 , 11 2 2 r r D rr r r K C g D O O 灰灰 0 110 2 0 1 , 1 11 2 r r D rr r r K C dt dr D O C 灰灰 第七章固体燃料燃烧 灰灰 D r KC r t

35、DO C b 63 11 0 , 0 2 0 2 0 rt rt b b 扩散控制扩散控制 动力控制动力控制 第七章固体燃料燃烧 层燃燃烧层燃燃烧 悬浮燃烧悬浮燃烧 沸腾燃烧沸腾燃烧 第七章固体燃料燃烧 逆流式（上饲式）顺流式（下饲式）交叉式（前饲式）逆流式（上饲式）顺流式（下饲式）交叉式（前饲式） 燃烧状态：燃烧状态：大部分燃料在炉栅上燃烧，可燃气体及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一小部分细屑燃料则在燃烧室空间内呈悬浮燃烧 第七章固体燃料燃烧 固定火床燃烧过程固定火床燃烧过程 第七章固体燃料燃烧 新燃料层：煤干燥、干馏，将水汽、挥发物等带离新燃

36、料层：煤干燥、干馏，将水汽、挥发物等带离 煤层进入炉膛空间，挥发分及煤层进入炉膛空间，挥发分及COCO与煤层着火燃烧；与煤层着火燃烧； 还原层：气流中还原层：气流中COCO2 2与碳起还原反应，即与碳起还原反应，即COCO2 2 +C2CO+C2CO，温度越高，速度越快，温度越高，速度越快 氧化层：主要进行氧化反应，末端气体的温度也达氧化层：主要进行氧化反应，末端气体的温度也达 到最高到最高 冷空气进入，炉栅和灰渣被冷却，而空气则被预热冷空气进入，炉栅和灰渣被冷却，而空气则被预热 燃烧过程：燃烧过程： 第七章固体燃料燃烧 如果燃烧层稳定，氧化层的厚度几乎不随鼓风如果燃烧层稳定，氧化层的厚度几乎

37、不随鼓风 量变化量变化 改变煤层的厚度还可以改变烟气的成分改变煤层的厚度还可以改变烟气的成分 一次空气主要是供给焦炭燃烧的需要，二次空一次空气主要是供给焦炭燃烧的需要，二次空 气则是供给挥发物、气则是供给挥发物、COCO以及部分被气流扬起的以及部分被气流扬起的 细小煤粒等燃烧的需要；细小煤粒等燃烧的需要； 一般取空气过剩系数一般取空气过剩系数1.31.71.31.7 燃烧规律：燃烧规律： 第七章固体燃料燃烧 手烧炉的空气供需状况手烧炉的空气供需状况 ab进入炉内的总空气量进入炉内的总空气量 cd 实际参与燃烧的有效空气量实际参与燃烧的有效空气量 ef实际需要空气量实际需要空气量 gh焦炭燃烧所

38、需空气量焦炭燃烧所需空气量 第七章固体燃料燃烧 链条炉中燃烧区段分布图链条炉中燃烧区段分布图 1预热干燥区预热干燥区 2挥发分析出与燃烧区挥发分析出与燃烧区 3a焦炭氧化层区焦炭氧化层区 3b焦炭还原区焦炭还原区 4灰渣燃尽区灰渣燃尽区 第七章固体燃料燃烧 链条炉原则性配风方案链条炉原则性配风方案 (a)尽早配风法尽早配风法 (b)强风后吹法强风后吹法 (c)推迟配风法推迟配风法 第七章固体燃料燃烧 燃烧状态：将磨成微粒或细粉状的燃料与空气混合后 从喷燃器喷出，在炉膛空间呈悬浮状态时的一种燃烧。 直流式（火炬式） 旋涡式（旋风式） 特点：燃烧速度快、燃烧效率高、燃烧温 度高、煤耗低、调节方便

39、第七章固体燃料燃烧 燃烧过程： 煤粉进入到炉膛受到导热、对流及辐射加 热、逸出挥发分，并升温着火，形成着火 区 着火后煤粉与空气强烈反应，并放出大量 的热，构成燃烧区 当温度达到最大值后，燃烧过程已相当完 全，反应减慢，这时放热量小于散热量， 温度下降，从而进入燃尽区 第七章固体燃料燃烧 （1）一、二次空气的比例要合适，考虑两个方面： （A）一次风携带煤粉喷入燃烧室或窑炉并供逸出的挥发分燃烧 （B）煤粉制备系统的设计要求及窑炉的特点。 （2）一、二次空气的温度 一次风的温度150，以防止煤粉发生爆炸；二次风的温 度不受限制（尽量高）。 （3）控制适当的过剩空气系数 水泥回转窑的过剩空气系数一般

40、为1.051.15。（注意：若为 满足烘干机对烟气温度的要求而需掺入冷空气时，则应在煤 粉基本燃烬之后的地段再掺入）。 燃烧规律： 第七章固体燃料燃烧 （4）控制合适的一次风喷出速度 （5）制备细度合格、粒度均匀的煤粉 5070m。挥发分高的煤或质地疏松的煤，其粒度可以稍大 些；无烟煤或硬质煤，粒度就要小些。煤粉细度一般控制为 0.08mm方孔筛筛余8%15%左右。 （6）保持较高的炉膛温度 （7）使用合适的煤粉烧嘴 （8）炉膛空间的大小和形状要适当 使煤粉在其中有足够的停留时间以保证其能充分燃烬。 燃烧规律： 第七章固体燃料燃烧 煤粉燃烧器： 直流煤粉燃烧器旋流煤粉燃烧器 第七章固体燃料燃烧

41、 1温度 2飞灰含碳量 3CO2浓度 4氧浓度 、着火区 、燃烧中心区 、燃尽区 第七章固体燃料燃烧 旋风炉 第七章固体燃料燃烧 空气速度与煤粒存在状态： 1.速度低：碎煤颗粒静止在布风板 上； 2.速度达某值：煤粒被风托起，颗 粒之间的空隙加大，颗粒在一定 高度内上下翻腾，煤颗粒能悬浮 在空气中，受热完成干燥、预热 、干馏、挥发分逸出及燃烧、焦 炭的燃烧及燃烬等燃烧过程 3.流速过快：煤不完全燃烧。 第七章固体燃料燃烧 沸腾燃烧室的底部 安装有布风板炉栅，块 煤经锤链式破碎机破碎 后，其粒度在0.510mm 之间，碎煤经喂煤口投 放到布风板炉栅上，布 风板下为风室，空气由 此向上吹送。 第七

42、章固体燃料燃烧 A、煤粒与空气之间能充分混合。空气过剩系数小， 燃烧速度非常迅速 B、热效率高，可达95%以上 C、燃烧温度稳定，可保持在9601050范围内 D、可充分利用各种劣质燃料 E、沸腾燃烧室结构简单、操作灵活、易于调节、自 动化程度高及操作环境好 F、空气动力消耗大，烟气中飞灰量较多 G、操作不当时，不完全燃烧造成的热损失大 H、煤的结焦性强时，排渣困难 沸腾燃烧的特点： 第七章固体燃料燃烧 煤浆燃料是煤粉与液体如水、油或甲醇混合而成的燃料。种 类以煤与何种液体相混合来命名有： （1）油煤浆（COM或COD） 油与煤粉混合，可以包含10%的水 （2）煤油水浆（COW）和煤水油浆（C

43、WO）：水含量大于10% （3）水煤混合燃料 煤与水的混合物，CWF水煤燃料，CWS水煤浆 （4）煤甲醇水混合物 （5）油石油焦浆 （6）水石油焦浆 第七章固体燃料燃烧 （1）用于工业蒸汽锅炉 （2）用于电站锅炉 （3）用于各种工业窑炉 （4）用于内燃机 （5）用于燃气轮机联合循环 （6）用于煤粉锅炉的点火燃料 水煤浆是近十几年发展起来的一种新型燃料，它由 煤粉、水和少量化学添加剂组成。水煤浆的用途可以代 油： 第七章固体燃料燃烧 煤浆特征使用方式特点用途 50%煤 / 50%水管道运输降低运输费用旧和新设计燃煤锅炉 70%煤 / 29%水 / 1%添加剂 直接燃用燃料 费用低于燃油、 民用燃

44、料 旧的燃油设计锅炉 60%煤 / 40%水管道运输直接燃用过程费用降低旧和新设计燃煤锅炉 超细煤浆直接燃用燃料减小降负荷燃油和燃气锅炉 水焦浆直接燃用燃料降低燃料费用船用锅炉，燃油锅炉 油焦浆直接燃用燃料降低燃料费用燃油锅炉 超细、超净煤浆替代燃料替代油内燃机直接燃用 超净煤浆直接燃用燃料减小降负荷燃油和燃气锅炉 第七章固体燃料燃烧 1.非牛顿流体，一种高浓度煤粉颗粒在水中的悬浮混合物 2.可以泵送与雾化喷入炉中 3.需有稳定的剪切应力和良好的稳定性（抵制煤粉颗粒沉积） 4.低粘度和很好的流变特性 5.雾化水煤浆时要求其颗粒容易分离 6. 水煤浆在制造过程中进行净化处理，处理以后可除去原料

45、煤中灰分的50%75%和黄铁矿（硫）的40%90%，并回收 原料煤热值的90%98%。 7. 煤矿可以用水力开采，并把原煤的洗选和水煤浆的制造过 程结合起来，水煤浆的经济性会更高。 第七章固体燃料燃烧 1. 湿磨 将原料煤湿磨至需要的颗粒尺寸，一般为50200m。 2. 浮选净化 含有合格煤粉的煤浆被送到浮选净化段，通过浮选工艺 除去其中大部分灰分和硫分。 3. 过滤和脱水 从浮选段出来的煤浆送至一过滤器（常用真空浓缩过 滤器），把水煤浆制成相对干燥和清洁的煤饼状，以使最终的水 煤浆产品达到所要求的固体浓度。 4. 混合和储存 由浓缩过滤器出来的清洁煤浆的滤饼被送到连续搅拌 的混合器，在混合器

46、中加入化学添加剂，以满足所需要的水煤浆 特性。当混合过程完成以后，水煤浆就制备好了，可以泵送去储 存或直接输送到用户。 制造水煤浆主要包括以下几个部分： 第七章固体燃料燃烧 第七章固体燃料燃烧 水煤浆良好的雾化特性是使其稳定着火和燃烧并保证高的燃烧效 率的的首要因素。雾化不好不仅会造成燃烧不稳定和燃烧损失增加， 而且还会造成炉膛结渣。因此，水煤浆雾化喷嘴是关键的燃烧设备。 由于水煤浆在常温下的工作粘度一般为0.31Pas，比燃料油在运行 时的工作粘度大得多，所以，水煤浆多用空气或蒸汽雾化喷嘴。一个 良好设计的水煤浆喷嘴应能达到以下要求： 1. 具有良好的雾化性能，能得到尽可能细的水煤浆液滴。希

47、望雾化炬 的平均液滴直径在75m，这样才能保证良好的燃烧。 2. 雾化介质（压缩空气或蒸汽）和水煤浆的流量比为0.10.25，这样 经济上才合理。 3. 由于水煤浆中含有70%75%的固体颗粒，因此，从结构和材料上， 要使喷嘴具有防磨损的功能。采用碳化硅或陶瓷作为喷口材料，可 使喷嘴的工作寿命在2000小时以上。 4. 喷嘴不会被水煤浆堵塞，并能承受燃烧器重复启停所产生的热应力 第七章固体燃料燃烧 图为以烟煤为原料煤 制成的水煤浆，当采用空 气雾化喷嘴，空气压力为 1.2105Pa，空气和水煤 浆的流量比分别为10%、 20%、30%、40%和50% 时，水煤浆的水分含量和 雾化液滴的质量平均

48、直径 的关系。 第七章固体燃料燃烧 空气雾化水煤浆喷嘴 a） T型喷嘴；b）标准Y型喷嘴；c）渐扩Y型喷嘴 1-碳化硅或陶瓷管 第七章固体燃料燃烧 第七章固体燃料燃烧 水煤浆的燃烧过程，首先是通过喷嘴将其雾化成细 滴，液滴在高温炉膛中迅速蒸发掉水分，然后就像煤粉 燃烧那样，析出挥发分、着火和焦炭粒燃烧和燃尽。由 于水煤浆的水分含量为2530%，因此其燃烧的首要问 题是在燃烧器根部保证稳定的着火。 保证水煤浆的稳定着火和燃烧，除了上述的正确设 计喷嘴和保证雾化质量外，还要能在燃烧器出口火焰根 部维持一个高温区，以保证水煤浆雾化炬具有很高的升 温速率，以使水煤浆液滴中的水分能迅速蒸发和使挥发 分析

49、出并着火。 第七章固体燃料燃烧 旋流燃烧器 第七章固体燃料燃烧 水煤浆燃烧过程分三个阶段： （1）水分蒸发 （2）挥发分析出和燃烧 （3）焦炭燃烧 第七章固体燃料燃烧 与一般煤粉燃烧相比，水煤浆燃烧的特点： 1. 水煤浆中含有30%40%的水分，在燃烧过程中首先必须有一个蒸 发过程，使煤浆的着火热增加，大约是同种煤粉的66%87%。 2. 水煤浆以喷雾方式进入燃烧区域，为达到良好的雾化，喷嘴出口 速度往往高达200300m/s，而煤粉则以一次风混合带入，速度较 低，一般为2030m/s。 3. 雾化过程不可能得到比原煤粉更小的液滴，在煤粉燃烧中，往往 小颗粒煤粉在着火阶段起主要作用，可以迅速加

50、热而着火，而对 于煤浆，这些小颗粒都形成了较大的液滴。 4. 水煤浆雾滴中有多个煤粉颗粒，在水分加热蒸发和挥发分析出过 程中会产生二次破碎分离和结团现象，由于这种结团引起焦炭颗 粒明显大于一般煤粉焦炭粒子而难于燃烧。 5. 水煤浆雾炬本身具有很高的动量，这对燃烧室流场组织产生影响。 第七章固体燃料燃烧 第七章固体燃料燃烧 ，单滴燃烧，单滴燃烧 ，内部群燃烧，内部群燃烧 ，外部群燃烧，外部群燃烧 ，外部壳燃烧，外部壳燃烧 2 12 21 2 10G 10G10 10G10 10 G 液滴云的四 种群燃烧方式： VRmnG/ 群燃烧数： 第七章固体燃料燃烧 火焰的4个区域： 挥发分析出区 空气不足

51、未燃焦炭区 焦炭燃烧区 非燃烧区 群燃烧三种模式： 第七章固体燃料燃烧 无反应长度无反应长度灰灰 焦碳燃烧区长度焦碳燃烧区长度 长度长度缺氧焦碳粒子存在区的缺氧焦碳粒子存在区的 挥发分析出长度挥发分析出长度 群壳包住火焰长度群壳包住火焰长度 / ash cc adq dv f L L L L L 群燃烧三种模式： 带缺氧焦碳粒子存在区的水煤浆雾群燃烧 第七章固体燃料燃烧 群燃烧三种模式： 不带缺氧焦碳粒子存在区的水煤浆雾群燃烧 第七章固体燃料燃烧 群燃烧三种模式： 颗粒挥发分析出和焦碳粒子燃烧的水煤浆雾群燃烧 第七章固体燃料燃烧 煤的气化是一个热化学过程，即用氧或含氧化合物（如水蒸气、 二氧化

52、碳）通过高温的煤层或焦炭层，使燃料中的有机物氧化，并 转化生成含有H2、CO等可燃气体的过程。根据所用气化剂及煤气 成分、热值的不同，生产的煤气可分为：空气煤气、混合煤气、水 煤气以及半水煤气等 。 名称气化剂 组成成分% 低热值 KJ/m3 用途 H2COCO2N2CH4O2 空气煤气空气2.61014.772.00.50.2 3760 4600 燃料 混合爆气 空气、 水蒸气 13.527.55.552.80.50.2 5000 5220 燃料 水煤气水蒸气48.438.56.06.40.50.2 10000 11200 燃料 半水煤气 水蒸气、 空气 40.030.78.014.60.5

53、0.2 8770 9610 合成氨 原料气 第七章固体燃料燃烧 煤气的气化方法主要有两种：一种是沸腾层气化，以富氧空气 和水蒸气为气化剂连续地送入粉状燃料层中，使燃料呈沸腾状态气 化。这种方法气化强度高、生产能力大，但需使用氧气，而且原料 适用范围狭窄（要求使用化学活性高的燃料制气），故采用这种气 化方法的工厂不多。另一种是固定床气化法，它是目前国内广泛采 用的一种制气方法 第七章固体燃料燃烧 氧化层氧化层 还原层还原层 干馏层干馏层 干燥预热层干燥预热层 kJCOCOC 4 2 102 .162 气化剂 kJCOOC 4 22 109 .40 22 NCO 2 NCO 22 NO 第七章固体

54、燃料燃烧 氧化层氧化层 还原层还原层 干馏层干馏层 干燥预热层干燥预热层 气化剂 3333 4 222 1 .424 .221 .422 .1112 1025.1288. 188. 1 2 1 mmmmkg kJNCONOC 33 38. 544. 41mmkg %3 .65%7 .34 2 NCO 3 /4422%7 .3412745mkJ热值： 气化效率： %70 34083 38. 54422 第七章固体燃料燃烧 影响制气过程的因素： (1) 反应温度 还原反应是吸热反应，升高反应温度有利于CO的生成 反应温度过高，会使灰渣熔融，结成大块，造成操作困难 反应温度一般控制在10001200之间，应低于所用燃料的灰熔点 (2) 燃料性质 气孔率 (3) 鼓风速度 煤气产量与质量 第七章固体燃料燃烧 kJHCOOHC kJHCOOHC 4 222 4 22 105 . 722 108 .11 上述两个都是吸热反应，如果连续地向发生炉内 通水蒸气，则将导致燃料层迅速冷却。为了能在燃烧 料层中维持必要的温度必须交替地向炉内吹入空