冉景煜版 工程燃烧学--第 09 章

1、重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing Universitynvironment, Chongqing University第九章第九章 固体燃料燃烧固体燃料燃烧煤粒着火及燃烧过程煤粒着火及燃烧过程碳及焦炭的燃烧碳及焦炭的燃烧煤粉燃烧过程煤粉燃烧过程煤的燃烧方式与燃烧装置煤的燃烧方式与燃烧装置重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Envi

2、ronment, Chongqing Universitynvironment, Chongqing University第一节第一节 概述概述热能工程系热能工程系常见固体燃料种类常见固体燃料种类常见固体燃料特征常见固体燃料特征重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l固态燃料是人类在生活和生产中的固态燃料是人类在生活和生产中的主要能源主要能源，天然天然的有

3、的有生物质（如生物质（如木材木材）、）、泥煤泥煤、褐煤褐煤、烟煤烟煤、无烟煤无烟煤、油页油页岩岩、市政固体废弃物（、市政固体废弃物（MSWMSW）等。）等。经过经过加工加工而成的有而成的有木木炭炭、焦炭焦炭、煤砖煤砖、煤球煤球等。此外，还有一些特殊品种，等。此外，还有一些特殊品种，如如固体酒精固体酒精、固体火箭燃料。、固体火箭燃料。l与与液体燃料液体燃料或或气体燃料气体燃料相比，一般固体燃料相比，一般固体燃料燃烧燃烧较较难控难控制制，效率效率较较低低，灰分灰分较较多多，可直接用作，可直接用作燃料燃料，也可用作，也可用作制造液体燃料和气体燃料的制造液体燃料和气体燃料的原料原料或或化工产品化工产品

4、的原料。的原料。3重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 典型固体燃料典型固体燃料-煤炭煤炭l煤是世界上煤是世界上最重要最重要的燃料。的燃料。l是是发电发电的的主要燃料主要燃料和生产和生产焦炭焦炭与与煤气煤气的的原料原料。l煤炭是我国最主要的一次能源，占我国能源总消费量煤炭是我国最主要的一次能源，占我国能源总消费量的比重仍在的比重仍在70%以上，煤炭产量中的

5、以上，煤炭产量中的80%以上是作为以上是作为燃料直接燃烧消耗的。燃料直接燃烧消耗的。4重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l煤的形成是一个十分复杂的过煤的形成是一个十分复杂的过程，至少可分两个阶段：程，至少可分两个阶段：泥炭泥炭化阶段化阶段和和煤化阶段煤化阶段。l前者主要是前者主要是生物化学生物化学过程，后过程，后者是者是物理和化学物理和化学过程。过程。

6、l煤的形成过程如右图所示。煤的形成过程如右图所示。 5重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l煤是一种很复杂的固体煤是一种很复杂的固体碳氢燃料碳氢燃料，除了水分和矿物质等惰，除了水分和矿物质等惰性杂质外，煤是由碳、氢、氧、氮和硫这些元素的性杂质外，煤是由碳、氢、氧、氮和硫这些元素的有机混有机混合物合物组成的，这些有机混合物就构成了煤的可燃质。组成的，这些有

7、机混合物就构成了煤的可燃质。l由于煤种的多样性，煤本身的由于煤种的多样性，煤本身的不均匀性不均匀性以及单个煤组分的以及单个煤组分的复杂性复杂性，不同煤的结构是不同的。许多研究者对不同的煤，不同煤的结构是不同的。许多研究者对不同的煤种提出了假想的结构模型。种提出了假想的结构模型。l典型的分子结构模型有典型的分子结构模型有Fuchs模型、模型、Given模型、模型、Wiser模型模型、本田模型、本田模型、Shinn模型和模型和Takanohashi模型等模型等。6重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy

8、 & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l例如例如Soloman模型模型：煤的化学有机结构单元以煤的化学有机结构单元以缩合芳环缩合芳环为为主体，并带有许多侧链、杂环和官能团等，结构单元之主体，并带有许多侧链、杂环和官能团等，结构单元之间又有各种桥键相连。间又有各种桥键相连。7重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvi

9、ronment, Chongqing University 8燃料种类燃料种类低位热值低位热值（MJ/kg）可燃值中焦炭的质量份额可燃值中焦炭的质量份额（%）焦炭热值占总热值的份焦炭热值占总热值的份额额（%）无烟煤无烟煤253396.595烟烟 煤煤2029578859.683.5褐褐 煤煤10215566泥泥 煤煤8103040.5木木 材材12191520市 政 固 体 废 弃 物市 政 固 体 废 弃 物（MSW）392030常见固体燃料可燃值常见固体燃料可燃值重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & n

10、ergy & E Environment, Chongqing Universitynvironment, Chongqing University第二节第二节 煤粒着火及燃烧煤粒着火及燃烧热能工程系热能工程系煤的燃烧过程煤的燃烧过程煤的热解与挥发分的燃烧煤的热解与挥发分的燃烧煤粒着火煤粒着火(均相燃烧均相燃烧非均相燃烧非均相燃烧)重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing Univ

11、ersity 一、煤的燃烧过程l干燥干燥。 100左右，析出水分；左右，析出水分；l热解热解。约。约300以后，燃料热分解析出挥发分，同时生成以后，燃料热分解析出挥发分，同时生成焦和半焦。焦和半焦。l着火着火。约。约500，挥发分首先着火，然后焦炭开始着火；，挥发分首先着火，然后焦炭开始着火；l燃烧燃烧。挥发分燃烧，焦炭。挥发分燃烧，焦炭着火着火。l燃尽燃尽。焦炭继续燃烧，直到燃尽。这一过程燃烧速度慢，。焦炭继续燃烧，直到燃尽。这一过程燃烧速度慢，燃尽时间长。燃尽时间长。10重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy

12、 & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 二、煤的热解与挥发分的燃烧l煤被加热到一定温度后，会煤被加热到一定温度后，会进入进入热分解热分解阶段。热分解阶阶段。热分解阶段释放出段释放出焦油和气体焦油和气体，并形，并形成剩余成剩余焦炭焦炭，这些焦油和气，这些焦油和气体称为挥发分。体称为挥发分。l挥发分挥发分由可燃气体混合物、由可燃气体混合物、二氧化碳和水组成，其中可二氧化碳和水组成，其中可燃气体包括一氧化碳、氢、燃气体包括一氧化碳、氢、气态烃类和少量酚醛。气态烃类和少量酚醛。11重

13、庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 1、煤热解分类及研究方法、煤热解分类及研究方法1）煤）煤热解过程热解过程分类分类l在在惰性气体惰性气体中加热时煤中挥发分的析出过程，如煤的气化中加热时煤中挥发分的析出过程，如煤的气化，炼焦过程等。，炼焦过程等。l在在氧化气氛氧化气氛中加热时煤中挥发分的析出过程，如煤的燃烧中加热时煤中挥发分的析出过程，如煤的燃烧过程初期经

14、历的热解。过程初期经历的热解。2）根据升温速度不同）根据升温速度不同，可将热解过程分为，可将热解过程分为慢速慢速、中速中速和和快快速热解速热解：升温速度小于：升温速度小于2/为慢速热解，大于为慢速热解，大于104/为快速热解，之间的热解过程为中速热解。为快速热解，之间的热解过程为中速热解。12重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 3）煤热解试验方法）煤热解

15、试验方法l静态样品法：煤样是静态样品法：煤样是静止静止的（对煤来讲是间歇性试验）；的（对煤来讲是间歇性试验）；l包括：固定床法，金属网栅加热法以及热天平法。包括：固定床法，金属网栅加热法以及热天平法。l连续流动法：煤样为连续流动法：煤样为连续进连续进料和出料料和出料；l包括：流化床热解法、机械搅拌法、气体夹带煤粉通包括：流化床热解法、机械搅拌法、气体夹带煤粉通过加热的反应器法、自由沉降反应器法、等离子高速过加热的反应器法、自由沉降反应器法、等离子高速加热煤粉法等加热煤粉法等l热解产物热解产物必须和工业分析测定的挥发分含量仔细加以区别。必须和工业分析测定的挥发分含量仔细加以区别。13重庆大学能源

16、与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 2.影响煤热解的因素影响煤热解的因素l温度温度：正常的热解温度下，温度越高，热解产物的生成正常的热解温度下，温度越高，热解产物的生成量越大量越大。l加热速率加热速率：加热速率的影响比较复杂。高的加热速率可加热速率的影响比较复杂。高的加热速率可以缩短热解时间，但不影响最终热解产率。随着热解速以缩短热解时间，但不影响最终热解产率。随着

17、热解速率的提高，达到一定热解失重量的温度也随之提高。率的提高，达到一定热解失重量的温度也随之提高。14重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l压力压力：随着热解压力增加，热解析出量呈单一下降趋势，随着热解压力增加，热解析出量呈单一下降趋势，这是由于压力增大，煤粒内部裂化及炭沉积度增大这是由于压力增大，煤粒内部裂化及炭沉积度增大。l颗粒粒度颗粒粒度：增大颗粒

18、粒度对热解产率的影响很小，但由增大颗粒粒度对热解产率的影响很小，但由于颗粒粒度的改变将导致温升速率放慢，如果停留时间于颗粒粒度的改变将导致温升速率放慢，如果停留时间一定，则可能导致热解产物量也减少一定，则可能导致热解产物量也减少。l气氛气氛：在不同的工艺过程中，煤热解所处的气氛会不相在不同的工艺过程中，煤热解所处的气氛会不相同。如在煤燃烧时，热解是在空气中进行的，此时热解同。如在煤燃烧时，热解是在空气中进行的，此时热解产物析出后马上会与空气中的氧气发生反应。而在煤气产物析出后马上会与空气中的氧气发生反应。而在煤气化或干馏过程中，热解是在热解产物中进行的化或干馏过程中，热解是在热解产物中进行的。

19、15重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l煤种煤种：煤种对热解失重的影响是明显的，首先表现在不同的煤种对热解失重的影响是明显的，首先表现在不同的煤种其煤种其工业分析挥发分工业分析挥发分有差别，无烟煤的热解失重很小，而有差别，无烟煤的热解失重很小，而烟煤就相对较高，而且挥发分含量越高，挥发分析出的速率烟煤就相对较高，而且挥发分含量越高，挥发分析出的速率也越

20、快一些也越快一些。l热解产物主要是由热解产物主要是由焦油焦油及及气体气体所组成，气体成分中，多数情所组成，气体成分中，多数情况下甲烷是主要组分，其余为况下甲烷是主要组分，其余为CO2、CO、H2以及轻质烃等以及轻质烃等，对于热解产物，煤种明显是一个影响组分的主要因素，而，对于热解产物，煤种明显是一个影响组分的主要因素，而且温度、加热速率等也会对各种成分产生很大的影响。且温度、加热速率等也会对各种成分产生很大的影响。16重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Cho

21、ngqing University nvironment, Chongqing University 3. 煤的热解动力学模型煤的热解动力学模型l向向简单简单的的通用模型通用模型发展，主要兼顾实用；发展，主要兼顾实用；l向向详细详细的的化学反应机理模型化学反应机理模型发展，主要考虑从本质上反发展，主要考虑从本质上反映热解过程，并从动力学的角度加以描述。映热解过程，并从动力学的角度加以描述。17重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing Univer

22、sity nvironment, Chongqing University 1）单方程模型）单方程模型l认为煤的热解是在整个煤粒中认为煤的热解是在整个煤粒中均匀发生均匀发生的，其总的过程可的，其总的过程可近似为近似为一级分解反应一级分解反应，热解速度可以表达为：，热解速度可以表达为：VVktVdd 式中：式中：V时间时间t以前所产生的挥发分的累积量，以前所产生的挥发分的累积量， 当当t， VV； k速度常数，可用阿累尼乌斯定律表示；速度常数，可用阿累尼乌斯定律表示； V煤的有效挥发分含量。煤的有效挥发分含量。 18重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of

23、nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 单方程模型单方程模型存在的存在的三个问题三个问题：l最终的有效最终的有效挥发分产量挥发分产量 往往超过工业分析得到的挥发分含量往往超过工业分析得到的挥发分含量 。l各类试验数据各类试验数据得到的得到的活化能活化能和和频率因子频率因子的差异很大，活化能在的差异很大，活化能在16.75188.4kJ/mol之间变化，频率因子的变化可达几个数量级之间变化，频率因子的变化可达几个数量级。发生这一变化的原因

24、，一部分是。发生这一变化的原因，一部分是煤种煤种变化所引起的，但主要变化所引起的，但主要原因是把试验数据代入一个带有任意性的原因是把试验数据代入一个带有任意性的动力学模型动力学模型所致。所致。l在高温下往往会转变成温度的函数，因而该模型仅在高温下往往会转变成温度的函数，因而该模型仅适合在中等适合在中等温度下的热解温度下的热解，而在高温下则不适用。，而在高温下则不适用。19重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nviron

25、ment, Chongqing University 2）双方程模型）双方程模型l认为煤粉颗粒快速热分解是由认为煤粉颗粒快速热分解是由两个两个平行的平行的一级反应一级反应控制，控制，即：即：20l其中其中 、 服从阿累尼服从阿累尼乌斯定律，各有频率因子乌斯定律，各有频率因子。1011exp/kkERT2022exp/kkERT重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing Univers

26、ity l低温低温时，第一个反应起主要作用；在时，第一个反应起主要作用；在高温高温时，第二个反时，第二个反应起主要作用。总的挥发分析出速率为应起主要作用。总的挥发分析出速率为：l双方程模型在实际数值模拟中应用极广，双方程模型在实际数值模拟中应用极广，主要原因是由主要原因是由于在数值模拟时其计算比较简单，而计算结果又有一定于在数值模拟时其计算比较简单，而计算结果又有一定的准确性。的准确性。l仅考虑仅考虑总体总体的热解产物的析出过程。的热解产物的析出过程。 WkakatVtVtV221121dddddd21重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitu

27、te of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 4. 煤热解产物的燃烧煤热解产物的燃烧l煤热解产物的燃烧是一个相对薄弱的研究领域。煤热解产物的燃烧是一个相对薄弱的研究领域。l主要原因可能有二：主要原因可能有二：l首先是热解首先是热解产物产物燃烧本身的燃烧本身的复杂复杂性，它所涉及的反应性，它所涉及的反应机理本身非常复杂，涉及到许多碳氢化合物的反应；机理本身非常复杂，涉及到许多碳氢化合物的反应；l其次是由于热解产物的燃烧在煤的其次是由于热解产物的燃烧在煤的燃

28、烧过程燃烧过程中相对于中相对于残炭来讲要残炭来讲要容易容易得多，而且可以用一般的气体燃烧的得多，而且可以用一般的气体燃烧的理论来近似描述理论来近似描述。22重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l燃烧燃烧过程过程近似近似处理方法：处理方法：局部平衡法、总体反应速度法、局部平衡法、总体反应速度法、完全反应法完全反应法。1）局部平衡法）局部平衡法l从实验现象出

29、发，假设热解产物与氧化性气体处于从实验现象出发，假设热解产物与氧化性气体处于局部热局部热力学平衡状态力学平衡状态，此时热解产物的燃烧完全决定于热解产物，此时热解产物的燃烧完全决定于热解产物射流射流与与周围环境的扩散周围环境的扩散过程。过程。23重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 2）总体反应速率法）总体反应速率法l将各种不同成分的化学反应速度归纳为一个将

30、各种不同成分的化学反应速度归纳为一个总体反应总体反应，只，只是不同的方案所考虑的是不同的方案所考虑的燃烧反应产物不同燃烧反应产物不同而已而已l常用的总体反应速率模型有以下三类：常用的总体反应速率模型有以下三类：l假定碳氢化合物燃烧机理归纳为一个产物为假定碳氢化合物燃烧机理归纳为一个产物为CO和和H2O的总体反应。的总体反应。l总体反应产物为总体反应产物为CO和和H2。l提供了提供了H2、CO、C2H4及烷烃的总体反应速率。及烷烃的总体反应速率。24重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E E

31、nvironment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 3）完全反应法）完全反应法l为了精确描述热解产物的完整燃烧情况，应该把热解产物为了精确描述热解产物的完整燃烧情况，应该把热解产物的每一个组分的反应机理结合在一起，以形成整体的反应的每一个组分的反应机理结合在一起，以形成整体的反应机理。机理。l但由于目前对热解产物的组成成分了解不够，得到的反应但由于目前对热解产物的组成成分了解不够，得到的反应动力学速率数据还不太可靠，使进行全面的计算还不可能。动力学速率数据还不太可靠，使进行全面的计算还不可能。25重庆大学能源与环境

32、研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 三、煤粒着火1 1、煤的着火模式煤的着火模式l煤的着火有三种模式。即煤的着火有三种模式。即均相着火、非均相着火、联合着火均相着火、非均相着火、联合着火。l均相着火指煤粉的着火在气相均相着火指煤粉的着火在气相挥发分挥发分中发生，气相着火结束后，煤中发生，气相着火结束后，煤焦才着火；焦才着火；l非均相着火指煤粉的着火首先发生在煤粉颗粒表面，

33、即是非均相着火指煤粉的着火首先发生在煤粉颗粒表面，即是煤焦的首煤焦的首先着火先着火；l联合着火指煤粉挥发分着火后颗粒升温，并将煤焦在联合着火指煤粉挥发分着火后颗粒升温，并将煤焦在低于其非均相低于其非均相着火温度的条件下点燃着火温度的条件下点燃。26重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l煤的着火是很复杂的，还没有恰当的模型来描述，采用煤的着火是很复杂的，还

34、没有恰当的模型来描述，采用各种不同的实验手段，也得到不同的煤着火的判据，如各种不同的实验手段，也得到不同的煤着火的判据，如：谢苗诺夫判据；范特霍夫绝热判据谢苗诺夫判据；范特霍夫绝热判据：dT/dt=0；质量消质量消耗突变判据耗突变判据：燃烧速度突增，燃烧开始；：燃烧速度突增，燃烧开始；燃料浓度判据燃料浓度判据：达到可燃物浓度极限；：达到可燃物浓度极限；壁面温度超温判据壁面温度超温判据：燃烧强，：燃烧强，则放热强；则放热强；闪光判据闪光判据：光学检验，出现燃烧；以及其他：光学检验，出现燃烧；以及其他判据，如爆燃、压力突升等。判据，如爆燃、压力突升等。27重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境

35、研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 2. 煤粒非均相着火条件28 煤煤热力着火温度是临界着火点煤粒与周围气体的温度。热力着火温度是临界着火点煤粒与周围气体的温度。即满足即满足 , 。/0pdTdt 22/0pd Tdt 要实现稳定的着火，一定要在要实现稳定的着火，一定要在Q1Q2的条件下才能进行，即的条件下才能进行，即0pdTdt220pd Tdt同样遵循同样遵循谢苗诺夫热力着火谢苗诺夫热力着火

36、理论。理论。重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 3. 影响煤粒着火的因素l影响煤粒着火的主要因素有煤种（包括燃料活化能、水影响煤粒着火的主要因素有煤种（包括燃料活化能、水分、挥发分、灰分等）、煤的粒径、换热条件、氧化剂分、挥发分、灰分等）、煤的粒径、换热条件、氧化剂含量、初始温度、压力、锅炉结构及运行参数等含量、初始温度、压力、锅炉结构及运行参数等。29

37、重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 1）煤种的影响）煤种的影响l活化能活化能低的煤易着火低的煤易着火。在相同条件下，对活化能在相同条件下，对活化能E=80000kJ/mol的煤，要求介质温度的煤，要求介质温度T0=980K时，即达到临界着火温度，当煤的时，即达到临界着火温度，当煤的活化能增至活化能增至120000kJ/mol时，时，T0要增到要增到103

38、0K才能着火。才能着火。l煤中的煤中的水分水分大小将影响煤的着火热，水分越大，着火热越大，越大小将影响煤的着火热，水分越大，着火热越大，越不易着火不易着火；l着火温度随着火温度随挥发分挥发分增加而降低，易着火；增加而降低，易着火；l灰分灰分的增加会妨碍挥发分的析出，影响着火速度，降低火焰温度的增加会妨碍挥发分的析出，影响着火速度，降低火焰温度。煤的灰分在燃烧过程中不但不能放热，而且还要吸热。煤的灰分在燃烧过程中不但不能放热，而且还要吸热。大量灰大量灰分会着火推迟，也影响着火稳定性。分会着火推迟，也影响着火稳定性。30重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of

39、 nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 2）煤粒径）煤粒径的影响的影响l对任何一种煤，在热力着火工况下，一个温度会对应一个对任何一种煤，在热力着火工况下，一个温度会对应一个着火的着火的临界煤粒直径临界煤粒直径。l煤粒直径大时，升温速度慢，但散热也小；煤粒直径大时，升温速度慢，但散热也小；l煤粒直径小时，升温速度快，但散热也相应地增加。实验煤粒直径小时，升温速度快，但散热也相应地增加。实验发现，在一定炉温下煤粒直径小于一定值后就不能着火

40、。发现，在一定炉温下煤粒直径小于一定值后就不能着火。31重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 3）炉内换热条件）炉内换热条件：减少散热的任何措施都有利于着火减少散热的任何措施都有利于着火。4）氧化剂含量）氧化剂含量：着火温度随氧浓度增加而降低，着火变易着火温度随氧浓度增加而降低，着火变易；氧气浓度增加，着火温度下降。；氧气浓度增加，着火温度下降。5）初始温

41、度、压力）初始温度、压力：煤粉气流初始温度、压力越高，着火煤粉气流初始温度、压力越高，着火越容易。着火区烟气温度越高，煤粒着火越容易。越容易。着火区烟气温度越高，煤粒着火越容易。6）锅炉结构和运行参数锅炉结构和运行参数：炉膛热负荷高、配风方式合理、炉膛热负荷高、配风方式合理、燃烧器参数最佳、锅炉负荷高等，都使着火更容易。燃烧器参数最佳、锅炉负荷高等，都使着火更容易。32重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing Universitynvironme

42、nt, Chongqing University第三节第三节 碳及焦炭的燃烧碳及焦炭的燃烧热能工程系热能工程系碳燃烧的异相反应理论碳燃烧的异相反应理论碳燃烧的化学反应碳燃烧的化学反应二次反应对碳燃烧过程的影响二次反应对碳燃烧过程的影响碳粒燃烧速度碳粒燃烧速度碳粒燃尽时间碳粒燃尽时间焦炭的燃烧焦炭的燃烧重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l煤的煤的挥发分析

43、出后挥发分析出后剩余的炭骸类似石墨结构，为由很多晶剩余的炭骸类似石墨结构，为由很多晶粒组成的粒组成的焦炭焦炭。煤粒燃烧特性主要。煤粒燃烧特性主要由焦炭决定由焦炭决定，因为：，因为：l焦炭焦炭占煤占煤可燃可燃质量质量的的55%97%，发热量发热量占占60%95%；l焦炭焦炭燃烧时间燃烧时间占煤燃尽时间的占煤燃尽时间的90%；l焦炭燃烧为其他过程焦炭燃烧为其他过程创造热力条件创造热力条件。l所以所以煤的燃烧过程煤的燃烧过程主要是焦炭的燃烧过程主要是焦炭的燃烧过程。34煤粒燃烧特性主要由焦炭决定煤粒燃烧特性主要由焦炭决定重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of

44、nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 一、碳燃烧的异相反应理论一、碳燃烧的异相反应理论1、碳晶格结构及特性、碳晶格结构及特性l固体碳具有两种结晶形态固体碳具有两种结晶形态石墨石墨和和金刚石金刚石。l金刚石金刚石的晶格中碳原子排列十分紧密，原子间键的结合的晶格中碳原子排列十分紧密，原子间键的结合力很大。金刚石硬度高而活性小，很不容易被氧化。压力很大。金刚石硬度高而活性小，很不容易被氧化。压力越高，热力学稳定性越好。力越高，热力学稳定性越

45、好。l石墨石墨的晶格结构为六角晶格，各个基面相互叠置。在基的晶格结构为六角晶格，各个基面相互叠置。在基面内碳原子分布于正六角形的各个顶点上。面内碳原子分布于正六角形的各个顶点上。l煤中的碳为石墨晶体煤中的碳为石墨晶体。35重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l常温下常温下，碳晶格表面和周界上能吸附气体分子，称为物理吸附。，碳晶格表面和周界上能吸附气体分子

46、，称为物理吸附。物理吸附不能发生化学变化。物理吸附不能发生化学变化。l温度较高时温度较高时，气体分子具有较高的相对速度，能侵入石墨晶格，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。碳和氧会形成成新的键。碳和氧会形成固溶络合物固溶络合物，该络合物可能会由于其，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他具有一定能量的氧分子碰撞而结合成CO和和CO2。l温度很高时温度很高时，单纯物理吸附不存在，晶体周界对氧分子的化学，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

47、，吸附后形成的碳氧络合物会受热分解成为吸附能力增加，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。气体，或被其他分子碰撞而离解，离开晶体而形成自由分子。36物理吸附物理吸附碳和氧会形成碳和氧会形成固溶络合物固溶络合物化学吸附化学吸附温度温度重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 2. 碳氧燃烧异相反应

48、步骤碳氧燃烧异相反应步骤l碳的燃烧就是通过氧的碳的燃烧就是通过氧的扩散扩散、氧在碳表面的、氧在碳表面的吸附吸附、表面化、表面化学学反应反应、反应、反应络合物的吸附络合物的吸附、氧化氧化和和脱附脱附及及扩散扩散等一系列等一系列步骤完成的。其燃烧反应包括以下步骤：步骤完成的。其燃烧反应包括以下步骤：l氧扩散到碳表面；氧扩散到碳表面；l扩散的氧被碳表面吸附；扩散的氧被碳表面吸附；l碳与氧发生化学反应；碳与氧发生化学反应；l燃烧产物解吸附；燃烧产物解吸附；l燃烧产物向外扩散。燃烧产物向外扩散。 37重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of

49、E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 383. 碳氧异相反应级数碳氧异相反应级数l假定碳表面上吸附了氧的面积份额为：假定碳表面上吸附了氧的面积份额为：l吸附了氧的碳表面积上，不能再吸附新的氧分子，只能解吸附了氧的碳表面积上，不能再吸附新的氧分子，只能解析氧和碳的反应产物，解析速度析氧和碳的反应产物，解析速度为：为：l剩余部分没有吸附氧，因而表面附近的氧分子就会吸附上剩余部分没有吸附氧，因而表面附近的氧分子就会吸附上去，其吸附速度去，其吸附速度为：为：吸附了氧

50、气分子的表面积固体的总表面积ddvk2,(1)sss ovkC重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l如果如果吸吸附和解析附和解析之间达到平衡，此时碳表面上吸附了的之间达到平衡，此时碳表面上吸附了的氧氧的的面积份额将不再变化面积份额将不再变化，则：，则：l碳和氧的反应只能在吸附了氧的那部分碳表面上发生碳和氧的反应只能在吸附了氧的那部分碳表面上发生，反应速度

51、为：反应速度为：392222,ss os oddsss ods osk CCkvvBk CkCBk22,s orrrs oCvkkCB重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l 此时，此时， ，反应为，反应为一级反应一级反应，化学反应速度和碳表面氧浓度一次方成正比，化学反应速度和碳表面氧浓度一次方成正比，碳表面处氧浓度很低，吸附了氧地碳表面积很小，吸附能碳表

52、面处氧浓度很低，吸附了氧地碳表面积很小，吸附能力很弱。力很弱。l 则则 ，反应为，反应为零级反零级反应应，化学反应速度和碳表面氧浓度无关，碳表面处氧吸附，化学反应速度和碳表面氧浓度无关，碳表面处氧吸附能力很强，使碳表面的吸附氧几乎达到饱和，但同时解析能力很强，使碳表面的吸附氧几乎达到饱和，但同时解析能力很弱。能力很弱。l 此时，只有部分固体表面被氧吸附，碳表面处氧此时，只有部分固体表面被氧吸附，碳表面处氧浓度为中等浓度为中等402, s oBC22222,s os orsrrrrs os os odCCk kvkkkCkCCBBk2, s oBC2222,s os orrrrrs os oCC

53、vkkkkCBC2, s oBC222,01s onrrrs os oCvkkkCnCB重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l当温度低于当温度低于800，吸附能力强，碳表面氧浓度高，属于，吸附能力强，碳表面氧浓度高，属于零级反应零级反应；l温度高于温度高于1200，碳表面氧浓度低，属于一级反应；，碳表面氧浓度低，属于一级反应；l温度在温度在8001200

54、之间的阶段，一般为分数级反应。之间的阶段，一般为分数级反应。l在实际中，把碳氧反应作为一级反应来处理。在实际中，把碳氧反应作为一级反应来处理。41重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 42二、碳燃烧的化学反应二、碳燃烧的化学反应l在碳的燃烧化学反应中化学反应包括碳与氧、二氧化碳、在碳的燃烧化学反应中化学反应包括碳与氧、二氧化碳、水蒸汽、氢气的反应，以及产物

55、在容积中的二次反应，水蒸汽、氢气的反应，以及产物在容积中的二次反应，而这些反应的动力特征往往是不同的。而这些反应的动力特征往往是不同的。l一般把碳与氧的直接反应称为一般把碳与氧的直接反应称为一次反应一次反应；l把一次反应生成物继续发生的化学反应称为把一次反应生成物继续发生的化学反应称为二次反应二次反应。重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 1 碳碳/氧化学

56、反应氧化学反应l碳氧化学反应的几种可能路径：碳氧化学反应的几种可能路径：（1）碳表面完全氧化碳表面完全氧化，C+O2=CO2；（2）在碳表面仅氧化为在碳表面仅氧化为CO，2C+O2=2CO；（3）多步复杂反应，中间及再次产物为）多步复杂反应，中间及再次产物为CO、CO2；（4）还原反应还原反应：C+CO2=2CO。 434C+3O2=2CO2+2CO3C+2O2=2CO+CO2C+CO2=2CO2CO+O2=2 CO2 重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Ch

57、ongqing University nvironment, Chongqing University 442. 碳和水蒸气的反应碳和水蒸气的反应C+2H2O=CO2+2H2C+H2O=CO+H2C+4H2O=4H2+2CO+ CO2C+2H2=CH42H2+ O2=2H2OCO+ H2O= CO2+H2重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 3. 二次反应

58、对碳燃烧过程的影响l除碳与氧的初次反应外，一氧化碳可能还要与氧在碳球周除碳与氧的初次反应外，一氧化碳可能还要与氧在碳球周围的空间内燃烧，在温度较高时，二氧化碳在碳球表面还围的空间内燃烧，在温度较高时，二氧化碳在碳球表面还会发生气化反应。会发生气化反应。lC+CO2=2COl2CO+O2=2CO2l2CO=C+CO2（歧化反应）（歧化反应）l歧化反应的最大速度出现在温度为歧化反应的最大速度出现在温度为400600范围内范围内。45重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment

59、, Chongqing University nvironment, Chongqing University 4. 碳球与空气之间相对速度碳球与空气之间相对速度Reaks，1/k0，kzs aks，wC=aks C,O2反应反应温度很高温度很高时，时，化学反应能力很强化学反应能力很强，碳的燃烧速度取，碳的燃烧速度取决于决于氧气扩散速度氧气扩散速度；称为扩散控制燃烧，又称称为扩散控制燃烧，又称扩散燃烧区扩散燃烧区。l k10，动力燃烧区；，动力燃烧区；lSm=0.110，过渡燃烧区；，过渡燃烧区；lSm100时，时，Nu=0.7Re0.5554、影响碳球燃烧速度的因素、影响碳球燃烧速度的因素重

60、庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l谢苗诺夫准则可以表达为：谢苗诺夫准则可以表达为：0mERTNuDNuDSkdd k e从上式可以看出，影响从上式可以看出，影响Sm的因素包括以下几项：的因素包括以下几项： 火焰温度火焰温度T； 气流相对速度气流相对速度w； 活化能活化能E，频率因子，频率因子k0； 煤的粒径煤的粒径。56重庆大学能源与环境研究所重庆大学