煤的着火理论图书第七章

1、第7章 煤的着火理论 第二章中已经详细介绍和阐述了燃料的着火理论，这些理论主要是针对于气体燃料的，但对于其他燃料也同样适用。只是由于具体燃料的不同，其本身的着火特性有较大的差异。另外，加热方式，燃料的形态及混合状况等都将大大影响燃料的着火过程。正如上一章中第6.1节中所述，煤的结构、种类极其复杂，其燃烧方式也有很多，因此，在本章将着重对其各种着火状况的理论和实验研究的发展情况加以介绍。7.1煤的加热和着火7.1.1煤在着火前的加热不管用何种方式来燃用煤，首要的是如何将其加热，使其达到所谓的“着火温度”，达到最终的稳定着火和火焰传播的延续。加热是通过所有的传热过程，即导热、对流和辐射进行的。与对

2、流和辐射加热相比。导热引起的加热可以忽略不计。而且，由于热烟气的回流加热，使对流加热往往起着主要的作用，特别是对于煤粉燃烧情况，更是如此。这里以煤粉的加热过程分析为例：一、煤粉的对流加热从热烟气传给煤的单位面积上的热量，可由下式给出: （7-1）式中 气体的导热系数; 煤表面上的温度梯度。 为厂简化问题的求解，将煤粉颗粒的形状简化成球形，则煤粒表面加热的总热量可由式7-1)导出 （7-2）式中 、煤粒表面温度和其周围气体边界层外的流体温度; 、煤粒的半径和边界层的外半径。若取边界层厚度为，则从式(7-2 )可得： （7-3）由于 （7-4）式中 A=4. 54为常数; Re-定义于边界层外气体

3、相对速度的雷诺数。 这样式(7- 3)为: （7-5）传热量Q可写成对流传热形式: （7-6）其中，为对流放热系数，由式(7-5)和7-6）可得： (7-7)或用努谢尔特数（）表示为: (7-8)其中，为煤粒直径 当煤粒和四周气体之间没有相互作用时，Re=0，从而 另有作者认为要考虑Prandtle数的影响，就提出了不同的公式，如Acrivos等对的公式为 (7-9)式中:Pe为Peclect数，（是Prandtle数)，对，Rowe等提出了下面的公式： （7-10）对于空气：B = 0. 55,Pr=0. 71，则式(7-10)成为： （7-11）可见与式（7-8）类似。 对于在的范围内尚无

4、可靠的数据，所以根据情况的不同用公式（7-9）或（7-10）计算。二、煤粉的辐射加热煤粉气流受辐射加热是一个极复杂的过程.Essenhigh和Csaba 曾对此问题进行了详细的分析口他们假定火焰锋面发出的辐射来加热煤粉射流，烽面稳定且火焰传播速度与射流速度相等，他们提出的物理图案如图7-1所示，煤粉气流以u速度从燃烧器平面向火焰峰面运动，其初温为To ，初煤粉浓度为，速度为，密度为，在运动过程中被加热，温度为，而周围的介质为，忽略导热和对流传热，则可以写出： (7-12)式中 I单位时间内煤粉的单位面积上辐射所传递的能量； 微元煤粉层的厚度，沿着此厚度吸收了kI的能量； k吸收系数。 煤粉吸收

5、的辐射能等于将温度为T，的煤粉颗粒以及将温度为T:的煤粉四周的气体(空气)的温度提高所需要的热量之和，即 (7-13 )式中 C一一单位体积煤粉空气混合物中的煤粉浓度； 煤粒的比热； 气体(空气)的定压比热； 和分别为煤粒和煤粒周围空气的温度； t时间。煤粒周围气体的加热是由煤粒吸收辐射后再传热给气体的，由于忽略对流，则 （7-14）气体的吸热为： （7-15）则 （7-16） （7-17）由于 （7-18）则式(7-12)变为： （7-19） （7-20）这样式(7-13)可写为： （7-21）以时，和时，为上、下限，积分式(7-19)有： （7-22）将式（7-22)代人(7-21)则得：

6、 （7-23）当(加热至着火所需时间)时，和t=t，积分式（7-23）和（7-16），可得： （7-24） （7-25）其中 （7-26） （7-27） （7-28），为导温系数 （7-29）如果火焰传播速度和燃烧器出口处的气流速度近似相等，即。并且时(即着火温度)，则由式(7-24)，可得： （7-30）由于，因此可略上式大括号内的分数、从而上式简化为： （7-31）这样就可以得到煤粒着火前的加热时间为： （7-32）分析上式，当对数内的值为0时，即 （7-33）应当注意的是，并不减至为零，而是减为一个最小值： （7-34）从式(7-30)和式(7-32)可知，影响火焰传播速度和点燃煤粉所需

7、的时间的主要因素为：煤粉浓度；火焰温度；可燃混合物初温度等。三、加热时煤粒内部的温度梯度上面讨论的煤的加热过程，是假定颗粒中的温度是相同的，事实上，在颗粒受外界加热的过程中，颗粒的中心温度比表画温度低。假设具有稳定的热力性质，并且加热过程开始时煤粒的初始温度相同，在达到稳态加热条件后，球粒内温度梯度可由下式表示： （7-35）在稳态加热条件下。煤粒表面和球心的温度差为 （7-36）前两式中 和在建众稳态加热条件所需的时间t以后，煤粒表面和中心的温升； 和煤粒的半径和直径； 进人每单位煤粒外表面积的热流量 t时间，且 （7-37）其中:a是煤粒的导温系数口显然，式(7-35)只在时问大于下式所表

8、达的时间时才成立，即 （7-38）例如:对直径为10的煤粒，其热力特性为: =0.251 a= q= (相当于受温度约为1650K的火焰加热，或受比煤粒温度高约300K的介质对流加热时热流值)，达到稳态条件所要求的加热时间为。7.1.2煤的着火及其判据煤的着火是一个特别复杂的问题，到目前为止。还无法给出恰当的描述和归纳。Essenghigh及Zhang给出有关煤的着火现象的评论。煤的着火特性强烈地取决于煤粒的布置方式与形态。可以区分为三种布置方式: （1）单颗煤粒; （2）煤堆与煤层; （3）煤粉云。 对于单颗煤粒来说，不产生颗粒的相互作用问题。这种布置方式提供了基础资料，而目，对于非常稀疏的

9、煤粉火焰可能提供实际的了解。煤堆或煤层存在于移动床、固定床、储煤堆及煤粉层中。煤粉云存在于煤粉燃烧器、工业锅炉、悬浮式气化器，煤矿的粉尘爆炸以及流化床系统(后者更为稠密)，这些不同形态情况下的煤的着火特性差别很大。对于煤的着火来说似乎没有一个合适的简单定义，一般说来着火被描述为燃料与氧化剂达到一个连续反应的过程。经常用可见火焰来鉴别着火。然而，有时反应也能在低温下很慢地进行，没有可见火焰口有时着火被说成是:当一个可燃物容积中热产生的速率超过热损失速率时，则着火便发生口在凝聚相中，着火更为复杂，尤其在煤这类非均相固体中。如卜所述，由于氧在煤表面卜的作用，煤粒可以进行缓慢的反应，从而导致煤堆的自燃

10、。这可以从气体火焰的存在得到证明。 在惰性的或反应的热气体中。当煤粒温度增加时，煤可以在内部发生反应、软化及挥发。在这个过程中，将释放出气体和焦油物，没有可见火焰，这一过程不叫“着火”，但这一热解的开始是一个类似于着火的过程。释放出来的这些气休和焦油物也能被周围的氧化剂所点燃。这一着火过程仅仅包括气体，或者还包括焦油物。进而，其残余焦炭能够由于表面反应过程而在氧中被点燃。这一反应物还可能是CO ,T4C)或H:，面且可能不存在可见火焰，但煤的反应却在继续进行。这一过程已在上一章中详细描述。着火通常用这样一个时间来表征，即在特定的一组条件下，达到某一温度或出现可_见火焰，或达到燃料的一定消耗量所

11、需的时间。然而不存在惟一不变的着火时间J影响煤的着火温度和着火时间的十分重要的变量包括:煤种、系统压力、挥发分含量、气体成分、煤粒尺寸、煤中水分含量、煤粒尺寸分布、停留时间、气体温度、煤的浓度或质量、表面温度、气体速度、矿物质百分数、磨煤后煤的老化等二控制着火过程的各种变量强烈地取决于煤粒的形态，着火温度和着火时阅的范围。煤的着火依然可以采用第2章中所描述的各种着火理沦来描述，如按照Semenou热力着火理论，着火点的判别可以用临界条件: （7-39） （7-40）来判别，所得到的热力着火温度为临界着火点煤粒与周围气体的温度，而在强迫着火过程中，环境温度很高，远高于临界着火温度，因此，在颗粒温

12、度达到环境温度时，反应已进行得相当剧烈，即，这就必然在更高的温度点达到生成热和散热的平衡。这个温度实际是温度曲线的转变点温度，也就是实际强迫点火下的着火温度。如果假定着火前质量消耗忽略不计，即为常数，则煤粒的方程为: （7-41） （7-42）其中 （7-43）则Semenov的临界条件可以表示为: （7-44） （7-45）考虑如图7- 2所示的煤粒温度在着火过程中的变化规律，式(7-44)和（7-45）所示的状况相当于图中的曲线，可理解为一冷的煤粒投人温度为（临界着火点气体温度)的空气中，满足。的条件。图7-2所示的曲线，满足，但，相当于一冷煤粒投人温度低于的空气中，未能着火，最后停留在一

13、个较低水平的平衡之中。而曲线，相当于冷煤粒投人温度高于的空气中，即通常的热点火工况，此时，环境温度远高于着火温度，恒定，即，着火显然将成立。一般地可定义温度曲线的转变点，即的点为着火点，此点的温度为着火温度。由此，着火条件应为: （7-46） （7-47）图7-2 在不同气流的温度下，颗粒在热气流中的温度随时间变化。该转折点实际上就是在各种具体加热条件下煤的着火温度。这也就是我们所设计的各种试验方法来确定的着火温度。我们能较容易测量到煤的着火温度，但也必须注意到正是这一点使着火温度随试验条件而差异，而且缺少可靠的可比性。因此，在使用着火温度数据时，必须注意其试验条件。对于煤粒，我们可在单颗粒的

14、燃烧试验中，通过记录煤粒的升温历程，就可以在曲线上找到一转变点，从而确定着火温度。以上对均温、均质系统是有效的着火判据，但实际情况远比上述的情况复杂，例如单颗粒煤在升温过程中，周围存在温度分布与浓度分布，如果发生挥发分的均相着火，着火点的确定就不是这样简单地用前面的Semenov判据。在第2章中已详细分析过在考虑反应物浓度变化时判据的变化规律。对于各种实际的研究过程，人们采用了各种不同的试验手段，也采用不同的着火判据。下面将各种着火判据归纳如下:(1) Semennv判据这是最常用的判据，即式(7-46)和式(7-45)所确定的判据，如对煤粉群着火时的着火温度的判别，采用的即这一方法。（2）绝

15、热判据(Vans Hoff判据)绝热判据即对于点火时，用,即当在可燃质温度场中的温度梯度由于可燃物的燃烧出现，'当燃烧释放的热量在局部“积累”而无法传出时，即为出现爆燃现象，这一着火过程在第2章中也已详细分析，在Steven的煤联合着火模型中就采用了这一判据。(3)煤总体质量消耗率跃迁判据当煤的质量消耗率发生突变，使反应状态由动力控制转变为扩散控制时，该转变点即为着火点，该判据对于同时考虑多相反应和均相反应的着火模型时很方便，可以避免上述方法带来的实质上的困难，如文献所示的着火机理研究中采用了此法。（4）气体可燃浓度判据即混合可燃气体的浓度达到高温混合气体可燃浓度极限时，开始着火。从这

16、个定义看出，这个判据用于均相着火，这在上一章中已经阐述，如章明川等的煤挥发分着火模型。(5)恒温壁面系统超温判据 即，当气流温度高于当地壁面温度时，气流将放热给壁面，定义此点为着火点，该判据相当于，在一维着火试验中，常用此判别方法。(6)闪光法随着光学检测系统的完善。现代燃烧研究利用燃烧发光这一现象而采用出现“闪光”作为着火的判据已经成为着火的主要判据之一。特别是在高强度高速加热条件下的着火研究，更是必须用光学方法才可能进行精确测量，如激光点火的研究中。(7)其他判断着火的方法除了上面几种。还有如爆炸法，以群体发生爆炸作为着火点;还有压力突升法，以容器内可燃物压力突升为着火判据等等。7.2煤着

17、火的试验研究方法7.2.1着火试验类型如上述，着火问题的核心是着火点的确定，着火温度的试验方法很多，但总的可分为四大类。(1)控制颗粒试验法该法即把煤粒挂在丝上.迅速放人加热炉中，或把少量煤放置于热重分析仪中燃烧。着火点的判断有观察火焰法和由温度曲线求转变点的方法，后者应用较多，重复性好，而采用火焰观察法时，误差较大。(2)自由运动法该法将少量煤粉投人炉中，以出现火焰为着火，该法由于煤粉不均匀性而使测量不准确，在前期的着火研究中，多用此方法。(3)群体爆炸法该法通常用于研究粉尘的爆炸.用电火花等点火，研究火焰的传播也常用此法(4)连续流法该法将煤粉气流连续通过一加热管，测量气流温度比与地壁温高

18、的点为着火点，或直接观察火焰的形成为着火点，该方法力图模拟实际燃烧装置，因此所得到的数据与实际情况较接近，被认为是测着火温度的准标准方法。大量试验研究表明。试验方法的不同如加热条件、环境温度控制、流动条件的变化，会有不同的结果，因此，人们开始认识到统一试验方法的必要性。7.2.2煤着火试验装置的发展及评述一、发展对煤尘的着火的研究是最早的煤着火的研究，当时主要出于对安全性的考虑。100多年来，煤的着火的研究进展较慢，但所用的试验装置五花八门，种类十分繁多。一般来说，这种装置为热炉、热沪带点火器或者直接用火焰或热线网等，图7-3所示为一种早期的试验装置，煤粉尘被均匀地散布在水平管中，用适当的方法

19、使煤粉成云雾状(例如突然转动)，煤粉云被一端的小火焰点燃，煤粉火焰的燃烧着火特性司由火焰沿管子传播的距离来描述，如果火焰到达另一端则用一悬吊一端的木髓球的运动来描述。图7-3 Vital所用装置 这一简一单的试验装置已表示了一个着火试验装置的三个基本要素，即：产生煤粉云的方法、点燃方法和燃料着火响应的鉴别。许多试验技巧当时已很好。甚至优于现在的方法，特别是在形成分散的煤粉云方面。例如一个1891年所发明的装置，通过向水平管吹气的方法吹出一个小样品，再用连续火花点燃煤粉酉，这样煤粉云可以以一定的速度流过火花。但问题是运动中的煤粉云如何影响着火过程无法清楚获得。后来的研究者采用水平管但点火方法不同

20、，可能用火焰、电热丝、或外加热管等。外加热管的一个例子就是用本生灯。另一个方法是用一个短的电炉点火。后来，炉子由水平改为立式，炉子一也加长厂，这就成为现在广泛使用的标准炉，即Godbert-Greenwald（G-G）试验炉。在这种情况下，然料着火按最小所需能量来描述。 对水平和下喷方式的一个可能的改变是川向上喷粉的方案，从装置的底部的压力容器中引人压缩空气脉冲向上送人煤粉，在顶部加一个点火塞点火，通过记录压力一时间曲线来描述其着火过程，这一方法目前成为标准的Hartmann试验炉，也得到广泛的使用Hartmann方法通过确定点火能或压力变化来描述着火过程。另一形成煤粉云的方法是用充满有煤粉的

21、一个环形封闭管，用风机驱动。目的是在环管中产生均匀的煤粉云的条件，但试验失败了。事实是所得到的煤粉云在所需的区域不均匀，且存在离析作用，现在已经有理由确信这种方法还存在另外的问题，其中点火也是一个问题。二、评述从上面的发展可以看出，有多种不间的装置用于燃烧着火研究，目前有二种装置作为“标准”的试验装置而被广泛使用，一种是Wheeler的水平管试验，采用热线圈点火，如图7-4所示，一种是Godbert-Greewald （G-G）立式炉管式试验装置，如图7-5所示:另一种是Hartrnann试验装置，如图7-6所示，它们分别表示水平、下喷和上喷三种形成煤粉云的方法，图7-7示出了一种改进的产生均

22、匀煤粉云的方式。由于在这些装置中煤粉云的运动的复杂性，颗粒分布不同等原因，测k i_结果显然有很大的不同。如图7-8所示为两种试验方法的着火源温度测量结果，发现相关性很差。相关竹的缺乏事实上似乎表示了试验装置问题的两个不同侧面，其中之一就是煤粉云形成的问题，另一个问题就是着火试验目的。图7-4Wheeler水平管实验装置图'7-5 Godbert-Greenwald垂直炉管简图图7-6 Hartmann试验装置图7-6原始设计点火器简图 正如上述，均匀的煤粉云的产生是一个最重要的间题，用脉动气力输送同样也有一定问题。在水平扩散，如在Wheeler试验中，当煤粉分散得比较好。则线圈温度就

23、下降了，因此着火时的温度和能量消耗就显然不明确。在下喷情况，如在G-(r试验中，用于引射煤粉的空气的体积与炉子的体积是相当的，炉内的热空气就会被冷空气所代替，这样着火就与加热这些冷;空气的条件有关联，甚至在冷空气中的颗粒完·全由炉内辐射加热着火，因此，颗粒和气体在着火时的温度就成为不确定。在上喷情形，即Hartmann试验装置中，煤粉云的条件更加多变而不确定。无法确定着火是发生在煤粉云上升、下降还是稳定时，在局部的煤粉浓度变化很大。 图7-8 点火试验比较:Wheeler试验与Godberr-Greenwald试验点火源温度测量变化情况三、着火试验中存在的问题 如上所述的不确定性，图

24、7一8所示的两种不同试验方法得到的结果不一致几乎是不可避免的。另有一个可能的因素要考虑，即试验装置本身能影响得到的结果，这有几种可能的影响，在点火试验的测童过程中问题就会突出。在第2章中已经定义了所谓的着火温度，就是我们测量的目标，一个需要的推论是煤粉云的着火温度和点火源温度之间的关系。从原理上讲，这个关系可以用近似理论分析方法来建立，实验人员也知道这一差别，就用“相对着火温度”的概念来加以区分。但是许多文献发表时往往把“相对”两字忽略而引起谬误。一般典型的煤的着火温度为500 - i o0a C，这与在工业上的实践完全不一致，如对烟煤的磨煤机出口温度要求控制在7a-c以下，褐煤则要用惰性的烟

25、气作为千燥介质。这个区别实在是太大了。这个区别可以用统计的情况来解释，有两个主要的因素影响着火源的温度，一个是煤粉云流过着火源的速度和着火源的尺寸，当然还有煤粉云浓度和颗粒尺寸。Wheeler曾对速度和穿越时间的影响作了研究，通过降低气流的速度延长停留时间，可以减少相对着火温度大约。点火源的尺寸的影响可以如图'7.8所示，Wheeler方法为小点火源尺寸，G-G炉为大尺寸，这使着火温度差别达。图7-9示出了煤粉云的穿越时间对着火源温度的影响，从图中可以看出，这一曲线的变化是非常明显的。上述的缺陷，使人们继续寻找新的研究方法，即单颗煤粒的着火研究，使试验因素的影响如空气等减至最小，也不存

26、在煤粉浓度的影响。同时，还用热爆燃理论来分析单颗粒着火的试验结果。这表明单颗煤粒着火研究给煤的着火研究带来了转机。由于单颗粒着火实验上易于实现，理论上易于分析解释，所以，现在仍有大量研究者以单颗粒研究煤的着火间题，在现在所用的单颗粒着火研究装置中，以同时记录粒子温度、失重的沉降炉法最普遍，并同时应用热力着火理论，判断着火点。但着火温度并非物质的物性参数，毕竟与实际着火条件有关。因此，单颗粒的结论难以直接运用到工程中。因此，颗粒群的着火研究仍然不能忽视，由于热力理论的运用，人们对颗粒群着火的研究也取得了重大进展。单颗粒与颗粒群着火的研究结果差别较大，主要是由于两.点:一是单颗粒着火研究所预测的着

27、火温度比颗粒群的高;二是按单颗粒所预测的着火温度在粒径变细时升高，与群体试验相反。解决这两个问题，主要借助于热力理论与着火机理。首先，单颗粒着火机理与多颗粒是不同的，Kalied和Nettleton最早做了两者的对比分析工作，Van Geel则进行了对比试验，用浓度影响分析了着火温度的差异，主要注意到了颗粒的热平衡条件。原苏联学者则全面考虑了气固两相传热、传质等情况。建立微分方程组，解决了这一问题关于第二点，Krishna和Berlads用颗粒群体的热平衡方程.得出了与实际相符的结果。并解释单颖粒着火情况，他们把颗粒群看成一个均匀球体。得出 (7-47)式中 r粒子半径; R颗粒群半径; 粒子

28、密度; D一一颗粒群密度口 对单颗粒，上式可简化成图7-9煤粉云雾穿越时间对点火源温度影响7.2.3典型的煤着火试验研究方法介绍一、单颗煤粒着火试验研究方法如图7-10所示，为一典型的管式沉降炉单颗粒试验台，这个试验台是浙江大学实验室的一个典型台架。管式炉内径60mm,深400mm,整个炉体通过重物和滑轮，悬吊在台板上，可上下移动此管式炉，管式炉的壁内装电热丝，功率为6kW，能在数分钟之内将温度升高到以上。壁面温度通过埋在管式炉内壁的热电偶测量，气流温度通过插人炉内的热电偶测量，壁面温度通过温控仪控制。试样悬挂在一固定不动的热电偶上，上、下移动炉子的位置，即可将试样放人或退出炉子。热电偶的二端

29、挂在失重仪的钩子上，并与平衡记录仪相接，因此，可以记录煤粒中心温度的整个变化过程。失重仪为霍尔位移线圈，通过记录感应片的不同位置而输出一定的信号，信号经过变送器，转化为具有良好线性度的电压信号。再输入平衡记录仪，记录试样的失重过程。失重过程的记录现在也可用电子天平代替并将数据采集到计算机中。图7-10。沉降炉单颗粒试验台 通过单颗粒着火试验研究可以得到温度、气氛、颗粒大小、煤种等因素变化对着火点的影响(着火温度、着火时间)。图7-11所示为煤粒温升失重曲线。图7-11 浆滴温升失重曲线 二、小型电加热流化床试验系统浙江大学提出一个用在小型流化床炉对煤粒着火过程的温度响应特性来表征煤的着火特性的

30、方法。如果我们将一定量的煤粒投入已处于一平衡状态下的高温流化床中，煤粒着火前后的吸放热效应将破坏流化床的热量平衡，从而引起床温的变化，图7-12示出典型的流化床床温响曲线形态。图7-12给出的床温响应曲线上标有三个特征假，其中之一是床温开始回升时所对应的时间(min)，另外两个是床温升至最高点时所对应的时间(min )和床温。由这个特征值定义了一个所谓着火指数FI作为特性参数，即: （7-48）式中，为煤粒投人前流化床在热平衡状态下的床温（）图7-12 煤着火过程中床温变化着火指数具有温度变化速率的因次，它综合地反映了煤的着火对流化床温度变化的影响。由式(7-48)可知，时间和越短，床温变化（

31、）越大，FI值越高，说明煤的着火反应特性越好。实际相应于流化床由放热(因投入煤粒吸热)而降温转为由吸热而升温所需的时间，基本上与煤粒的着火孕育时间相对应，值越小，说明煤在进人流化床后的着火越迅速。而和（）则表征煤在着火后的燃烧反应强度，着火反应越强烈，则床温达到峰值所需的时间t，也就越短。同时，由于反应放热强度大，达到峰值时的床温变化（）也越大。因此，着火指数比较全面地表征了煤在流化床燃烧过程中的着火特性。试验采用的是一小型的电加热流化床，测量系统如图7-13所示。图7-13测定装里简图 其中床体是一内径为30mm,高280mm的螺纹瓷套管，功率为1kW的电阻丝缠绕在瓷套管外部、从功率分配方面

32、，加热主要集中在沸腾段，集中缠绕区安排在距布风板约100mm范围内口布风板采用多孔硅酸铝纤维板，上下由耐热不锈钢网压紧。瓷套管与流化床外壁之间的环形区内充填硅酸铝纤维，用以保温。电加热系统由铁铬铝电阻丝、调压器、控温仪及NiCr-NiSi恺装热电偶组成，控温所用的热电偶测点布置在距布风板35mm处，热电偶插人瓷套管轴心处，流化空气用离心式风机供给，流量采用转子流量计测定，并有一风量调节阀以使风量维持在额定值。本试验系统除在电加热部分安置一个恺装式热电偶用于控温仪的输人信号外，为测量着火引起的床层温度变化，还从床层顶部插人一支镍铬一镍硅热电偶，该热电偶测点距布风板40mm，该热电偶输出的温度信号

33、通过台式自动平衡记录仪连续记录。在一定条件下，首先进行了床温与加热功率的标定试验，以找到能稳定地维持一定床温所需的加热功率值。在此加热功率下，控温仪不投运时的床温亦能稳定不变，此时炉子的总散热量将全部由电加热来补偿，也即系统处于动态热平衡状态。因此，当煤粒投人后，其床温的变化将完全由煤的被加热及燃烧放热而引起，煤粒投人床层后床层温度的变化历程连续地记录在台式平衡记录仪上，最后根据测得的温度变化曲线确定特征值，和。再用式（7-48）求出着火指数FI。图7-14示出了两种典型煤的床温动态变化曲线，可见，不同煤种其反映在流化床内的着火和燃烧特性具有显著差异。图7-14大同煤和兴隆混煤的床温变化曲线表

34、7-1所示为典型的十种煤的着火指数测定结果。表7-1流化床，火指数测定结果 参 数煤 种（min）（min）贵州水城0.102.3893614.55 兴隆混煤0.213.3895013.95 邢台章村0.103.409308.57 京西无烟煤0.103.389257.19 广东阳山0.161.7592513.12 王封洗矸0.101.889179.09 王封洗中0.101.8892512.66 大同煤0.172.3096225.17 四川松藻0.102.309229.17 西山洗矸0.101.569158.80从表7-1中可以看出，在以上10个煤种中，大同煤的着火性能最优，而京西无烟煤的着火性

35、能最差。对照煤质分析数据不难发现，大同煤是反应性较好的烟煤，而京西无烟煤反应性很差，这就是说煤种的反应性决定了其在流化床燃烧条件下的着火特性，进一步引人作为衡量煤种反应性的指标，并与实测的各煤种着火指数进行了相关分析，得出了图7-15所示的结果。 图7-15 着火指数与的关系可见着火指数FI随煤种反应性指标具有相当单调的变化规律，越高的煤其流化床着火性能越佳，通常的作用主要体现在比着火略为超前发生的挥发分析出过程中煤种本身的物理化学变化，而灰分主要体现在着火后期对煤粒燃烧性能的影响，图7-15所示的试验结果表明了所提出的着火指数反映厂煤种的着火性能。三、煤粉气流着火评价装置对于煤粉气流着火机理

36、的研究.国内外更多的是采用滴管炉系统来进行评价，正如前面所述，煤粉着火研究的关键是获得合适的均匀的煤粉云气流。图7-16所示为一试验所用滴管炉系统，它由加热系统飞送风系统、取样系统、控制系统和给粉器等五个主要部分组成。加热系统由试验主炉和两级空气预热炉组成，主炉是试验装置的核心部件、由直径为35mm，总长为lm、有效加热长度为0.8m的刚玉管、发热元件硅碳管、保护用刚玉管、保温材料及炉外壁等组成。炉内温度最高可达1500 ,煤粉在炉内的停留时间约为0. 4s。两级预热炉用来加热二次风，加热方式为高铝管外绕加热丝，二次风温可达400送风系统由空气压缩机、输气管道和流量计等组成，空气经压缩机后分一

37、次风和二次风两股，二次风可经预热炉加热后送人主炉口一次风送入给粉器以携带煤粉，在主炉人日h部的混合段与二次风混合后进人炉膛。混合段是长度为130mm的圆管段，一次风和二次风均由其上端径向进入。由张少鸿等人的研究结果推断，由于颗粒的弥散作用，130mm的长度足以保证风粉在进人炉膛时己混合均匀。取样系统安装在主炉下部，由水冷取样管、旬体取样滤盒及抽气泵等组成，水冷取样管可在沪内上下移动以收取不同位置的固体和气体样，固体样留作分析用，气体样送分析仪进行分析、测量，此外，还与水冷取样管平行加装一支热电偶用来测量炉内燃烧温度。控制系统由测温热电偶，控温凋压器和显示仪表等组成，用于控制二次风温、维持主炉的

38、升温速度和预定的温度水平。 图7-16滴管炉系统示意图 图7-17沸腾式给粉器结构示意图给粉器是滴管炉系统的关键部件之一，当用于高浓度煤粉气流燃烧特性研究时所需要的给粉量比用于煤粉化学反应动力学研究时的给粉量高得多，一般在110 g/min之间，因此保持给粉器给粉的均匀性和连续性是保证试验可靠性、高精度和重现性的关键。系统所使用的沸腾式给粉器结构如图7-17所示。 给粉器分为风室和沸腾室两部分，其间由布风板隔开。布风板采用的是120目的铜丝布门给粉日设在沸腾室的浓相区，一次风分两股进人给粉器，一股进人风室以流化煤粉，一股由给粉日处进人沸腾室以稀释给粉口处的煤粉浓度。在运行过程中将给粉器的三个调

39、节阀的开度周定，通过调节总一次风量来调节给粉量和给粉浓度。给粉器在运行一段时间达到白平衡后，对给粉量进行标定，所得的给粉器特性曲线如图7-18听示。可以看出.当总一次风量在27L/mrn范围内变化时，给粉量可以在110g/min之间连续调节。用于携粉的风量由一次风流量和乏气流量相减而得到，实际使用表明。给粉器的性能可以较好地满足试验的要求。图7-18 给粉器特性曲线采用滴管炉研究单颗粒时，一般都是用尽可能少的空气携带少量煤粉注人炉膛，由于煤粉量和空气量极少，对炉内气温儿乎没有影响，这时颗粒主要接受与炉壁等温的气体加热。但是，当用于研究煤粉气流着火特性时，气体流量和煤粉量很大，若仍采用细管注射，

40、煤粉气流的弥散及其与炉内气体的混合较差，造成流动混乱和煤粉浓度分布不均，特别是在人口附近，难以接近一维层流流动。为了消除这一不利影响，本文采用连续煤粉气流，让一次风、二次风和煤粉充分预棍后进人炉膛。由于混合段一与炉膛几乎等直径，这就保证了炉膛内的煤粉气流是均匀稳定的一维层流，煤粉气流接受炉膛的辐射加热和对流加热。 试验时在炉膛出口附近放置一片反射镜，利用反射镜观察炉内燃烧情况，在炉温以一定的速度(约10)升高的过程中，当观察到煤粉气流在炉内形成明亮的火焰时，对应的炉壁温度记为煤粉气流的特征着火温度，显然这是一种相对着火温度。图7-19示出了典型的试验结果，结果表明，影响煤粉着火的主要因素除了煤

41、种之外，还有煤粉浓度、煤粉细度、氧浓度等因素。图7-19 煤粉浓度与着火温度的关系四、群体爆炸试验方法群体爆炸法用于粉尘的着火和爆炸，对于一般煤粉的燃烧研究也有一定价值，图7-20示出了一个典型的用于爆炸法研究的试验装置，主要也是由煤粉扩散装置，爆炸试验用压力容器及压力传感器所组成。这种装置对于测定燃料的各种着火浓度、压力及温度界限特别有利，文献G52所描述的煤粉自点火装置及文献652所述的压力热栅试验装置（pressuredheated-grid apparatus)都属于这一类试验方法。杨建军等采用激波管煤粉点火，也属于群体爆燃的方法，这里不再详述。图7-20 承压爆燃试验台及系统简图五、

42、煤的激光引燃着火试验方法用激光辐射来研究着火与燃烧和传统的方法相比有两个大的优点:首先是辐射源可以放置在被点火对象一定距离以外，且可消除由于壁面、炉膛等辐射面或其他源的侵人而引起的不确定性，试验系统也变得十分简单。其过程的光学特性易于获得，可以进行直接观察和直接温度测量;其次是大功率的能量流可以应用并集中在一个点、一片和一个小锥形体内，这提供了直接向一个特殊的着火模式辐射能量的可能性。图7-21所示为一个典型的用于测量单颗煤粒着火的装置，装置由煤样，Nd-Yag激光器、高速摄像系统和光电倍增管系统等组成，图7 -22所示为一个用于煤粉连续流的着火的激光试验装置，在这个系统中可以改变着火过程的气

43、氛，各种测量的方法与上述基本相同，还有一此装置如文献649,622,663所描述，其结构都大同小异。研究表明，在高强度燃烧时，存在高度的非线性过程，其着火在均相和非均相之间游动，_且着火特性与一般着火特性有较大区别。图7-21 激光点火试验台架(单滴) 图7-23所示为典型的光电倍增管（PMT）所记录的纯碳粒子、无烟煤粒及高挥发分烟煤的着火和燃烧特性，图中最高的脉冲反映了激光脉冲点燃的作用时间，对碳粒和烟煤，脉冲作用时间为lms，对无烟煤为3ms，这主要是考虑样品的有效热导率、比热、密度的变化而引起无烟煤粒达到热平衡较慢。注意到三个样品的反应时间是不同的，纯碳粒大约为5080 rns，烟煤为4

44、070 ms，而无烟煤则持续只有1530 ms ,另一个不同是烟煤有两个宽的峰值，而无烟煤和纯碳只有一个峰值，这可能可以看作是烟煤着火时有两种模式的存在，下面还将详细阐述。图7-22 煤粉激光点火试验装置图7-23 PM'T示踪点火和燃烧状况六、煤粉着火距离的测量Csaba测量了当煤/空气比变化时为保持固定不变的着火距离所必须的进入燃烧室的反应物流进日速度的变化情况。测量系统的几何尺寸如图7-24所示。 图7-24 Cssba（1964）所用的着火燃烧室 燃烧室由一个高0. 84 m.半角的隔热圆锥体与它相连的一个耐火砖砌的方形燃烧室组成。火焰前沿保持在距圆锥体进口0.6m处的平面上，

45、在着火平面处圆锥体的宽度为0.1m。图7-24中给出厂11个温度测点的位置。1到4点用热电偶侧量壁温温度，8到11点用隐丝式光学高温计测量火焰撇度。在早期所用的锥体上，57点曾经是装热电偶的位置而且得到的仅仅是壁温读数;在以后使用的锥体上，在这些点也用隐丝式光学高温计测量火焰温度。相应地，火焰的有效温度分布为811或511点读数的时间平均值。燃料特性如表7-2 ,燃料与全部空气流在 = 293K温度下预混后送人圆锥体。表7-2 Cssba（1964）进行的着火试验的燃料特性（转引自文献） 水分(炉前样)3%灰分(炉前样)13%挥发分(炉前样)33%所需化学反应当量空气量6.9 Nm/Kg净热值

46、26371 J/g粒度分布:大致符合Rosi。一Rammler特性X=104 ，指数=1.84与燃料具有相同比表面积的球体直径56 对于固定的。.6m的着火距离，进口速度和有效火焰温度随煤粉浓度不同而变化，其情况如图7-25。由于燃烧室呈锥体形状.表述进口速度有一定的困难。这里采取的办法是算出一个当量进口速度，这一速度是假定进日截面积为着火平面的截面积时，也即其直径为0.1m时反应物流所应具有的速度。为了得到进日速度的预测值用以与每一个观察值进行比较，按下列内容进行数值求解: 如图7-25所示=523 K (Csaba未给出选定此值的依据)图7-25对0.6m的固定着火距离，进口速度与火焰温度

47、随煤粉浓度的变化关系 计算公式为: 式中 ; 气体比热; 颗粒比热; 颗粒密度; 一一初始浓度; 初速浓度;一一着火温度;着火时间。 按照不同煤粉浓度下所观察到的温度计算出的进口速度的预报值随煤粉浓度而变化的情况也画人了图7-25中。可以看出进口速度的预测值基本上与从Csaba试验得到的当量速度相近，但当浓度低于bg mz时，数量的一致性就很差了。采用比623K更高的着火温度假定值将使曲线移向更低处。也许比精确的数字更重要的是这样、一个事实，即预报值曲线和测定值曲线的总的形状不同。Csaba讨论了这种差异但并未对其原因作出任何结论，也许在理论模型中存在着一些根本性的不适当的计算步骤，也许是燃烧

48、室的几何尺寸使得理论模型根本无法与那些试验数据相比较。7. 3煤的着火模式上面的实验研究的分析，特别是误差分析等理论分析工具的应用，这对于总结和分析实验数据、对不同实验方法的比较等特别有意义。应该说早期的研究都认为煤的着火总是在气相中发生，即煤粒加热后，释放出的挥发分与空气中的氧混合后，在一定条件下着火，然后迅速燃尽，挥发分燃烧产生的热量使残留焦炭被加热，达到焦炭的着火温度后，焦炭才开始燃烧直至燃尽。直到21世纪60年代中期，Howard和Essenhigh首先从实验中证明上述结论并不全部适用。他们对100的Pittsburgh烟煤颗粒的着火研究发现着火是在表面上进行，而挥发分的大量析出是在可

49、见火焰峰面后3040ms，才发生的口后来，Thomas等用高速摄影方法对气流中的褐煤粒的着火作了仔细观察，表明对于1000um这样大的颗粒存在非均相着火。Bandyopadhyay和Bhaduri则采用准稳态着火理论假设表面着火使结果和实验更相符合而进一步证明褐煤、无烟煤和烟煤粒都有非均相着火。但Nettleton和Stirling则对暴露在震动的热氧气中的煤粒的着火进行了研究，他们对着火后的煤粒的结构的分析及对着火温度与临界温度(相应最大挥发分析出率时的温度)进行分析，认为这些试验的结果是气相均相中发生着火的。他们在后来的试验中加人一些阻燃剂，阻燃剂显然抑制了气相反应，并表明阻燃剂对着火温度没有影响。据此，他们也开始认为可能着火发生在煤粒的表面。而Wicke在这一点上有不同的观点，这种阻燃剂覆盖了煤的反应活性表面而影响非均相反应动力学，这也就是说煤的表面着火机理也可能导致表面着火温度的变化。Howard和Essenh咭h指出存在一个一定的颗粒临界尺寸，此处火焰固定在颗粒表而上，这个事实表明对于小