循环流化床锅炉原理-第五章-燃烧系统

1、循环流化床锅炉燃烧系统第一章 煤粒的燃烧v煤的介绍v煤的成分v煤的燃烧反应第一节 煤的介绍v 煤是埋藏于地层内已炭化的可燃物。根据埋藏年代及煤化程度的差异，煤可分为泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤四类。v A 泥煤v 泥煤的煤化程度最低，有的可隐见木质纤维。泥煤多是由沼泽地带的植物沉积构在空气量不足和存在大量水分的条件下生成的。其含水量高达80一90左右，因而泥煤干燥以后方可用于燃烧。v 泥煤质软、强度低，运输损失大，并且容易氧化，不宜长期储存，多就近用作民用燃料或用于气化和制作肥料。v B 褐煤v 褐煤是植物炭化的第二期产物，但煤化程度仍较低。其颜色一般为褐色或深褐色，无光泽，含木质构造。v 褐煤的

2、水分与挥发分含量较泥煤的低，碳分则增高。新开采的褐煤含水在3550左右。可燃基中含碳约6575，氢4.5一6.5，氧1525%，其余为氮和硫，挥发分在40%以上。灰分在干燥基中的含量约为1133%。应用基发热量通常只有12545一16726kJkg。褐煤易燃，在空气中自燃着火温度为250450。v 褐煤可用作工业或生活燃料，也可用作气化与低温干馏用原料。因褐煤易裂散和氧化，故它仍多被就近利用。v C 烟煤v 烟煤是煤化程度较高的煤，其中已完全看不见木质构造。其外观为黑色或灰黑色，有沥青似的光泽。烟煤质硬，有较高的强度，燃烧时出现红黄色火焰和棕黄色浓烟，含有沥青气味。v 同褐煤相比，烟煤含水显进

3、一步减少(内在水分在10以下)，氧和挥发分亦减少，碳分与发热量则增高。其可燃基碳含量约80一90，氢46.5，含氧量一般在315之间，氮与硫含量同褐煤的相近，挥发分为1040，发热量达3178036380kJkg。应用基烟煤低发热量在2090833453k Jkg之间。供应状态的烟煤原煤一般含内在水分25，灰分在20一30左右。v 烟煤较易着火，自燃着火温度约400一500。最重要的用途是炼制冶金焦炭，它也可作燃科和低温干馏与气化用原料，在工业上具有重耍的地位。v D 无烟煤v 无烟煤也称“白煤”，色黑质坚，有半金属似的光泽。其煤化程度最深，它是由烟煤在炭化过程中进一步逸出挥发分与水分，相应增

4、高碳分而形成的。可燃基中碳分一般高达90以上(90一97)，氢与氧均约14，挥发分在10以下。无烟煤的内在水分多在3以下，灰分和烟煤的相近，低发热设在33453kJkg左右(可燃基)。v 无烟煤燃烧时几乎不产生煤烟，火焰很弱成无火焰，不粘结，自燃着火温度在700左右，无烟煤通常用作动力和生活用燃料，也用于制取化工用气。v 煤的化学成分为有机质、矿物质灰分及水分。v 有机质主要包括碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)元素的化合物。上述元素在与氧气发生燃烧反应时放出热量，故C，H，O，N，S及其化合物又称可燃质。v 矿物质灰分主要包括钙、镁、铁等金属盐，金属氧化物，微量氯化物以及微量氯

5、元素。如硫酸钙，硫酸亚铁硫酸镁，碳酸钙，碳酸镁，氧化硅，氧化铝，氧化钙，氧化亚铁，氧化铁；稀有金属氧化物如氧化钛，氧化锰，氧化钒；碱土金属氧化物如氧化钾，氧化钠等。v 水分分为化合结晶水及游离水。化合结晶水在低于100时不析出；游离水吸附于煤的表面或毛细孔中，吸收热量时可析出。v 矿物质灰分及水分不发生化学反应，不产生热量，故对作为燃料的煤而言皆为杂质。v 可燃质并非以元素形式存在，而是复杂的化合物，与氧发生燃烧反应时产生一系列的化合、分解反应，伴随热量的释放。其值可通过化学计量方程式表示它仅表示反向物与生成物之间的数量变化关系，而与反应的实际历程无关。第二节 煤的成分v （1）碳(C) 碳是

6、燃料中主要可燃元索，单质的热值为32800 kJ/kg。在燃料中。碳基本上不以自由碳形式存在，而是与氧、氮和硫等结合在一起，形成复杂的有机化合物。v （2）氢H) 氢是燃料中另一种主要的可燃元素，其热值很高，为142000 kJ/kg ，约相当于碳的热值的四倍半。但它在煤中的含量比碳少得多，其质量含量为2。6。氢在燃料中有两种存在形式，一种是与碳、硫、氮等元素结合在一起的氢，它对燃烧放热有贡献，通常称可燃氢，或有效氢；另一种是与氧化合生成为水的氢，通常称为化合氢，燃料燃烧时，化合氢不再参加反应。在计算燃料的热值和理论空气需要量时，应以有效氢含量为准。v （3）硫(S) 硫是燃料中最有害的可燃元

7、素。它在燃烧时可以放出少量热量，其热值为9210 kJkg，约为碳的热值的13。但其产物为SO2和SO：，这些气体与烟气中的水蒸气结合，生成腐蚀性很强的硫酸和亚硫酸，司严重危害人体健康、污染环境、腐蚀燃烧设备和金属表面，有时还会影响加热产品的质量。我国的大部分煤中含琉量一般在0.53范围内，亦有少数煤种超过3。虽然硫在固体燃料中的含量不太大，但由于其危害性大，因此使用中应严格控制其含量。v 硫在煤中有下述三种存在形态：v 有机硫：它们是燃料的原始动植物体中的S，均匀地分布在煤体中，与煤中其它元素C、H、O)结合成复杂的有机化合物，是煤体的一部分，这种硫是可燃烧的。v 黄铁矿硫： 它们是煤形成过

8、程中从外部夹杂而来的，通常与铁、铜等金属化合，以金属硫化物的形式存在(如FeS，CuS、ZnS，其中最常见的FeS2)。这种硫也可以燃烧，它们与有机硫合在一起总称可燃硫，元素分析给出的含硫量指的是可燃硫的含量。v 硫酸盐硫： 它们也是无机硫的一部分，然而是以金属盐形式存在的，如CaSO4， MgSO4，FeSO4等。由于这种形态的硫已经充分氧化，不再参与燃烧反应。燃烧后，它们几乎不分解地转入灰渣中去。硫酸盐硫是由地下水和周围的矿石带到煤中来的，我国煤中的硫酸盐含量大部低于0.1，仅有少数煤种超过0.3，因而当煤质分析资料中仅给出硫的总含量时，有时可用其全硫含量作为可燃硫来进行热工计算。v v

9、（4）氧(O) 固体燃料中的氧是以化合状态存在的，它的存在对燃烧没有任何帮助，相反由于它已经与可燃元素碳、氢结合，相对减少了这些元素的可燃组分含量，从而使燃料的热值降低。煤中的氧含量一般根据其它成分的测定值间接算出来v 木材和泥炭的氧含量较高，甚至可高达40。随着煤的炭化程度的加深出，氧含量逐渐降低，一般无烟煤的氧含量只有24。v （5）氮（N） 氮是燃料的内部杂质。固体煤中含氮不高，通常仅约0.52.5。一般情况下，氮不参加燃烧反应。燃烧后，它以游离状态转入燃烧烟气中。氮的存在也相对减少了燃料中可燃物质的含量，对燃烧没有帮助。在高温条件下，氮可与氧反应生成NO，这也是严重污染环境的有害气体。

10、v （6)灰分(A) 灰分指的是煤中所含的矿物杂质(主要是碳酸盐、粘土矿物以及微量稀土元素)在燃烧中经过高温分解和氧化而生成的固体残留物，其成分分布大致为；SiO2，v4060；Al2O3， 1535； Fe2O3， 525： CaO， 115； MgO， 0.58：Na2O十K2O， 1一4。v 灰分含量高不仅降低煤的热值，而且还容易造成着火困难、燃烧结渣、燃烧不完全，同时给设备维护和操作带来困难。对于炼焦用煤来说，一般规定入炉前的灰分不超过10。v （7）水分(W) 水分也是燃料中的杂质，它的存在降低了燃料中可燃质的含量，而且在燃v烧时，它变成水蒸气，而水蒸气还要被加热，这都要额外消耗部分

11、热量。v 固体燃料中的水分包括外在水分和内在水分两部分。外在水分指的是附着在燃料表面的v水分，其含量与大气的温度和燃料的存放条件有关。当把燃料磨碎并在大气中风干后，外在水分即可消除。内在水分指的是燃料达到风干状态后仍然残留的水分。它包括被燃料吸收并均匀分布在可燃质中的化学吸附水和存在于矿物杂质中的结晶水。内在水分只有在高温下才能除去。v元素组成的表示基准v(1)收到基组分(Xar)v 收到基组分以包括全部组分在内的燃料成分总量作计算基数，有的资料称之为应用基组分或工作基组分。各组分在收到基燃料中的质量百分数称为收到基组分，它们的关系为：v Car十Har十Sar十Oar十Nar十A ar十Wa

12、r100() v式中的各项依次为碳、氢、硫、氧、氮、灰分和水分在收到基中的质量百分数。其中Sar是可燃性硫的质量百分数，煤中的全水分(War)包括外在水分(Mf)和内在水分(Min）两部务。煤中的外在水分很容易受到气候、运输和存放条件的影响，故收到基组分经常因水分的波动而不能准确反映燃料的基本燃烧性质，为此引入空气干燥基组分。v (2)空气干燥基组分(Xad)v 空气干燥基以60空气风干后的燃料成分总量作为计算基数，此时燃料中的外在水分已经退出，剩留在燃料中的仅为其内在水分。燃料的空干基组分可以写为：vCad十Had十Sad十Oad十Nad十Aad十Wadl00 v式中的Wad是空干基水分v

13、(3)干燥基组分(Xd)v 干燥基组分指的是除去所有水分后而剩下的燃料组分，可用下式表示 。v Cd十Hd十Sd十Od十Nd十Ad100 ()v为了获得干燥基组分，必须将燃料加热到超过100的温度，这样才能将内在水分除去。燃料中的灰分也容易受到开采、运输和存放等条件的影响。为了更确切地表示煤的化学组成特点，人们又引入干燥无灰基组分。v (4)干燥无灰基组分(Xdaf)v 干燥无灰基组分是指除去水分和灰分之后剩下的燃料成分，使用五种元素在燃料中的质量百分数来表示的成分，即v Cdaf十Hdaf十Sdaf十OdafNdaf100 () v干燥无灰基组分不受水分和灰分的影响，可以较真实地反映照料的燃

14、烧性能。因而在煤矿的煤质资料一般用干燥无灰基组分表示，并用此来区分煤种及其属性。在元素分析中，习惯上把氧和氮都归为燃料的干燥无灰基组分，但按氧和氮的化学性质来说，它们并不是可燃元素。干燥无灰基中的S是由有机硫和黄铁矿硫两部分组成。在干燥无灰基中除了黄铁矿硫之外，其它都是有机物。实际上黄铁矿硫也是在燃料形成过程中由外部带来的，其含量并不稳定。因此只有有机可燃物才是燃料中最基本的可燃成分，于是又提出了更能反映燃料性质的干燥无矿物质基组分。v （5）干燥无矿物质基组分(Xdmmf)v 干燥无矿物质基组分以燃料中再除去黄铁矿硫后所剩的有机质总量作为计算基数，燃料的干燥无矿物质基组分可写成：v Cdmm

15、f十Hdmmf十SdmmfOdmmf十Ndmmf 100()v 干燥无矿物质基组分是研究燃料的形成、判定燃料类别以及分析燃料性质时最有用的表示方法。不过在动力设备的一般设计和运行中的应用并不广，这是由于黄铁矿琉在燃料中的含量不大，且普通的分析实验室多半只能测出燃料中的含硫量。因此在应用中大多采用干燥无灰基作为判断鉴定燃料特征的主要数据。第二节 煤的燃烧反应22222222222222222C+ O CO +408177 J/mol1C+OCO+123017 J/mol21CO+OCO +285160 J/mol2CO +C CO162142 J/molCH O COH118628 J/molC

16、OH O COH43514 J/mol1H +OH O(l)+285745 J/mol21H +OH O(g)+241646 J/mol2C42224222H +2OCO +2H O(l)+889496 J/molCH +2OCO +2H O(g)+801553 J/mol24222242222222242422222C H +3O2CO +2H O(l)+1409638 J/molC H +3O2CO +2H O(g)+132151 J/mol3H S+OH O(g)+SO +517237 J/mol2C+2HCH75240 J/molCO+3HCH +H O(g)+203566 J/mol

17、1C+NOCO+N +19646 J/mol21C+NOCO +N +426360 J/2222222molC+2NOCO +N +572660 J/mol11C+NOCO+N +125400 J/mol24S+OSO +289055 J/mol燃烧分类v按颗粒尺寸按颗粒尺寸v 1细颗粒焦炭燃烧细颗粒焦炭燃烧v 当燃用0一10mm宽筛分煤粒时，其中必然有一部分细颗粒。不同煤种所占份额会不同。另外粗颗粒煤在燃烧时经一级、二级破碎和磨耗也会产生一部分细颗粒焦炭。细颗粒焦炭一般小于50一100m。燃烧区域大部分在炉膛上部的稀相区，也会有少量在高温分离器内燃烧。部分细颗粒由于随颗粒团运动而被分离器捕集

18、，其余部分则逃离分离器，构成锅炉飞灰末燃尽损失的主要部分。v 2焦炭碎片燃烧焦炭碎片燃烧v 碎片尺寸相对较大，这种燃烧是由一次破碎和二次破碎产生。代表性尺寸为500-1000m 。碎片在炉内的停留时间与平均床料的停留时间也很接近。对于焦炭碎片，作为飞灰逃离炉膛和由床层底部冷渣口排出炉膛的可能性不大。因此外循环倍率是影响焦炭碎片停留时间的主要因素。分离器效率高，固气比高，循环倍率也会提高，有利于焦炭碎片燃尽。v 3粗颗粒焦炭燃烧粗颗粒焦炭燃烧 粗颗粒焦炭直径大于1mm，其阿基米德数比平均床料的阿基米德数要自得多。因此，这些额粒焦炭和床料间的相对速度高。这些粗颗粒一部分在炉膛v下部密相区燃烧，一部

19、分被带往炉膛上部稀相区继续燃烧。被夹带出炉膛的这些额粒也很容易被分离器捕集后送回炉膛内再燃，因而粗颗粒在炉内的停留时间长，燃尽度高。粗颗粒一般从炉膛底部的冷渣口排出。租颗粒炉渣的含炭量很低由粗颗粒煤粒产生的固体未完全燃烧损失最小。v按燃烧特征按燃烧特征v1.表面燃烧 燃烧反应在燃料表面进行。常发生在几乎不含挥发分的燃料中。v2.分解燃烧 由热分解产生的挥发分在离开燃料表面后，再与氧气产生气相燃烧。常发生在热分解温度很低的固体燃料。v3.蒸发燃烧 燃料在燃烧前先熔融成液体，然后再进行蒸发和燃烧。常发生在熔点较低的固体燃料。v4.冒烟燃烧 对一些易热分解的固体燃料，当温度较低，挥发分无法着火时，会

20、冒出大量浓烟，使大量可燃物质散失在烟雾中。 v按燃烧方式v1.层状燃烧v2.室式燃烧v3.沸腾式燃烧 v层燃法是将固体燃料放在炉排上，形成有一定厚度的燃料层。大部分燃料在燃料层中进行燃烧，这种燃烧方式又称为火床燃烧。炉排是有缝隙的，允许空气自下向上流过。这样少量的细小煤颗粒会被吹到燃料层上方，它们与燃料热分解析出的挥发分及焦炭的不完全燃烧产物co一起，在燃料层上方空间中进行燃烧，形成气相火焰。v 室燃法则没有燃料层存在全部燃料均在燃烧室内进行空间燃烧，这种方式又称为火室燃烧。以这种方式燃烧时，燃料与空气边混合边燃烧，并不断随同空气和燃烧产物在燃烧室内运动。为使固体燃料能够悬浮在空气中且与空气混

21、合良好，必须将煤磨成细粉，再用空气吹入燃烧室内以进行燃烧。依照煤粉吹入形式及颗粒度的不同，室燃法又分为煤粉火炬燃烧和旋风燃烧两种主要形式。v 煤粉火炬燃烧与气体照料和液体燃料的火炬燃烧相似，煤粉和空气的混合物由燃烧器喷入燃烧室内而发生燃烧。旋风燃烧主要使用粗煤粉，也可用小煤屑，它的特点是在圆柱形筒体炉膛内组织旋涡燃烧。采用旋风燃饶时，煤粉和空气之间的相对速度增加，煤粉在炉膛内的停留时间加长，因而容积热负荷有很大提高。v 沸腾燃烧是介于火床燃烧和火室燃烧之间的一种燃烧方式。燃烧所用的燃料不是大煤块，但也不象煤粉那样细，而是中等大小的颗粒。燃料送入炉中时将先落在布风板上，当从炉留下部流入的空气具有

22、较高速度时，燃料颗粒可被气流所“流化”，进行着类似液体沸腾那样的运动，燃料使在这种流动状态下进行燃烧。燃烧理论v碳的燃烧过程碳的燃烧过程v碳的燃烧为固相（碳）和气相（氧）之间的燃烧反应，在碳表面上进行，与整个容积中进行的均匀气相燃烧反应有很大差别。v1.氧扩散到碳表面；v2.氧吸附在碳表面；v3.氧与碳进行化学反应，产生生成物；v4.生成物由碳表面解吸；v5.解吸后的生成物扩散到周围环境。v碳的反应过程要经历初级反应，以及其后的次级反应。在初级反应中，碳首先与吸附的氧气进行反应，以及生产一种处于中间状态的碳氧络合物C3O4，这种络合物在其他氧分子的撞击下再离解成 CO2和CO ，即 3C+2O

23、2 C3O4 C3O4+O2+C 2CO 2 CO2v在高温条件下，这种络合物也可能分解成 CO2和 CO ，即 C3O4 2CO CO2v这些由初级反应生成的CO2和CO再与碳和氧进行以下次级反应：v1. CO2与炽热的碳表面所进行的还原反应，这是一个吸热反应，表示为： CO2+C 2CO v2. CO与氧在碳周围空间所进行的容积反应，这是一个燃烧放热反应，表示为： 2CO +C CO2v初级反应与次级反应间的耦合关系同温度的关系很大：v1.温度低于700 时 这时由初级反应生成的CO2和CO由于温度不高， CO2和碳表面不能进行还原反应， CO也不能和氧进行燃烧反应。氧由周围环境的浓度一路

24、递减到碳粒表面的浓度，而CO2和CO则由碳粒表面向四周扩散，故浓度一路递减。v2.温度为800 1200 时 初级反应生成的CO2和CO中， CO2 仍然不能和碳产生还原反应，但CO已经能和氧进行容积反应生成CO2，并形成火焰前峰。由容积反应生成的CO2与表面反应生成的CO2汇合后，再向周围环境扩散。经容积反应后，剩余的氧继续向炭表面扩散v3.温度高于1200 1300 时 由于温度较高，在碳表面进行的反应加速，生成更多的CO2和CO，同时CO2和CO与碳的还原反应也因温度升高加速，增加了向外扩散的CO量。这些CO在向外扩散的过程中又与向碳粒扩散的氧反应成CO2，并形成火焰前峰。在火焰前峰处，

25、 CO2浓度达到最大，并向周围环境和碳粒表面扩散。扩散到碳表面的CO2可与碳进行还原反应，反应所需热量由火焰前峰提供。这时氧已经不能达到碳粒表面，故碳表面的反应可以认为是借助CO2作为载体，间接把氧送到碳表面。v碳和氧的反应碳和氧的反应 如前所述，碳的反应过程要经历初级反应生产碳氧络合物C3O4 ，然后离解成 CO2和CO。但在不同温度下这一从氧吸附到碳表面生成络合物络合物离解的过程中，每一个过程的速率是不同的，所以所其起到的作用也是不同的，并导致了CO2和CO在数量上有所不同。 1.温度略低于 1300 时 2.温度超过1600 时1.温度略低于温度略低于 1300 时时 由于温度不高，化学

26、反应速度不高，所以对碳燃烧速率起到制约作用的是影响化学反应速度的络合物生成和离解速率，而氧溶入碳（化学吸附）的速率相对而言很高。此时碳表面几乎都被溶入的氧占据，其中一部分碳（所占份额为,0 1）表面上的氧进行络合作用，生成C3O4 ；另一部分碳表面（所占份额为1 ）上则已盖满了络合物。这些络合物正在离解。 如果以氧的消耗速率来表示化学反应速度，则络合物的生成速率表示为其中k1络合物的生成速率常数。络合物离解速率表示为 其中k2络合物的离解速率常数； Cs碳表面处氧浓度。当络合物生成速率和离解速率达到平衡时，进入稳定燃烧工况，此时燃烧速率为上式消去;可得11W = k22sC (1)W = k2

27、o121sWW WkkC(1) o12s1W11kk Cv由上式可以看出: （1） 当碳表面氧浓度很低时,Wok2Cs，这时为一级反应，且燃烧速率取决于络合物离解速率常数k2 ，而与络合物生成常数k1几乎无关。 （2）当碳表面氧浓度很高时， Wok1 ，即此时燃烧速率取决于络合物生成速率常数，而与络合物离解速率常数和碳表面氧浓度几乎无关。 由于空气中氧含量为23.2，所以在碳燃烧时碳表面氧浓度不会很高，因此，此种温度下，燃烧可以看成一级反映。2.温度超过温度超过1600 时时v这时温度很高，化学反应速率很高，氧吸附形成的这时温度很高，化学反应速率很高，氧吸附形成的络合物在这种高温条件下不需经受

28、氧分子的撞击自络合物在这种高温条件下不需经受氧分子的撞击自行热分解。行热分解。v这种条件下，在吸附络合分解三个环节中，相这种条件下，在吸附络合分解三个环节中，相对而言吸附速率最低，因此对碳燃烧速率其制约作对而言吸附速率最低，因此对碳燃烧速率其制约作用，这一反应是一个与氧浓度成正比的一级反应，用，这一反应是一个与氧浓度成正比的一级反应，燃烧速率表示为燃烧速率表示为v Wok3Csvk3是氧吸附速率常数是氧吸附速率常数v碳和碳和CO2的反应的反应v 碳和碳和CO2的反应是一个吸热的还原反应。这一反应在温度不高的时的反应是一个吸热的还原反应。这一反应在温度不高的时（小于（小于800 ），反应速率几乎

29、为零；只有当温度超过），反应速率几乎为零；只有当温度超过800 以后，以后，反应速率才较显著，而且只有当温度很高时，其化学反应速率常数有可反应速率才较显著，而且只有当温度很高时，其化学反应速率常数有可能超过碳氧化反应速率常数。能超过碳氧化反应速率常数。v 反应过程中，反应过程中， CO2先和碳形成络合物，然后络合物分解成为先和碳形成络合物，然后络合物分解成为CO，并，并解吸离开碳表面。络合物分解可能是由于自行分解，也可能是受到其他解吸离开碳表面。络合物分解可能是由于自行分解，也可能是受到其他CO2分子撞击所致。分子撞击所致。v随着温度的不同，这一反应的机理有所不同，温度高于随着温度的不同，这一

30、反应的机理有所不同，温度高于700时，制约反时，制约反应速率的过程是络合物热分解过程；温度高于应速率的过程是络合物热分解过程；温度高于750时，制约过程是络合时，制约过程是络合物在物在CO2高能分子撞击下的离解作用，反应为一级反应；温度更高时，高能分子撞击下的离解作用，反应为一级反应；温度更高时，化学反应吸附速率将成为制约的因素，此时，仍为一级反应。化学反应吸附速率将成为制约的因素，此时，仍为一级反应。v在碳燃烧时可能氧化和还原反应都在进行，这两种反应的速在碳燃烧时可能氧化和还原反应都在进行，这两种反应的速率高低对燃烧过程有很大影响。研究表明：率高低对燃烧过程有很大影响。研究表明：v（1）就化

31、学反应速率常数而言，如以煤为例，则只有在高）就化学反应速率常数而言，如以煤为例，则只有在高温下，还原反应速率常数才会超过氧化反应速率常数。温下，还原反应速率常数才会超过氧化反应速率常数。v（2）如果考虑浓度对反应速率的影响，由于在燃烧时，碳）如果考虑浓度对反应速率的影响，由于在燃烧时，碳粒处于包围中，故碳表面上的粒处于包围中，故碳表面上的CO2浓度要高于氧浓度，尤其浓度要高于氧浓度，尤其在燃尽阶段氧几乎消耗殆尽，而在燃尽阶段氧几乎消耗殆尽，而CO2浓度却将达到最高值。浓度却将达到最高值。因此在碳表面的因此在碳表面的CO2浓度高于氧浓度，由此，对还原反应更浓度高于氧浓度，由此，对还原反应更有利。

32、因此，在温度很高的情况下，碳表面的还原反应可能有利。因此，在温度很高的情况下，碳表面的还原反应可能高于氧化反应速率，此时，碳主要靠还原反应烧掉。高于氧化反应速率，此时，碳主要靠还原反应烧掉。v（3）由于氧化反应为强烈的放热过程，故当反应强化时放）由于氧化反应为强烈的放热过程，故当反应强化时放热更多，温度更高，这将进一步促进反应速率的提高，因此热更多，温度更高，这将进一步促进反应速率的提高，因此氧化反应具有自我促进的特点。而还原反应为吸热过程，如氧化反应具有自我促进的特点。而还原反应为吸热过程，如果强化反应，则吸热需增加，这样将导致温度下降，使反应果强化反应，则吸热需增加，这样将导致温度下降，使

33、反应速率下降，故还原反应有自我抑制的特点。速率下降，故还原反应有自我抑制的特点。v碳和水蒸气的反应碳和水蒸气的反应v 这是一个吸热反应，一般可认为是一个一级反应，在高温条件下，反应速率才较显著。v 这一反应也需要经过吸附络合分解等过程，其中络合物生成和分解制约反应速率。v碳的燃烧速率，在有水蒸气加入时要比CO2加入时更高，原因不在于化学反应速率，而是由于水蒸气的分子量小于CO2的分子量，使水蒸气的分子扩散快于的分子扩散，从而加快了碳的燃烧，一般比加CO2快3倍左右。22C+H O()CO+H气v吸附和解吸对碳粒燃烧的影响吸附和解吸对碳粒燃烧的影响v 吸附和解吸是碳粒燃烧的重要过程。温度很高时，

34、碳表面的化学反应速率很高，此时，碳表面吸附氧的速率就可能成为制约碳燃烧速率的因素。v 设在碳表面中吸附氧的表面占总表面积的份额为,则(1)就是未吸附氧气的表面积所占份额，显然，已吸附氧的表面不能再吸附氧，但可以解吸氧，其速率与成正比；没有吸附氧的表面能够继续吸附，速率与(1)和碳表面的氧浓度Cs成正比。若吸附和解吸已经平衡，则不再变化，此时v式中 k1和k-1分别为吸附和解吸速率常数。v由此解的v令k k1 k-1，则v 由于化学反应只能在已吸附氧的表面进行，因此当增加时，反应速率就可能增加，当Cs很小时， ；当Cs很大时，1s-1k C 1k（ ） 1s1s-1k Ck Ck sskCkC1

35、skC1v碳粒燃烧速率综合表达式v 假设：v （1）不考虑碳粒表面的裂缝，认为碳粒是一个致密的球体，其直径为d；v （2）在碳化学反应中仅考虑碳表面的氧化反应，并认为这一反应是一个一级反应，不考虑次级反应的影响；v （3）不考虑吸附过程和解吸过程的影响。OCsWkCv周围环境向碳球表面扩散的氧速率WOD为v v式中: 传质系数；v Co 周围环境氧浓度 v Cs 碳表面氧浓度v这些氧扩散到碳表面并被吸附后，即与碳进行化学反应。如果用氧的消耗率来表达碳的燃烧速率WOC，则可写出v在稳定燃烧时 WODWOC ，于是有v因此当Co一定时WOCf（ ，k） ODDosWCC （）OCW1koDC11D

36、Dv其中v而v其中Sh为舍伍德准则；Sc为施密特准则；Re为雷诺数；D为扩散系数；v当气流和碳球之间相对速度不大，雷诺氏很小时。v另外v把两个参数代入，并考虑碳和氧反应时的化学当量比f，于是，得出直接以碳消耗量来表示碳燃烧速率c0E-RT0fCW =d1+2Dk eE-RT0k = k e2DDd1/21/3Sh= 2+0.5(Re) (Sc)Sh2DSh Ddv根据WC和T的关系式，把燃烧分为三个区：v1.动力燃烧区v此区中温度很低，化学反应速率常数k很小，反应速率很低，好氧速率很低，故碳表面氧浓度几乎等于周围的氧浓度。此时，碳燃烧速率主要取决于化学反应速率，并随温度增加呈指数增加，故又称为

37、化学动力控制区。此时v2.扩散燃烧区v此区中温度很高，化学反应速率常数k很大，耗氧速率很高，使得碳表面氧几乎耗尽。故碳表面氧浓度几乎为零，由此，碳燃烧速率取决于供氧速率的高低（即氧扩散速率高低），而温度的影响较低，故又称为扩散控制区。此时v3.过渡燃烧区E-RTC000WfkC = fk eCCD000DWfC = fkCdv碳粒燃尽时间碳粒燃尽时间v有直径为dc的碳球，在经过 燃烧时间后，若碳球直径缩小d(dc ) ， 则相应碳球质量减少速率可推导如下:v碳球质量v故v式中 为碳球的密度，由于推出的速率是对整个碳球的燃烧速率，所以，有v于是求出v由于碳球在不同燃烧区速率不同，故燃尽时间也不同

38、。3cccM =d62cccccdMd(d )W =dd2d 2cccW = d Wcccd(d )2W=ddv（1）动力燃烧区vdc0是碳球原始直径。因此碳球的直径随时间成线性变化，令dc=0，可求出燃尽时间v（2 ）扩散燃烧区v因此碳球直径随时间的变化成平方关系，求出燃尽时间为v ccd(d )2=d01fkCkcc0dd1kc0bd1kc2ccd(d )22=dD00fCfC Sh Dkd22cc02ddk2c0b2dkv碳粒内孔对碳粒燃烧速率的影响v 实际的煤粒上有许多被称为内孔的裂缝,可能是煤粒固有的裂缝也可能是由于水分和挥发分析出形成的。碳粒的燃烧不仅在碳外表面上进行，也可能在裂缝

39、形成的内孔表面上进行。但是，不同温度下，碳粒内外表面参与化学反应的情况不同v（1）温度较低时v 此时，化学反应速率较低，氧扩散速率大于内外表面所进行的化学反应所需量，因此在碳内外表面各处的氧浓度相同并等于碳外表面处的氧浓度Cs。所以，这时以相同氧浓度条件参加化学反应的总表面（假定为直径为r的球体）将是v式中S1为折算的碳球单位体积的内表面积，或称为比内表面积。v 所以以S与碳球外表面积相比，相当于增加了 倍，从而增加了碳球的燃烧速率。通常把这个放大系数考虑在反应速率常数k上，即认为效率相当于化学反应速率放大到原来的 倍。因此这个倍数被成为放大系数232114rS = 4 r +r S = 4

40、r (1+S )331r(1+S )31r(1+S )3v（2）温度较高时v 此时，由于化学反应速率较高，以至于扩散到碳表面的氧在外表面已经消耗殆尽，使碳粒内表面不能再参加化学反应，因此，这时反应速率常数不需要再放大，即放大系数为1v当碳粒温度从低向高变化时，相应的化学反应速率常数放大系数在 和1间变化。因此，取 。被称为化学反应有效渗透系数，说明了化学反应深入到内表面的程度。此时，化学反应速率为v氧浓度为=ra30oCsDCWk(1+)C =11+k(1+)11SS0sDCC =k(1+)1+1S1r(1+S )3v（1）在高温，大颗粒时，因为v这时碳粒燃烧速率取决于氧扩散速率，而v化学反应

41、完全在碳粒外表面进行，有效渗透深度为0，碳粒表面的氧浓度远低于周围环境的氧浓度，近似为0。v（2）在低温，小颗粒时，因为v这时碳粒燃烧速率取决于内外表面的化学反应速率，而v燃烧速率与碳的裂缝情况以及氧在内表面的扩散有关。D11k(1+)1SD11k(1+)1SoC0Wk(1+)C1SoCD0WC第四节 着火与熄火第二章 循环流化床的燃烧v循环流化床的燃烧过程v煤的破碎特性v煤的磨损特性v挥发分的析出及燃烧v碳的燃烧v燃烧特点v低温/强化燃烧,温度为850-1000度,低于层燃和煤粉炉,低于灰渣变形温度100-200度.容积热强度相当于链条炉的5倍。具有燃料适应性强，能降低污染等优点。第一节 循

42、环流化床的燃烧过程v（1）煤粒得到高温床料的加热并干燥；v（2）热解及挥发分燃烧；v（3）对某些煤种会发生颗粒膨胀和一级破碎现象；v（4）焦炭燃烧并伴随着二级破碎和磨损现象。v加热速率：v边界条件为: v v 其中 为大颗粒粒径； 为细颗粒床料的粒径； 流化气体的热导率； 为煤的黑度； 为Stefan-Boltzman常数； 和 煤粒和床料的温度p 0.1440.62vbsugpvbsdTTN =0.33Re+Kdd (TT ) 335 1012 10mvd9002500RevdpdgKpbTsTv v 煤粒在流化床中的燃烧过程煤粒在流化床中的燃烧过程第二节 破碎和磨损特性v煤粒在流化床内的破

43、碎特性是指煤粒在进入高温流化床后其粒度发生急剧减小的一种性质。而就流化床内粒度变化而言，引起的因素除破碎外还有颗粒与剧烈运动的床层间磨损以及颗粒与埋管受热面的碰撞等。事实上对破碎和磨损很难确切区分，磨损就其本质而言是一种缓慢的破碎过程，它着重于固体颗粒间的机械摩擦作用，作用的结果是颗粒表面粗糙不平的物质以磨损细粒形式分离，因此影响颗粒磨损的主要因素是颗粒表面的结构特性、机械强度以及外部操作条件等。磨损的作用贯穿于整个燃烧过程，而燃料颗粒的破碎则主要是自身因素引起的使粒度变化的过程，并且具有短时间内快速改变粒度的特点。v (1)磨蚀：比原始颗粒小得多的颗粒从原始颗粒上分离下来，导致床内颗粒明显地

44、小于原始颗粒。v (2)破碎：破裂过程今产生比原始颗粒更小的一些颗粒。v一级破碎：由于挥发分逸出产生的压力和孔隙网络中挥发分压力增加而引起的 v二级破碎：由于作为颗粒的联结体一形状不规则的联结“骨架”(类似于网络结构)被烧断而引起的破碎。v逾渗破碎：产生的炭粒子碎块，其颗粒尺寸虽不足以扬析，但在动力工况控制下也可进行燃烧v破碎比：v即破碎后的颗粒的总数与投入时原始煤粒的总数之比，一旦发生破碎，的值恒大于1。值的大小一定程度上反映了煤粒的破碎特性，其值越大表示单位颗粒的破碎数越多。v破碎后粒度变化率v v式中 某粒度范围内的质量比率；v 某粒度范围的平均直径，mm；v 投入时原始煤粒直径，mm。

45、v综合的破碎指数 outfinNN =Nni 1iid0X dF =dfsdNF =FiXid0d破碎比随时间变化的曲线破碎比随时间变化的曲线 磨损v美国B&W公司基于焦炭燃烧和磨损一并发生的特点，通过系统的试验，提出了所谓CEMA(即燃烧强化的机械磨损)概念，其特征在于煤粒在流化床中的磨损并非是唯一地由于颗粒相互的物理碰撞所致，而是磨损受燃烧强化，其磨损情况显然与煤种本身以及初始粒度和运行工况条件有关。这种磨损粒子通常在煤粒宏观破碎后以一种轻而多孔的小碎片或细粉形式出现，因而造成些未燃尽的夹带损失，并进进而影响硫化床燃烧效率。 磨损机理图磨损机理图（a）纯机械磨损；（）纯机械磨损；（

46、b）有燃烧磨损）有燃烧磨损v低灰分煤磨损速率近似计算公式：v试验发观，低灰分煤(灰分20)燃烧后生成灰的磨损速度很快，因此，在床内发生的是焦炭边燃烧边磨损的现象。颗粒的形状对共磨损率有很大的影响：颗粒的角比边容易发生磨损，而边比面容易发生磨损。以上的经验公式仅对800930的运行床温适用。第三节 挥发分析出和燃烧v挥发分的析出(或热解)过程是煤粒受到高温加热后分解并产生大量气态物质的过程，热解产物由焦油和气体组成。煤的热解是煤炭转化过程(气化、燃烧、液化、炼焦等)的一个重要的初始过程，并对后续过程有很大影响。Howard曾对流化床内煤中挥发分燃烧放热量作过估计，其值可占煤燃烧总放热量的40左右

47、，另外，挥发分的析出改变了煤粒的孔隙结构，改善了挥发分析出后焦炭的燃烧反应性。v由于流化床内挥发分析出过程远比传统的粉煤热解过程来得复杂，而且挥发分的析出在时间和空间上均比较集中，因此，了解不同煤种在流化床燃烧过程中的挥发分析出特性，对于炉内燃烧过程的组织，特别是集中给煤点附近区域燃烧过程的组织具有重要意义。近年来这方面的研究巳开始受到重视 v热解的阶段：v1 300400 热解主要是A和B键的断裂造成的。长链分子以焦炭存在，短链以挥发分逸出。通常称为焦油；v2 500600 热解产物主要是碳氢化合物气体，水，CO，CO2 ，H2Sv3 800900 热解产物为CO和H2v热解模型：v 单方程

48、反应模型v 双方程反应模型v 多方程反应模型v 多方程组分析出模型v Unger和Suuberg热解模型v 官能团热解模型v 粉煤热解通用模型v 综合考虑传热，扩散传质，热解动力学及二次裂解反应的挥发分析出模型试验研究v现有的有关热解研究的成果主要针对内还是小粒度粉煤热解特性。相关的研究方法主要是采用热天平、沉降炉、电栅网加热等方法，并从测量颗粒的失重角度进行了研究。在数学处理方法上大多采用了反应动力学控制的热解模型来对实验结果进行拟合，以得到一组热解动力学参数。 v通过采用热天平进行热解研究，得到如图的曲线从图所示的结果可以看出，热解速率随着加热速率的提高而增加，并使速率峰值移向高温区。vE

49、ddinger等人采用高加热速率时次烟煤的热解测定结果如图所示，他们发现一个非常重要的现象：当采用很高加热速率时总的挥发分析出且将会超过工业分析所得的挥发分量，并且加热速率越高，超过的量越多。 v通过一些分析系统,可得典型的析出速率曲线图中有两个特征值，个是气态挥发分最大析出速率，另一个是最大析出速率所对应的时间。 v 根据试验结果发现，挥发分析出有明显的两阶段析出特性，v 第一阶段为煤粒进入床内初始阶段的低温快速热解阶段，这一阶段析出大部分的挥发分。v 第二阶段为慢速的高温热解阶段，这一阶段析出的以H2为主，显然挥发分析出速率达到最大值必处在热解的第一阶段，在该阶段中，作为热解产物的主要组成

50、部分，焦油也在热解第一阶段的早期集中析出。由于焦油析出过程包含了很多物理因素在内，要在很短时间里精确获取其动态析出过程相当困难。为此，在确定挥发分析出速率时，假定焦油在0至速率最大时间里线性析出，据此可获得最大的挥发分析出速率。由此，测定的挥发分析出特征参数共三个，即挥发分析出产率挥发分析出产率、最大挥发分析出速率最大挥发分析出速率及挥发分挥发分析出速率达最大值对应的时间析出速率达最大值对应的时间。 v颗粒对挥发分的影响颗粒对挥发分的影响v大颗粒煤在热解初期挥发分的析出速率要明显地比小颗粒煤低，且挥发分析出峰值要比细颗粒煤的析出峰值在时间上来得靠后。另外，由于粒径的增大，增加了热解产物在颗粒内

51、部的滞留时间，这会导致挥发分逸离颗粒途中，在颗粒内部发生二次裂解反应。这里所说的发生二次裂解反应的挥发分，主要是指挥发分中的焦油组分。焦油发生二次裂解反应的结果是：气态组分的生成量增加而焦油生成量减少 挥发分含量较高的大同煤其挥发分析出速率明显高于京西劣质无烟煤，而且大同煤达到最大挥发分析出速率所需的时间(3.5s)比京西劣质无烟煤的(7.5s)要短得多。大同煤的着火性能远比京西劣质无烟煤好。导致着火优劣的原因在于这两种煤在流化床内挥发分析出特性具有很大差异。挥发分析出过程对煤种着火性能有两方面的影响：一方面，大量挥发分的析出并燃烧，反过来加热了煤粒，使煤粒温度迅速升高；另一方面，挥发分的析出

52、也增加了焦炭的孔隙率，改善了焦炭的反应活性。因此，挥发分含量越高的煤，其着火性能也就越好 大大同同煤煤挥挥发发分分析析出出速速率率曲曲线线 京京西西煤煤挥挥发发分分析析出出速速率率曲曲线线 v 挥发分析出过程实际上包括许多复杂的连续和平行热分解反应过程。当煤粒加入床内后，粒子表面立即被床料加热到床温，于是发生化学反应，分子的化学键破裂，从粒子表面到粒子中心形成温度梯度。当粒子内部沿径向各点从表面到中心的温度逐渐升高时，更多的挥发分通过粒子空隙扩散到粒子周围气流中去。v 挥发分析出时的传热、传质过程，决定于煤粒的尺寸、加热速度和周围介质的压力。试验结果认为：粒径小于0.5mm的颗粒，当加热速度达

53、到I000s时，粒子内部不会形成温度梯度；粒径大于1mm的粗煤粒，粒子内部会出现温度梯度和传热过程，尤其是煤粒的孔隙越少和导热性越差的煤粒，温度梯度越大。v 挥发分析出受化学反应速度控制时，挥发分析出的速度与粒径无关，只决定于化学反应常数、最大挥发分含量、活化能和温度。v当挥发分析出受化学反应速度控制时，粒子内部不存在温度梯度，处于等温状态下v式中K为反应速度常数；K0为频率因子;E活化能,T热力学温度;Vmax为一定温度下煤的最大挥发分析出量;V为t时间内的煤挥发分析出量,R为气体常数。解得挥发分析出时间v 当粗煤粒(大子1mm)的挥发分析出受扩散过程控制时，粒子内部存在温度梯度。这是一个处

54、于热解状态下的收缩模型，初始温度为T0，受热后粒子逐步被加热，经过时间t后，粒子表面温度升高到床温TB，并且在粒子表面上一直保持这一温度，由于向球形粒子内部导热，其内部各点的温度运渐升高。 由于粒子内部的不稳定导热，热从粒子表面逐渐向煤粒中心传递，粒子内部温度T逐渐升高，当达到挥发分的热解温度Tpy，煤粒就发生热解，探发分开始析出。随着时间淮移，热不断地向煤粒中心传递，热解的前锋面也不断地向中心推进，当中心温度T0也达到Tpy后，煤的挥发分全部析出，时间为v 从上式中可以看出：当煤粒热解受内部传热控制时，挥发分析出受煤粒半径、煤粒热扩散率、床层温度TB的影响。v 对于大于1mm的租煤粒，粒子尺

55、寸对挥发分析出有很大影响，挥发分全部析出所需时间近似地随煤粒粒径平方的增加而增加，随粒子热扩散率的增大而减小。v 挥发分全部析出时间随着床温的增加而减小，而挥发分析出速度随着床温的增加而加快。因为床温升高粒子表面温度增高，粒子内部传热速率增加。v 氧浓度也影响挥发分析出时间，当煤粒受热后，挥发分从煤粒表面析出时，在围绕粒子周围的气膜中立即着火燃烧。若气膜中氧浓度增加，则燃烧反应进行得更加强烈，粒子表面温度增加，粒子内部传热速率加快，挥发分析出时间减少。v 挥发分的组成相当复杂，但目前所说的挥发分燃烧一般是指甲烷、乙快和乙烷、乙烯的氧化反应。对于挥发分燃烧，最有效的是进行整体反应的研究，以便给出

56、符合实际情况的整体燃烧模型。第四节 焦炭燃烧v单颗粒模型v双收缩面模型v燃烧理论单颗粒模型vAvedesian等人针对0.232.61mm的焦炭粒子，假定：v（1）焦炭表面仅发生CO2的还原反应v（2）一次反应物扩散到颗粒周围的反应区，并与外部扩散进来的O2发生燃烧反应，形成CO2v（3）对流的影响可以忽略，传质过程主要是分子扩散；v（4）焦炭粒子密度在燃烧过程中恒定不变，燃烧按“单收缩核模型”进行；v（5）燃烧过程受外部传质控制。双收缩面模型v双收缩表面模型假定球形的焦炭颗粒由两部分组成，中心部分为未反应的焦炭核心，半径和密度分别为r1和 ；另一部分为包裹着焦炭核心的灰壳，其外径和密度分别为

57、r2和 。焦炭的非均相燃烧反应主要发生在焦核的表面，因此焦炭核心的密度始终不变。随着燃烧过程的进行，焦炭核心表面不断向内收缩。根据流化床燃烧的实际情况，控制灰层外表面收缩的是流化床料对灰壳的磨损过程。由于磨损伴随着焦炭的燃烧同时进行，所以整个焦炭粒子有两个不断收缩的表面。12v这两个模型的单颗焦炭燃烧的一次反应过于简单。CO和CO2是焦炭燃烧的两个一次产物，在温度500900度之间，CO和CO2的生成比率为：vR为气体常数，8.3kJ/kmol.K;Tb为床温，Kv当温度高于1100度时，产物基本是CO，颗粒较小，小于1mm时，CO燃烧火焰离焦炭颗粒很近，可以认为，产物基本是CO2v 4001

58、830b2CO= 2exp(5/RT )CO 燃烧理论v单位时间内，单位焦炭颗粒外表面对应的焦炭反应速率为v传质系数vCq，Cs为主气流和焦炭表面氧气分压；v 取决于CO2和CO的比例，12，全为CO2，为1，全为CO，为2；vDo2氧气扩散系数； vR气体常数，8.31vTm为反应膜的平均温度。mqsq= h (C -C )12=o2mcmShDhd RTv1.扩散控制燃烧：v大颗粒焦炭，氧气扩散速率比化学反应速率小的多，氧在向颗粒表面扩散的过程中消耗殆尽，氧气分压为0，燃烧速率md最大，v Mdh mCqv2.扩散动力控制燃烧v 中等粒径的焦炭。氧气在焦炭微孔的传递速率和焦炭的化学反应速率

59、相当，因此氧气在焦炭中的深入程度有限。单位时间内单位焦炭颗粒表面积所对应的焦炭燃烧速率为v WckCsnvWc为焦炭燃烧速率；n为表观反应级数；k为按焦炭外表面积计算的化学反应速率常数。vK0为频率因子，E为化学反应活化能；R为通用的气体常数，8.314；Ts为焦炭的热力学温度。v计算过程中采用的煤种特性参数，必须经过实际的测量得到，保证燃烧预测的可靠性。对于普通的煤的初级反应，反应特性可以取为k08；E9000E-RT0k = k ev3.化学反应动力学控制燃烧v对于少孔的大颗粒焦炭，温度小于900度，多孔大颗粒温度小于700度，小颗粒焦炭温度小于700800度，可能出现这种工况。化学反应速

60、率远小于氧气扩散速率，对于多孔焦炭，氧扩散到整个焦炭，燃烧在整个焦炭中均匀进行，随燃烧进行，密度减小，直径不变，焦炭的燃烧速率可表示为vWc为单位时间单位内孔表面积燃烧速率；R为化学反应速率常数； 为氧气的渗透系数（完全渗透为1）；Ag为单位质量焦炭的微孔壁表面积； 为焦炭体积和外表面的比值； 为焦炭的密度。v在105Pa时，进行拟合，得到回归关系式：ncgcgW =k ACca22680W =305expTcv着火:v着火是个综合因素的结果,反映着火特性的参数必须包含煤种,反应条件,反应器特性。v煤的着火指数vtm是床层最高温度，tb是热平衡条件下循环流化床床温。v煤的反应指数vVad为空干基的挥发