燃烧基本理论

第四节燃烧过程的基本理论

1一、基本概念

从燃烧的角度来看，各种不同燃料均可归纳为两种基本组成:可燃气体如H2、CO及CmHn等固态炭

燃烧是指燃料中的可燃物与空气产生剧烈的氧化反应，产生大量的热量并伴随着有强烈的发光现象。燃烧有两种类型:

普通的燃烧，亦即正常的燃烧观象爆炸性燃烧2普通的燃烧，亦即正常的燃烧观象，靠燃烧层的热气体传质传热给邻近的冷可燃气体混合物层而进行火焰的传播。通常燃烧的火焰传播速度较小，仅每秒几米，燃烧时压力变化较小，一般可视为等压过程。爆炸性燃烧，系靠压力波将冷的可燃气体混合物加热至着火温度以上而燃烧，火焰传播速度大，约为1000—4000m/s。通常是在高压、高温下进行。一般窑炉中燃料的燃烧，属于普通的（正常的）燃烧。3二、煤粉的燃烧研究

对燃烧领域来说，主要关心的是煤的燃烧特性和污染特性

煤粉燃烧特性的研究主要集中在四个方面：煤粉的热解特性，煤粉的着火特性、煤焦的燃尽特性及煤的结渣特性。由于焦的燃烧及燃尽需要更长的时间，故在燃烧过程中更为重要。41.煤粉的热解特性

煤的热解是指煤在加热过程中释放出气体（挥发分）的过程。热解研究应包括两个方面：气态成分的生成过程和固态成分的孔隙结构及形态变化。通常所谈到的煤的热解特性仅指挥发分的析出特性。

5在400℃之前，基本上只有CO2析出在400~~600℃，C2H4、C2H6、CO、CH4和H2相继达到最大值，同时焦油也在形成；在600℃以后主要是H2和CO析出，并达到最大值。通常工业生产中所用到的挥发分含量是煤的工业分析挥发分含量，它是按我国标准规定，将干燥的煤样放在有盖坩埚内，在900±10℃的马弗炉中加热7min，煤样所失去的重量。

实验证明62．

煤粉的着火特性

以煤着火机理研究、煤粉的着火特性实验研究及评判为主要内容

煤粉着火机理的研究已有长达一个多世纪的历程，其中一个主要的争论是,煤的着火是均相还是非均相的。均相着火:一般是指煤中的挥发分热解、聚积到一定程度发生的着火。非均相着火:是指氧气扩散到焦炭表面，直接与颗粒发生反应而着火。

7Essenhigh在其综述文章[15]中给出了着火区域划分图,指出煤粒着火不仅有均相着火与非均相着火，而且还有一个称为非均相—均相的联合着火区（hcterohomgencous）。一般，对于>100μm的大颗粒，且挥发分含量较多的煤，在慢速加热的条件下（<100℃/s），煤中的挥发分有可能在颗粒周围达到着火条件而首先发生均相着火。对于较小煤粒及快速加热条件下，则可能是煤表面首先着火，这就是非均相着火。

81）非均相着火

经典理论是热爆炸理论（ThermalExplosionTheory）即TET理论。1967年Ｅssenhign将煤粒通过一个平面火焰来考察煤粒的着火情况。实验表明，挥发分在平面火焰前后几乎是保持不变，而火焰前后混合物中的ＣＯ２和Ｏ２都发生了显著的变化，据此认为煤在火焰中的着火是非均相的（焦炭首先着火）。Ｅssenhigh[19]认为，大多数情况下煤粒着火是非均相的，他的理由是煤粒着火温度与相同煤粒脱去挥发分之后的煤焦着火温度基本相同，煤粒着火温度与热解温度基本没有关系。

9Ｋimber[21]等认为在快速热解时，煤中的固定炭将随着挥发分的析出而被夹带出，因此Ｏ２与CＯ２的变化并不说明焦炭一定着火。1968年，G．K．Thomas[17]等利用高速摄影技术，对直径为１mm的褐煤颗粒在500℃空气中的燃烧过程进行了研究，发现着火发生在煤粒表面某处，然后煤粒温度升高，直到煤中挥发分析出才见到火焰变大。1989年，Ｗ.Print[18]等人对煤粒在二维流化床中的着火及热解作了系统性的实验研究。结果表明，在较高的温度下（>８００℃）确实是挥发分先析出并着火，在低温下（<４５０℃）则是整个煤粒或煤粒表面某处着火。对极慢的加热速度情况，1985年Ｔognott[22]利用普通热天平对褐煤的着火特性进行了研究，他们发现，因挥发分的慢慢析出，且逐渐扩散到空气中，这样挥发分浓度始终很低，因而不可能着火，此时必定是非均相着火。10２）均相着火煤的均相着火涉及到热解、挥发分的组成和析出速度、以及挥发分的气相反应机理等，而人们对这些了解还很不够，因此发展缓慢。Ａnnamalai和Durbetaki[23]在不考虑多相反应时分析了煤颗粒的均相着火，提出了火焰薄层（ＦlameSheet）模型，其着火判据称为绝热着火准则，即气相反应放热正好可以满足煤的热解吸热和将热解产物加热到着火温度。11Gururajan[25]既考虑颗粒表面的氧化反应，又考虑空间挥发分的气相氧化，建立了单颗粒稳态燃烧的详细模型。模型中着火的判据是：当燃烧状态由低温燃烧或动力燃烧转变为高温燃烧或扩散燃烧时着火发生。模型成功地预报了着火温度随粒径、氧浓度等因素的变化规律，结果与实验相吻合。章明川[26]利用可燃气体浓度极限建立了煤粉均相着火的模型张军和付维标[27][28]在较准确的数值计算基础上，提出了带化学反应的分区简化模型来描述煤粒的均相着火。

123．煤粉的燃尽特性焦炭的非均相燃烧过程控制着煤粉燃烧的总速度，为国内外学者所关注。研究内容：碳与氧的反应机理和燃烧反应速度。对于碳与氧的反应机理，一般认为碳与氧反应时一氧化碳和二氧化碳都是其主要产物，两种产物之比随温度上升而增加，并与碳的种类有关。煤焦的燃烧速度取决于焦的化学反应速度和气流的扩散速度

13总的燃烧速度常数KK=1/（1/Ks+1/Kd）焦的化学反应速度常数Ks一般认为满足Arrhenius公式：Ks=Aexp(-E/RTs)气流的扩散速度可由下式确定[55]Kd=2.3ФD/（dRTa）其中，Ф为化学当量系数，与反应机理有关，在C+O2→2CO时，Ф=2，在C+O2→CO2时Ф=114其他影响因素燃烧速度不仅与边界层扩散有关，而且与氧在孔内的扩散有关。孔内扩散系数与焦的孔隙结构密切相关。煤中矿物组成及含量对煤焦燃烧反应也具有影响。灰分对燃尽影响比较复杂，灰分的增大，一方面会妨碍氧在煤焦内部的扩散，另一方面，增加的灰分中的空隙又会提高氧在煤焦内部的扩散截面积。154．煤的结渣性研究

煤灰结渣是一个复杂的物理化学过程。已提出了许多结渣经验判别指标。美国EPRI（ElectricPowerResearchInstitute）调研表明：已有指数不能完全正确的预报结渣倾向，但有相当的可靠性（70%左右）。其中软化温度，硅比值分辨率最好。何佩敖、张忠孝引入最优分割方法[60]，对用煤灰软化温度T2、SiO2/Al2O3﹑碱/酸比﹑硅比（SiO2×100/SiO2+CaO+MgO+Fe2O3）等参数预报结渣倾向的可靠性进行了研究，对我国的动力用煤，这四项指数的分辨率可达65%左右。而华中理工大学，主要从相图、扫描电镜及X射线分析结果入手，引入模糊综合评判的方法。目前，在水泥行业中，涉及到煤的结渣特性的研究尚未开展，煤的结渣性是否对水泥生产有影响，其影响程度如何，有待于科学的分析。16三、

煤粒着火过程及着火动力学

1．着火的定义

任何燃料的燃烧过程，都有“着火”及“燃烧”两个阶段，由缓慢的氧化反应转变为剧烈的氧化反应（即燃烧）的瞬间叫着火，转变时的最低温度叫着火温度。

Essenhigh指出临界着火的情况下，有的点出现非临界着火时,但有的点出现17某一容器内煤气与空气的混合物，单位时间内由于氧化反应放出热量（放热速率Q放）、单位时间内散失热量（散热速率Q散）与混合气体温度的关系为：Q放=Kexp（-E/RT）Q散=K（T-T0）放热曲线Ⅰ与散热曲线Ⅲ相切的点C叫着火点，该时的温度（Tc）叫着火温度

，即在一定条件下燃料稳定燃烧的最低温度。着火温度并不是一个定值。当氧化反应速率加大（即放热速率很高）或散热速率降低时，均能使着火温度降低。

气体燃料实验182.几种着火实验方法

热天平法Tognotti[6]利用热天平，得到空气及氮气情况下煤（煤焦）的失重曲线。将这两条曲线画在一个图中，则当曲线出现分离点时就表明颗粒着火了。闪光频率计数法Wall等让煤粉从一垂直沉降炉中落下，记录不同炉温时煤粉出现火光的频率，出现规则的火星或闪光（regularflashing）定义为着火温度测温法章明川等在沉降炉中，认为刚好形成炉内稳定的火焰时是临界着火状态。此时，测量炉内投粉与不投粉时沿轴向距离气体的温度，两温度曲线在一定位置会发生分离，定义此分离点即着火点。

19

单颗粒煤着火的实验方法Tomeczck与Wojcik[10]利用热电偶测量颗粒的温度。但在判断着火方法上仍以光电探测器探测到火焰为准采用非临界着火条件

付维标，曾桃芳记录碳粒整个着火过程中的温升曲线，获得温度对时间的一阶导数及二阶导数。根据着火定义，二阶导数为零即为着火时刻，从而获得准确的着火温度及一阶导数。203．煤焦着火动力学参数研究两种研究方法：采用经典的TET理论[12]，其中对辐射换热一般都忽略不计对颗粒能量守恒与质量守恒方程进行求解在过去的研究中，都是根据TET简化理论所得的公式及实验所测的临界着火气体或碳粒温度，来反算E、值。表2.1是部分研究者的结果。可以看到，即使对同一种煤，E值范围也是很离散的。

21傅维标的研究原因是：在前人处理数据中，将化学因素及物理因素引起对炭粒着火的影响都归入E、中。其次，在用着火温度来确定反应动力学参数时，许多研究者常以观察到火焰出现或者炭粒发光作为着火的标志，但此刻与理论上定义的着火时刻相距较远，所以导致误差也较大。

E应是颗粒表面温度的函数，由煤焦与氧的化学特性决定，而与煤质无关；纯碳与氧反应的表观频率因子仅是碳粒温度与直径的函数，而煤焦反应的频率因子,表示煤焦比表面积f（s）影响煤焦反应速率的某一函数，显然f（s）是个物理因素，它的大小与煤质有关，因此煤焦反应的频率因子与煤质有关。

224．实验室研究情况

实验方法直接观察失重分析分别记录煤粉、挥发分及煤焦的失重曲线，对比三条失重曲线，进行着火方式判断。温升曲线分析借鉴付维标，曾桃芳所采用的碳粒着火实验方法，同时考虑分解炉内煤粉实际加热状况，将实验炉温设置升温到850℃。23关于着火现象观察的结果

abcd

24关于着火方式研究的结果

25表2.5.煤的着火方式实验结果煤分类

无烟煤

贫

煤

烟

煤煤编号

1#2#6#7#8#11#3#4#5#9#10#着火方式

非均相

非均相

非均相

联合

联合

联合

均相

均相

均相

联合

联合从表2.5可见，对不同煤质，着火机理不同，无烟煤均为非均相着火，贫煤及部分烟煤为均相—非均相联合着火，还有部分烟煤是均相着火。但受实验条件的限制，本实验中煤的加热速度是<100℃/秒，因此此结果反映的是煤粉在低加热速度下的低温燃烧着火机理。从图2.8趋势可以推断，提高加热速度，烟煤着火机理将由均相着火向联合着火过渡。这就是说，在实际分解炉生产中，烟煤的着火机理也应是均相—非均相联合着火。

26在该点之前，温升速率逐渐降低，相当于固体颗粒的纯加热过程；在该点附近，温升速率变化较小，表明着火过程；在该点之后，温升速率又逐渐增加，这是化学反应生成热的作用结果，表明焦炭已被点燃，着火过程完成。

d2T/dt2=0这点的物理意义曲线1：dT/dt-t关系曲线曲线2：d2T/dt2-t关系曲线27各煤焦的E、值

表2.4各煤样煤焦的着火温度、E及煤分类无烟煤贫煤烟煤煤编号1#2#6#7#8#11#3#4#5#9#10#温度℃715680711691687701623513623636599活化能Ekcal/mol57.243.056.547.045.551.228.614.828.731.224.6(10-3)(kg/sm2atm)1.610.431.540.620.550.930.120.040.120.150.0828表2.7失重分析及温升实验获得的着火温度比较不同的实验方法获得的着火温度不同，且以热失重分析获得的着火温度偏低由温升实验获得的T3结果更可靠，且具有明确的物理意义，符合着火点定义

煤分类无烟煤贫煤烟煤煤编号1#2#6#7#8#11#3#4#5#9#10#T1（℃）484420383206333309319190278294266T2（℃）696629637557590573550546572582577T3(℃)71568071169168770162351362363659929四、分解炉煤粉燃尽动力学

Essenhigh[4-5]、Somins[6-7]、Smith[8-10]等人的工作揭示：在燃烧中，煤焦周围的边界层扩散对焦粒的燃烧速率有较大的影响，煤焦的化学特性及内孔扩散也起着更为重要的作用。

在计算燃烧动力学参数时，国内许多研究者未考虑燃尽度对燃烧速率的影响，因此所得的计算结果与实际有一定的差距。

燃尽度对煤焦燃烧速率的影响主要表现在两个方面：

一方面，随着燃尽度的增加，灰壳的扩散阻力随着燃尽度的增加而不断增加，从而使燃烧速率减少

另一方面，随着燃尽度的增加，煤焦的反应性也不断变化30含煤灰的燃尽动力学理论

传统的颗粒燃烧模型，一般可分为等密度缩核模型和等粒径燃烧模型两类：前者认为燃烧发生在颗粒的外表面，可燃质密度保持不变，颗粒外径不断减小后者认为燃烧发生在整个煤粒的内部，可燃质外径保持不变，密度逐渐减小提出裹灰缩核模型，来进行含灰煤焦的燃尽动力学研究31燃尽模型的建立模型认为：煤焦在燃烧过程中，形成了灰壳和未燃炭核两部分。未燃炭核部分的燃烧总发生炭核表面，可燃质密度保持不变，随着燃烧的进行，未燃炭核的半径不断减小，当炭核燃尽，未燃炭核直径变为零。(等密度缩核模型)在未燃炭核的外层是灰壳，灰壳则随着炭核燃烧的进行，灰壳厚度逐渐增加，灰层内的物质密度及气体物质在其中的扩散系数保持不变。在炭粒未点燃之前灰层的厚度为零，炭粒燃尽，灰层厚度为原煤粒半径ro。模型示意图见图3.1。

321．焦炭未燃核燃烧遵守等密度缩核模型的假设，即t=0时，rc=r0，t=tf（燃尽）时，rc=0。在燃烧过程中，不变。燃烧仅发生在焦炭核表面。2．焦炭未燃核之外是灰壳，灰壳内O2的扩散系数为Dh

t=0时，灰壳厚度=0，t=tf(燃尽)时，

3．由于分解炉内煤粉燃烧属于低温燃烧，本文假设在焦炭粒表面仅发生C+O2=O2的反应裹灰缩核模型假设33焦炭燃尽特性及燃尽过程

煤焦粒的多相燃烧过程主要包括下面的三个过程：1．氧气由边界层向焦粒外表面扩散2．氧气通过孔隙扩散到颗粒内部3．氧分子与碳原子发生氧化燃烧反应因此在本文假设的模型中，上面三个过程可以理解为：1．环境中氧气由边界层向灰层表面扩散2．扩散至灰层表面的氧气又通过灰层孔隙扩散至未燃炭粒表面3．未燃炭粒表面发生C+=C的氧化燃烧反应

341、炭粒的燃烧速度计算根据质量守恒定律和扩散定律，在稳态反应条件下，氧气通过各个反应球面的传质速率应为一常数。设氧气从某一半径为的球面扩散到另一半径为的球面。在r1和r2之间取某一半径为r的球面，则单位时间里通过这个球面向内扩散的氧气量为：

……(1)

35当氧气由环境扩散传质至灰层表面时，上式中，=∞,=(环境氧浓度)=,=(灰表面氧浓度)则氧气的扩散速率

当氧气由灰层表面向未燃炭核表面扩散时，上式中=,=(t时刻炭核半径)=,=则在灰层内扩散速率

在炭粒表面，若以氧气的消耗速率KbO2来表示炭粒的燃烧速度，则：36根据稳态时通过产物层各个球面的传质速率为一常数的条件，由式3.4、3.5、3.6，消去不便测量的Ch和m，可得炭粒表面氧气的浓度37若以炭粒中的碳的消耗速度来表示燃烧速度，则

式中:β为碳消耗量与氧消耗量的比例，对仅发生C+＝CO2的反应，β＝12/32＝0