固體燃燒理論

1、燃料與燃燒 第九章固體燃料燃燒 第九章固體燃料燃燒 溫度梯度是熱量傳遞的推動(dòng)力 濃度梯度是質(zhì)量傳遞的推動(dòng)力 第九章固體燃料燃燒 第九章固體燃料燃燒 x C DN x DM A ABA A ABA 第九章固體燃料燃燒 第九章固體燃料燃燒 x y T0 P0 V0 第九章固體燃料燃燒 第九章固體燃料燃燒 煤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 煤是由很多不同結(jié)構(gòu)的含C、H、O、N、S的有 機(jī)聚合物粒子和礦物雜質(zhì)混合而成，各種有機(jī)聚合 物粒子之間常由不同的碳?xì)渲ф溸B結(jié)成更大的粒子。 煤的燃燒過程： 干燥 熱解及揮發(fā)分析出 揮發(fā)分燃燒 焦炭燃燒 第九章固體燃料燃燒 當(dāng)煤加熱到足夠高的溫度時(shí)，煤先變成塑性狀態(tài)， 失去棱角而使其形

2、狀變得更接近于球形，同時(shí)開始釋 放揮發(fā)份。 24426222 HCO、焦油、焦油、CHHCHCCOOH 揮發(fā)份釋放后留下的是一多孔的炭。熱解過程中不 同的煤有著不同程度的膨脹。 第九章固體燃料燃燒 加熱速率對(duì)揮發(fā)份析出的速率及其成分有很大的影響； 慢速加熱時(shí)大部分轉(zhuǎn)化成碳，而快速加熱時(shí)則得 到很小，甚至無碳。 煤粒終溫對(duì)揮發(fā)分析出的最終產(chǎn)量影響很大： 隨著熱解溫度的提高，揮發(fā)分產(chǎn)量可高達(dá)70%以上， 即揮發(fā)分并不是一個(gè)確定不變的常數(shù)。 第九章固體燃料燃燒 揮發(fā)份的燃燒 焦炭的燃燒 焦炭含量占5597%，燃 燒時(shí)間占90%，發(fā)熱量占 6095% 第九章固體燃料燃燒 兩相反應(yīng)的特點(diǎn)：物質(zhì)在相的分界

3、表面上發(fā)生反應(yīng)。 反應(yīng)的一般步驟： 以上步驟依次發(fā)生。整個(gè)反應(yīng)過程的快慢取決于各步 中最慢的一步。 1. 反應(yīng)分子擴(kuò)散到表面 2. 分子在表面發(fā)生吸附作用 3. 被吸附的分子在表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng) 4. 生成物從表面解吸 5. 生成物擴(kuò)散離開表面 第九章固體燃料燃燒 假設(shè)碳與氧燃燒的生成物只有二氧化碳，并仿照傳熱學(xué)中對(duì)流 換熱系數(shù)的概念引入對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)，則氧從周圍向單位碳 粒表面的擴(kuò)散量可以寫為 )( 0 , 222 OOO ccw 氧在碳表面處的反應(yīng)的速度（單位碳粒表面、單位時(shí)間燃燒掉的 氧量）可表示為 0, 22 OO cK 在穩(wěn)定燃燒狀態(tài)時(shí)，向碳粒擴(kuò)散的氧量應(yīng)等于碳粒燃燒所消耗的 氧量。因

4、此 0 ,0 , 2222 )( OOOO cKcc 第九章固體燃料燃燒 ,0, 22 OO c K w , , 2 2 2 11 O O O cK k c w k K 11 1 )( 0 , 222 OOO ccw 第九章固體燃料燃燒 kK 111 多相燃燒反應(yīng)阻力： 燃燒反應(yīng)的 化學(xué)阻力 氧氣擴(kuò)散過程中的物理阻力 根據(jù)多相燃燒反應(yīng)的化學(xué)阻力與物理阻力的對(duì)比， 可將多相燃燒反應(yīng)分為三類： 動(dòng)力燃燒、擴(kuò)散燃燒、過渡燃燒動(dòng)力燃燒、擴(kuò)散燃燒、過渡燃燒 第九章固體燃料燃燒 動(dòng)力燃燒：動(dòng)力燃燒： 當(dāng)化學(xué)阻力比物理阻力大得多時(shí)，燃燒速度取決 于化學(xué)反應(yīng)速度，故稱為動(dòng)力燃燒。 k 2 O KK ,0, 2

5、2 OO cc 碳表面上氧氣濃度接近于周圍氣流中氧的濃度。這種情 況相當(dāng)于較低溫度下的燃燒情況。此時(shí)由于化學(xué)反應(yīng)速 度很低，從遠(yuǎn)處擴(kuò)散到碳表面的氧消耗得很少，從而使 得碳表面氧的濃度等于遠(yuǎn)處環(huán)境中氧的濃度 。 第九章固體燃料燃燒 擴(kuò)散燃燒：擴(kuò)散燃燒： 當(dāng)化學(xué)阻力比物理阻力小得多時(shí)，燃燒速度取決 于氧分子擴(kuò)散速度，故稱為擴(kuò)散燃燒 k K 0 0, 2 O c 碳表面上氧氣濃度接近于零。這相當(dāng)于在高溫下的燃燒情 況。此時(shí)由于溫度很高，化學(xué)反應(yīng)能力已大大超過擴(kuò)散能 力，使所有擴(kuò)散到碳表面的氧立即全部反應(yīng)掉，從而導(dǎo)致 碳表面的氧濃度為零 。 第九章固體燃料燃燒 過渡燃燒：過渡燃燒： 當(dāng)化學(xué)阻力與物理阻

6、力在同一數(shù)量級(jí)時(shí)，兩者均 不可忽略，燃燒工況處于擴(kuò)散控制與動(dòng)力控制之間， 故稱為過渡燃燒 k ,0, 22 0 OO cc k K 11 1 ,0, 22 OO c k c 第九章固體燃料燃燒 溫度對(duì)碳燃燒速率及碳表面氧濃度的影響 碳燃燒速率隨溫度的變化 1、動(dòng)力燃燒區(qū) 2、過渡燃燒區(qū) 3、擴(kuò)散燃燒區(qū) 碳燃燒時(shí)其表面氧濃度分布 1動(dòng)力區(qū)；2，3過渡區(qū)；3擴(kuò)散區(qū) 第九章固體燃料燃燒 碳粒燃燒的三種模型： 一般認(rèn)為碳的氧反應(yīng)首先生成碳氧絡(luò)合物，碳氧絡(luò) 合物進(jìn)一步反應(yīng)同時(shí)產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳。寫成 化學(xué)式即為 yxO CO y xC 2 2 nCOmCOOC yx 2 二氧化碳是初次反應(yīng)產(chǎn)物的模型

7、； 一氧化碳是初次反應(yīng)產(chǎn)物的模型； 二氧化碳、一氧化碳同時(shí)是初次反應(yīng)產(chǎn)物 的模型 第九章固體燃料燃燒 溫度不同時(shí)，由于反應(yīng)機(jī)理上的區(qū)別，生成物中一 氧化碳和二氧化碳的比例也不相同。比值n/m隨溫度上 升而增大。 442 24OCOC COCOOOC22 2244 COCOOC2234 22 絡(luò)合 離解 總的簡(jiǎn)化反應(yīng)式 在1300以下或碳表面氧的分壓很低、濃度很小 的情況下 氧分子溶入碳 的晶體內(nèi)構(gòu)成 固溶絡(luò)合物 第九章固體燃料燃燒 絡(luò)合 離解 總的簡(jiǎn)化反應(yīng)式 在1600以上： 432 23OCOC 243 2COCOOC 22 223COCOOC 碳氧反應(yīng)機(jī)理逐步轉(zhuǎn)為 由化學(xué)吸附引起，絡(luò)合 物

8、不待氧分子撞擊就自 行熱分解 第九章固體燃料燃燒 溫度低于800時(shí)碳粒周圍的 燃燒情況 COCOOC2234 22 第九章固體燃料燃燒 溫度在8001200時(shí)靜止碳粒燃 燒情況 COCOOC2234 22 第九章固體燃料燃燒 溫度大于12001300時(shí)碳粒 周圍的燃燒情況 COCOOC223 22 COCCO2 2 COCCO COOCO 2 2 1 2 22 第九章固體燃料燃燒 層燃燃燒 懸浮燃燒 沸騰燃燒 第九章固體燃料燃燒 逆流式（上飼式）順流式（下飼式）交叉式（前飼式） 燃燒狀態(tài)：大部分燃料在爐柵上燃燒，可燃?xì)怏w及一 小部分細(xì)屑燃料則在燃燒室空間內(nèi)呈懸浮燃燒 第九章固體燃料燃燒 固定火

9、床燃燒過程 第九章固體燃料燃燒 新燃料層：煤干燥、干餾，將水汽、揮發(fā)物等帶離煤層進(jìn) 入爐膛空間，揮發(fā)分及CO與煤層著火燃燒； 還原層：氣流中CO2與碳起還原反應(yīng)，即CO2 +C2CO， 溫度越高，速度越快 氧化層：主要進(jìn)行氧化反應(yīng)，末端氣體的溫度也達(dá)到最高 冷空氣進(jìn)入，爐柵和灰渣被冷卻，而空氣則被預(yù)熱 燃燒過程： 第九章固體燃料燃燒 如果燃燒層穩(wěn)定，氧化層的厚度幾乎不隨鼓風(fēng) 量變化 改變煤層的厚度還可以改變煙氣的成分 一次空氣主要是供給焦炭燃燒的需要，二次空 氣則是供給揮發(fā)物、CO以及部分被氣流揚(yáng)起的 細(xì)小煤粒等燃燒的需要； 一般取空氣過剩系數(shù)1.31.7 燃燒規(guī)律： 第九章固體燃料燃燒 鏈條

10、爐中燃燒區(qū)段分布圖 1預(yù)熱干燥區(qū) 2揮發(fā)分析出與燃燒區(qū) 3a焦炭氧化層區(qū) 3b焦炭還原區(qū) 4灰渣燃盡區(qū) 第九章固體燃料燃燒 燃燒狀態(tài)：將磨成微?；蚣?xì)粉狀的燃料與空氣混合后 從噴燃器噴出，在爐膛空間呈懸浮狀態(tài)時(shí)的一種燃燒。 直流式（火炬式） 旋渦式（旋風(fēng)式） 特點(diǎn)：燃燒速度快、燃燒效率高、燃燒溫 度高、煤耗低、調(diào)節(jié)方便 第九章固體燃料燃燒 燃燒過程： 煤粉進(jìn)入到爐膛受到導(dǎo)熱、對(duì)流及輻射加 熱、逸出揮發(fā)分，并升溫著火，形成著火 區(qū) 著火后煤粉與空氣強(qiáng)烈反應(yīng)，并放出大量 的熱，構(gòu)成燃燒區(qū) 當(dāng)溫度達(dá)到最大值后，燃燒過程已相當(dāng)完 全，反應(yīng)減慢，這時(shí)放熱量小于散熱量， 溫度下降，從而進(jìn)入燃盡區(qū) 第九章固體

11、燃料燃燒 （1）一、二次空氣的比例要合適，考慮兩個(gè)方面： （A）一次風(fēng)攜帶煤粉噴入燃燒室或窯爐并供逸出的揮發(fā)分燃燒 （B）煤粉制備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及窯爐的特點(diǎn)。 （2）一、二次空氣的溫度 一次風(fēng)的溫度150，以防止煤粉發(fā)生爆炸；二次風(fēng)的溫 度不受限制（盡量高）。 （3）控制適當(dāng)?shù)倪^?？諝庀禂?shù) 水泥回轉(zhuǎn)窯的過?？諝庀禂?shù)一般為1.051.15。（注意：若為 滿足烘干機(jī)對(duì)煙氣溫度的要求而需摻入冷空氣時(shí)，則應(yīng)在煤 粉基本燃燼之后的地段再摻入）。 燃燒規(guī)律： 第九章固體燃料燃燒 煤粉燃燒器： 直流煤粉燃燒器旋流煤粉燃燒器 第九章固體燃料燃燒 空氣速度與煤粒存在狀態(tài)： 1.速度低：碎煤顆粒靜止在布風(fēng)板 上；

12、 2.速度達(dá)某值：煤粒被風(fēng)托起，顆 粒之間的空隙加大，顆粒在一定 高度內(nèi)上下翻騰，煤顆粒能懸浮 在空氣中，受熱完成干燥、預(yù)熱 、干餾、揮發(fā)分逸出及燃燒、焦 炭的燃燒及燃燼等燃燒過程 3.流速過快：煤不完全燃燒。 第九章固體燃料燃燒 沸騰燃燒室的底部 安裝有布風(fēng)板爐柵，塊 煤經(jīng)錘鏈?zhǔn)狡扑闄C(jī)破碎 后，其粒度在0.510mm 之間，碎煤經(jīng)喂煤口投 放到布風(fēng)板爐柵上，布 風(fēng)板下為風(fēng)室，空氣由 此向上吹送。 第九章固體燃料燃燒 A、煤粒與空氣之間能充分混合。空氣過剩系數(shù)小， 燃燒速度非常迅速 B、熱效率高，可達(dá)95%以上 C、燃燒溫度穩(wěn)定，可保持在9601050范圍內(nèi) D、可充分利用各種劣質(zhì)燃料 E、沸

13、騰燃燒室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活、易于調(diào)節(jié)、自 動(dòng)化程度高及操作環(huán)境好 F、空氣動(dòng)力消耗大，煙氣中飛灰量較多 G、操作不當(dāng)時(shí)，不完全燃燒造成的熱損失大 H、煤的結(jié)焦性強(qiáng)時(shí)，排渣困難 沸騰燃燒的特點(diǎn)： 第九章固體燃料燃燒 （1）用于工業(yè)蒸汽鍋爐 （2）用于電站鍋爐 （3）用于各種工業(yè)窯爐 （4）用于內(nèi)燃機(jī) （5）用于燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán) （6）用于煤粉鍋爐的點(diǎn)火燃料 水煤漿是近十幾年發(fā)展起來的一種新型燃料，它由 煤粉、水和少量化學(xué)添加劑組成。水煤漿的用途可以代 油： 第九章固體燃料燃燒 1. 濕磨 將原料煤濕磨至需要的顆粒尺寸，一般為50200m。 2. 浮選凈化 含有合格煤粉的煤漿被送到浮選凈化段，通過

14、浮選工藝 除去其中大部分灰分和硫分。 3. 過濾和脫水 從浮選段出來的煤漿送至一過濾器（常用真空濃縮過 濾器），把水煤漿制成相對(duì)干燥和清潔的煤餅狀，以使最終的水 煤漿產(chǎn)品達(dá)到所要求的固體濃度。 4. 混合和儲(chǔ)存 由濃縮過濾器出來的清潔煤漿的濾餅被送到連續(xù)攪拌 的混合器，在混合器中加入化學(xué)添加劑，以滿足所需要的水煤漿 特性。當(dāng)混合過程完成以后，水煤漿就制備好了，可以泵送去儲(chǔ) 存或直接輸送到用戶。 制造水煤漿主要包括以下幾個(gè)部分： 第九章固體燃料燃燒 第九章固體燃料燃燒 第九章固體燃料燃燒 煤的氣化是一個(gè)熱化學(xué)過程，即用氧或含氧化合物（如水蒸氣、 二氧化碳）通過高溫的煤層或焦炭層，使燃料中的有機(jī)物

15、氧化，并 轉(zhuǎn)化生成含有H2、CO等可燃?xì)怏w的過程。根據(jù)所用氣化劑及煤氣 成分、熱值的不同，生產(chǎn)的煤氣可分為：空氣煤氣、混合煤氣、水 煤氣以及半水煤氣等 。 名稱氣化劑 組成成分% 低熱值 KJ/m3 用途 H2COCO2N2CH4O2 空氣煤氣空氣2.61014.772.00.50.2 3760 4600 燃料 混合爆氣 空氣、 水蒸氣 13.527.55.552.80.50.2 5000 5220 燃料 水煤氣水蒸氣48.438.56.06.40.50.2 10000 11200 燃料 半水煤氣 水蒸氣、 空氣 40.030.78.014.60.50.2 8770 9610 合成氨 原料氣

16、第九章固體燃料燃燒 煤氣的氣化方法主要有兩種：一種是沸騰層氣化，以富氧空氣 和水蒸氣為氣化劑連續(xù)地送入粉狀燃料層中，使燃料呈沸騰狀態(tài)氣 化。這種方法氣化強(qiáng)度高、生產(chǎn)能力大，但需使用氧氣，而且原料 適用范圍狹窄（要求使用化學(xué)活性高的燃料制氣），故采用這種氣 化方法的工廠不多。另一種是固定床氣化法，它是目前國(guó)內(nèi)廣泛采 用的一種制氣方法 第九章固體燃料燃燒 氧化層氧化層 還原層還原層 干餾層干餾層 干燥預(yù)熱層干燥預(yù)熱層 kJCOCOC 4 2 102 .162 氣化劑 kJCOOC 4 22 109 .40 22 NCO 2 NCO 22 NO 第九章固體燃料燃燒 氧化層氧化層 還原層還原層 干餾層

17、干餾層 干燥預(yù)熱層干燥預(yù)熱層 氣化劑 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熱值： 氣化效率： %70 34083 38. 54422 第九章固體燃料燃燒 影響制氣過程的因素： (1) 反應(yīng)溫度 還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升高反應(yīng)溫度有利于CO的生成 反應(yīng)溫度過高，會(huì)使灰渣熔融，結(jié)成大塊，造成操作困難 反應(yīng)溫度一般控制在10001200之間，應(yīng)低于所用燃料的灰熔點(diǎn) (2) 燃料性

18、質(zhì) 氣孔率 (3) 鼓風(fēng)速度 煤氣產(chǎn)量與質(zhì)量 第九章固體燃料燃燒 kJHCOOHC kJHCOOHC 4 222 4 22 105 . 722 108 .11 上述兩個(gè)都是吸熱反應(yīng)，如果連續(xù)地向發(fā)生爐內(nèi) 通水蒸氣，則將導(dǎo)致燃料層迅速冷卻。為了能在燃燒 料層中維持必要的溫度必須交替地向爐內(nèi)吹入空氣和 水蒸氣。 第九章固體燃料燃燒 分類：按燃料與氧化劑經(jīng)氣化爐的流動(dòng)方式分類 氣化爐 氣流床 流化床 移動(dòng)床 與煤粉燃燒類似 與流化床燃燒器類似 與層燃類似 氣流床流化床移動(dòng)床 燃料規(guī)格500m0.55mm550mm 燃料滯留時(shí)間110s550s1530min 氣體出口溫度900140070090040

19、0500 第九章固體燃料燃燒 在一臺(tái)氣流床氣化 爐內(nèi)，粉煤或霧化油流 與氧化劑（典型的氧化 劑是氧）一起匯流。氣 流床氣化爐的主要特性 是其溫度非常高，且均 勻（一般高于1000）， 氣化爐內(nèi)的燃料滯留時(shí) 間非常短。 第九章固體燃料燃燒 煤被磨碎至100m并靠氮由風(fēng) 力輸送到氣化爐。氣化爐結(jié)構(gòu) 獨(dú)特，氣化爐本身與合成氣冷 卻器結(jié)合。煤、O2和蒸氣一起 經(jīng)裝在氣化爐下部的燃燒器給 入。合成氣在1600的溫度下 產(chǎn)生。但它在氣化爐出口借助 再循環(huán)的潔凈合成氣淬冷，將 其溫度減至大約800。然后合 成氣向上流至一中心分配器管， 并經(jīng)蒸發(fā)器段向下流動(dòng)，在大 約380離開氣化爐。在氣化過 程形成的熔渣在

20、水槽內(nèi)淬冷， 并通過閘斗倉(cāng)裝置排出。 圖7 Prenflo R 氣化爐 第九章固體燃料燃燒 在一個(gè)流化床內(nèi)，固體（如煤、灰）懸浮在一般向上流動(dòng)的 氣流中。在流化床氣化爐內(nèi)，氣體流包含氧化介質(zhì)（一般是空氣 而非O2）。流化床氣化爐的重要特點(diǎn)（像流化床燃燒器一樣）是 不能讓燃料灰過熱，以至熔化粘接在一起。假如燃料顆粒粘在一 起，則流化床的流態(tài)化作用將停滯。空氣作為氧化劑的作用是保 持溫度低于1000。這表示流化床氣化爐最適合用比較易反應(yīng)的 燃料，如生物質(zhì)燃料。 流化床氣化爐的優(yōu)點(diǎn)包括能接受寬范圍的固體供料，包括家 庭垃圾（經(jīng)預(yù)先適當(dāng)處理的）和生物質(zhì)，如木柴，灰份非常高的 煤也是受歡迎的供料，尤其是

21、那些灰熔點(diǎn)高的煤，因?yàn)槠渌愋?的氣化爐（氣流床和移動(dòng)床）在熔化灰形成熔渣中損失大量能。 第九章固體燃料燃燒 燃料在閘斗倉(cāng)內(nèi)加壓，然后儲(chǔ) 存日倉(cāng)或加料倉(cāng)里，之后再螺 旋給入氣化爐。氣化爐的底部 是流化床，流化介質(zhì)是空氣或 O2和蒸汽。氣體與固體向上 流至反應(yīng)器，在這里再加入空 氣/O2和蒸汽來完成氣化反應(yīng)。 之后將粗合成氣在除塵器里除 塵并冷卻。在除塵器中脫除的 固體回至氣化爐底部。用螺旋 除灰器將灰從氣化爐底部排出。 第九章固體燃料燃燒 在移動(dòng)動(dòng)床氣化爐里，氧化劑（蒸汽和O2）被吹入氣化爐的底 部。產(chǎn)生的粗燃料氣通過固體燃料床向上移動(dòng)，隨著床底部的供料 消耗，固體原料逐漸下移。因此移動(dòng)床的限定特性是逆向流動(dòng)。在 粗燃料氣流經(jīng)床層時(shí)，被進(jìn)來的給料冷卻，而給料被干燥和脫去揮 發(fā)分。因此在氣化爐內(nèi)上下溫度顯著不