燃燒學(xué)教學(xué)作者第六章

1、第六章煤的燃燒第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)第五節(jié)第六節(jié)第七節(jié)煤的燃燒過程、特點及其熱解碳燃燒化學(xué)反應(yīng)的過程碳的動力燃燒與擴散燃燒碳的燃燒化學(xué)反應(yīng)多孔性碳球的燃燒灰分對焦炭燃燒的影響煤粉燃燒第一節(jié)煤的燃燒過程、特點及其熱解一、煤的燃燒過程二、水分的蒸發(fā)過程及對燃燒的影響三、煤的熱解與揮發(fā)分的燃燒四、煤粒的著火五、煤粒燃燒的一些實驗研究結(jié)果六、影響煤粒著火的因素七、焦炭的燃燒特性一、煤的燃燒過程圖6-1 Wiser提出的煤分子結(jié)構(gòu)模型二、水分的蒸發(fā)過程及對燃燒的影響1)水分蒸發(fā)后形成內(nèi)部中空的多孔結(jié)構(gòu)粒子，減少了各種反應(yīng)的內(nèi)部阻力，增大了反應(yīng)比表面積。2)高溫下水分蒸發(fā)時發(fā)生的爆裂現(xiàn)象形成顆粒表面的大

2、空穴或碎成幾個小塊，增加了反應(yīng)的比表面積。3)在高溫下水蒸氣和炭可進行氣化反應(yīng)，對炭的燃燒起到了催化作用。三、煤的熱解與揮發(fā)分的燃燒1.煤的熱解2.揮發(fā)分的燃燒1.煤的熱解(1)煤熱解中的主要化學(xué)反應(yīng)(2)煤熱解的實驗(3)煤熱解的影響因素?zé)峤膺^程中產(chǎn)生的揮發(fā)分由可燃氣體混合物、二氧化碳和水蒸氣等組成，其中可燃氣體主要包括一氧化碳、氫氣、氣態(tài)烴和少量酚醛。(4)煤熱解的數(shù)學(xué)描述由于煤熱解的復(fù)雜性，要從微觀的角度來分析熱解過程是比較困難的，目前大部分研究者是從實驗入手，獲得各種參數(shù)對揮發(fā)分產(chǎn)量與成分的影響的數(shù)據(jù)，從而建立描述熱解過程的數(shù)學(xué)模型。(1)煤熱解中的主要化學(xué)反應(yīng)0602B.TIF(2)

3、煤熱解的實驗圖6-2匯合溫度與揮發(fā)分析出之間的關(guān)系曲線(3)煤熱解的影響因素圖6-4 熱解終溫與熱解產(chǎn)率的關(guān)系GMZ滿洲里褐煤 GDY大雁褐煤GLC黃縣褐煤 GYX先鋒褐煤2.揮發(fā)分的燃燒圖6-5煤粒著火溫度與的關(guān)系四、煤粒的著火圖6-6 某種煤粒的著火方式圖譜非均相著火 均相著火 聯(lián)合著火五、煤粒燃燒的一些實驗研究結(jié)果實驗中發(fā)現(xiàn)煤粒的燃燒大致分為四個階段：煤的預(yù)熱及揮發(fā)分著火，經(jīng)歷時間為1；揮發(fā)分的燃燒，經(jīng)歷時間為2；從揮發(fā)分燃完后，焦炭的預(yù)熱到焦炭著火，經(jīng)歷時間為3；焦炭的燃燒和燃盡，經(jīng)歷時間為4；實驗中發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)分燃燒時，煤粒直徑幾乎不變，煤粒表面局部地方有時有揮發(fā)物噴流，這表明揮發(fā)分的

4、釋放不是均勻的。六、影響煤粒著火的因素圖6-7 煤的灰分、水分對理論燃燒溫度的影響1煤的收到基發(fā)熱量 2煤的收到基水分六、影響煤粒著火的因素圖6-8煤粉粒子的升溫過程七、焦炭的燃燒特性1)動力控制區(qū)。2)擴散控制區(qū)。3)過渡區(qū)。第二節(jié)碳燃燒化學(xué)反應(yīng)的過程一、碳燃燒化學(xué)反應(yīng)的步驟二、碳燃燒過程中的吸附和解吸一、碳燃燒化學(xué)反應(yīng)的步驟1)氧氣從氣相擴散到固體碳表面(外擴散)。2)氧氣再通過顆粒的孔道進入小孔的內(nèi)表面(內(nèi)擴散)。3)擴散到碳表面上的氧被表面吸附，形成中間絡(luò)合物。4)吸附的中間絡(luò)合物之間，或吸附的中間絡(luò)合物和氣相分子之間進行反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物；5)吸附態(tài)的產(chǎn)物從碳表面解吸。6)解吸產(chǎn)物通

5、過碳的內(nèi)部孔道擴散出來(內(nèi)擴散)。7)解吸產(chǎn)物從碳表面擴散到氣相中(外擴散)。二、碳燃燒過程中的吸附和解吸1)當(dāng)B時，式(6-36)分母中的可以忽略，此時就有2)當(dāng)B時，由式(6-36)可見3)當(dāng)B時，只有部分碳表面被氧吸附，碳表面氧的質(zhì)量濃度為中等，01，此時反應(yīng)處于上述兩種情況之間，反應(yīng)速率為三、碳燃燒過程中的擴散1.分子擴散2.湍流擴散3.對流擴散4.碳燃燒中的擴散1.分子擴散表6-1部分氣體在空氣中的擴散系數(shù)(0，101.33kPa)2.湍流擴散圖6-9傳質(zhì)的有效滯流膜層3.對流擴散物質(zhì)在湍流流體中的傳遞，主要是由于流體中質(zhì)點的運動引起的。如將一勺糖投于一杯水中，用勺攪動，整杯水就會更

6、快、更均勻地變甜，這就是湍流擴散的表現(xiàn)。4.碳燃燒中的擴散經(jīng)過這樣的處理，就等于把渦流擴散的傳遞作用轉(zhuǎn)化為分子擴散的傳質(zhì)。由圖可見，整個有效滯流膜層的傳質(zhì)推動力即為氣相主體與相界面處的分壓之差，這意味著從氣相主體到相界面處的全部傳質(zhì)阻力都包括在此有效滯流膜層之中。第三節(jié)碳的動力燃燒與擴散燃燒1)當(dāng)kzl時，折算反應(yīng)速率常數(shù)Kzl。2)當(dāng)kzl時，折算反應(yīng)速率常數(shù)Kk，式(6-58)變?yōu)?)當(dāng)kzl時，即化學(xué)反應(yīng)能力與氧氣的擴散能力處在同一數(shù)量級的情況下，此時燃燒強化的實現(xiàn)與k和zl兩者都有關(guān)，無論提高k還是zl，都可以收到強化燃燒的效果。第四節(jié)碳的燃燒化學(xué)反應(yīng)一、碳的晶格結(jié)構(gòu)二、碳與氧的反應(yīng)機

7、理三、碳和二氧化碳的反應(yīng)機理四、碳與水蒸氣的反應(yīng)五、表面反應(yīng)的碳球燃燒速率六、二次反應(yīng)對碳燃燒過程的影響七、具有空間二次反應(yīng)的碳球燃燒速率4)也可能出現(xiàn)氧到不了固體表面的情況圖6-11 幾種可能的碳燃燒化學(xué)反應(yīng)過程一、碳的晶格結(jié)構(gòu)圖6-12 石墨的晶格結(jié)構(gòu)二、碳與氧的反應(yīng)機理1) CO2是一次反應(yīng)產(chǎn)物，而燃燒反應(yīng)產(chǎn)物中的CO，只是CO2和C二次反應(yīng)的產(chǎn)物。2) CO是一次反應(yīng)產(chǎn)物，反應(yīng)產(chǎn)物CO在碳表面附近與O2接觸被氧化成CO2。3)碳和氧反應(yīng)首先生成不穩(wěn)定的碳氧絡(luò)合物，即三、碳和二氧化碳的反應(yīng)機理表6-4 C+C在950以上、常壓下的反應(yīng)活化能四、碳與水蒸氣的反應(yīng)碳和水蒸氣的反應(yīng)是水煤氣發(fā)生

8、爐中的主要反應(yīng)。高溫下碳與水蒸氣發(fā)生的主要反應(yīng)。五、表面反應(yīng)的碳球燃燒速率五、表面反應(yīng)的碳球燃燒速率六、二次反應(yīng)對碳燃燒過程的影響1.在靜止空氣中(或者對應(yīng)碳球與空氣之間相對速度的Re100)碳球表面的燃燒3.碳球在還原性氣氛下的燃燒1.在靜止空氣中(或者對應(yīng)碳球與空氣之間相對速度的Re100)碳球表面的燃燒0615.TIF1.在靜止空氣中(或者對應(yīng)碳球與空氣之間相對速度的Re100)碳球表面的燃燒0617.TIF2.在流動介質(zhì)中(對應(yīng)碳球與空氣之間相對速度的Re100)碳球表面的燃燒0618.TIF3.碳球在還原性氣氛下的燃燒圖6-19 臥式旋風(fēng)爐死角氣化的示意圖1喇叭形出口錐 2死角3火焰

9、鋒面七、具有空間二次反應(yīng)的碳球燃燒速率1) r=處，=21%，CO=0，=0。2) 碳球表面上，進行著反應(yīng)式(6-69)或式(6-70)和反應(yīng)式(6-67)。2) 碳球表面上，進行著反應(yīng)式(6-69)或式(6-70)和反應(yīng)式(6-67)。圖6-20 碳球燃燒速率計算的系數(shù)1500m(細顆粒) 25mm(粗顆粒)2) 碳球表面上，進行著反應(yīng)式(6-69)或式(6-70)和反應(yīng)式(6-67)。圖6-21 函數(shù)()、()的數(shù)值第五節(jié)多孔性碳球的燃燒1)溫度較低時，反應(yīng)速率較慢，氧的擴散速率遠遠大于碳球孔隙所構(gòu)成的內(nèi)表面上的反應(yīng)速率，反應(yīng)氣體逐步擴散到多孔性碳球的內(nèi)部孔隙中，直至碳球中心。2)隨著溫度

10、上升，反應(yīng)速率加快，反應(yīng)消耗速率開始大于反應(yīng)氣體的擴散速率。3)若碳球溫度很高，碳與氧的化學(xué)反應(yīng)速率很快，以至于氧滲入碳球內(nèi)部孔隙的擴散速率遠小于碳球內(nèi)部氧的消耗速率，此時內(nèi)表面上的氧濃度幾乎為零，碳球內(nèi)部停止了碳和氧的反應(yīng)，空氣中的氧只能在碳球外表面和碳發(fā)生反應(yīng)。第六節(jié)灰分對焦炭燃燒的影響一、碳粒燃燒過程的物理模型二、不同燃燒溫度下灰分對燃燒的影響三、灰分對焦炭燃燒的其他影響一、碳粒燃燒過程的物理模型1.均勻反應(yīng)模型2.不均勻反應(yīng)模型3.微粒模型1.均勻反應(yīng)模型圖6-25 均勻反應(yīng)模型燃燒反應(yīng)示意圖2.不均勻反應(yīng)模型圖6-26 不均勻反應(yīng)模型燃燒反應(yīng)示意圖2.不均勻反應(yīng)模型圖6-27 球形碳

11、粒燃燒時的氣體濃度分布未燃燒碳核的半徑 R燃燒界面的半徑 灰層的半徑二、不同燃燒溫度下灰分對燃燒的影響1.燃燒溫度低于灰的軟化溫度時灰分對燃燒的影響2.燃燒溫度高于灰的熔化溫度時灰分對燃燒的影響1.燃燒溫度低于灰的軟化溫度時灰分對燃燒的影響圖6-28 板形煤層示意圖周圍介質(zhì)中的氧濃度 c灰層表面的氧濃度 碳層表面的氧濃度 l煤層厚度的一半 灰層厚度2.燃燒溫度高于灰的熔化溫度時灰分對燃燒的影響當(dāng)燃燒溫度高于灰的熔化溫度時，燃燒產(chǎn)生的不再是松積的灰層，而是產(chǎn)生具有一定流動性的熔渣。實驗發(fā)現(xiàn)若灰分較少，熔渣的絕對量就會減少，表面張力與粘性力相對較大時，熔渣仍附著在碳粒上，阻礙氧氣向顆粒內(nèi)部的擴散。

12、三、灰分對焦炭燃燒的其他影響(1)熱效應(yīng)大量的灰改變了煤粒的熱效應(yīng)，當(dāng)灰加熱到高溫時，會消耗一定的能量，還可能發(fā)生相變。(2)輻射特性灰的輻射特性不同于焦炭，因此灰的存在給碳的燃盡提供了一個輻射傳熱的固態(tài)介質(zhì)。(3)顆粒尺寸焦炭燃燒過程中，會發(fā)生破裂，變成幾個更小的顆粒進行燃燒，焦炭的破裂特性與灰分的種類、性質(zhì)有著密切的聯(lián)系。(4)催化效應(yīng)焦炭中某些礦物質(zhì)已經(jīng)證明能使焦炭的反應(yīng)性增強，尤其是在低溫條件下。第七節(jié)煤粉燃燒一、煤粉氣流的輸送與分配二、煤粉氣流的著火一、煤粉氣流的輸送與分配1)在水平直管內(nèi)的氣固兩相流動濃度分布中，水平方向上管中心濃度低，而靠近管壁處濃度較高，并近似為對稱分布，這是由

13、于湍流擴散效應(yīng)和靜電作用所致。2)在彎管內(nèi)，當(dāng)彎曲角在12弧度內(nèi)，離心分離的作用遠大于重力分離的作用，固體顆粒在靠近彎管的外側(cè)壁形成一股高濃度的固體顆粒束，這就是在氣力輸送中造成輸送管彎頭部位外側(cè)磨損嚴(yán)重的主要原因。一、煤粉氣流的輸送與分配3)在彎管中由于慣性離心力的分離作用遠大于重力分離的作用，在通過管軸線的鉛垂面上測得固體顆粒濃度分布趨于均勻而呈對稱分布，靠近管下部的顆粒濃度在降低，這說明在彎管內(nèi)不易產(chǎn)生沉積和堵塞現(xiàn)象。4)在彎管的出口接直管道作顆粒分布的恢復(fù)性實驗發(fā)現(xiàn)，在直管長度與管徑之比大于3.3之后，內(nèi)外固體顆粒質(zhì)量流量近似相同，即得到完全恢復(fù)，這就是固體顆粒在流動中的恢復(fù)特性。一、

14、煤粉氣流的輸送與分配圖6-29 氣體-顆粒混合物的水平流動一、煤粉氣流的輸送與分配表6-8各種顆粒的沉降速度適應(yīng)(適應(yīng)=1000kg/，=1kg/，v=201/s)一、煤粉氣流的輸送與分配圖6-30 沉降速度的大致數(shù)值關(guān)系(適用于煤密度=1000kg/)1空氣溫度0 2空氣溫度1000一、煤粉氣流的輸送與分配圖6-31 水平直管和彎管內(nèi)固體顆粒在垂直方向的分布二、煤粉氣流的著火圖6-33 煤粉的加熱曲線1對流加熱曲線 2輻射加熱曲線3考慮向周圍介質(zhì)散熱時的曲線二、煤粉氣流的著火圖6-35 煤粉氣流單位產(chǎn)熱量與溫度的關(guān)系二、煤粉氣流的著火圖6-36 煤粉氣流熱平衡關(guān)系三、旋轉(zhuǎn)射流中煤粉的著火(1

15、)關(guān)于fre的討論(2)關(guān)于f2k的討論同樣忽略K中f2k的影響，從式(6-201)顯然可以看出，增大f2k將導(dǎo)致Co下降，在揮發(fā)分燃燒階段混入冷的二次風(fēng)不利于溫度水平的提高。(3)關(guān)于K的討論當(dāng)Co為正值的時候，隨著K值的增大，式(6-200)中分子增大，分母減小，Co增大，著火點的溫度上升。三、旋轉(zhuǎn)射流中煤粉的著火0640.TIF三、旋轉(zhuǎn)射流中煤粉的著火圖6-41 旋流燃燒器出口速度分布三、旋轉(zhuǎn)射流中煤粉的著火圖6-42 旋流燃燒器煙氣回流卷吸和煤粉著火過程三、旋轉(zhuǎn)射流中煤粉的著火圖6-43 著火過程的物理模型四、直流射流中煤粉的著火0644.TIF四、直流射流中煤粉的著火圖6-45 角置直流燃燒器煤粉氣流在空間受熱著火過程的示意圖1k一次空氣 2k二次空氣3旋轉(zhuǎn)火焰的方向4上鄰角的火焰送到向火面的高溫?zé)煔?背火面卷吸的熱煙氣 6一、二次風(fēng)的過早混入五、煤粉氣流的燃盡過程2)氧氣占空氣中的質(zhì)量百分