耐火材料及燃燒概論15

1、 固體燃料的燃燒通?？筛鶕?jù)其燃燒時(shí)的特征和燃燒方式進(jìn)行分類。固體燃料的燃燒通?？筛鶕?jù)其燃燒時(shí)的特征和燃燒方式進(jìn)行分類。15.1.1 15.1.1 按燃燒特征分類按燃燒特征分類 (1) (1) 表面燃燒表面燃燒。指在燃料表面進(jìn)行的燃燒。這種燃燒現(xiàn)象常發(fā)生在幾。指在燃料表面進(jìn)行的燃燒。這種燃燒現(xiàn)象常發(fā)生在幾乎不含揮發(fā)分的燃料中，例如在焦炭和木炭表面的燃燒，這時(shí)氧和乎不含揮發(fā)分的燃料中，例如在焦炭和木炭表面的燃燒，這時(shí)氧和COCO2 2通過通過擴(kuò)散到達(dá)燃料表面進(jìn)行反應(yīng)。如在燃料表面尚不能完全燃燒，則不完全燃擴(kuò)散到達(dá)燃料表面進(jìn)行反應(yīng)。如在燃料表面尚不能完全燃燒，則不完全燃燒產(chǎn)物燒產(chǎn)物( (如如COCO

2、等等) )在離開表面后，可再與在離開表面后，可再與O O2 2進(jìn)行氣相燃燒反應(yīng)。進(jìn)行氣相燃燒反應(yīng)。 (2) (2) 分解燃燒分解燃燒。這種情況常發(fā)生在熱分解溫度較低的固體燃料。這時(shí)。這種情況常發(fā)生在熱分解溫度較低的固體燃料。這時(shí)由熱分解產(chǎn)生的揮發(fā)分在離開燃料表面后，再與由熱分解產(chǎn)生的揮發(fā)分在離開燃料表面后，再與O O2 2進(jìn)行氣相燃燒反應(yīng)。木進(jìn)行氣相燃燒反應(yīng)。木材、紙張和煤揮發(fā)分的燃燒就屬此類燃燒。材、紙張和煤揮發(fā)分的燃燒就屬此類燃燒。 (3) (3) 蒸發(fā)燃燒蒸發(fā)燃燒。這種情況發(fā)生在熔點(diǎn)較低的固體燃料。燃料在燃燒前。這種情況發(fā)生在熔點(diǎn)較低的固體燃料。燃料在燃燒前先熔融成液態(tài)，然后再進(jìn)行蒸發(fā)和

3、燃燒先熔融成液態(tài)，然后再進(jìn)行蒸發(fā)和燃燒( (類似液體燃料類似液體燃料) )。石蠟等鏈烷烴系。石蠟等鏈烷烴系高級(jí)碳?xì)浠衔锏娜紵蛯俅祟惾紵?。在很多情況下，在進(jìn)行蒸發(fā)燃燒的高級(jí)碳?xì)浠衔锏娜紵蛯俅祟惾紵?。在很多情況下，在進(jìn)行蒸發(fā)燃燒的同時(shí)也可能進(jìn)行分解燃燒。同時(shí)也可能進(jìn)行分解燃燒。 (4) (4) 冒煙燃燒冒煙燃燒。對(duì)一些易熱分解的固體燃料，當(dāng)因溫度較低而揮發(fā)分。對(duì)一些易熱分解的固體燃料，當(dāng)因溫度較低而揮發(fā)分未能著火時(shí)，將會(huì)冒出大量濃煙，使大量可燃物散失在煙霧中。木材和紙未能著火時(shí)，將會(huì)冒出大量濃煙，使大量可燃物散失在煙霧中。木材和紙張?jiān)跍囟容^低的條件下燃燒時(shí)，就易于產(chǎn)生冒煙燃燒。張?jiān)跍囟容^低

4、的條件下燃燒時(shí)，就易于產(chǎn)生冒煙燃燒。 通過固體燃料的這幾種燃燒現(xiàn)象可以看出：在分析固體燃料燃燒時(shí)，通過固體燃料的這幾種燃燒現(xiàn)象可以看出：在分析固體燃料燃燒時(shí)，有時(shí)還需應(yīng)用氣體燃料和液體燃料的燃燒理論知識(shí)。有時(shí)還需應(yīng)用氣體燃料和液體燃料的燃燒理論知識(shí)。 火床式燃燒又稱層狀燃燒，它的特征是把燃料放置于爐篦上，空氣通過火床式燃燒又稱層狀燃燒，它的特征是把燃料放置于爐篦上，空氣通過爐篦下方爐篦孔穿過燃料層并和燃料進(jìn)行燃燒反應(yīng)，生成的高溫燃燒產(chǎn)物離爐篦下方爐篦孔穿過燃料層并和燃料進(jìn)行燃燒反應(yīng)，生成的高溫燃燒產(chǎn)物離開燃料層而進(jìn)入爐膛。圖開燃料層而進(jìn)入爐膛。圖15-115-1為幾種典型的火床燃燒方式簡(jiǎn)圖。在

5、已燃燒火為幾種典型的火床燃燒方式簡(jiǎn)圖。在已燃燒火床添加的新燃料床添加的新燃料( (小煤塊小煤塊) )由于受到已燃高溫煤層和高溫爐膛的加熱而被點(diǎn)燃由于受到已燃高溫煤層和高溫爐膛的加熱而被點(diǎn)燃燃燒。燃燒所需空氣由火床下爐篦孔供入。煤層燃燒所生成的煙氣進(jìn)入爐膛，燃燒。燃燒所需空氣由火床下爐篦孔供入。煤層燃燒所生成的煙氣進(jìn)入爐膛，其中尚未燃盡的可燃成分其中尚未燃盡的可燃成分( (如如COCO、H H2 2等等) )及由煙氣從煤層帶出的煤屑可再在爐及由煙氣從煤層帶出的煤屑可再在爐膛空間內(nèi)與空氣混合燃燒。故火床燃燒實(shí)際上是由兩部分組成，但以火床上膛空間內(nèi)與空氣混合燃燒。故火床燃燒實(shí)際上是由兩部分組成，但以

6、火床上的煤層燃燒為主，因此有人稱火床燃燒為層狀燃燒。經(jīng)過爐篦，進(jìn)入煤層供的煤層燃燒為主，因此有人稱火床燃燒為層狀燃燒。經(jīng)過爐篦，進(jìn)入煤層供燃燒的空氣稱一次風(fēng)；在煤層上部，向爐膛送入的空氣稱二次風(fēng)，它除了用燃燒的空氣稱一次風(fēng)；在煤層上部，向爐膛送入的空氣稱二次風(fēng)，它除了用于空間燃燒外，并用于形成爐內(nèi)所要求的空氣動(dòng)力場(chǎng)。在總空氣量中，一次于空間燃燒外，并用于形成爐內(nèi)所要求的空氣動(dòng)力場(chǎng)。在總空氣量中，一次風(fēng)是主要的燃燒空氣，其量約占總空氣量的風(fēng)是主要的燃燒空氣，其量約占總空氣量的80-100%80-100%，二次風(fēng)則占總空氣量，二次風(fēng)則占總空氣量的的0-20%0-20%。 燃料著火面爐排空氣 灰渣燃

7、料著火面爐排空氣燃料著火面鏈條活動(dòng)爐排空氣灰渣( a )( b( c )燃料著火面爐排著火面爐排燃料著火面燃料空氣灰渣燃料空氣燃料鏈條活動(dòng)爐排空氣灰渣 火床燃燒又可分為上飼式固定爐排燃燒、下飼式固定爐排燃燒及鏈條火床燃燒又可分為上飼式固定爐排燃燒、下飼式固定爐排燃燒及鏈條活動(dòng)爐排燃燒等。由圖活動(dòng)爐排燃燒等。由圖15-115-1可以看出，它們?cè)谌济杭盃t渣的運(yùn)動(dòng)方向、空可以看出，它們?cè)谌济杭盃t渣的運(yùn)動(dòng)方向、空氣及煙氣流動(dòng)方向的差異。氣及煙氣流動(dòng)方向的差異。 采用層狀燃燒法時(shí)。固體燃料在自身重力的作用下彼此堆積成致密的料采用層狀燃燒法時(shí)。固體燃料在自身重力的作用下彼此堆積成致密的料層。為了保持燃料在

8、爐篦上穩(wěn)定，煤塊的質(zhì)量必須大于氣流作用在煤塊的動(dòng)層。為了保持燃料在爐篦上穩(wěn)定，煤塊的質(zhì)量必須大于氣流作用在煤塊的動(dòng)壓沖力，也就是要保證以下條件：壓沖力，也就是要保證以下條件： 式中，式中， d d煤塊直徑；煤塊直徑； c c和和a a煤塊和空氣的密度；煤塊和空氣的密度； W Wa a空氣的流速；空氣的流速； C C阻力系數(shù)。阻力系數(shù)。232acaaw()642ddC 對(duì)于一定直徑的煤塊，如果氣流速度太高，當(dāng)煤塊的質(zhì)量和氣流對(duì)煤對(duì)于一定直徑的煤塊，如果氣流速度太高，當(dāng)煤塊的質(zhì)量和氣流對(duì)煤塊的動(dòng)壓沖力相等的煤塊。但另一方面，煤塊越小，反應(yīng)面積越大，燃燒塊的動(dòng)壓沖力相等的煤塊。但另一方面，煤塊越小，

9、反應(yīng)面積越大，燃燒反應(yīng)越強(qiáng)烈。顯然，應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮上述兩個(gè)方面，確定一個(gè)合適的塊度。反應(yīng)越強(qiáng)烈。顯然，應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮上述兩個(gè)方面，確定一個(gè)合適的塊度。 火床燃燒的優(yōu)點(diǎn)是燃料的點(diǎn)火熱源比較穩(wěn)定，因此燃燒過程也比較穩(wěn)火床燃燒的優(yōu)點(diǎn)是燃料的點(diǎn)火熱源比較穩(wěn)定，因此燃燒過程也比較穩(wěn)定。缺點(diǎn)是鼓風(fēng)速度不能太大，而且，機(jī)械化程度低，因此燃燒強(qiáng)度不能定。缺點(diǎn)是鼓風(fēng)速度不能太大，而且，機(jī)械化程度低，因此燃燒強(qiáng)度不能太高，只適用于中小型的爐子。太高，只適用于中小型的爐子。1232314abc15.1.2.2 15.1.2.2 火室式燃燒火室式燃燒 火室式燃燒是將煤磨成煤粉，使煤粉在爐膛空間以懸浮狀態(tài)進(jìn)行燃燒火室式燃燒

10、是將煤磨成煤粉，使煤粉在爐膛空間以懸浮狀態(tài)進(jìn)行燃燒過程，故又稱懸浮燃燒。煤粉與燃燒所需空氣可通過燃燒器上不同功能的過程，故又稱懸浮燃燒。煤粉與燃燒所需空氣可通過燃燒器上不同功能的噴口噴入爐膛，形成所需的燃燒空氣動(dòng)力場(chǎng)，以建立合適的燃燒條件。噴口噴入爐膛，形成所需的燃燒空氣動(dòng)力場(chǎng)，以建立合適的燃燒條件。 根據(jù)燃料的燃燒特性和對(duì)爐內(nèi)燃燒組織的不同要求，燃燒器有直流式和根據(jù)燃料的燃燒特性和對(duì)爐內(nèi)燃燒組織的不同要求，燃燒器有直流式和旋流式之分。前者的燃料流和空氣流均不旋轉(zhuǎn)，為直流射流，后者則為旋轉(zhuǎn)旋流式之分。前者的燃料流和空氣流均不旋轉(zhuǎn)，為直流射流，后者則為旋轉(zhuǎn)射流。直流式燃燒器常用在鍋爐內(nèi)形成射流。

11、直流式燃燒器常用在鍋爐內(nèi)形成U U型或型或W W型燃燒火焰，或用于組織四角型燃燒火焰，或用于組織四角燃燒火焰。旋流式燃燒器常用于在鍋爐中組織燃燒火焰。旋流式燃燒器常用于在鍋爐中組織L L型火焰。圖型火焰。圖15-215-2為這幾種火為這幾種火室爐爐膛內(nèi)燃燒火焰的組織。室爐爐膛內(nèi)燃燒火焰的組織。 煤粉在爐中隨氣流而快速運(yùn)動(dòng)，煤粉在爐內(nèi)逗留時(shí)間很短，一般僅煤粉在爐中隨氣流而快速運(yùn)動(dòng)，煤粉在爐內(nèi)逗留時(shí)間很短，一般僅2-3s2-3s，故需將煤粉磨得很細(xì)，使它來得及充分燃燒。對(duì)煤粉的要求為：顆粒平均直故需將煤粉磨得很細(xì)，使它來得及充分燃燒。對(duì)煤粉的要求為：顆粒平均直徑為徑為40-100m40-100m；

12、水分含量為；水分含量為(0.5-1.0)Wf%(0.5-1.0)Wf%。在煤粉爐，煤粉是先與部分燃。在煤粉爐，煤粉是先與部分燃燒空氣燒空氣( (稱一次風(fēng)稱一次風(fēng)) )組成一股煤粉組成一股煤粉空氣混合流，然后再經(jīng)過燃燒器噴入爐內(nèi)空氣混合流，然后再經(jīng)過燃燒器噴入爐內(nèi)燃燒，燃燒所需總空氣量的其余部分稱二次風(fēng)，當(dāng)把煤粉制粉系統(tǒng)的排氣送燃燒，燃燒所需總空氣量的其余部分稱二次風(fēng)，當(dāng)把煤粉制粉系統(tǒng)的排氣送入爐內(nèi)燃燒時(shí)，稱為三次風(fēng)。入爐內(nèi)燃燒時(shí)，稱為三次風(fēng)。在燃燒器中合理地安排一、二、三次風(fēng)口的射在燃燒器中合理地安排一、二、三次風(fēng)口的射流是達(dá)到所需燃燒空氣動(dòng)力場(chǎng)的關(guān)鍵流是達(dá)到所需燃燒空氣動(dòng)力場(chǎng)的關(guān)鍵。煤粉燃盡

13、后的灰渣可以固態(tài)或液態(tài)排。煤粉燃盡后的灰渣可以固態(tài)或液態(tài)排出爐外，并分別稱之為固態(tài)除渣煤粉爐及液態(tài)除渣煤粉爐。出爐外，并分別稱之為固態(tài)除渣煤粉爐及液態(tài)除渣煤粉爐。 與層狀燃燒相比、火室式燃燒有以下與層狀燃燒相比、火室式燃燒有以下優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 燃燒效率高；燃燒效率高； 可使用含灰質(zhì)及水分高的劣質(zhì)煤和無煙煤煤屑；可使用含灰質(zhì)及水分高的劣質(zhì)煤和無煙煤煤屑； 可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行操作的全部機(jī)械化和自動(dòng)化；可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行操作的全部機(jī)械化和自動(dòng)化； 單機(jī)容量可以大型化，適用于大型電站鍋爐。單機(jī)容量可以大型化，適用于大型電站鍋爐。 但火室式燃爐也存在以下但火室式燃爐也存在以下不足不足之處：之處： 金屬受熱面易磨損；金屬受熱

14、面易磨損； 煙氣中飛灰含量較高；煙氣中飛灰含量較高； 受熱面積灰和結(jié)渣問題較嚴(yán)重；受熱面積灰和結(jié)渣問題較嚴(yán)重； 需設(shè)置專用的制粉系統(tǒng)，且制粉尚需耗能；需設(shè)置專用的制粉系統(tǒng)，且制粉尚需耗能； 對(duì)爐子的運(yùn)行操作要求很高。對(duì)爐子的運(yùn)行操作要求很高。15.1.2.3 15.1.2.3 旋風(fēng)式燃燒旋風(fēng)式燃燒 采用火室式燃燒方式以后，可以使燃料品種的范圍擴(kuò)大，使?fàn)t子的操采用火室式燃燒方式以后，可以使燃料品種的范圍擴(kuò)大，使?fàn)t子的操作實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，并且可以適應(yīng)爐子容量不斷擴(kuò)大的需要。雖然如作實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，并且可以適應(yīng)爐子容量不斷擴(kuò)大的需要。雖然如此，但火室式燃燒方式也有它的嚴(yán)重缺點(diǎn)。例如，因?yàn)闊煔?/p>

15、中含有大量的此，但火室式燃燒方式也有它的嚴(yán)重缺點(diǎn)。例如，因?yàn)闊煔庵泻写罅康娘w灰，占燃料全部灰分的飛灰，占燃料全部灰分的85-90%85-90%，造成換熱器和引風(fēng)機(jī)的磨損，而且有礙，造成換熱器和引風(fēng)機(jī)的磨損，而且有礙環(huán)境衛(wèi)生，不得不裝置復(fù)雜的除塵設(shè)備。此外，燃燒粉煤還需要復(fù)雜的制環(huán)境衛(wèi)生，不得不裝置復(fù)雜的除塵設(shè)備。此外，燃燒粉煤還需要復(fù)雜的制粉設(shè)備，增加設(shè)備投資。粉設(shè)備，增加設(shè)備投資。 旋風(fēng)式燃燒是一種利用旋風(fēng)分離器的工作原理，使燃料懸浮于旋轉(zhuǎn)空旋風(fēng)式燃燒是一種利用旋風(fēng)分離器的工作原理，使燃料懸浮于旋轉(zhuǎn)空氣中的燃燒方式氣中的燃燒方式。在圖。在圖15-315-3表示出旋風(fēng)燃燒的原理。燃料顆粒與一

16、次風(fēng)經(jīng)表示出旋風(fēng)燃燒的原理。燃料顆粒與一次風(fēng)經(jīng)燃燒器送入旋風(fēng)爐，大量的二次風(fēng)則沿切線方向高速燃燒器送入旋風(fēng)爐，大量的二次風(fēng)則沿切線方向高速( (可達(dá)可達(dá)l00-200m/sl00-200m/s以上以上) )進(jìn)入旋風(fēng)爐，形成強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于氣流的旋轉(zhuǎn)，使燃料顆粒緊貼圓進(jìn)入旋風(fēng)爐，形成強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于氣流的旋轉(zhuǎn)，使燃料顆粒緊貼圓筒壁，邊旋轉(zhuǎn)，邊進(jìn)行熱分解、著火燃燒直到燃盡。燃燒生成的煙氣由中筒壁，邊旋轉(zhuǎn)，邊進(jìn)行熱分解、著火燃燒直到燃盡。燃燒生成的煙氣由中心孔流出。由于氣流的旋轉(zhuǎn)，燃料在爐中逗留時(shí)間較長(zhǎng)，故可燃用煤粉乃心孔流出。由于氣流的旋轉(zhuǎn)，燃料在爐中逗留時(shí)間較長(zhǎng)，故可燃用煤粉乃至小煤塊至

17、小煤塊( (其尺寸可達(dá)其尺寸可達(dá)5-6 mm5-6 mm甚至更大甚至更大) )。一次風(fēng)與煤粉二次風(fēng)二次風(fēng)旋風(fēng)爐 燃料顆粒越大，燃盡時(shí)間越長(zhǎng)，在爐中旋轉(zhuǎn)的次數(shù)也越多，滿足了充燃料顆粒越大，燃盡時(shí)間越長(zhǎng)，在爐中旋轉(zhuǎn)的次數(shù)也越多，滿足了充分燃燒的要求。由于燃料在爐中逗留時(shí)間較長(zhǎng)，旋風(fēng)爐內(nèi)存留的燃料量較分燃燒的要求。由于燃料在爐中逗留時(shí)間較長(zhǎng)，旋風(fēng)爐內(nèi)存留的燃料量較大，故燃料工況比較穩(wěn)定，對(duì)燃料和空氣量供應(yīng)的波動(dòng)不太敏感。大，故燃料工況比較穩(wěn)定，對(duì)燃料和空氣量供應(yīng)的波動(dòng)不太敏感。 由于旋風(fēng)燃燒中燃料與空氣混合很強(qiáng)烈，使燃燒過程大為強(qiáng)化，爐內(nèi)由于旋風(fēng)燃燒中燃料與空氣混合很強(qiáng)烈，使燃燒過程大為強(qiáng)化，爐內(nèi)溫

18、度可達(dá)到很高水平溫度可達(dá)到很高水平( (可達(dá)可達(dá)1600-17001600-1700C)C)，燃料中的灰分亦大部熔化為液態(tài)，燃料中的灰分亦大部熔化為液態(tài)從爐中排走，因而可大大減少煙氣帶出的飛灰。但是，旋風(fēng)燃燒也存在一從爐中排走，因而可大大減少煙氣帶出的飛灰。但是，旋風(fēng)燃燒也存在一些問題：些問題： 化渣問題化渣問題。旋風(fēng)爐對(duì)燃料的適應(yīng)性，主要受灰渣性質(zhì)的限制，因此。旋風(fēng)爐對(duì)燃料的適應(yīng)性，主要受灰渣性質(zhì)的限制，因此需采用適當(dāng)?shù)娜蹌┮越档突以娜埸c(diǎn)，對(duì)于擴(kuò)大旋風(fēng)爐的適用范圍具有很需采用適當(dāng)?shù)娜蹌┮越档突以娜埸c(diǎn)，對(duì)于擴(kuò)大旋風(fēng)爐的適用范圍具有很大意義。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，增加成分中的金屬氧化物可以降低灰渣的

19、熔點(diǎn)。大意義。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，增加成分中的金屬氧化物可以降低灰渣的熔點(diǎn)。 積灰問題積灰問題。當(dāng)采用旋風(fēng)燃燒時(shí)，雖然煙氣中的飛灰大大減少，但鍋。當(dāng)采用旋風(fēng)燃燒時(shí)，雖然煙氣中的飛灰大大減少，但鍋爐受熱面的積灰問題并未徹底解決，甚至由于這時(shí)煙氣中只有細(xì)灰，受熱面爐受熱面的積灰問題并未徹底解決，甚至由于這時(shí)煙氣中只有細(xì)灰，受熱面積灰現(xiàn)象反而有所加劇，到目前為止，積灰問題尚未解明，這是影響旋風(fēng)爐積灰現(xiàn)象反而有所加劇，到目前為止，積灰問題尚未解明，這是影響旋風(fēng)爐廣泛采用的一個(gè)重要原因。廣泛采用的一個(gè)重要原因。 灰渣物理熱的利用問題灰渣物理熱的利用問題。采用旋風(fēng)爐后，空氣系數(shù)可以減小，而燃。采用旋風(fēng)爐后，空氣

20、系數(shù)可以減小，而燃燒卻更安全，這些因素可以使鍋爐的熱效率提高。但是，旋風(fēng)爐的捕渣率很燒卻更安全，這些因素可以使鍋爐的熱效率提高。但是，旋風(fēng)爐的捕渣率很高，而且是呈液態(tài)流出，帶走大量物理熱。特別是對(duì)于多灰燃料，必須考慮高，而且是呈液態(tài)流出，帶走大量物理熱。特別是對(duì)于多灰燃料，必須考慮液態(tài)渣的物理熱的利用問題。液態(tài)渣的物理熱的利用問題。 15.1.2.4 15.1.2.4 沸騰式燃燒沸騰式燃燒 沸騰燃燒是利用空氣動(dòng)力使煤在沸騰狀態(tài)下完成傳熱、傳質(zhì)和燃燒反沸騰燃燒是利用空氣動(dòng)力使煤在沸騰狀態(tài)下完成傳熱、傳質(zhì)和燃燒反應(yīng)。它相當(dāng)于在火床中當(dāng)火床通風(fēng)速度達(dá)到煤粒沉降速度時(shí)的臨界狀態(tài)下應(yīng)。它相當(dāng)于在火床中當(dāng)

21、火床通風(fēng)速度達(dá)到煤粒沉降速度時(shí)的臨界狀態(tài)下的燃燒，這時(shí)煤粒失去穩(wěn)定性而在煤層中作強(qiáng)烈地上下翻騰運(yùn)動(dòng)，因其頗的燃燒，這時(shí)煤粒失去穩(wěn)定性而在煤層中作強(qiáng)烈地上下翻騰運(yùn)動(dòng)，因其頗類似沸騰狀態(tài)，故稱為沸騰燃燒。由于煤粒和空氣進(jìn)行劇烈的攪拌和混合，類似沸騰狀態(tài)，故稱為沸騰燃燒。由于煤粒和空氣進(jìn)行劇烈的攪拌和混合，燃燒過程十分強(qiáng)烈，燃料燃盡率可以很高燃燒過程十分強(qiáng)烈，燃料燃盡率可以很高( (對(duì)一般煤已可達(dá)到對(duì)一般煤已可達(dá)到96-98%96-98%以上以上) )。但由此而由煙氣帶出的飛灰量也較大，一般需經(jīng)二級(jí)除塵后才能達(dá)到排放但由此而由煙氣帶出的飛灰量也較大，一般需經(jīng)二級(jí)除塵后才能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)。 圖圖1

22、5-415-4示出了沸騰燃燒的原理。煤粒由氣力系統(tǒng)送入沸騰床中，燃燒示出了沸騰燃燒的原理。煤粒由氣力系統(tǒng)送入沸騰床中，燃燒所需空氣經(jīng)布風(fēng)板孔以高速噴向煤層，使煤粒失穩(wěn)而呈沸騰狀并進(jìn)行燃燒。所需空氣經(jīng)布風(fēng)板孔以高速噴向煤層，使煤粒失穩(wěn)而呈沸騰狀并進(jìn)行燃燒。由于燃燒過程十分強(qiáng)烈，所以沸騰燃燒能有效地燃用多種燃料，如無煙煤、由于燃燒過程十分強(qiáng)烈，所以沸騰燃燒能有效地燃用多種燃料，如無煙煤、煙煤、褐煤及油頁巖等多種固體燃料。煙煤、褐煤及油頁巖等多種固體燃料。234空氣空氣燃料燃料溢流灰溢流灰沸沸騰騰灰灰懸懸浮浮灰灰51 為防止沸騰層內(nèi)灰渣結(jié)塊破壞燃燒過程，通常在沸騰床內(nèi)設(shè)置埋管受為防止沸騰層內(nèi)灰渣結(jié)塊

23、破壞燃燒過程，通常在沸騰床內(nèi)設(shè)置埋管受熱面，使床內(nèi)溫度維持在熱面，使床內(nèi)溫度維持在800-900800-900C C之間。這些受熱面由于受到強(qiáng)烈翻騰之間。這些受熱面由于受到強(qiáng)烈翻騰煤粒的沖刷，使熱阻的層流邊界層常遭破壞，故受熱面可達(dá)到很高的傳熱煤粒的沖刷，使熱阻的層流邊界層常遭破壞，故受熱面可達(dá)到很高的傳熱系數(shù)系數(shù)( (可達(dá)可達(dá)250-350W/(m250-350W/(m2 2 C)C)。因此，以較少的受熱面積即可傳遞大量。因此，以較少的受熱面積即可傳遞大量的燃燒放熱量。沸騰燃燒屬低溫燃燒，在的燃燒放熱量。沸騰燃燒屬低溫燃燒，在800-900800-900C C的床層溫度下，對(duì)脫的床層溫度下，

24、對(duì)脫硫化學(xué)反應(yīng)很有利，因此，常隨燃料加入一定數(shù)量的硫化學(xué)反應(yīng)很有利，因此，常隨燃料加入一定數(shù)量的CaCOCaCO3 3及及MgCOMgCO3 3作為脫作為脫硫劑。據(jù)研究在硫劑。據(jù)研究在Ca/S2Ca/S2的條件下，可使燃料中大部分的硫的條件下，可使燃料中大部分的硫(80-90%(80-90%）被化）被化合成合成CaSOCaSO3 3爐渣殘留下來，從而防止有害氣體爐渣殘留下來，從而防止有害氣體SOxSOx對(duì)大氣的污染。由于低溫對(duì)大氣的污染。由于低溫燃燒，廢氣中的有害成分燃燒，廢氣中的有害成分NOxNOx也大為降低。也大為降低。 雖然煤可采取上述的名種方式進(jìn)行燃燒，但其燃燒過程是相同的。煤雖然煤可

25、采取上述的名種方式進(jìn)行燃燒，但其燃燒過程是相同的。煤的燃燒過程需經(jīng)歷干燥、揮發(fā)分析出及著火燃燒和焦炭著火燃燒等分過程，的燃燒過程需經(jīng)歷干燥、揮發(fā)分析出及著火燃燒和焦炭著火燃燒等分過程，并且其中的揮發(fā)分的燃燒與焦炭的燃燒在時(shí)間上有一定的重疊。并且其中的揮發(fā)分的燃燒與焦炭的燃燒在時(shí)間上有一定的重疊。 當(dāng)煤受熱時(shí)，煤表面和縫隙中的水分將首先蒸發(fā)出來，使煤被干燥。當(dāng)煤受熱時(shí)，煤表面和縫隙中的水分將首先蒸發(fā)出來，使煤被干燥。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，將發(fā)生煤的熱分解反應(yīng)，使煤中所含易分解的碳?xì)浠袭?dāng)溫度繼續(xù)升高，將發(fā)生煤的熱分解反應(yīng)，使煤中所含易分解的碳?xì)浠衔锖蜕倭坎荒苋紵幕衔锶缥锖蜕倭坎荒苋紵幕衔锶鏑

26、OCO2 2等以氣態(tài)析出。這些析出物即常稱的揮等以氣態(tài)析出。這些析出物即常稱的揮發(fā)分。在開始階段，揮發(fā)分的析出速度較高，在不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)便析出總發(fā)分。在開始階段，揮發(fā)分的析出速度較高，在不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)便析出總揮發(fā)分的揮發(fā)分的80-90%80-90%，最后的，最后的10-20%10-20%則要經(jīng)過較長(zhǎng)的時(shí)間才能全部析出，揮發(fā)則要經(jīng)過較長(zhǎng)的時(shí)間才能全部析出，揮發(fā)分析出后余下者即焦炭，它主要由固定碳和一些礦物雜質(zhì)所組成。分析出后余下者即焦炭，它主要由固定碳和一些礦物雜質(zhì)所組成。 由于揮發(fā)分是氣態(tài)的，容易與空氣混合，揮發(fā)分比焦炭易于著火，故由于揮發(fā)分是氣態(tài)的，容易與空氣混合，揮發(fā)分比焦炭易于著火，故當(dāng)

27、溫度足夠高又有空氣時(shí)，揮發(fā)分將首先著火。當(dāng)揮發(fā)分著火燃燒后，它當(dāng)溫度足夠高又有空氣時(shí)，揮發(fā)分將首先著火。當(dāng)揮發(fā)分著火燃燒后，它一方面加熱焦炭，但同時(shí)又與焦炭爭(zhēng)奪燃燒所需的氧。焦炭在大部分揮發(fā)一方面加熱焦炭，但同時(shí)又與焦炭爭(zhēng)奪燃燒所需的氧。焦炭在大部分揮發(fā)分燃燒以后，才著火燃燒，但與揮發(fā)分差不多同時(shí)燃盡。焦炭的燃燒一般分燃燒以后，才著火燃燒，但與揮發(fā)分差不多同時(shí)燃盡。焦炭的燃燒一般先從其表面的某一局部開始，再逐漸擴(kuò)展到整個(gè)表面。焦炭中所含礦物雜先從其表面的某一局部開始，再逐漸擴(kuò)展到整個(gè)表面。焦炭中所含礦物雜質(zhì)燃燒后形成的灰分，由于在燃燒過程中會(huì)形成妨害氧氣由顆粒外部向內(nèi)質(zhì)燃燒后形成的灰分，由于在

28、燃燒過程中會(huì)形成妨害氧氣由顆粒外部向內(nèi)部擴(kuò)散的逐漸增厚的灰殼，對(duì)燃盡時(shí)間有一定的影響，故灰分對(duì)燃燒是不部擴(kuò)散的逐漸增厚的灰殼，對(duì)燃盡時(shí)間有一定的影響，故灰分對(duì)燃燒是不利的。利的。1 2 3 4 5 6 7 8 9 10揮發(fā)物燃燒揮發(fā)物燃燒焦炭燃燒焦炭燃燒圖圖15-5 15-5 煤粒的燃燒過程煤粒的燃燒過程 圖圖15-515-5為煤粒燃燒過程的示意圖，它大致說明了固體燃料燃燒的基本為煤粒燃燒過程的示意圖，它大致說明了固體燃料燃燒的基本過程。由圖可見，當(dāng)揮發(fā)分燃燒時(shí)將形成一離開煤粒一定距離的明亮火焰，過程。由圖可見，當(dāng)揮發(fā)分燃燒時(shí)將形成一離開煤粒一定距離的明亮火焰，這時(shí)氧全部消耗于揮發(fā)分，燃燒不能

29、達(dá)到焦炭表面，使焦炭不能燃燒，故這時(shí)氧全部消耗于揮發(fā)分，燃燒不能達(dá)到焦炭表面，使焦炭不能燃燒，故焦炭呈暗黑色，其中心溫度不超過焦炭呈暗黑色，其中心溫度不超過700-800700-800C C。由于揮發(fā)分的燃燒加熱了。由于揮發(fā)分的燃燒加熱了焦炭，將能促進(jìn)以后的焦炭燃燒。揮發(fā)分著火后經(jīng)過不長(zhǎng)時(shí)間火焰逐漸縮焦炭，將能促進(jìn)以后的焦炭燃燒。揮發(fā)分著火后經(jīng)過不長(zhǎng)時(shí)間火焰逐漸縮短以至最后消失，這表明揮發(fā)分已基本燃盡。實(shí)驗(yàn)表明，這個(gè)時(shí)間約占煤短以至最后消失，這表明揮發(fā)分已基本燃盡。實(shí)驗(yàn)表明，這個(gè)時(shí)間約占煤?？?cè)急M時(shí)間的?？?cè)急M時(shí)間的10%10%左右。當(dāng)揮發(fā)分基本燃燒完畢，這時(shí)焦炭的燃燒則由煤左右。當(dāng)揮發(fā)分基本

30、燃燒完畢，這時(shí)焦炭的燃燒則由煤粒局部表面逐漸擴(kuò)展到整個(gè)表面，焦炭的溫度將達(dá)到其最大值粒局部表面逐漸擴(kuò)展到整個(gè)表面，焦炭的溫度將達(dá)到其最大值(1200(1200C)C)，并幾乎保持不變，同時(shí)在焦炭周圍出現(xiàn)很薄的藍(lán)色火焰，它主要是并幾乎保持不變，同時(shí)在焦炭周圍出現(xiàn)很薄的藍(lán)色火焰，它主要是COCO燃燒燃燒所形成的火焰。在焦炭燃燒時(shí)間內(nèi)，由于溫度高，雖又有少量揮發(fā)分繼續(xù)所形成的火焰。在焦炭燃燒時(shí)間內(nèi)，由于溫度高，雖又有少量揮發(fā)分繼續(xù)析出和燃燒，但它對(duì)燃燒過程不再起主要的作用。析出和燃燒，但它對(duì)燃燒過程不再起主要的作用。燃燃 料料焦炭占可燃成分中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)焦炭占可燃成分中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(%)(%)焦炭發(fā)

31、熱量占總發(fā)熱量的百分?jǐn)?shù)焦炭發(fā)熱量占總發(fā)熱量的百分?jǐn)?shù)(%)(%)無煙煤無煙煤96.596.59595煙煙 煤煤57-8857-8859.5-83.559.5-83.5褐褐 煤煤55556666泥泥 煤煤303040.540.5木木 材材15152020 煤粒燃燒的熱量釋放過程表明：對(duì)大多數(shù)煤種，焦炭所占發(fā)熱量比例煤粒燃燒的熱量釋放過程表明：對(duì)大多數(shù)煤種，焦炭所占發(fā)熱量比例要超過總可燃部分發(fā)熱量要超過總可燃部分發(fā)熱量50%50%以上以上( (表表15-1)15-1)。 由于焦炭在煤的質(zhì)量中所占的份額最大，著火最遲，所需燃盡時(shí)間長(zhǎng)，由于焦炭在煤的質(zhì)量中所占的份額最大，著火最遲，所需燃盡時(shí)間長(zhǎng)，燃燒發(fā)

32、熱量又占煤發(fā)熱量的主要部分，因此，焦炭的燃燒在煤的燃燒中起燃燒發(fā)熱量又占煤發(fā)熱量的主要部分，因此，焦炭的燃燒在煤的燃燒中起著決定性的作用。故以下討論煤的燃燒先從焦炭燃燒著手。著決定性的作用。故以下討論煤的燃燒先從焦炭燃燒著手。 15.3.1 15.3.1 碳的燃燒過程碳的燃燒過程 碳的燃燒為固相碳的燃燒為固相( (碳碳) )氣相氣相( (氧氧) )之間的燃燒反應(yīng)，它是在碳表而上進(jìn)行的，之間的燃燒反應(yīng)，它是在碳表而上進(jìn)行的，故與在整個(gè)容積中進(jìn)行既均勻氣相燃燒反應(yīng)有很大差別。這里所指的表面不故與在整個(gè)容積中進(jìn)行既均勻氣相燃燒反應(yīng)有很大差別。這里所指的表面不僅包括碳粒的外表面，還包括由碳粒表面裂縫僅

33、包括碳粒的外表面，還包括由碳粒表面裂縫( (常稱內(nèi)孔常稱內(nèi)孔) )所構(gòu)成的內(nèi)孔表面。所構(gòu)成的內(nèi)孔表面。 在碳表面進(jìn)行的燃燒由以下過程組成：在碳表面進(jìn)行的燃燒由以下過程組成： 氧擴(kuò)散至碳表面；氧擴(kuò)散至碳表面； 氧吸附于碳表面；氧吸附于碳表面； 氧與碳進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生生成物；氧與碳進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生生成物； 生成物由碳表面解吸；生成物由碳表面解吸； 解吸后的生成物擴(kuò)散至周圍環(huán)境。解吸后的生成物擴(kuò)散至周圍環(huán)境。15.3.2 15.3.2 碳在燃燒過程中所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)綜述碳在燃燒過程中所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)綜述 吸附至碳表面的氧與碳之間所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜，它并非經(jīng)過吸附至碳表面的氧與碳之間所進(jìn)行的

34、化學(xué)反應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜，它并非經(jīng)過 C+O C+O2 2 CO CO2 2 (15-1) 2C+O 2C+O2 2 2CO (15-2) 2CO (15-2) 一步就完成了化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)式實(shí)際上只表明化學(xué)反應(yīng)開始一步就完成了化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)式實(shí)際上只表明化學(xué)反應(yīng)開始和完成時(shí)的物質(zhì)平衡關(guān)系，并沒有表達(dá)出整個(gè)化學(xué)反應(yīng)是怎樣進(jìn)行的。和完成時(shí)的物質(zhì)平衡關(guān)系，并沒有表達(dá)出整個(gè)化學(xué)反應(yīng)是怎樣進(jìn)行的。 在初級(jí)反應(yīng)中，碳首先與吸附的氧進(jìn)行反應(yīng)，以及生成一種處于中間在初級(jí)反應(yīng)中，碳首先與吸附的氧進(jìn)行反應(yīng)，以及生成一種處于中間狀態(tài)的碳氧絡(luò)合物狀態(tài)的碳氧絡(luò)合物C C3 3O O4 4，這種絡(luò)合物在其他氧分子

35、的撞擊下再離解為，這種絡(luò)合物在其他氧分子的撞擊下再離解為COCO和和COCO2 2，即，即 3C + 2O 3C + 2O2 2 C C3 3O O4 4 (15-3) (15-3) C3O4 + C + O C3O4 + C + O2 2 2CO+2CO 2CO+2CO2 2 (15-4) (15-4) 在高溫條件下，這種絡(luò)合物也可能熱分解為在高溫條件下，這種絡(luò)合物也可能熱分解為COCO2 2和和COCO，即，即 C C3 3O O4 4 2CO+CO 2CO+CO2 2 (15-5) (15-5) 這些由初級(jí)反應(yīng)產(chǎn)生的這些由初級(jí)反應(yīng)產(chǎn)生的COCO2 2與與COCO再與碳和氧進(jìn)行以下次級(jí)反應(yīng)

36、：再與碳和氧進(jìn)行以下次級(jí)反應(yīng)： CO CO2 2與熾熱的碳表面進(jìn)行的還原反應(yīng)。這是一個(gè)吸熱反應(yīng)，它可表示與熾熱的碳表面進(jìn)行的還原反應(yīng)。這是一個(gè)吸熱反應(yīng)，它可表示為為 COCO2 2 + C CO (15-6) + C CO (15-6) CO CO與氧在碳周圍空間所進(jìn)行的容積反應(yīng)。這是一個(gè)燃燒放熱反應(yīng)，與氧在碳周圍空間所進(jìn)行的容積反應(yīng)。這是一個(gè)燃燒放熱反應(yīng)，它可表示為它可表示為 2CO + O 2CO + O2 2 CO CO2 2 (15-7) (15-7)CO2COCO2CO2與COO2距碳粒表面的距離濃度 (1) (1) 當(dāng)溫度低于當(dāng)溫度低于700700C C時(shí)時(shí), ,這時(shí)由初級(jí)反應(yīng)生成

37、的這時(shí)由初級(jí)反應(yīng)生成的COCO2 2與與COCO，由于溫度，由于溫度不高，不高，COCO2 2與碳表面還不能進(jìn)行還原反應(yīng)，與碳表面還不能進(jìn)行還原反應(yīng)，COCO也不能與也不能與O O2 2進(jìn)行燃燒反應(yīng)。因進(jìn)行燃燒反應(yīng)。因此在碳粒周圍的此在碳粒周圍的O O2 2、COCO2 2與與COCO分布如圖分布如圖15-615-6所示。即所示。即O O2 2由周圍環(huán)境的濃度遞由周圍環(huán)境的濃度遞減到碳粒表面的濃度，而減到碳粒表面的濃度，而COCO2 2與與COCO則由碳粒表面向四周擴(kuò)散，故濃度遞減。則由碳粒表面向四周擴(kuò)散，故濃度遞減。 COCO2O2濃度CO2COCO2O2鋒面C距碳粒表面的距離 (2) (2

38、) 當(dāng)溫度為當(dāng)溫度為800-1200800-1200C C時(shí)時(shí)，這時(shí)在初級(jí)反應(yīng)生成，這時(shí)在初級(jí)反應(yīng)生成COCO2 2與與COCO中，其中的中，其中的COCO2 2在該溫度下仍不能與碳進(jìn)行還原反應(yīng)，但在該溫度下仍不能與碳進(jìn)行還原反應(yīng)，但COCO卻已能與氧進(jìn)行容積反應(yīng)生卻已能與氧進(jìn)行容積反應(yīng)生成成COCO2 2，并形成火焰前峰。由容積反應(yīng)生成的，并形成火焰前峰。由容積反應(yīng)生成的COCO2 2與表面反應(yīng)生成的與表面反應(yīng)生成的COCO2 2匯合后，匯合后，再向周圍環(huán)境擴(kuò)散。經(jīng)過容積反應(yīng)后剩余的氧則繼續(xù)向碳表面擴(kuò)散。在圖再向周圍環(huán)境擴(kuò)散。經(jīng)過容積反應(yīng)后剩余的氧則繼續(xù)向碳表面擴(kuò)散。在圖15-715-7表示

39、出在碳粒周圍的表示出在碳粒周圍的O O2 2、COCO2 2及及COCO的分布。的分布。COCO2O2距碳粒表面的距離濃度CO2COO2鋒面CCO2 (3) (3) 當(dāng)溫度高于當(dāng)溫度高于1200-13001200-1300C C時(shí)時(shí)，這時(shí)因?yàn)闇囟容^高，在碳表面進(jìn)行的，這時(shí)因?yàn)闇囟容^高，在碳表面進(jìn)行的反應(yīng)加速，生成了更多的反應(yīng)加速，生成了更多的COCO2 2和和COCO，同時(shí)，同時(shí)COCO2 2與碳表面所進(jìn)行的還原反應(yīng)也因與碳表面所進(jìn)行的還原反應(yīng)也因溫度升高而加速，這樣就增加了向外擴(kuò)散的溫度升高而加速，這樣就增加了向外擴(kuò)散的COCO量，這些量，這些COCO在向外擴(kuò)散的過程在向外擴(kuò)散的過程中又與向

40、碳粒擴(kuò)散的氧發(fā)生反應(yīng)，生成中又與向碳粒擴(kuò)散的氧發(fā)生反應(yīng)，生成COCO2 2，并形成火焰前鋒。在火焰前峰，并形成火焰前鋒。在火焰前峰處處COCO2 2濃度達(dá)到最大值，并向周圍環(huán)境和碳粒表面擴(kuò)散。擴(kuò)散到碳表面的濃度達(dá)到最大值，并向周圍環(huán)境和碳粒表面擴(kuò)散。擴(kuò)散到碳表面的COCO2 2可與碳進(jìn)行還原反應(yīng)，進(jìn)行還原反應(yīng)所需的熱量由火焰前峰供給。這時(shí)氧實(shí)可與碳進(jìn)行還原反應(yīng)，進(jìn)行還原反應(yīng)所需的熱量由火焰前峰供給。這時(shí)氧實(shí)際上已經(jīng)不能達(dá)到碳粒表面，故碳的表面反應(yīng)可以認(rèn)為是借助際上已經(jīng)不能達(dá)到碳粒表面，故碳的表面反應(yīng)可以認(rèn)為是借助COCO2 2作為載體，作為載體，間接地將氧送到碳表面。圖間接地將氧送到碳表面。圖

41、15-815-8表示出這種情況下表示出這種情況下O O2 2、COCO2 2及及COCO的分布。的分布。 以上介紹的是碳與氧之間所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)情況。如果在燃燒過程中還以上介紹的是碳與氧之間所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)情況。如果在燃燒過程中還有水蒸氣參與則反應(yīng)過程更加復(fù)雜，這時(shí)將進(jìn)行以下反應(yīng)：有水蒸氣參與則反應(yīng)過程更加復(fù)雜，這時(shí)將進(jìn)行以下反應(yīng)： C + H C + H2 2O(g) CO + HO(g) CO + H2 2 (15-8) (15-8) 在碳表面還可能產(chǎn)生以下反應(yīng)：在碳表面還可能產(chǎn)生以下反應(yīng)： C + 2H C + 2H2 2 CH CH4 4 (15-9) (15-9) CO + H CO

42、 + H2 2O COO CO2 2 + H + H2 2 (15-10) (15-10) 由此可以看出，在碳的燃燒過程中所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜，它包括：由此可以看出，在碳的燃燒過程中所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜，它包括：碳的氧化反應(yīng)，碳與碳的氧化反應(yīng)，碳與COCO2 2的還原反應(yīng)、碳與水蒸氣的還原反應(yīng)等等。的還原反應(yīng)、碳與水蒸氣的還原反應(yīng)等等。15.3.3.1 15.3.3.1 碳和氧的反應(yīng)碳和氧的反應(yīng) 以上已經(jīng)指出，在碳與氧之間所進(jìn)行的初級(jí)反應(yīng)需先生成中間絡(luò)合物以上已經(jīng)指出，在碳與氧之間所進(jìn)行的初級(jí)反應(yīng)需先生成中間絡(luò)合物C C3 3O O4 4，然后再分解為，然后再分解為COCO2 2與與C

43、OCO。但在不同溫度下這一從氧吸附到碳表面。但在不同溫度下這一從氧吸附到碳表面生成生成絡(luò)合物絡(luò)合物絡(luò)合物離解的過程中，每一個(gè)過程的速率不同，所起的作用也不同，絡(luò)合物離解的過程中，每一個(gè)過程的速率不同，所起的作用也不同，并導(dǎo)致生成的并導(dǎo)致生成的COCO2 2與與COCO在數(shù)量上也不同，以下將在有較大現(xiàn)實(shí)意義的溫度范在數(shù)量上也不同，以下將在有較大現(xiàn)實(shí)意義的溫度范圍內(nèi)討論燃燒過程。圍內(nèi)討論燃燒過程。 (1) (1) 當(dāng)溫度略低于當(dāng)溫度略低于13001300C C時(shí)時(shí)，這時(shí)由于溫度并不很高，化學(xué)反應(yīng)速率，這時(shí)由于溫度并不很高，化學(xué)反應(yīng)速率并不很高，所以對(duì)碳燃燒速率起制約作用的將是影響化學(xué)反應(yīng)速率的絡(luò)合

44、物并不很高，所以對(duì)碳燃燒速率起制約作用的將是影響化學(xué)反應(yīng)速率的絡(luò)合物生成和離解速率，而氧溶入碳晶格生成和離解速率，而氧溶入碳晶格( (即化學(xué)吸附即化學(xué)吸附) )的速率相對(duì)前者而言卻是很的速率相對(duì)前者而言卻是很高的。這時(shí)碳表面幾乎全部被溶入的氧所占滿，其中一部分碳表面高的。這時(shí)碳表面幾乎全部被溶入的氧所占滿，其中一部分碳表面( (所占份所占份額為額為，01)01)上的氧在進(jìn)行絡(luò)合作用，生成上的氧在進(jìn)行絡(luò)合作用，生成C C3 3O O4 4，另一部分碳表面，另一部分碳表面( (其份其份額為額為 1 1)上則已蓋滿生成的絡(luò)合物。這些絡(luò)合物由于受到其他氧分子的撞上則已蓋滿生成的絡(luò)合物。這些絡(luò)合物由于受

45、到其他氧分子的撞擊，正離解為擊，正離解為COCO與與COCO2 2，其化學(xué)反應(yīng)式為，其化學(xué)反應(yīng)式為 C C3 3O O4 4+ O+ O2 2 +C +C2 2 CO+ 2CO CO+ 2CO2 2 如以氧的消耗速率來表示化學(xué)反應(yīng)速率，則絡(luò)合物的生成速率可表示為如以氧的消耗速率來表示化學(xué)反應(yīng)速率，則絡(luò)合物的生成速率可表示為 (15-11) (15-11) 式中，式中，k k1 1為絡(luò)合物生成速率常數(shù)。為絡(luò)合物生成速率常數(shù)。 絡(luò)合物離解速率則可表示為絡(luò)合物離解速率則可表示為 (15-12) (15-12) 式中，式中，k k2 2絡(luò)合物離解速率常數(shù)；絡(luò)合物離解速率常數(shù)； C Cs s碳表面處氧濃

46、度。碳表面處氧濃度。 當(dāng)絡(luò)合物生成速率與離解速率達(dá)到平衡時(shí)，這時(shí)將進(jìn)入穩(wěn)定燃燒工況，當(dāng)絡(luò)合物生成速率與離解速率達(dá)到平衡時(shí)，這時(shí)將進(jìn)入穩(wěn)定燃燒工況，這時(shí)的燃燒速率這時(shí)的燃燒速率W Wo o為為 由上式中可消去由上式中可消去，從而得出，從而得出 (15-13) (15-13)22sWk C (1)O1212sW =W =W = k = k C (1- )W1=K1SCW210k1k11 由此式可以看出：由此式可以看出： 當(dāng)碳表面氧濃度很低時(shí)，因而當(dāng)碳表面氧濃度很低時(shí)，因而 時(shí)，則時(shí)，則 ，即這時(shí)為，即這時(shí)為一級(jí)反應(yīng)，且燃燒速率取決于絡(luò)合物離解速率常數(shù)一級(jí)反應(yīng)，且燃燒速率取決于絡(luò)合物離解速率常數(shù) ，

47、而與絡(luò)合物生成速，而與絡(luò)合物生成速率常數(shù)率常數(shù) 幾乎無關(guān)。幾乎無關(guān)。 當(dāng)碳表面當(dāng)碳表面CsCs很高時(shí)，因而很高時(shí)，因而 很小時(shí)，由于很小時(shí)，由于 ，故，故 ，即，即這時(shí)為一零級(jí)反應(yīng)，且燃燒速率取決于絡(luò)合物生成速率常數(shù)，而與絡(luò)合物離這時(shí)為一零級(jí)反應(yīng)，且燃燒速率取決于絡(luò)合物生成速率常數(shù)，而與絡(luò)合物離解速率常數(shù)和碳表面氧濃度幾乎無關(guān)。解速率常數(shù)和碳表面氧濃度幾乎無關(guān)。 由于在空氣中氧所占質(zhì)量成分為由于在空氣中氧所占質(zhì)量成分為23.2%23.2%，所以在碳燃燒時(shí)，碳表面氧濃，所以在碳燃燒時(shí)，碳表面氧濃度不會(huì)很高，因此在上述溫度下，碳的燃燒反應(yīng)可視為一級(jí)反應(yīng)。度不會(huì)很高，因此在上述溫度下，碳的燃燒反應(yīng)可

48、視為一級(jí)反應(yīng)。2s111CkkO2sWC k2k1k2s1Ck12s11CkkO1W k (2) (2) 當(dāng)溫度超過當(dāng)溫度超過16001600時(shí)時(shí)，這時(shí)溫度甚高，化學(xué)反應(yīng)速率很高，根據(jù)，這時(shí)溫度甚高，化學(xué)反應(yīng)速率很高，根據(jù)前述石墨晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，氧化學(xué)吸附于晶體周界并進(jìn)而形成的絡(luò)合物前述石墨晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，氧化學(xué)吸附于晶體周界并進(jìn)而形成的絡(luò)合物C C3 3O O4 4，在這種高溫條件下絡(luò)合物不需經(jīng)受氧分子的撞擊就會(huì)自行熱分解，即在這種高溫條件下絡(luò)合物不需經(jīng)受氧分子的撞擊就會(huì)自行熱分解，即 C C3 3O O4 4 2CO+CO 2CO+CO2 2 在這種條件下，在吸附、絡(luò)合、分解三個(gè)環(huán)節(jié)中，相對(duì)而

49、言吸附速率在這種條件下，在吸附、絡(luò)合、分解三個(gè)環(huán)節(jié)中，相對(duì)而言吸附速率最慢，因此對(duì)碳燃燒速率起著制約作用。這一反應(yīng)是一個(gè)與氧濃度成正比最慢，因此對(duì)碳燃燒速率起著制約作用。這一反應(yīng)是一個(gè)與氧濃度成正比的一級(jí)反應(yīng)，故燃燒速率可表示為的一級(jí)反應(yīng)，故燃燒速率可表示為 式中式中k k3 3為氧吸附速率常數(shù)。為氧吸附速率常數(shù)。O3sWC k C+CO C+CO 2CO 2CO 這是一個(gè)吸熱的還原反應(yīng)，由于這一反應(yīng)是煤氣發(fā)生爐中造氣的主要化這是一個(gè)吸熱的還原反應(yīng)，由于這一反應(yīng)是煤氣發(fā)生爐中造氣的主要化學(xué)反應(yīng)，所以常稱為氣化反應(yīng)。這一反應(yīng)由于活化能很高，故在溫度不高時(shí)學(xué)反應(yīng)，所以常稱為氣化反應(yīng)。這一反應(yīng)由于活

50、化能很高，故在溫度不高時(shí)(800(800以下以下) )，反應(yīng)速率幾乎為零，只有當(dāng)溫度超過，反應(yīng)速率幾乎為零，只有當(dāng)溫度超過800800以后，反應(yīng)速率才以后，反應(yīng)速率才較顯著，而且只有當(dāng)溫度很高時(shí)，其化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)有可能超過碳氧化反較顯著，而且只有當(dāng)溫度很高時(shí)，其化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)有可能超過碳氧化反應(yīng)速率常數(shù)。應(yīng)速率常數(shù)。 這個(gè)反應(yīng)和碳與氧的反應(yīng)一樣，也是這個(gè)反應(yīng)和碳與氧的反應(yīng)一樣，也是COCO 首先吸附于碳晶體成絡(luò)合物，首先吸附于碳晶體成絡(luò)合物，然后絡(luò)合物分解生成然后絡(luò)合物分解生成COCO。并解吸離開碳表面。絡(luò)合物的分解可能是由于自行。并解吸離開碳表面。絡(luò)合物的分解可能是由于自行分解，也可能是

51、受了其他分解，也可能是受了其他COCO 分子撞擊所致。分子撞擊所致。 隨著溫度的不同，這一還原反應(yīng)的機(jī)理有所不同。在溫度略高于隨著溫度的不同，這一還原反應(yīng)的機(jī)理有所不同。在溫度略高于700700時(shí)，制約反應(yīng)速率的過程是絡(luò)合物熱分解過程；當(dāng)溫度高于時(shí)，制約反應(yīng)速率的過程是絡(luò)合物熱分解過程；當(dāng)溫度高于750750時(shí)，制約時(shí)，制約反應(yīng)速率的過程是絡(luò)合物在反應(yīng)速率的過程是絡(luò)合物在COCO 高能分子撞擊下的離解作用，反應(yīng)為一級(jí)反高能分子撞擊下的離解作用，反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，當(dāng)溫度更高時(shí)，則化學(xué)吸附速率將成為制約反應(yīng)速率的因素，這時(shí)仍為應(yīng)，當(dāng)溫度更高時(shí)，則化學(xué)吸附速率將成為制約反應(yīng)速率的因素，這時(shí)仍為一級(jí)反應(yīng)

52、，因此在實(shí)際燃燒條件下，一級(jí)反應(yīng)，因此在實(shí)際燃燒條件下，COCO 的還原速率可表示為：的還原速率可表示為： (15-14) (15-14) 式中式中, , 反應(yīng)速率常數(shù)，反應(yīng)活化能為反應(yīng)速率常數(shù)，反應(yīng)活化能為(18.4-32.2)(18.4-32.2)10104 4kJ/kmolkJ/kmol； 碳表面碳表面COCO 的濃度。的濃度。222COCOCOWC k2COk2COC 在碳燃燒時(shí)氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)可能都在進(jìn)行，顯然這兩種反應(yīng)的速率在碳燃燒時(shí)氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)可能都在進(jìn)行，顯然這兩種反應(yīng)的速率孰高孰低對(duì)燃燒過程有很大影響。研究表明：孰高孰低對(duì)燃燒過程有很大影響。研究表明： 就化學(xué)反應(yīng)速率

53、常數(shù)而言，如以煤為例就化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)而言，如以煤為例( (用以近似解釋碳的化學(xué)反用以近似解釋碳的化學(xué)反應(yīng)應(yīng)) )，則只有在高溫下，還原反應(yīng)速率常數(shù)才會(huì)超過氧化反應(yīng)速率常數(shù)，如，則只有在高溫下，還原反應(yīng)速率常數(shù)才會(huì)超過氧化反應(yīng)速率常數(shù)，如圖圖15-915-9所示，由圖可以看出，在所示，由圖可以看出，在1240K1240K不同活化能不同活化能E E下的氧化反應(yīng)速率常數(shù)基下的氧化反應(yīng)速率常數(shù)基本相同，而在本相同，而在1540K1540K時(shí)，不同活化能時(shí)，不同活化能E E下的還原速率常數(shù)下的還原速率常數(shù)k k交于一點(diǎn)。交于一點(diǎn)。 在表在表15-215-2中給出相當(dāng)于各種煤燃燒活化能并與圖中給出相當(dāng)于

54、各種煤燃燒活化能并與圖15-915-9相對(duì)應(yīng)。相對(duì)應(yīng)。反反 應(yīng)應(yīng)煤煤 種種在圖在圖15-915-9上的位置上的位置E E( (10104 4kJ/mol)kJ/mol)氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)褐褐 煤煤煙煙 煤煤無無 煙煙 煤煤曲線曲線1 1、2 2之間之間曲線曲線2 2、3 3之間之間曲線曲線3 3、4 4之間之間8.4-10.58.4-10.510.5-12.610.5-12.612.6-14.712.6-14.7還原反應(yīng)還原反應(yīng)褐褐 煤煤煙煙 煤煤無無 煙煙 煤煤曲線曲線5 5、6 6之間之間曲線曲線6 6、7 7之間之間曲線曲線7 7、8 8之間之間18.4-23.018.4-23.023.0

55、-27.623.0-27.627.6-32.227.6-32.2112345678234563456781/T(104)lgk0E1E22620K23471540K12671240K967C+CO22COC+O2CO2 如果考慮濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響，則應(yīng)指出：由于在燃燒時(shí)，碳粒如果考慮濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響，則應(yīng)指出：由于在燃燒時(shí)，碳粒是處于是處于COCO2 2包圍之中，故碳表面上的包圍之中，故碳表面上的COCO2 2的濃度要高于氧的濃度，尤其在燃盡的濃度要高于氧的濃度，尤其在燃盡階段氧幾乎消耗殆盡，而階段氧幾乎消耗殆盡，而COCO2 2濃度卻將達(dá)到最高值。因此在碳表面濃度卻將達(dá)到最高值。因此在

56、碳表面COCO2 2的濃度的濃度要高于氧的濃度，因此從這點(diǎn)看，對(duì)還原反應(yīng)更有利一些。要高于氧的濃度，因此從這點(diǎn)看，對(duì)還原反應(yīng)更有利一些。 綜上所述，在溫度很高時(shí)，碳粒表面的還原反應(yīng)速率可能高于氧化反應(yīng)綜上所述，在溫度很高時(shí)，碳粒表面的還原反應(yīng)速率可能高于氧化反應(yīng)速率，這時(shí)碳主要是依靠還原反應(yīng)燒掉。據(jù)計(jì)算，在速率，這時(shí)碳主要是依靠還原反應(yīng)燒掉。據(jù)計(jì)算，在1200-13001200-1300還原反應(yīng)還原反應(yīng)的速率常數(shù)僅為氧化反應(yīng)速率常數(shù)的的速率常數(shù)僅為氧化反應(yīng)速率常數(shù)的1/101/10左右，因此碳粒燃盡時(shí)間較長(zhǎng)。在左右，因此碳粒燃盡時(shí)間較長(zhǎng)。在液態(tài)排渣爐中由于溫度高達(dá)液態(tài)排渣爐中由于溫度高達(dá)160

57、01600左右，這時(shí)還原反應(yīng)速率大為增加，可達(dá)左右，這時(shí)還原反應(yīng)速率大為增加，可達(dá)到氧化反應(yīng)速率的到氧化反應(yīng)速率的1/2-1/31/2-1/3，這時(shí)碳粒就能很快燃盡。，這時(shí)碳粒就能很快燃盡。 由于氧化反應(yīng)為一強(qiáng)烈放熱過程，故當(dāng)反應(yīng)強(qiáng)化時(shí)放熱更多，溫度由于氧化反應(yīng)為一強(qiáng)烈放熱過程，故當(dāng)反應(yīng)強(qiáng)化時(shí)放熱更多，溫度更高，這將進(jìn)一步促進(jìn)反應(yīng)速率的提高，因此氧化反應(yīng)具有自我促進(jìn)的特更高，這將進(jìn)一步促進(jìn)反應(yīng)速率的提高，因此氧化反應(yīng)具有自我促進(jìn)的特點(diǎn)但還原反應(yīng)為一吸熱反應(yīng)，如果強(qiáng)化反應(yīng)，則吸熱需增加，這樣將導(dǎo)致點(diǎn)但還原反應(yīng)為一吸熱反應(yīng)，如果強(qiáng)化反應(yīng)，則吸熱需增加，這樣將導(dǎo)致溫度的下降，使反應(yīng)速率下降，故還原反

58、應(yīng)有自我抑制的特點(diǎn)，在強(qiáng)化燃燒溫度的下降，使反應(yīng)速率下降，故還原反應(yīng)有自我抑制的特點(diǎn)，在強(qiáng)化燃燒時(shí)，就應(yīng)考慮上述特點(diǎn)。時(shí)，就應(yīng)考慮上述特點(diǎn)。15.3.3.3 15.3.3.3 碳與水蒸氣的反應(yīng)碳與水蒸氣的反應(yīng) C + HC + H2 2O(g) CO + HO(g) CO + H2 2 這是一個(gè)吸熱反應(yīng)，一般可認(rèn)為它是一個(gè)一級(jí)反應(yīng)，其活化能很高這是一個(gè)吸熱反應(yīng)，一般可認(rèn)為它是一個(gè)一級(jí)反應(yīng)，其活化能很高( (據(jù)據(jù)測(cè)定為測(cè)定為37.637.6l04kJ/kmol)l04kJ/kmol)，與碳和，與碳和COCO2 2反應(yīng)活化能相當(dāng)，因此只有在高溫條反應(yīng)活化能相當(dāng)，因此只有在高溫條件下，反應(yīng)速率才較顯

59、著。件下，反應(yīng)速率才較顯著。 這一反應(yīng)也需經(jīng)過吸附、絡(luò)合、分解等過程，這一反應(yīng)也需經(jīng)過吸附、絡(luò)合、分解等過程，據(jù)研究其中對(duì)反應(yīng)速率起制約作用的是絡(luò)合物的生成與分解。據(jù)研究其中對(duì)反應(yīng)速率起制約作用的是絡(luò)合物的生成與分解。 碳的燃燒速率，在有水蒸氣加入時(shí)要比有碳的燃燒速率，在有水蒸氣加入時(shí)要比有COCO2 2加入時(shí)為高。其原因并不加入時(shí)為高。其原因并不在于化學(xué)反應(yīng)速率，而是由于水蒸氣的分子量小于在于化學(xué)反應(yīng)速率，而是由于水蒸氣的分子量小于COCO2 2的分子量，使水蒸氣的分子量，使水蒸氣的分子擴(kuò)散系數(shù)大于的分子擴(kuò)散系數(shù)大于COCO2 2的分子擴(kuò)散系數(shù)，因此加快了反應(yīng)物向碳表面的擴(kuò)的分子擴(kuò)散系數(shù)，因

60、此加快了反應(yīng)物向碳表面的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物離開碳表面的擴(kuò)散，從而加快了碳的燃燒速度，一般比散和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物離開碳表面的擴(kuò)散，從而加快了碳的燃燒速度，一般比COCO2 2加快加快3 3倍左右。倍左右。15.3.3.4 15.3.3.4 碳與氧、二氧化碳和水蒸氣所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)速率比較碳與氧、二氧化碳和水蒸氣所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)速率比較 這幾種化學(xué)反應(yīng)在碳燃燒時(shí)有可能同時(shí)進(jìn)行，因此需了解它們?cè)诜磻?yīng)速這幾種化學(xué)反應(yīng)在碳燃燒時(shí)有可能同時(shí)進(jìn)行，因此需了解它們?cè)诜磻?yīng)速率數(shù)量級(jí)上的差別。研究表明，它們?cè)诜磻?yīng)速率上相差很大，表率數(shù)量級(jí)上的差別。研究表明，它們?cè)诜磻?yīng)速率上相差很大，表15-315-3中給出中給出了了