2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,1,第十一章固体燃料的燃烧,煤的燃烧,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,2,燃烧特征分类,1、表面燃烧：燃烧反应在燃料表面进行，通常发生在几乎不含有挥发分的燃料中，如焦炭、木炭，氧气与二氧化碳通过扩散作用到达燃料表面进行燃烧反应。,2、分解燃烧：一般发生在热分解温度较低的燃料中，热分解产生的挥发分在离开燃料后与氧气接触进行同相燃烧反应，如纸张、木材、煤等。,3、蒸发燃烧：发生在熔点较低的燃料中，先熔化呈液态，然后进行蒸发和燃烧，如石蜡等链烷烃燃料。,4、冒烟燃烧：一些易分解的固体燃料当温度较低挥发分未着火时，将产生大量浓烟，从而使大量可燃成分散失在烟雾中。如木材纸张在低温下的燃烧。,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,3,第一节 煤的燃烧过程,煤的燃烧需要经历干燥、挥发分析出、挥发分着火燃烧、焦炭着火燃烧、燃尽等几个过程。,1、煤受热，表面水分蒸发，干燥。温度继续升高，热分解反应，析出碳氢化合物和少量CO2，称为挥发分；在很短时间内就可以析出全部挥发分的90左右，但需要较长时间才可全部析出。,2、温度足够高，挥发分着火燃烧，一方面加热焦炭，一方面争夺氧气，抑制焦炭不能燃烧，中心温度800左右。这90的挥发分的燃烧时间占全部燃烧时间10左右。,3、焦炭在大部分挥发分燃烧后才着火，温度达到1200度，出现蓝火焰，是CO燃烧。仍有少量挥发分析出，二至几乎同时燃尽。由于焦炭发热量很高，故在煤燃烧中起决定性作用。,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,4,挥发分对煤燃烧的影响,挥发分对粒煤燃烧具有双重影响,有利影响： 挥发分与空气的混合物着火温度很低，因此先于焦炭着火燃烧，并形成包络火焰，提高了焦炭的温度，为其着火燃烧提供了条件；同时焦炭温度升高也促进了挥发份的析出。 挥发分析出在焦炭内部形成众多空洞，增加了焦炭反应表面积，利于提高燃烧速度。,不利影响： 挥发分的燃烧消耗了大量的氧气，造成扩散到焦炭表面的氧气显著减少，从而降低了煤颗粒的燃烧速度，特别是燃烧初期，对煤粒燃烧的抑制作用尤其明显。,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,5,灰分对煤燃烧的影响,有利影响： 当灰分中含有Na、K等元素时，对煤的燃烧油催化作用。,不利影响： 当煤颗粒由外层逐渐烧向内层的时候，灰分有可能形成包裹颗粒的灰壳，妨碍了氧气的扩散，不仅降低了燃烧速度，甚至导致不能燃烬。另外灰分升温消耗了一部分热量，降低了燃烧温度并导致着火延迟。,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,6,随着燃烧的进行，灰壳厚度将逐渐增大，从而导致煤粒的燃烧速率逐渐下降。 实验表明，只要灰壳的厚度不过分大（不超过0.3-0.5mm），灰分对燃烧速率的影响是比较小的,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,7,焦炭对煤燃烧的影响,焦炭在煤中所占的份额最大，焦炭的发热量又占有煤的发热量的主要部分，而其着火最迟、燃尽所需时间最长（约占总燃尽时间的90%），因此焦炭的燃烧在煤粒的燃烧过程中起着决定性的作用 。,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,8,第二节碳粒的燃烧过程,在燃烧过程中，碳的反应包括初次反应（碳与氧）和二次反应（碳与二氧化碳及一氧化碳与氧），这两次反应都是在相界面上的异相反应。碳的异相反应可以在外表面进行，也可以在孔隙的内表面进行；异相反应越强烈，越集中在外表面；反之，容易趋向内表面。异相反应速度：单位时间单位表面积上完成的反应物质的量。g/cm2s,碳的燃烧包括：1、氧扩散到碳表面；2、氧吸附于碳表面；3、氧与碳进行表面反应；4、反应产物的脱附；5、解析后的生成物从反应表面扩散到周围环境。,碳在纯氧中燃烧,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,9,1、碳的燃烧过程,1、初次反应：碳与氧反应，生成中间状态的碳氧络合物，然后离解为二氧化碳与一氧化碳。,2、二次反应：二氧化碳在炽热碳表面进行还原反应，吸热；一氧化碳与氧气进行容积反应，放热。,Re100情况下 A、温度低于700度：由于温度不高，CO2不能进行还原反应，CO也不能与氧反应,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,10,B、温度7001200度：CO2仍然不能进行还原反应，CO与氧可以反应生成CO2并形成火焰前锋，所以其浓度高于CO。,C、温度大于1200度：CO2的还原反应生成CO，故增大其扩散量。在其扩散过程中与氧反应形成火焰前锋，CO2达到最大。氧已经不能扩散到碳表面。,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,11,2、主要反应,碳与氧的反应,T1300度，吸附、络合、分解三个环节中，氧的吸附速率最慢，因此对燃烧反应起制约作用的是吸附过程 燃烧反应为一级反应。,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,12,碳与二氧化碳的反应,是一个吸热还原反应。首先CO2吸附在碳粒表面，形成络合物，再分解生成CO，然后由碳粒表面解析、脱附。由于该反应的活化能很高，因此，只有当温度超过800d度以后，反应速率才会有显著的提高，此时，制约碳粒燃烧反应的主要因素是氧的吸附过程。,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,13,3、燃烧速率,一般情况下，碳的燃烧反应可认为是一级反应,稳态过程反应速度应该等于反应表面气体扩散速度,碳的燃烧速率,仅与碳粒尺寸及扩散系数有关，而与温度无关,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,14,1、动力燃烧区，温度很低或直径很小时,2、扩散燃烧区，高温区,3、过渡燃烧区：强化燃烧的措施既要考虑化学动力因素，又要兼顾物理扩散因素,在碳粒燃烧的初期，提高系统温度将有助于提高燃烧速率,在扩散燃烧区强化燃烧：粉碎燃料、增强气流与碳粒之间的相对速度,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,15,对于直径dc的碳粒，经过燃烧时间dt后，直径缩小d(dc),则碳粒质量减小速率为：,根据异相反应速度的定义：,1、动力区燃烧时,燃尽时间与碳粒直径成正比,2、扩散区燃烧时,燃尽时间与碳粒直径的平方成正比，服从颗粒直径燃烧平方规律,4、碳粒的燃尽时间,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,16,5、内部反应对燃烧速率的影响,（1）内动力区：当温度较低时，化学反应速率较小，氧扩散速率远远大于碳粒内、外表面上的化学反应速率，在碳粒内、外表面各处的氧浓度相同，此时，内部反应与外部反应同时进行。 （2）内扩散区：温度逐渐提高，化学反应速率增大，在内表面上，氧浓度随着裂缝深度的增大逐渐减小，直至等于零，因此内部反应将减弱甚至停止；而在外表面上氧浓度依然Cs，外部反应仍可正常进行。 （3）外动力区：当温度进一步提高时，氧在碳粒外表面处就已经被消耗殆尽，内部反应将完全停止，不过，此时，氧的扩散速率却仍然大于当地的化学反应速率。 （4）外扩散区：当温度非常高时，化学反应速率已经达到足够高的程度，以至于外部反应的进行仅仅取决于外表面上氧的扩散速率。,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,17,对于球状碳粒的稳定燃烧，设其半径为rs，外表面积S0，单位体积上内部孔隙总表面积Si，则总表面积为：,碳的燃烧速率可以写为：,比较上面两个有效速度常数可以发现，从低温到高温，内部反应引起化学反应速度常数的增值在1rsSik/3之间。,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,18,（1）在低温或者碳粒直径很小的情况下， ，因此碳粒的燃烧速率主要取决于内、外表面上的化学反应速率，处于内动力燃烧区，有效渗透深度为r0/3，,（2）在高温或者碳粒直径较大情况下， ，碳粒的燃烧速率主要取决于氧的扩散速率，此时有效渗透深度为0，内部反应完全停止，化学反应仅在外表面进行，处于外扩散燃烧区,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,19,6、次级反应的影响,实验研究发现：当碳粒燃烧进入扩散区以后，其反应速度并非如上图所示与温度无关，而是随着温度的提高显著提高，这便是二次反应的影响。温度越高，CO2越容易还原为CO，CO在离开表面途中与迎面的氧反应生成CO2，达到峰值并向碳表面扩散，此时氧已经不能扩散到碳表面，所以是CO2在与碳进行反应。,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,20,1、在低温区，燃烧速率主要取决于氧化反应，温度对燃烧速率的影响趋势如动力燃烧曲线A所示. 2、随着温度的提高，碳粒的燃烧反应转入扩散燃烧区，影响趋势则如扩散燃烧曲线C。 3、当温度进一步提高时，碳粒的燃烧速率将取决于还原反应，此时，燃烧速率与温度的关系如还原反应的动力燃烧曲线B所示，燃烧速率仍将随着温度的提高而急剧增大，这是大量实验数据所证实过的；,4、当温度非常高时，碳粒的燃烧反应将转入以还原反应为特征的扩散燃烧区，温度与燃烧速率的关系如扩散曲线D所示,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,21,第三节碳粒的着火与熄火,简化模型：碳粒为球状，反应仅在表面进行，且为一级反应，则碳粒着火的必要条件就是反应放热量Qf必须大于系统散热Qs。,1、T0=T01时，两者有三个交点，A为下稳定点，缓慢氧化状态，不能着火；B为不稳定点，没有外加热量不可能达到。因此此温度不能着火。,2、T0=T02时，二者切于D，着火临界条件，温度略有提升即可着火。E为上稳定点，位于扩散燃烧区。,3、T0=T02时，二者切于F，熄火临界点，位于低温动力区。,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,22,讨论,影响Qf、Qs的因素包括环境温度、气流速度、碳粒尺寸等都将影响着火温度，所以着火温度并非燃料的固有特性。如当气流速度增加时，碳粒的尺寸减小或者放热系数增大都会令Qs增加，引起着火温度与熄火温度的增大。但是并非碳粒直径越小越难以着火。当直径减小时，气加热速率很高，因此在很短的时间内就可以达到着火温度。,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,23,煤粉燃烧湍流火焰,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,24,第四节 煤的燃烧方式,按照燃烧方式分类：层燃、悬浮燃烧、旋风燃烧、沸腾燃烧。,香港Castel Peak电厂,锅炉,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,25,一、层燃,层燃：煤在火床上（炉排、炉篦等）完成燃烧过程，空气通过炉排穿过燃料层与燃料混合、燃烧；高温产物进入炉膛换热。特点：1、由于具有连续点火源，燃烧稳定；2、空气一般分两次送入，煤层下送入80以上，称一次风；炉膛送入20左右，二次风；3、煤层运动缓慢，燃烧强度低，燃烧效率不高。,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,26,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,27,下饲加煤层燃,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,28,前饲给煤层燃,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,29,链条炉排、振动炉排,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,30,往复推饲炉排,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,31,二、悬浮燃烧,悬浮燃烧：将煤磨成粉末，利用煤粉燃烧器将煤粉与空气喷入炉膛，使之以悬浮状态燃烧。根据燃料特性和炉内燃烧组织的不同要求，燃烧器由直流、旋流，前者用于组织U型、W型火焰或四角切圆火焰，后者用于组织L型火焰。特点：1、煤粉在炉膛内随气流快速运动，逗留时间很短，因此要求细粉；2、多次送风，一次风输送煤粉，二次风助燃；3、可燃用劣质煤，燃烧效率高，多用于大型锅炉；4、飞灰严重，结渣严重，磨损严重。,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,32,煤粉锅炉,数值模拟,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,33,直流煤粉燃烧器,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,34,旋流燃烧器,2018/9/18,河北工业大学能源与环境学院,35,