2024年8月5日- 1燃烧基础燃烧基础燃烧燃烧理论基础理论基础2024年8月5日- 2燃烧基础燃烧基础什么是燃烧什么是燃烧什么是燃烧什么是燃烧 ? ?请列出请列出: 燃烧需要的燃烧需要的 3要素要素?1.2.3.请列出请列出: 另外另外3个条件个条件以得到以得到良好的良好的燃烧燃烧4.5.6.2024年8月5日- 3燃烧基础燃烧基础燃烧之燃烧之燃烧之燃烧之恰当的混合恰当的混合恰当的混合恰当的混合u燃烧是燃料与氧气之间的放热反应。燃烧是燃料与氧气之间的放热反应。1.燃料燃料3.点火点火2.氧气氧气火焰火焰+5.混合混合4.计量计量6.燃烧器燃烧器2024年8月5日- 4燃烧基础燃烧基础燃烧之燃烧之燃烧之燃烧之 基本反应基本反应基本反应基本反应烃类燃料烃类燃料 + 氧气氧气 CO2 + H2O+ 热热 C + O2 CO2+ 32.8 MJ/ kg C1 摩尔 的C 和 1 摩尔的O2 产生 1 摩尔的 CO2COOCOO2024年8月5日- 5燃烧基础燃烧基础燃烧之燃烧之燃烧之燃烧之基本反应基本反应基本反应基本反应2H + 1/2 O2H2O+120 MJ/kg H2 摩尔的 H和1/2 摩尔的 O2 产生 1摩尔的 H2OHHOOHHHHOHHO2024年8月5日- 6燃烧基础燃烧基础燃烧燃烧燃烧燃烧 : : 练习练习练习练习 _CH4 + _O2_CO2+ _H2O +_ KJ /kg CH4_C3H8 + _O2_CO2+ _H2O + _KJ /kg C3H8通过平衡各边各元素的总数来确定反应系数。通过平衡各边各元素的总数来确定反应系数。2024年8月5日- 7燃烧基础燃烧基础燃烧燃烧燃烧燃烧 : : 练习练习练习练习 CH4 + O2 CO2 + H2O + MJ /kg CH4 C3H8 + O2 CO2 + H2O + MJ /kg C2254.6345根据燃料的摩尔组成，确定散发的热量：CH4 C + 4H16 kg/kgmol12 kg/kgmol4 kg/kgmol从1 kg 的燃料, 你可以得到 12/16 或 0.75 kg 的 C 以及 4/16 或0.25 kg 的H48.62024年8月5日- 8燃烧基础燃烧基础燃烧燃烧燃烧燃烧: : 自由基反应自由基反应自由基反应自由基反应u实际反应并不是燃料与氧分子之间进行，而是通过自由基机理。实际反应并不是燃料与氧分子之间进行，而是通过自由基机理。u最简单的是最简单的是CH4 燃烧（链锁反应）燃烧（链锁反应）:4火源为此链锁反应的启动提供了热量: 产生自由基，例如 OHh链锁反应启动: H2O + CH4 H + OH + CH4h链锁反应 (非常快): O + H2O OH + OH4H + H2O OH + H24CH4 + OH H2O + CH34CH3 + O2 CH2O + OH4CH2O + OH H2O + CHO4CHO + OH H2O + CO (达到这一点很容易)4CO + OH CO2 + H (CO 氧化过程很缓慢)h在没有水的情况下，就没有OH游离基可以氧化CO2024年8月5日- 9燃烧基础燃烧基础氧化过程氧化过程氧化过程氧化过程: : 三个反应基本原则三个反应基本原则三个反应基本原则三个反应基本原则u氧化速度氧化速度: r = K* y(O2)* y(可燃可燃)4r = 可燃混合物被氧化的速度，单位是mol/cm3.s4y = 各成分的摩尔分数, 4K= 速度常量，单位是 mol/cm3s, 4K= Aexp(-E/RT) 且hE =激活能 ，范围是 40 - 250kJ/molKh温度敏感: 对于激活能为 125kJ/mol.K ，在27C 时，每增加10C ，反应将会增加100倍，而在730 C 时则会增加1.5倍。u热量产生与热量散发间的平衡热量产生与热量散发间的平衡4在稳定状态，产生的热量等于散发的热量。u受混合的影响受混合的影响4决定点火温度以及火焰稳定性。2024年8月5日- 10燃烧基础燃烧基础2024年8月5日- 11燃烧基础燃烧基础从这些关系中我们能推断出什么从这些关系中我们能推断出什么从这些关系中我们能推断出什么从这些关系中我们能推断出什么? ?u氧气含量和可燃物的浓度是非常重要的氧气含量和可燃物的浓度是非常重要的4任一物质的稀释会导致摩尔分数变小，氧化速度减慢u如果产生的热量降低会发生什么如果产生的热量降低会发生什么?4散热量也必须降低2024年8月5日- 12燃烧基础燃烧基础燃烧阶段燃烧阶段燃烧阶段燃烧阶段: 3 + 1: 3 + 1准备准备预燃预燃点火点火燃烧燃烧热量热量2024年8月5日- 13燃烧基础燃烧基础焦碳的着火及燃烧焦碳的着火及燃烧 (0.1到到 1 s)燃烧燃烧燃烧燃烧过程过程过程过程加热阶段加热阶段热解干馏及挥发物燃烧 颗粒温度升高预燃阶段预燃阶段 (0.1 到到 0.3 s)气相 颗粒表面燃烧颗粒表面燃烧O2热解:(轻质气体, 焦油, 液态碳氢化合物, 煤烟)挥发 (液态)燃烧产物 (CO2, H2O) 和灰分高温辐射及对流传辐射及对流传辐射及对流传辐射及对流传热热热热辐射加热辐射辐射未燃烧的煤2024年8月5日- 14燃烧基础燃烧基础燃烧分类燃烧分类燃烧分类燃烧分类: : 4 4 种类型种类型种类型种类型第第1类类 : 中性完全燃烧中性完全燃烧: 理想状态理想状态第第2类类 : 有过剩空气的完全燃烧有过剩空气的完全燃烧第第3类类 : 有过剩空气的不完全燃烧有过剩空气的不完全燃烧第第4类类 : 空气不足的不完全燃烧空气不足的不完全燃烧2024年8月5日- 15燃烧基础燃烧基础第第第第1 1类类类类: :中性完全燃烧中性完全燃烧中性完全燃烧中性完全燃烧u中性燃烧氧气中性燃烧氧气 需求量需求量O2min = 化学计量燃烧要求的化学计量燃烧要求的O2数量数量u中性燃烧空气需求量中性燃烧空气需求量= 化学计量燃烧要求的空气容积（或摩尔）化学计量燃烧要求的空气容积（或摩尔）:4 Amin = O2min/0.21 单位是 Nm32024年8月5日- 16燃烧基础燃烧基础第第第第2 2类类类类: : 有过剩空气的完全燃烧有过剩空气的完全燃烧有过剩空气的完全燃烧有过剩空气的完全燃烧 u燃料完全被燃料完全被 氧化，氧气有剩余氧化，氧气有剩余4燃烧产物: H2O, CO2, N2, O2, Ar, SO2u控制尽可能少的过剩空气控制尽可能少的过剩空气, 以下是我们想要达到的以下是我们想要达到的 ：4烟气损失4最佳的窑尾 O2含量4无挥发循环4火焰温度高 -好的热量交换;4目标 = 10% 的过量空气- 根据燃料种类决定窑尾O2量2024年8月5日- 17燃烧基础燃烧基础过剩空气过剩空气过剩空气过剩空气u超出化学计量燃烧所需的空气量的空气叫过剩空气量超出化学计量燃烧所需的空气量的空气叫过剩空气量 %4 (A总 - Amin )/ Amin x 100u过剩空气系数过剩空气系数 (或化学计量比或化学计量比SR): 4A总/Amin2024年8月5日- 18燃烧基础燃烧基础过剩空气带来的过剩空气带来的过剩空气带来的过剩空气带来的影响影响影响影响我们可以列出以下：我们可以列出以下：u热耗热耗u挥发循环挥发循环u燃烧产物排放燃烧产物排放u烧成带烧成带4影响质量4影响火焰温度等u粉尘量和收尘装置粉尘量和收尘装置u设备能力设备能力 (排风机排风机, 收尘器收尘器,负压负压)u二次空气二次空气寻找恰当的设定是工艺工程师面临的主要挑战之一寻找恰当的设定是工艺工程师面临的主要挑战之一.2024年8月5日- 19燃烧基础燃烧基础燃烧产物燃烧产物燃烧产物燃烧产物 VS VS 过剩空气过剩空气过剩空气过剩空气O2O22024年8月5日- 20燃烧基础燃烧基础能量损失能量损失能量损失能量损失 过剩空气2024年8月5日- 21燃烧基础燃烧基础过剩空气过剩空气过剩空气过剩空气 : : 练习练习练习练习u如果用如果用1摩尔的甲烷和摩尔的甲烷和11.4摩尔的空气进行反应。过剩空气量百分比是多摩尔的空气进行反应。过剩空气量百分比是多少？过量空气系数是什么？少？过量空气系数是什么？u按化学计量按化学计量, 氧气需求是氧气需求是: 41 CH4 + 2 O2 1 CO2+ 2 H2O = 2.0 摩尔O24(2摩尔的 O2)/0.21 = 9.52 摩尔按化学计量组成的空气u过剩空气则过剩空气则:4% 过剩空气量= 100*(11.4 - 9.52)/9.52 = 19.7%4过剩空气系数 : 11.4/9.52=1.197 2024年8月5日- 22燃烧基础燃烧基础u氧气足够但仍残留有可燃物氧气足够但仍残留有可燃物u燃烧产物燃烧产物: CO2, H2O, N2, CO, O2 , (SOx, NOx)u可能的原因可能的原因:4燃料准备不好4燃料/O2混合不好4燃料/O2配合比例不好 燃烧有问题燃烧有问题第第第第3 3类类类类: : 有过剩空气的不完全燃烧有过剩空气的不完全燃烧有过剩空气的不完全燃烧有过剩空气的不完全燃烧2024年8月5日- 23燃烧基础燃烧基础 燃料偏多燃料偏多第第第第4 4类类类类: : 空气不足时的不完全燃烧空气不足时的不完全燃烧空气不足时的不完全燃烧空气不足时的不完全燃烧u只有部分燃料氧化只有部分燃料氧化u燃烧产物燃烧产物:CO2, H2O, N2, H2, CO, CmHn, H2S2024年8月5日- 24燃烧基础燃烧基础4 4类燃烧的总结类燃烧的总结类燃烧的总结类燃烧的总结4第1类: 中性的空气h鉴于混合过程的效率，在实践中并不可能4第2类: 过多的过剩空气h完全燃烧h过多意味着热损失4第3类: 空气不足h不完全燃烧hCO的含量高,说明空气不足h效率低4第4类: 适当的过剩空气h既不产生COh也不要有多余的空气2024年8月5日- 25燃烧基础燃烧基础操作操作操作操作窑尾氧气窑尾氧气窑尾氧气窑尾氧气u当系统其他参数可控当系统其他参数可控时，应调控氧气量以时，应调控氧气量以限制挥发最小限制挥发最小2024年8月5日- 26燃烧基础燃烧基础氧气氧气r为了为了确定确定适当的含量适当的含量最佳的氧气含量取决于具体操作条件。确定氧气含量的原最佳的氧气含量取决于具体操作条件。确定氧气含量的原则：则：熟料的质量耐火材料保护及回转窑壳体温度环境（SO2，NOx）r为了为了控制控制适当的含量适当的含量一旦达到最佳含量，短时内会有波动，但在长期范围内会一旦达到最佳含量，短时内会有波动，但在长期范围内会保持稳定。保持稳定。为了控制为了控制 O2 , 有有3 可能的方法可能的方法:- 燃料量, 燃料量& I.D. 风机调节, 或者只调 I.D. 风机 注意控制窑尾温度。2024年8月5日- 27燃烧基础燃烧基础其它次要的其它次要的燃烧产物燃烧产物uNOx 生成生成4NO (94 %), NO2 (5%) 及 N2O (1%)uCO 生成生成uSOx 生成生成2024年8月5日- 28燃烧基础燃烧基础在窑中产生的在窑中产生的在窑中产生的在窑中产生的NONOx x 与下列可能因素有关与下列可能因素有关与下列可能因素有关与下列可能因素有关: :u火焰温度火焰温度u火焰形状火焰形状u燃料类型燃料类型 (氮含量氮含量)uO2过剩系数过剩系数u烧成带气体停留时间烧成带气体停留时间u物料温度物料温度u烧成带物料停留时间烧成带物料停留时间2024年8月5日- 29燃烧基础燃烧基础一氧化氮的生成一氧化氮的生成一氧化氮的生成一氧化氮的生成NOx形成于形成于反应机理反应机理主要影响主要影响高温高温NO窑炉中的火焰 及高温区Zeldovic机理:氧气过剩a- 来自O2 分解的原子O的浓度 O及OH自由基O + N2 NO + Nb- 停留时间N + OH NO + H温度 1300CN + O2 NO + O c- 不依赖燃料中的N 瞬时瞬时NO 火焰/燃料浓度Fenimere机理:CH基的浓度CH + N2 HCN + H(来自燃烧产物)HCN + O NCO +HNCO + H NH + CO 过量空气 中的提供 O和OH 基 NH + H N + H2 N + OH NO + H来自燃料来自燃料氮的氮的NO 挥发成分的通过 HCN和 NH3O2 浓度 (过剩空气)气化阶段停留时间 2024年8月5日- 30燃烧基础燃烧基础一氧化氮的生成一氧化氮的生成一氧化氮的生成一氧化氮的生成NO 瞬时瞬时NO 热力型热力型NO燃料燃料型型NO水泥生产中的生水泥生产中的生成量较高成量较高2024年8月5日- 31燃烧基础燃烧基础5.1.5.1.热热热热NO NO 生成生成生成生成需要需要O 和和OH 自由基自由基1) N2分子被O基断开O + N2NO + N2) 释放的 N 原子与OH基反应N + OHNO + H3) 如果氧气分子仍可得N + O2NO + O(在燃料燃烧时释放在燃料燃烧时释放)在没有氧气的情况下N + NON2 + O 还原气氛所有这些反应都所有这些反应都不会受到燃料中不会受到燃料中氮含量的影响！氮含量的影响！2024年8月5日- 32燃烧基础燃烧基础燃料燃料燃料燃料 NONO来自于燃料中氮成分的氧化来自于燃料中氮成分的氧化.可能形成于可能形成于 低温在预分解炉 高温在窑燃烧器2024年8月5日- 33燃烧基础燃烧基础燃料燃料燃料燃料NO NO 生成生成生成生成窑燃烧器窑燃烧器温度急剧升高 如果火焰点火的 距离 短短生成的生成的 NO量量少少!在含烃物挥发后，含氮物迅速释放而周围仍是还原气氛还原气氛2024年8月5日- 34燃烧基础燃烧基础燃料燃料燃料燃料NO NO 生成生成生成生成窑燃烧器窑燃烧器温度升高缓慢 如果火焰点火的 距离 长长生成的生成的 NO量量多多!在含烃物挥发燃尽后，含氮物才释放周围已是二次空气的氧化气氛二次空气的氧化气氛2024年8月5日- 35燃烧基础燃烧基础CO 生成生成uCO 的氧化反应是燃烧过程的缓慢阶段的氧化反应是燃烧过程的缓慢阶段uCO 只产生出只产生出C完全燃烧时完全燃烧时30%的热量的热量 h1 kg C + 1.33 kg O2 2.3 kg CO + 10 MJh(记住 1 kg C + 2.66 kg O2 3.66 kg CO2 + 33 MJ) uCO 在干燥环境中将不会被氧化在干燥环境中将不会被氧化 (需要需要 OH基基)uCO氧化速度极大地取决于温度氧化速度极大地取决于温度2024年8月5日- 36燃烧基础燃烧基础hCan we accept some CO?我们能接受一些我们能接受一些 CO吗吗?Q/2024年8月5日- 37燃烧基础燃烧基础COu我们能接受一些我们能接受一些 CO吗吗?4 一些工厂 在运转中会产生一些CO ，因为很难完全燃烧燃料，大多数情况是煤，即使颗粒已经很细u控制控制CO含量在可以接受的水平含量在可以接受的水平4 为了控制CO最低含量，我们首先关注燃料因素, 如果需要可以增加风量,为了避免窑出现过度通风，我们可能需要降低喂料量.2024年8月5日- 38燃烧基础燃烧基础SOx 生成生成uS是被排斥的一个燃烧反应，但是它在大多数的固体燃料中在扮演着角是被排斥的一个燃烧反应，但是它在大多数的固体燃料中在扮演着角色色.4S + O2 SO2 + 9.25 MJ/kg SuSOx的的 释放取决于释放取决于:4燃料中硫的含量4生料中的黄铁矿4燃烧区域中氧气含量4当硫含量高时， S/A比4燃烧效率2024年8月5日- 39燃烧基础燃烧基础燃烧燃烧: 回顾回顾u燃料燃料 + 空气空气 + 点火点火 = 窑火焰窑火焰 + 废气废气uC + O2 = 热量热量+ CO2u实际情况远为复杂实际情况远为复杂4不需记住所有方程式4理解下列要素很重要hO2 含量h火焰形状h最少的CO4e.g. 燃烧质量问题h热量 分解h火焰质量 熟料烧成2024年8月5日- 40燃烧基础燃烧基础u保持最优化的氧气保持最优化的氧气4窑尾O2最优化且 无漏气u氧气不足氧气不足4不完全燃烧 = 多余的 CO4爆炸风险; 对产量，稳定性，熟料质量以及热耗产生不良影响u氧气含量低氧气含量低4因为硫挥发，窑不稳定4SO2 分析仪4与O2相反4可预测燃烧变化但通常不会出现u多余氧气多余氧气4长焰, 高热耗, 经常限制产量燃烧指标燃烧指标: O2, CO, SO22024年8月5日- 41燃烧基础燃烧基础良好的燃烧良好的燃烧最好的燃烧效率最好的燃烧效率是在窑的尾气中是在窑的尾气中既无既无CO也无过多的过剩空气情况下也无过多的过剩空气情况下达到达到2024年8月5日- 42燃烧基础燃烧基础2024年8月5日- 43燃烧基础燃烧基础1515分钟分钟分钟分钟2024年8月5日- 44燃烧基础燃烧基础燃烧计算燃烧计算u最低燃烧空气最低燃烧空气 (取决于燃料类型取决于燃料类型)4Amin = 8.89 x C + 26.5 x H + 3.3 x S - 3.3 x O 在 Nm/Kg 的燃料中4 4近似值Amin = 0.26 Nm/MJ (任何燃料)4其中 C, H, S和O 是燃料中的重量百分比u最低燃烧气体最低燃烧气体 (产物产物)4Vmin = 0.79 x Amin + 0.8 x N + 1.87 x C + 0.7 x S + 11.2 x H 4 + 1.24 x H2O + Amin x H2Oair 在Nm/kg 的燃料中4 4近似值Vmin = 0.28 Nm/MJ (任何燃料)4 同样是重量百分比 :H2O是燃料或空气中的重量百分比 2024年8月5日- 45燃烧基础燃烧基础Vmin 公式里公式里0.79 x Amin + 0.8 x NN21.87 x CCO20.7 x SSO211.2 x H + 1.24 x H2O + Amin x H2OairH2O干干烟烟气气湿湿烟烟气气2024年8月5日- 49燃烧基础燃烧基础