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煤焦燃烧动力学的试验研究与通用计算模型 南京工业大学 刘 民 叶旭初 杨学权 李祥东 摘 要运用准一维高温反应炉对煤焦燃烧动力学特性进行了实验研究，并与 燃烧动力学的通用计算模型的预测结果进行了比较分析，表明二者相一致，即表示 采用通用模型计算煤焦的燃烧速度在工程设计、理论分析中，其精度完全可以接 受。其结果对煤焦颗粒燃烧特性的工程计算、CFD数值试验研究具有积极意义。 关键词煤焦燃烧动力学试验研究计算模型 0前言 煤粉燃烧是水泥工业中的重要过程，对煤的燃烧特性的正确把握是优化设计燃烧器、分 解炉等燃烧装置的前提。根据煤的燃烧特性，合理地设计与调节燃烧器、分解炉，使烧成系 统达到最佳状态，是水泥工业在技术管理上提高生产效率、降低能耗的重要途径。 正是由于煤的燃烧特性对燃烧过程的重要性，国内外，对煤的燃烧特性的研究一直是个重 要的研究领域[1。]。在工业化的煤粉燃烧过程中，由于挥发及挥发燃烧是一个极快的过程，煤 粉的燃烧时间主要是由煤焦的燃烧时间决定，因此，认识煤粉燃烧特性的关键是对煤焦燃烧过 程的充分把握。20世纪90年代，傅维标等人在对煤焦燃烧过程大量实验和数据分析的基础上， 提出了煤焦燃烧反应动力学参数与煤种的工业分析值之间的通用计算模型【4剖，运用该模型， 结合煤的工业分析值，就可以在理论上计算出煤焦燃烧反应动力学参数。 本文针对水泥工业的分解炉中的煤粉燃烧 温度较低的现状，运用自行开发的准一维高温反 应炉押，sj，进行了煤焦颗粒的悬浮态燃烧试验，并 与傅维标等人的通用模型的预测结果进行了比 较分析。结果表明：该通用模型预测的燃尽率随 燃烧温度、停留时间的变化规律与试验结果实测 值相一致，其研究对煤焦颗粒燃烧特性的工程计 算、CFD数值试验【9一¨研究等具有积极意义。 1实验研究原理 —— 次 风 1．1实验装置与流程 煤焦燃烧动力学实验研究的高温反应炉的 图1实验流程与高温反应炉 210 具体结构如图1所示，高温反应区是声48m×1100mm的氧化铝空心管，采用硅碳棒加热， 温度可控。二次风由一、二级预热器预热后，由高温反应区顶部的周边在四个方向对射进入 炉膛，经过筛分的煤焦粉通过一次风由炉膛顶部的四个人口直射人炉，一、二次风混合后流 过炉膛内的整流区，。基本形成准一维流(活塞流)通过反应区。在高温反应炉的出口设置了 熄火冷却气体c02及水冷装置，经过冷却的气体和燃烧产物通过旋风收尘器及过滤筒的分离 而被收集，净化的废气通过风机2排空。最后，通过分析未经反应的煤焦和收集到的燃烧产 物的燃烧特性(如灰分)，可以求出在给定条件下(气体温度、停留时间)包括燃烧速度在 内煤焦的燃烧反应动力学参数。 1．2煤焦颗粒燃烧的动力学模型与数据处理 根据质量作用定律和扩散定律，在稳态条件下，煤焦颗粒的燃烧速度和颗粒的表观反 应、氧气扩散速度系数的关系式为： 2 gc ．一Ⅳ 生+ 一， =KPg 一／L 一砭 一、， 一q 一K一、， 其中g。——煤焦颗粒的燃烧速率； 只——炉内环境中氧气的分压(bar)。 本试验中，由于煤焦颗粒相对于系统提供的空气流而言，远远是小量，而且燃烧的停留 时间较短，燃烧对炉内高温区的气体温度几乎没有影响，反应区内氧气分压基本不变，与自 然空气完全相同，煤焦的燃烧状态基本一致，即假定：煤焦颗粒燃烧的反应速度系数K与 K(kg／m2·s·bar)相等而且基本为常数，因此，在停留时间r内，K可以表示为： K=赤[尚一11 (2) 其中 ．s。——煤焦颗粒的初