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燃 烧 学 哈尔滨工业大学 燃烧工程研究所 邱朋华 第7章 固体燃料的燃烧 7.1概述 一、固体燃料燃烧的特点 固体燃料 煤、油页岩、木柴、甘蔗渣等都是碳氢化合物，可作为固体燃料 煤占我国一次能源消费的70%以上 消费的煤中80%以上用于燃烧 我国是少有的以煤为主的国家 煤的燃烧比较复杂，木柴等容易燃烧 煤中焦炭占煤中可燃质重量的55~97%，焦炭的发热量也占煤的总发热量的60~95%。 一、固体燃料燃烧的特点 一、固体燃料燃烧的特点 煤的燃烧过程大致可分为5步： 干燥。100℃左右，析出水分； 热解。约300℃以后，燃料热分解析出挥发分，为气态的碳氢化合物，同时生成焦和半焦； 着火。约500℃，挥发分首先着火，然后焦开始着火； 燃烧。挥发分燃烧，焦炭燃烧。挥发分燃烧速度快，从析出到基本燃尽所用时间约占煤全部燃烧时间的10%；挥发分的燃烧过程为气-气同相化学反应，焦炭的燃烧为气-固异相化学反应； 燃尽。焦炭继续燃烧，直到燃尽。这一过程燃烧速度慢，燃尽时间长。 7.2 煤的热解 一、概述 煤被加热到一定温度后，进入热分解阶段。 热分解阶段释放出焦油和气体，并形成剩余焦炭，这些焦油和气体称为挥发分。 挥发分由可燃气体混合物、二氧化碳和水组成。其中可燃气体包括一氧化碳、氢、气态烃类和少量酚醛。 煤加热时释放出的挥发分的重量和成分取决于加热升温速度、加热最终温度和在此温度下的持续时间。根据升温速度不同，将热解过程分为慢速热解和快速热解： 慢速热解：加热煤粒的升温速度小于2℃/s; 快速热解：加热煤粒的升温速度大于104℃/s； 居于慢速热解和快速热解之间的热解过程为中速热解。 二、挥发分的析出 煤的热解过程 三、煤的热解反应动力学模型 煤的热解过程及其复杂，因而建立热解反应动力学模型来描述煤粒热解的动力学过程，并进而计算挥发物的析出速率也是一个十分复杂的问题。 三、煤的热解反应动力学模型 Stickler提出了两个平行反应方程模型，假定煤粉颗粒在快速热解下由两个平行反应控制 三、煤的热解反应动力学模型 Stickler给出： E1=74106J/mol；E2=252464J/mol； k01=3.7×105s-1；k02=1.46×1013s-1； 由于E2E1，k02k01，所以在低温时，第一个方程将起主要作用；在高温时，第二个方程将起主要作用。 7.3碳燃烧的异相反应理论 一、碳燃烧的异相反应理论 根据Lanmuir的异相反应理论： 碳和氧的异相反应是氧分子溶入碳的晶格结构的表面部分，由于化学吸附络合在碳晶格的界面上。在碳表面上的吸附层只有单分子的厚度，该吸附层首先形成碳氧络合物，然后由于热分解或其他分子的碰撞而分开，这称为解析。解析形成的反应产物扩散到空间，剩下的碳表面再度吸附氧气。 一、碳燃烧的异相反应理论 整个碳表面上的气固异相反应可分为以下步骤： 氧必须扩散到碳表面； 扩散到碳表面的氧被表面吸附； 吸附在碳表面上的氧在表面进行反应，形成反应物； 反应物从表面解析； 解析的产物必须从碳表面扩散出去。 整个碳表面上的反应速度取决于上述步骤中最慢的一个。 二、碳燃烧的异相反应理论 先不考虑扩散的因素，假定碳表面上吸附了氧的面积份额为q，即： 二、碳燃烧的异相反应理论 如果吸附和解析之间达到平衡，此时碳表面上吸附了的氧的面积份额q 将不再变化，从而可求出q ： 二、碳燃烧的异相反应理论 上式可能存在三种情况： BCs 此时，v=Cs k’/B=kCs 说明： 一级反应，化学反应速度和碳表面氧浓度一次方成正比 碳表面处氧浓度很低，吸附了氧的碳表面积很小，吸附能力很弱 BCs 此时，v=k’[Cs/(Cs+B)]=k’ 说明： 化学反应速度和碳表面处氧浓度无关，也称为零级反应 碳表面吸附能力很强，使碳表面的吸附几乎达到饱和，但同时解析能力很弱 二、碳燃烧的异相反应理论 B≈Cs 此时，只有部分固体表面被氧吸附，碳表面处氧的浓度为中等，因此： 7.4碳燃烧的化学反应机理 一、碳燃烧的化学反应机理 碳燃烧是一个气固间的异相化学反应过程，此时碳和氧之间的反应是在碳的吸附表面上进行的。 研究表明，碳燃烧释放热量的主要化学反应使碳和氧的直接反应，也称为一次反应。 C+O2=CO2+409 MJ 2C+O2=2CO+245 MJ 一次反应生成的CO和CO2通过周围的介质扩散出去，能够重新被碳表面从气体介质中吸附，在一定条件下发生二次反应。 CO+O2=2CO2+571 MJ C+CO2=2CO-162 MJ 一次反应和二次反应同时交叉平行进行着，构成碳燃烧过程的基本化学反应。 一、碳燃烧的化学反应机理 当碳表面有水蒸气存在时，还可能进一步进行以下的反应： C+H2O=CO+H2 C+2H2O