第八讲 煤的燃烧理论（碳及煤焦的燃烧）.ppt

第八讲 煤的燃烧理论（碳及煤焦的燃烧） 煤燃烧涉及的物理化学过程 煤焦反应的控制区及煤燃烧的速率 非均相反应过程的复杂性表现在①煤结构的多变；②反应物的扩散；③不同反应物（O2，H2O，CO2，H2）的反应，④煤粒尺寸的影响；⑤内孔扩散；⑥灰份的存在；⑦表面积的变化；⑧焦炭的碎裂；⑨随温度和压力的变化；⑩原煤中水分含量；⑾挥发份的析出过程；⑿与湍流的相互作用。 煤的燃烧是扩散控制还是动力控制 限制焦炭氧化反应速率的步骤可以是化学的（反应物的吸收、反应、产物的解吸）或气态扩散（反应物或产物的容积气相扩散或内孔扩散）。 碳的形态与结构 碳燃烧是固体和气体之间进行的异相化学反应，它包括了五个连续的步骤： （1）氧扩散到碳表面； （2）扩散的氧被碳表面所吸附； （3）被吸附的氧与碳反应形成被碳表面吸附的产物； （4）产物从碳表面解吸； （5）被解吸的产物扩散离开表面。 焦炭燃烧过程中的吸附 吸附是固体表面的特征之一。这是以一种物质的原子或分子附着在另一种物质表面上的现象，或者说是物质在相界表面上浓度自动发生变化的现象。在吸附中，我们把具有吸附作用的物质（如煤粉颗粒）称为吸附剂，被吸附的物质（如氧气或空气）称为吸附物。 吸附按其作用力的性质分为两类 物理吸附 化学吸附 Langmuir 吸附方程 用吸附时间来估计近似碳反应速度和燃烧时间 焦炭燃烧过程中的扩散 在进行多相燃烧时，必须向碳的反应表面供给氧化剂，并且自反应表面导出气态反应产物。碳燃烧过程所需要的氧化剂数量，可以通过自然扩散或强制扩散物质，来得到供给。 先生成一氧化碳还是直接生成二氧化碳 煤中的固体可燃物的燃烧是经过一氧化碳到生成二氧化碳。前者的滞后燃烧发生在离颗粒表面很近的地方。只有在供氧不足或温度较低时才能在气相中发现一氧化碳。 碳的动力扩散燃烧特点及燃烧化学反应 碳的动力扩散燃烧特点: 碳的燃烧比速度 谢苗诺夫准则 在动力和过渡区分界线的值为 在过渡区和扩散区的分界线上 碳的燃烧化学反应 总反应 碳和氧气的反应 上面讲述的是微观的碳反应的方法机理，从燃烧角度，我们在机理研究的结果可供使用之前，必须借助于实验获得其宏观的特性，如反应速度，产物和热效应。 碳与氧的反应是固体燃料燃烧的最基本过程。 表8-2 碳与氧气反应速率参数，反应方程为 碳与二氧化碳的反应 碳与水蒸汽的反应 碳与氢气的反应 碳球的燃烧速度 温度较低或颗粒很小可略去空间气相反应的情况。 碳球在高温下的扩散燃烧情况 考虑二次反应的碳球燃烧 考虑二次反应作用的碳球燃烧模型 在静止或相对流动速度很低的介质中（Re100），不同温度条件下碳粒表面附近的燃烧。 在流动的介质中（Re100）碳表面附近的燃烧。 当气流速度提高时（Re100），燃烧情况将有很大的改变，碳粒周围的燃烧变得极不均匀。碳粒迎着气流的部分反应速度很高，而在它的后面却几乎是不反应的，同时在碳粒的后面拖着很长的蓝色的火焰。这是由于在碳粒正面部份所形成的CO，来不及烧完便被吹到碳粒后面去，和扩散来的O2反应形成CO2，而在碳后面部份由于被CO及CO2所包围，使O2无法扩散进去，因此在碳粒后面部份除了CO2+C→2CO的还原反应外，几乎不存在C+ O2的氧化作用。 有CO空间反应时碳球燃烧速率的计算 存在有二次反应时碳燃烧速率的计算是十分复杂的，考虑到二次反应结果是CO2被C还原成CO，而一次反应本身也会产生CO，如果我们已能确定所产生CO的总数量，则对燃烧产生的影响主要是这些CO在碳球附近空间燃烧形成一个包复火焰的影响。 强迫对流条件下碳粒燃烧速率的分析方法 在实际的燃烧过程中，煤焦（碳粒）往往是处于对流的环境之中，此时，碳粒燃烧速率的计算就无法在球对称条件下进行分析，在自然对流条件下，球形颗粒燃煤的情形，采用边界层近似假设及边界层厚设比颗粒半径小得多的假设，建立方程后采用的是数值的求解方法，在强迫对流条件下球形颗粒燃烧的情形，对燃烧过程的描述同时采用边界层和火焰薄膜的假定。 多孔性碳球的燃烧 内部反应对碳粒燃烧的影响 在前两节中所述的碳粒燃煤速率是假定化与反应仅在碳粒表面上进行的情况下来讨论的，这种情况是对于碳粒表面是平滑的，而且反应气体不传透入内部时才算是真正的“表面燃煤”（即外部燃煤）。 实际上一切多相反应不仅在外表面进行，而且在物质内部进行，碳是多孔性物质，碳的燃煤和气化。在一定的温度条件下，在碳粒外表面上进行，同时随着反应气体向孔隙内部渗透扩散，反应过程也扩展到碳粒内部。 内扩散动力学 各种因素对煤焦燃烧的影响 煤中挥发物析出对燃烧的影响 在炽热的天然固体燃料表面附近的燃烧过程的物理化学现象 挥发物的存在对煤粒燃烧速度的影响 由于挥发物能够在较低的温度下析出和燃烧，使煤粒周围温度迅速提高，为