第九章 固体燃料燃烧.ppt
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1、第九章 固体燃料燃烧,9.1 煤的燃烧过程,煤的结构特点煤是由很多不同结构的含C、H、O、N、S的有机聚合物粒子和矿物杂质混合而成,各种有机聚合物粒子之间常由不同的碳氢支链连结成更大的粒子。煤的燃烧过程:,引言,干燥 热解及挥发分析出 挥发分燃烧 焦炭燃烧,9.1 煤的燃烧过程,煤的热解过程,当煤加热到足够高的温度时,煤先变成塑性状态,失去棱角而使其形状变得更接近于球形,同时开始释放挥发份。,挥发份释放后留下的是一多孔的炭。热解过程中不同的煤有着不同程度的膨胀。,9.1 煤的燃烧过程,煤的热解过程,加热速率对挥发份析出的速率及其成分有很大的影响; 慢速加热时大部分转化成碳,而快速加热时则得到很
2、小,甚至无碳。煤粒终温对挥发分析出的最终产量影响很大: 随着热解温度的提高,挥发分产量可高达70%以上,即挥发分并不是一个确定不变的常数。,9.1 煤的燃烧过程,煤的燃烧过程,挥发份的燃烧焦炭的燃烧,焦炭含量占5597%,燃烧时间占90%,发热量占6095%,9.2 固体碳粒的燃烧,气固两相燃烧反应过程 两相反应的特点:物质在相的分界表面上发生反应。反应的一般步骤:以上步骤依次发生。整个反应过程的快慢取决于各步中最慢的一步。,反应分子扩散到表面 分子在表面发生吸附作用 被吸附的分子在表面上进行化学反应 生成物从表面解吸 生成物扩散离开表面,9.2 固体碳粒的燃烧,气固两相反应理论,假设碳与氧燃
3、烧的生成物只有二氧化碳,并仿照传热学中对流换热系数的概念引入对流扩散系数 ,则氧从周围向单位碳粒表面的扩散量可以写为,氧在碳表面处的反应的速度(单位碳粒表面、单位时间燃烧掉的氧量)可表示为,在稳定燃烧状态时,向碳粒扩散的氧量应等于碳粒燃烧所消耗的氧量。因此,9.2 固体碳粒的燃烧,气固两相反应理论,表观速度常数,多相燃烧反应阻力,9.2 固体碳粒的燃烧,气固两相反应理论,多相燃烧反应阻力:,燃烧反应的化学阻力,氧气扩散过程中的物理阻力,根据多相燃烧反应的化学阻力与物理阻力的对比,可将多相燃烧反应分为三类:,动力燃烧、扩散燃烧、过渡燃烧,9.2 固体碳粒的燃烧,气固两相反应理论,动力燃烧:,当化
4、学阻力比物理阻力大得多时,燃烧速度取决于化学反应速度,故称为动力燃烧。,碳表面上氧气浓度接近于周围气流中氧的浓度。这种情况相当于较低温度下的燃烧情况。此时由于化学反应速度很低,从远处扩散到碳表面的氧消耗得很少,从而使得碳表面氧的浓度等于远处环境中氧的浓度 。,9.2 固体碳粒的燃烧,气固两相反应理论,扩散燃烧:,当化学阻力比物理阻力小得多时,燃烧速度取决于氧分子扩散速度,故称为扩散燃烧,碳表面上氧气浓度接近于零。这相当于在高温下的燃烧情况。此时由于温度很高,化学反应能力已大大超过扩散能力,使所有扩散到碳表面的氧立即全部反应掉,从而导致碳表面的氧浓度为零 。,9.2 固体碳粒的燃烧,气固两相反应
5、理论,过渡燃烧:,当化学阻力与物理阻力在同一数量级时,两者均不可忽略,燃烧工况处于扩散控制与动力控制之间,故称为过渡燃烧,9.2 固体碳粒的燃烧,气固两相反应理论,温度对碳燃烧速率及碳表面氧浓度的影响,碳燃烧速率随温度的变化 1、动力燃烧区 2、过渡燃烧区 3、扩散燃烧区,碳燃烧时其表面氧浓度分布 1动力区;2,3过渡区;3扩散区,9.2 固体碳粒的燃烧,气固两相反应理论,碳燃烧状态的判别准则,谢米诺夫准则:,氧的浓度比:,9.2 固体碳粒的燃烧,气固两相反应理论,两相反应的级数吸附理论,在固体燃料表面,两相反应的级数01级。,很小 很大 中值,一级反应 0级反应 n=01,9.3 碳粒燃烧的
6、化学反应,碳与氧的反应,碳粒燃烧的三种模型:,一般认为碳的氧反应首先生成碳氧络合物,碳氧络合物进一步反应同时产生一氧化碳和二氧化碳。写成化学式即为,二氧化碳是初次反应产物的模型; 一氧化碳是初次反应产物的模型; 二氧化碳、一氧化碳同时是初次反应产物的模型,9.3 碳粒燃烧的化学反应,碳与氧的反应,温度不同时,由于反应机理上的区别,生成物中一氧化碳和二氧化碳的比例也不相同。比值n/m随温度上升而增大。,络合,离解,总的简化反应式,在1300以下或碳表面氧的分压很低、浓度很小的情况下,氧分子溶入碳的晶体内构成固溶络合物,9.3 碳粒燃烧的化学反应,碳与氧的反应,络合,离解,总的简化反应式,在160
7、0以上:,碳氧反应机理逐步转为由化学吸附引起,络合物不待氧分子撞击就自行热分解,9.3 碳粒燃烧的化学反应,碳与二氧化碳的反应,吸附到碳的晶体上形成络合物,然后络合物分解成 ,并解吸离开碳表面。由于 的化学吸附活化能比氧的溶解活化能大得多,因此只有在温度很高时,这一反应才显著起来。,9.3 碳粒燃烧的化学反应,碳与水蒸气的反应,与碳的气化反应十分类似,同样为吸热反应。反应级数为一级,活化能比气化反应的活化能大,约为 。反应进行过程中水蒸气也是经过吸附、络合与分解一系列环节才完成水煤气的生成的。,9.3 碳粒燃烧的化学反应,一氧化碳的分解反应,一氧化碳的分解反应是碳的气化反应的逆反应。这个反应会
8、导致碳的析出,因而也是一个重要问题。,9.4 多孔性碳粒的燃烧,实际上碳是一种多孔性物质,因此反应不仅在外表面进行,而且在碳的内部也进行。,这些数据表明,内部表面对反应的影响是不可忽视的。,木炭内部的反应表面积为57114 电极碳为70500 无烟煤为100,9.4 多孔性碳粒的燃烧,多孔性碳粒燃烧速率,若每单位体积碳粒所含内部孔隙的表面积为 ,则对半径为r的碳粒球体,其内外表面积之和为:,碳球的总反应速率为:,式中 为包括了对应内表面的碳球的总反应速度常数,当温度较低时内表面上各处的氧浓度都相同,且等于碳粒外表面的氧浓度,9.4 多孔性碳粒的燃烧,多孔性碳粒燃烧速率,当碳球温度很高时,内表面
9、上氧浓度接近于零,亦就是碳球内表面停止了碳和氧的一次反应。只有碳球外表面能和氧发生反应。于是氧在碳表面上的总反应速度就变成,9.4 多孔性碳粒的燃烧,多孔性碳粒燃烧速率,称为反应的有效渗透深度,低温时 高温时,令:,9.4 多孔性碳粒的燃烧,多孔性碳粒燃烧速率,总反应速度常数:,总反应速度:,考虑碳粒内外扩散作用,同时又考虑了内外表面上化学反应影响的化学反应速度,9.5 二次反应对碳粒燃烧的影响,碳粒燃烧的一次反应与二次反应,9.5 二次反应对碳粒燃烧的影响,二次反应对碳粒燃烧的影响,温度低于800时碳粒周围的燃烧情况,9.5 二次反应对碳粒燃烧的影响,二次反应对碳粒燃烧的影响,温度在8001
10、200时静止碳粒燃烧情况,9.5 二次反应对碳粒燃烧的影响,二次反应对碳粒燃烧的影响,温度大于12001300时碳粒周围的燃烧情况,9.5 二次反应对碳粒燃烧的影响,碳粒燃烧随温度变化,1、氧化反应动力区 2、氧化反应扩散区 3、还原反应动力区 4、还原反应扩散区,9.5 二次反应对碳粒燃烧的影响,流动条件下的碳粒燃烧,碳粒表面附近的燃烧情况 1-迎风面;2-背风面;3-回流区;4-火焰锋面,9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧,碳粒燃烧速率,近似算法(稳定燃烧):,Stefan流不是很大时:,传热与传质完全可以类比,Le=1,9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧,碳粒燃烧速率,当Stefan
11、流的影响不可忽略时:,扩散方程:能量方程:,假设没有空间气相反应,则在任何半径上的总质量流均应相等:,9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧,碳粒燃烧速率,9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧,碳粒燃烧速率,9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧,碳粒燃烧速率,由能量方程亦可求得:,由阿累尼乌斯定律亦可求得:,9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧,碳粒燃烧速率,9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧,碳粒燃尽时间,9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧,碳粒燃尽时间,当燃烧为纯扩散燃烧时,,碳粒燃尽时间:,碳粒进行扩散燃烧时,碳粒燃尽时间与碳粒直径的平方成正比。,9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧,
12、碳粒燃尽时间,当燃烧处于动力燃烧状态:,9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧,碳粒燃尽时间,当燃烧处于动力燃烧状态:,碳粒进行动力燃烧时,碳粒燃尽时间与碳粒直径成正比。,9.7 灰分对碳燃烧的影响,灰分对碳板燃烧过程的影响,燃烧过程是一维稳定过程; 灰分在碳板中均匀分布; 燃烧时的含灰碳板的温度为定值; 燃烧反应只在灰层和碳板的界面上进行,不考虑内部燃烧,假设:,在稳定燃烧情况下,单位时间通过单位面积的氧扩散量等于碳反应的消耗量:,9.7 灰分对碳燃烧的影响,灰分对碳板燃烧过程的影响,反应物质交换总阻力,外部扩散阻力,灰层扩散阻力,化学反应阻力,9.7 灰分对碳燃烧的影响,灰分对碳板燃烧过程的
13、影响,碳板的燃尽速率:,9.7 灰分对碳燃烧的影响,灰分对球形碳粒燃烧过程的影响,9.7 灰分对碳燃烧的影响,灰分对球形碳粒燃烧过程的影响,扩散控制 动力控制,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,固体燃料的燃烧方式,层燃燃烧 悬浮燃烧 沸腾燃烧,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,层燃燃烧,逆流式(上饲式) 顺流式(下饲式) 交叉式(前饲式),燃烧状态:大部分燃料在炉栅上燃烧,可燃气体及一小部分细屑燃料则在燃烧室空间内呈悬浮燃烧,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,层燃燃烧,固定火床燃烧过程,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,层燃燃烧,新燃料层:煤干燥、干馏,将水汽、挥发物等带离煤层
14、进入炉膛空间,挥发分及CO与煤层着火燃烧; 还原层:气流中CO2与碳起还原反应,即CO2 +C2CO,温度越高,速度越快 氧化层:主要进行氧化反应,末端气体的温度也达到最高 冷空气进入,炉栅和灰渣被冷却,而空气则被预热,燃烧过程:,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,层燃燃烧,如果燃烧层稳定,氧化层的厚度几乎不随鼓风量变化 改变煤层的厚度还可以改变烟气的成分 一次空气主要是供给焦炭燃烧的需要,二次空气则是供给挥发物、CO以及部分被气流扬起的细小煤粒等燃烧的需要; 一般取空气过剩系数1.31.7,燃烧规律:,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,层燃燃烧,手烧炉的空气供需状况,Ab 进入炉内的
15、总空气量 Cd 实际参与燃烧的有效空气量 Ef 实际需要空气量 Gh 焦炭燃烧所需空气量,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,层燃燃烧,链条炉中燃烧区段分布图,1 预热干燥区 2 挥发分析出与燃烧区 3a 焦炭氧化层区 3b 焦炭还原区 4 灰渣燃尽区,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,层燃燃烧,链条炉原则性配风方案,尽早配风法 强风后吹法 推迟配风法,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,悬浮燃烧,燃烧状态:将磨成微粒或细粉状的燃料与空气混合后从喷燃器喷出,在炉膛空间呈悬浮状态时的一种燃烧。,直流式(火炬式),旋涡式(旋风式),特点:燃烧速度快、燃烧效率高、燃烧温度高、煤耗低、调节方便
16、,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,悬浮燃烧,燃烧过程: 煤粉进入到炉膛受到导热、对流及辐射加热、逸出挥发分,并升温着火,形成着火区 着火后煤粉与空气强烈反应,并放出大量的热,构成燃烧区 当温度达到最大值后,燃烧过程已相当完全,反应减慢,这时放热量小于散热量,温度下降,从而进入燃尽区,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,悬浮燃烧,(1)一、二次空气的比例要合适,考虑两个方面: (A)一次风携带煤粉喷入燃烧室或窑炉并供逸出的挥发分燃烧 (B)煤粉制备系统的设计要求及窑炉的特点。 (2)一、二次空气的温度一次风的温度150,以防止煤粉发生爆炸;二次风的温度不受限制(尽量高)。 (3)控制适当
17、的过剩空气系数水泥回转窑的过剩空气系数一般为1.051.15。(注意:若为满足烘干机对烟气温度的要求而需掺入冷空气时,则应在煤粉基本燃烬之后的地段再掺入)。,燃烧规律:,9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置,悬浮燃烧,(4)控制合适的一次风喷出速度 (5)制备细度合格、粒度均匀的煤粉 5070m。挥发分高的煤或质地疏松的煤,其粒度可以稍大些;无烟煤或硬质煤,粒度就要小些。煤粉细度一般控制为0.08mm方孔筛筛余8%15%左右。 (6)保持较高的炉膛温度 (7)使用合适的煤粉烧嘴 (8)炉膛空间的大小和形状要适当 使煤粉在其中有足够的停留时间以保证其能充分燃烬。,燃烧规律:,9.8 固体燃料的燃
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