PPT《第九章 固体燃料燃烧》

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. 71% 60% 48% 38.3% 2170K 1720K 1390K 800K §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55~97%,燃烧时间占90%,发热量占60~95% §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 假设碳与氧燃烧的生成物只有二氧化碳,并仿照传热学中对流换热系数α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: 9.0 动力燃烧 §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0~1级. 很小很大中值 一级反应0级反应n=0~1 §9.3 碳粒燃烧的化学反应 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1600℃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57~114电极碳为70~500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 ε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800~1200℃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1200~1300℃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 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 +C→2CO,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1.3~1.7 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 §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)控制适当的过剩空气系数 水泥回转窑的过剩空气系数一般为1.05~1.15.(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50~70?m.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 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 悬浮燃烧 煤粉燃烧器: 直流煤粉燃烧器 旋流煤粉燃烧器 §9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 悬浮燃烧

1 温度2 飞灰含碳量3 CO2浓度4 氧浓度 Ⅰ、着火区Ⅱ、燃烧中心区Ⅲ、燃尽区 §9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 悬浮燃烧 旋风炉 §9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 沸腾燃烧 空气速度与煤粒存在状态: 速度低:碎煤颗粒静止在布风板上;

速度达某值:煤粒被风托起,颗粒之间的空隙加大,颗粒在一定高度内上下翻腾,煤颗粒能悬浮在空气中,受热完成干燥、预热、干馏、挥发分逸出及燃烧、焦炭的燃烧及燃烬等燃烧过程流速过快:煤不完全燃烧. §9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 沸腾燃烧 沸腾燃烧室的底部安装有布风板炉栅,块煤经锤链式破碎机破碎后,其粒度在0.5~10mm之间,碎煤经喂煤口投放到布风板炉栅上,布风板下为风室,空气由此向上吹送. §9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 沸腾燃烧 A、煤粒与空气之间能充分混合.空气过剩系数小,燃烧速度非常迅速B、热效率高,可达95%以上C、燃烧温度稳定,可保持在960~1050℃范围内D、可充分利用各种劣质燃料E、沸腾燃烧室结构简单、操作灵活、易于调节、自动化程度高及操作环境好F、空气动力消耗大,烟气中飞灰量较多G、操作不当时,不完全燃烧造成的热损失大H、煤的结焦性强时,排渣困难 沸腾燃烧的特点: §9.10 水煤浆燃烧 煤浆燃料 煤浆燃料是煤粉与液体如水、油或甲醇混合而成的燃料.种类以煤与何种液体相混合来命名有:(1)油煤浆(COM或COD)油与煤粉混合,可以包含........