固体燃料燃烧解析

K
* D
K O2
燃烧反应的 化学阻力
体
燃
氧气扩散过程中的物理阻力
料
根据多相燃烧反应的化学阻力与物理阻力的对比，
燃
可将多相燃烧反应分为三类：
烧
动力燃烧、扩散燃烧、过渡燃烧
§9.2 固体碳粒的燃烧
第 九 气固两相反应理论
章
动力燃烧：
当化学阻力比物理阻力大得多时，燃烧速度取决
固
于化学反应速度，故称为动力燃烧。
体
二氧化碳、一氧化碳同时是初次反应产物
燃
的模型
料 燃 烧
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
xC
y 2
O2
CxOy
CxOy mCO2 nCO
§9.3 碳粒燃烧的化学反应
第 九 碳与氧的反应
章
温度不同时，由于反应机理上的区别，生成物中一
固 体
gO2
来自百度文库
* D
(
O2
,
O2,0 )
燃
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
料 燃
氧量）可表示为
K O2 O2 ,0
烧
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
* D
(
O2
,
) O2 ,0
KO2
O2 ,0
§9.2 固体碳粒的燃烧
第 九 气固两相反应理论
§9.2 固体碳粒的燃烧
第 九 气固两相反应理论
章
过渡燃烧：
当化学阻力与物理阻力在同一数量级时，两者均
固
不可忽略，燃烧工况处于扩散控制与动力控制之间，
体
故称为过渡燃烧
燃
* D
KO2
K 1 1 1
料
* D
K O2
燃 烧
O2 ,0
* D
* D
K O2
O2 ,
0 O2 ,0 O2 ,
§9.2 固体碳粒的燃烧
谢米诺夫准则：
Sm
D
K
燃 料
氧的浓度比：
/ O2 ,0
O2 ,
燃
动力燃烧 过渡燃烧 扩散燃烧
烧
Sm
＞9.0 0.11~9.0
<0.11
/ O2 ,0
O2 , >0.9
0.1~0.9
<0.1
§9.2 固体碳粒的燃烧
第 九 气固两相反应理论
章
➢两相反应的级数－吸附理论
固
在固体燃料表面，两相反应的级数0~1级。
燃 料
第九章 固体燃料燃烧
与
燃
烧
§9.1 煤的燃烧过程
第 九 引言
章
➢ 煤的结构特点
✓ 煤是由很多不同结构的含C、H、O、N、S的有
固
机聚合物粒子和矿物杂质混合而成，各种有机聚合
体
物粒子之间常由不同的碳氢支链连结成更大的粒子。
燃
➢ 煤的燃烧过程：
料
干燥
燃 烧
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
第 九 气固两相反应理论
章
➢温度对碳燃烧速率及碳表面氧浓度的影响
固 体 燃 料 燃 烧
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
第 九 气固两相反应理论
章
➢碳燃烧状态的判别准则
固 体
✓慢速加热时大部分转化成碳，而快速加热时则得
固
到很小，甚至无碳。
体
➢ 煤粒终温对挥发分析出的最终产量影响很大：
燃 料
✓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。
燃
800K
烧
1390K
38.3% 48%
1720K
60%
2170K
71%
§9.1 煤的燃烧过程
第 九 煤的燃烧过程
氧化碳和二氧化碳的比例也不相同。比值n/m随温度上
固 升而增大。
体 燃
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
料
络合
燃
的晶体内构成
3C 2O2 C3O4 固溶络合物
烧
离解
C3O4 C O2 2CO2 2CO
章
➢ 挥发份的燃烧
焦炭含量占55~97%，燃
➢ 焦炭的燃烧
固
烧时间占90%，发热量占 60~95%
体
燃
料
燃
烧
§9.2 固体碳粒的燃烧
第
九 气固两相燃烧反应过程
章
✓ 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：
固
1. 反应分子扩散到表面
体
2. 分子在表面发生吸附作用
燃
3. 被吸附的分子在表面上进行化学反应
章
固 体
O2 ,0
* D
* D
K O2
O2 ,
gO2
* D
(
O2
,
O2,0 )
gO2
O2 ,
1 1
K O2 ,
* D
K O2
燃 料
K 1 1 1
表观速度常数
燃
* D
K O2
烧
11 1
多相燃烧反应
K
* D
K O2
阻力
§9.2 固体碳粒的燃烧
第 九 气固两相反应理论
章 固
11 1
➢多相燃烧反应阻力：
料
4. 生成物从表面解吸
燃
5. 生成物扩散离开表面
烧
✓ 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。
§9.2 固体碳粒的燃烧
第 九 气固两相反应理论
章
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
D
粒表面的扩散量可以写为
体 燃
D* KO2
K K O2
料
O2 ,0
O2 ,
燃
碳表面上氧气浓度接近于周围气流中氧的浓度。这种情
烧
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
第 九 气固两相反应理论
体
w K KK P1PO2 O2
燃
K1PO2 K1
料 燃 烧
很小
PO2 很大
w K K1PO2 K1
wK
一级反应 0级反应
中值
w KPOn2
n=0~1
§9.3 碳粒燃烧的化学反应 第 九 碳与氧的反应 章 碳粒燃烧的三种模型：
二氧化碳是初次反应产物的模型；
固
一氧化碳是初次反应产物的模型；
第 九 煤的热解过程
章
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
固
放挥发份。
体 燃
H 2O、CO2、C2 H 6、C2 H 4、CH 4、焦油、CO 、H 2
料
燃 烧
➢ 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 第 九 煤的热解过程 章 ➢ 加热速率对挥发份析出的速率及其成分有很大的影响；
章
扩散燃烧：
当化学阻力比物理阻力小得多时，燃烧速度取决
固
于氧分子扩散速度，故称为扩散燃烧
体 燃
D* KO2
料
K
* D
O2 ,0 0
燃 碳表面上氧气浓度接近于零。这相当于在高温下的燃烧情 烧 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 。