燃烧理论7煤燃烧原理与技术

4. 在初次挥发物扩散出来通过煤粒孔隙或燃料层时，它们有可 能再次分解或热解形成二次挥发物。
5. 在500～750℃时，半焦开始热解，此时开始大量析出含氢 较多的气体。 6.在760～1000℃时，半焦继续热解，析出少量以含氢为主的 气体，半焦变成高温焦炭。
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一、煤的热解过程
初次挥发物 此时孔隙中充满 液态热解产物 焦油、CO2、CO、C2、 C6H6、CH4、H2O 孔隙加大
煤粉燃烧稳燃技术
7.1煤粒的燃烧
2
7.1.1煤粒的燃烧过程

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，然后焦炭开始 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。
面上发生，因此，θ 越大，碳和氧的反应速率也越大， 反应速率V和θ成正比： CS / / V=k =k B C S
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这时可能有以下三种情况：
1．B>>CS
CS k/ 在B>>CS时，由V=k/ B CS B CS
k/ 令 k= B
则v=kCS
式中，k为化学反应速率常数。 由此式可见： （1）当B>>CS时，异相化学反应速率只和碳表面处氧浓 度的一次方成正比，反应是一级反应。 (4-18)
煤的热解过程
快速
玻璃化
孔隙中液态热解产物 沸腾，释放出气泡
半焦
慢速热解，温度水平为400~600℃ 快速热解，温度水平为2000 ℃ 初次挥发物 中速 初次挥发物扩散通过煤粒内部孔隙或 燃料层时裂解或热分解 半焦
二次挥发物
CO2、CO、C2H6、CH4、 H2O、液体+二次焦油 三次挥发物 饱和和不饱和H2和 气态碳氢化合物 焦炭
Stickler 给出： a 1、a2——挥发分在两个反应中所占当量百分数 E1=74106 J/mol；E2=252464 J/mol； ac—— 原煤中干燥无灰基挥发分含量 k01=3.7×105s-1；k02=1.46×1013s-1； av1、av2——两个反应所析出的挥发分的质量 由于E2>E1，k02>k01，所以在低温时，第一个 ah1、a 方程将起主要作用；在高温时，第二个方 h2——两个反应所析出的焦炭的质量 程将起主要作用。
第七章
煤粒的燃烧
煤燃烧原理与技术
煤粒的燃烧过程 煤粒的热分解 碳粒燃烧的异相化学反应速度 碳粒的动力扩散燃烧区 碳粒的燃烧反应机理与燃尽时间 碳的气化反应及其对燃烧的影响 焦炭的燃烧 煤的层状燃烧技术 煤的沸腾燃烧技术 煤的旋风燃烧技术 煤的悬浮燃烧技术 煤粉射流稳燃机理 新型稳燃技术
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煤的燃烧方式与技术
如果假定在热解时所有的反应都是一级反应，并且服从
Arrhenius定律，则三个同时进行的反应方程可以写成下面的 形式：
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脱挥发分：
煤 X1焦油+(1-X1)焦炭
d c E k10 exp( 1 ) c d RT
k1
式中，X1-在热解脱挥发分阶段煤转化为焦油的质量百分数； αc-干燥无灰基煤的密度，单位为g/cm3。
（2）由
CS B CS
，当B>>CS时，θ <<1。
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2．B<<CS
在B<<CS时，由V= k
/
CS k/ B CS
，
或者
则知：
V=k
（令k=k/）
（1）在B<<CS时，异相化学反应速率和碳表面处的氧 浓度无关，即
V＝kCS0 此时反应是零级反应。 （2）由
CS B CS
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慢速
离解
煤热解产物的产量




煤在热分解时其析出产物产量决定因素：对煤的加热速率、加 热时的温度范围、加热的持续时间、煤颗粒尺寸、气氛压力、 成分等因素。 （1）对于每一具体的加热速率，挥发分的总析出量以及挥发 物中气态和液态碳氢化合物的比例随加热温度的升高而增加。 （2）如果热解的最终加热温度保持在低水平（例如500℃）不 变，则随着加热速率的增加挥发分的总析出量将增加但挥发物 中气体和液体碳氢化合物的比例将减小。 （3）当热解的最终加热温度很高（例如高于1000℃）时，在 高的加热速率下，挥发分的总析出量及其气液碳氢化合物的比 例均增加。 （4）加热温度越高，停留时间越长，同样的煤热解时析出的 挥发分越多。
RT X 1k1 c (k 2k3 )T RG k 2T
在煤的气化或燃烧过程中，煤气炉或燃烧室中所析出的 焦油和气体的数量。
煤热解模型的反应动力学模型 动 力 学 参 数 k10/s-1 E1/（J/mol-1） k20/s-1 E2/（J/mol-1） k30/s-1 E3/（J/mol-1） 烟 煤 1.1×105 88764 5.0×109 121423 5.3×104 29309 半 烟 煤 7.5×104 78297 3.5 ×1010 116189 2.5 ×104 23029 褐 煤 5.1×104 67829 8×1010 110956 1.1×103 16748
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7.1.3碳粒燃烧的异相化学反应速度

整个碳表面上的气固异相反应包括以下的步骤： （1）氧扩散到碳表面。 （2）扩散到碳表面的氧被表面吸附。 （3）吸附在碳表面上的氧在表面进行反应，形成反应产物。 （4）反应产物从表面解吸。 （5）解吸的产物从碳表面扩散出去。 整个碳表面上的反应速度取决于以上步骤中最慢的一个。 如果不考虑扩散的因素，并假定碳表面上吸附了氧的面积份额 为θ ，则
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一、煤的热解过程
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等。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。 ◦ 直径小于100μm的煤粉在煤粉炉属于快速热分解，不到 0.1s内完成热分解。
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7.1.4碳粒的动力扩散燃烧区
一、分子转移系数 费克的分子扩散定律指出：物质的扩散转移数量 与浓度梯度成正比，即 dC
m D dy
（4-21）
式中：m －在单位扩散面积的质量扩散流率，mol/m2· s；
D－质量扩散系数，m2/s； C－气体浓度，mol/m3； y－在y方向气体扩散的距离，m； 式中负号表示物质扩散方向与浓度增加的方向相反。
vS＝k1CS（1-θ）
式中, k1－吸附速率常数， CS－碳表面上氧的浓度， vS－吸附速度。
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如果吸附和解吸之间达到平衡，则
） k－１ = k1CS（1
k1C S CS k1C S k 1 C S B
k 1 式中，B= k1。
由于氧和碳的反应只能在吸附了氧的那一部分碳表
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二、煤的热解反应动力学模型
3、三方程模型
Wen．C．TChen．L．H提出一组在惰性气体中三个 同时进行的反应方程模型。该模型假定，当煤粒在惰性气体中 温度升高时，在煤粒内部就会进行热分解，产生焦油和气体产 物。然后，这些产物再进行下面的二次反应： （1）从相应的官能团裂解形成较轻的气体产物。 （2）当焦油通过煤粒内孔隙扩散时所进行的聚合和分解反应。
38.3% 48% 60% 71%
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。
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。
3
褐煤燃烧时温度和质量随时间的变化
4
常见固体燃料可燃质情况
燃料种类
可燃质中焦炭的质量份额% 焦炭热值占总热值的份额%
无烟煤
96.5
95
烟 煤
褐 泥 木 煤 煤 柴
57~88
55 30 15
59.6~83.5
66 40.5 20
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7.1.2煤的热分解
一、煤的热解过程
800K 1390K 1720K 2170K
λ－物质的导热系数，W/m；
这三种转移都是以分子热运动为基础的同一物理机
如原煤中焦油的干燥无灰基份额为αT，则有 裂解： k2 焦油→气体
E2 E 2 R k exp( G (20 ) aT RT ) T RG=k20exp RT
Байду номын сангаас
（4-7） （4-8）
分解：
k3 焦油→焦炭
RT k30 exp( E3 ) T RT
（4-9）
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焦油、气体的生成率RT、RG如下：

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热解过程：分解反应和缩合缔合反应。 1. 煤在热解过程中随着温度的上升，在105℃以前主要析出吸 附气体和水分，但水分要到约300℃时才能完全析出。 2. 在200～300℃时析出热解水，并开始析出气态产物（如CO 和CO2等），同时有微量的焦油析出，而且随着温度的上升，煤 粒会变软并成为塑性状态。 3. 在300～500℃时，开始大量析出焦油和气体（主要为CH4及 其同系物，以及不饱和烃及CO、CO2等），即初次挥发物。
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二、煤的热解反应动力学模型
1、一步 反应模型 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。
dav E k0 av av exp d RT
上式可描述中等温度时的热解过程，称为一步反应模型， 由Badzioch提出。
k1
Coal k2
挥发分av1+剩余焦炭ah1 a1 1-a1 挥发分av2+剩余焦炭ah2 a2 1-a2
dac k1 k 2 ac d dav a1k1 a2 k 2 ac d
E k1 k01 exp 1 RT E k 2 k02 exp 2 RT
，当B<<CS时，θ ≈1。
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3．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，并有0<θ <1， 由于
v k' CS n ， kCS B CS
0<n<1
此时反应为分数级反应，反应级数n由试验决定。
实际温度低于800 ℃，碳表面氧浓度很高，属于零级反 应；温度高于1200 ℃，属于一级反应；而800~1200 ℃， 一般为分数级反应。简化起见，可作为一级反应处理 。
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。
在分子的不规则运动中，除了物质的扩散转移外， 还有动量转移和热量转移。
由牛顿的粘性定律可知：
F d dy
式中：F－流体之间的内摩擦力，Pa； v－流体速度，m／s； μ－动力粘性系数，Pa· s；
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傅立叶的热传导公式为：
dT q dy
式中：q－传导的热量流率，W/m2； T－温度，K；
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吸附了气体分子的表面 积 固体的总表面积
式中，θ －表面遮盖率，表示有气体吸附层覆盖的有效 反应表面。 在吸附了氧的θ份额碳表面积上不能吸附新的氧，只能解 吸氧和碳的反应产物，解吸速率和θ成正比：
v1＝k－１θ
式中, k－１为解吸速率常数，v1为解吸速度。 由于在（1-θ）份额的碳表面积上还没有吸附氧，其吸 附速率和（1-θ）及表面上氧的浓度成正比
k0 —表观频率因子； E —视在活化能； R —通用气体 常数；T—热解温度；av—在时间t内析出的挥发分的质 量；av∞—从煤粒中析出的挥发分的最大质量。
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二、煤的热解反应动力学模型
2、平行反应模型 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