固体燃料燃烧过程1

fO2 ,0G
4r 2 D
fO2 G
GO2
体 燃
GCp (T0
T)
4r 2
dT dr
4r020
dT dr
0
料 燃
C O2 CO2
44 gCO2 ,0 32 gO2 ,0
烧
12 32 44
12 gC 32 gO2 ,0
G
GC
12 32
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；
固 体
gO2
* 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
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；
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
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。
✓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
第 九 碳与氧的反应
章
在1600℃以上：
固 体
络合 3C 2O2 C3O4
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
燃 料
离解 C3O4 2CO CO2
行热分解
燃
烧
总的简化反应式 3C 2O2 2CO CO2
§9.3 碳粒燃烧的化学反应
第
九 碳与二氧化碳的反应
燃烧情况
固
体
燃
4C 3O2 2CO2 2CO
料
燃
烧
§9.5 二次反应对碳粒燃烧的影响 第 九 二次反应对碳粒燃烧的影响 章
温度在800~1200℃时静止碳粒燃
固
烧情况
体
燃
4C 3O2 2CO2 2CO
料
燃
烧
§9.5 二次反应对碳粒燃烧的影响
第 九 二次反应对碳粒燃烧的影响
章
温度大于1200~1300℃时碳粒
§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
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 。
周围的燃烧情况
固
体
3C 2O2 CO2 2CO
燃 料
CO2 C 2CO
燃 烧
CO
1 2 O2
CO2
CO2 C 2CO
§9.5 二次反应对碳粒燃烧的影响 第 九 碳粒燃烧随温度变化 章
1、氧化反应动力区
固
2、氧化反应扩散区
体 燃
3、还原反应动力区
料
4、还原反应扩散区
燃
烧
§9.5 二次反应对碳粒燃烧的影响 第 九 流动条件下的碳粒燃烧 章
一次反应 (a) 表面反应 一次反应 (b)
二次反应 (c)
C O2 CO2 2C O2 2CO C CO 2CO
料 燃
空间反应 二次反应(d )
1 CO 2 O2 CO2
烧
4C 3O2 2CO2 2CO
§9.5 二次反应对碳粒燃烧的影响
第 九 二次反应对碳粒燃烧的影响
章
温度低于800℃时碳粒周围的
燃 Stefan流不是很大时：
烧
0.35 Re
Nu
2 1 exp(0.35
Re )
Re 很小时，Nu 2 Re 100时，Nu 0.7 Re
§9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 第 九 碳粒燃烧速率 章 当Stefan流的影响不可忽略时：
固 体 燃 料
扩散方程： 能量方程：
G dfO2 dr
d dr
4r2D
dfO2 dr
GCp
dT dr
d 4r2
dr
dT dr
燃
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：
烧
G 4r020V0 4r 2V const.
§9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧
第
九 碳粒燃烧速率
章
r0 r积分：
固
4r02
D0
0
dfO2 dr
0
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：
章
2CO CO2 C 162 kJ
固 体
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。
燃
料
燃
烧
§9.4 多孔性碳粒的燃烧
第
九
实际上碳是一种多孔性物质，因此反应不仅在外
章
表面进行，而且在碳的内部也进行。
固
木炭内部的反应表面积为57～114 cm2 / cm3
体 燃 料
电极碳为70～500 cm2 / cm3 无烟煤为100 cm2 / cm3
燃 烧
这些数据表明，内部表面对反应的影响是不可忽视的。
§9.4 多孔性碳粒的燃烧 第 九 多孔性碳粒燃烧速率
章
若每单位体积碳粒所含内部孔隙的表面积为
S
，则
i
对半径为r的碳粒球体，其内外表面积之和为：
固 体
S
4 3
C H 2O CO H 2 123 10 2 kJ
固
与碳的气化反应十分类似，同样为吸热反应。反应
体
级数为一级，活化能比气化反应的活化能大，约为
燃
。37反.6应1进04 k行J过/ m程ol中水蒸气也是经过吸附、络合与分
料
解一系列环节才完成水煤气的生成的。
燃
烧
§9.3 碳粒燃烧的化学反应
第 九 一氧化碳的分解反应
第
九 多孔性碳粒燃烧速率
章
低温时
高温时
固 体
K* O2
KO2
r 3
Si KO2
K* O2
KO2
0
燃 料
K 令： * O2
KO2 (1 Si )
燃 烧
0 r
3
ε称为反应的有效渗透深度
§9.4 多孔性碳粒的燃烧
第
九 多孔性碳粒燃烧速率
章 总反应速度常数：
K* O2
KO2 (1 Si )
固
章
C CO2 2CO 16.2 10 4 kJ
固
CO2 吸附到碳的晶体上形成络合物，然后络合物分
体 燃
解成 CO ，并解吸离开碳表面。由于CO2 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。
料
燃
烧
§9.3 碳粒燃烧的化学反应
第 九 碳与水蒸气的反应
章
r
3
Si
S (1
Sir ) 3
当温度较低时内表面上各处的氧浓度都相同，且等于碳粒
燃料 外表面的氧浓度 CO2 ,0
燃 碳球的总反应速率为：
烧
GO2
S (1
r 3 Si )KO2 CO2 ,0
SKO*2 CO2 ,0
式中 K * 为包括了对应内表面的碳球的总反应速度常数
§9.4 多孔性碳粒的燃烧
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
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
固 体 燃 料 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
第 九 碳粒燃烧速率
章
近似算法（稳定燃烧）：
固
gO2 K O2 ,
传热与传质完全可以类比，Le=1
体 燃 料
K 1
1
* D
1 K O2
Nu
* D
ds
D
பைடு நூலகம்
* D
Nu D ds
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。
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
总反应速度：
体
gO2
K C * O2 O2 ,0
KO2 (1 Si )CO2,0
燃
考虑碳粒内外扩散作用，同时又考虑了内外表面
料 上化学反应影响的化学反应速度
燃 烧
gO2 1
CO2 , 1
* D
KO2 (1 Si )
§9.5 二次反应对碳粒燃烧的影响
第 九 碳粒燃烧的一次反应与二次反应
章
固 体 燃
第 九 多孔性碳粒燃烧速率
章
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
固 体
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
燃 料
GO2 SKO*2 CO2 ,0 SKO2 CO2 ,0
燃
烧
K* O2
KO2
§9.4 多孔性碳粒的燃烧
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
总的简化反应式 3C 2O2 2CO2 2CO
§9.3 碳粒燃烧的化学反应
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