第7章 固体燃料的燃烧

《燃烧学》 第七章 固体燃料的燃烧
机械学院 李君
2016年12月8日
强国之道，不在强
兵，而在强民。强
民之道，惟在养成
健全之个人，创造
（1886-1964）
进化的社会。
1930-1945，担任北京大学校 长
--蒋梦麟
内容概要
7.1 概述 7.2 煤的燃烧概述 7.3 碳粒燃烧模型（单膜模型） 7.4 碳粒燃烧模型（双膜模型）
— 从例题 14.5 的结果可以看出，对于煤粉锅炉，碳 粒的燃烧时间小于 1 秒，煤粉在炉内的停留时间是 秒的量级，煤粉直径上限约为 70 µm
本章小结
— 概述了固体燃料的分类 — 介绍了煤燃烧的过程和一些控制（影响）因素 — 推导了单膜模型为基础的碳粒燃烧控制方程 — 介绍了双膜模型的基本特征和基本思路
边界层同向内扩散的 O2结合， 发生总包反应生成 CO2 (3) 问题的复杂性在于：碳表面 是多孔的，表面属性随碳氧 化过程而变化
建模方法
— 建模方法：单膜、双膜和连续膜
— 在单膜模型中，气相中没有火焰面，最高温度点在 碳的表面
— 在双膜模型中，火焰面位于距离表面一定距离处， 在火焰表面 CO 和 O2发生反应
— 在连续膜模型中，火焰区域分布在整个边界层内， 而且非集中在一个薄层内
单膜模型的基本假设
—
问题描述
组分守恒方程（1）
— 在表面上，碳的质量通量等于
流出的 CO2和流入的 O2之差
，即：m& 'C'
=
m&
'' CO2
-
m&
'' O2
— 在任一径向位置 r 处，净质量
通量表示为：m&
'' net
— 化学动力学控制的燃烧通常发生在颗粒尺寸比较小
、压力比较低、温度比较低的情况下
碳粒燃烧的控制因素（2）
— 例题14.1，判断燃烧处在那种控制模式下？注意： 其中的给定条件，颗粒表面温度为 1800 K。
— 思考：这一温度是否为任意值？如果不是，那么应 该如何确定？
能量守恒方程（1）
— 表面的能量守恒控制方程决定于燃 烧速率，能量传递和质量传递之间 存在着强烈的耦合（coupling）
— 通过一些列数学处理和简化（参见教材，自己阅读 ），利用电路比拟得到的燃烧速率表达式为：
m& C
=
YO2 ,¥ Rkin +
-0 Rdiff
Rkin
º1/
K kin
=
vI RuTs 4πrs2MWmixkc P
Rdiff
º
vI + YO2 ,s r D4πrs
碳粒燃烧的控制因素（1）
— 碳粒的温度和大小决定了两个阻力之间的大小关系 — 当 Rkin/Rdiff << 1时，燃烧速率是扩散控制的
— 挥发分在焦炭周围燃烧，消耗了周围介质向煤粒表 面扩散的氧气，不利于煤粒的燃烧，特别在燃烧初 期，挥发分的析出和燃烧速率较大的阶段，这种影 响尤为严重
灰分概述
— 煤的灰分极不相同，受煤种、产地、开采方式等因 素的影响
— 从来源上，可以分为三种：
ü 有机性灰分，是成煤原始植物本身所含的矿物性杂质，与燃 料的有机部分有关，在燃料的可燃质中分布很均匀，只占总 灰分的极小部分
( ) m& CDhC
=
m& Ccpg
æ exp ççè -
m& Ccpg 4πkg rs
ö ÷÷ø
1
-
exp
æ ççè
-
m& Ccpg 4πkg rs
ö ÷÷ø
(Ts
- T¥
)
+ e s 4πrs2s
Ts4
-
T4 sur
— 上式有两个未知数，需要联立方程（14.30）求解
— 如果燃烧过程处在过渡区域（ Rkin/Rdiff ≈1），则还 需要联立方程（14.21）求解
ü 第二种灰分是煤在碳化期间，由于环境的变迁而混到成煤物 质中的矿物杂质，如宇宙灰尘、火山灰等，数量变化范围很 大，表现为可燃质的残渣或可燃质内部间隔开的夹层，分布 也比较均匀
ü 第三种是在开采时混杂进来的矿物杂质，包括煤层边界处的 可燃质含量较低的固体物，颗粒很大，是燃料灰分的主体， 可以通过机械选煤的方法在一定程度上加以清除
=
4πrs
r
D
ln
æ ççè
1 + YO2 ,¥ 1 + YO2 ,s
/ vI / vI
ö ÷÷ø
表面化学反应动力学
—
( ) RC kg/s/m2 = m& 'C' ,s = kcMWC éëO2,s ùû
éëO2,s ùû =
MWmix MWO2
P RuTs YO2 ,s
m& C
= 4πrs2m& C'' ,s
=
m&
'' CO2
-
m&
'' O2
— 在稳态条件下，各处的质量通
量相等：m&
'' C
4πrs2
=
m& 'n' et 4πr 2
— 可以看出，净质量流量恰好等 于碳的燃烧速率：
m& 'C'
=
m& 'n' et
=
m& C'' O2
-
m&
'' O2
组分守恒方程（2）
—
( ) m& O2 = vIm& C m& CO2 = 1+ vI m& C
— 表面的能量守恒方程可以写为：
m& ChC
+ m& O2 hO2
- m& CO2 hCO2
=
Q& s
0
-i
+
Q& s
-
f
+ Q&rad
— 根据式（10.55）~（10.60），上式 可以化简为：
( ) m& CDhC
=
-kg 4πrs2
dT dr
rs
+ e s 4πrs2s
Ts4
-
T4 sur
能量守恒方程（2）
= 4πrs2kc
MWCMWmix MWO2
P RuTs YO2 ,s
kc = A exp[-EA / Ru / Ts ]
m& C = K Y kin O2 ,s
取决于压力、表面温度和颗粒半径等
电路比拟的分析方法
—
由上面的结果，可以进一步写成：m& C
=
YO2 ,s - 0 1 / Kkin
º
DY Rkin
本章作业
— 14.8
非均相反应的反应速率
—
7.3 碳粒燃烧模型（单膜模型）
概述
— 碳粒燃烧模型是煤燃烧的基础 — 焦炭燃烧控制煤燃烧的速度和反应时间 — 真实的焦炭燃烧过程非常复杂，需要进行简化分析
ü 化学反应是以总包反应的形式进行 ü 扩散无法通过固体表面（即：反应发生在相界面）
(1) 碳表面的主要产物是 CO； (2) 从表面扩散出去的 CO 穿过
核心问题：单碳粒燃烧模型的基本思想、基本方法 和基本结论
7.1 概述
固体燃料的范畴
COAL
CHARCOAL WOOD ● ● ● ●
REFUSE
BIOMASS
固体燃料
— 液体燃料在燃烧前必须气化 — 固体燃料包含：煤、垃圾、金属、木材、碳（煤焦
或炭）、生物质燃料等 — 不同固体燃料的燃烧特性有很大的差异 — 本章重点讲述煤的燃烧，特别针对球形固体碳颗粒
— 为了获得在表面上气相温度梯度的表达式，需要写 出包含气相的能量平衡方程，从中求解出温度分布
— 采用前面（式 10.10）的结论，可以得到：
dT dr
rs
=
Zm& C rs2
(T¥ - Ts ) exp (-Zm& C / rs ) 1- exp (-Zm& C / rs )
— 将上式带入前面的表达式，可以得到：
灰分对煤燃烧过程的影响
— 按照灰分在可燃质中的分布，可以分为两种：
ü 内在灰分，在成煤过程中成煤物质本身就存在的矿物杂质， 以微粒或层状较均匀的混杂在可燃质中，数量不是很多
ü 外在灰分，开采时的外来杂质，直接决定于煤的开采水平， 煤在磨细以后，大部分外在灰分以及夹层状灰分会与可燃质 相互分离，因此对煤中的大部分可燃质的燃烧过程，没有直 接的妨碍作用
( ) m& 'O' 2 = YO2
m& C'' O2
+
m&
'' O2
- r D dYO2 dr
( ) ( ) m&C =
4πr2r D 1+ YO2 / vI
d YO2 / vI dr
( ) ( ) YO2 rs = YO2 ,s YO2 r ® ¥ = YO2 ,¥
组分守恒方程（3）
—
m& C
7.4 碳粒燃烧模型（双膜模型）
问题描述
碳颗粒的燃烧时间
— 碳粒的公式（14.57）可以用来估算扩散控 制条件下，碳粒的燃烧时间：
tC = D02 / KB
KB
=
8r D rC
ln (1+
B)
— 以上的分析是基于气相介质是静止的假设，真实情 况往往要复杂的多，比如：有对流输运的存在