第八讲 煤的燃烧理论(碳及煤焦的燃烧)

n−1
碳的燃烧化学反应
• 总反应
2Cf+O2 →2C(O) k Cf+CO2← →C(O)+CO
k1
2
Cf+H2O↔C(O)+H2
k3
2Cf+H2 ↔C(H)
−k4
−k34 k
2C(O) →CO2+Cf
k6
碳和氧气的反应
• 上面讲述的是微观的碳反应的方法机理 ，从燃烧角度，我们在机理研究的结果 可供使用之前，必须借助于实验获得其 宏观的特性，如反应速度，产物和热效 应。 • 碳与氧的反应是固体燃料燃烧的最基本 过程。
在引入内扩 散详细动力 学之前，我 们首先来研 究一下在两 平行平面间 厚度为的物 体的内部反 应过程
积分之 得料层 中反应 气体浓 度的分 布规律
内扩散动力学
计算 结果 示例
各种因素对煤焦燃烧的影响
• 煤中挥发物析出对燃烧的影响
– 在炽热的天然固体燃料表面附近的燃烧过程 的物理化学现象
• 当气流速度提高时（Re>100），燃烧情况将有 很大的改变，碳粒周围的燃烧变得极不均匀。 碳粒迎着气流的部分反应速度很高，而在它的 后面却几乎是不反应的，同时在碳粒的后面拖 着很长的蓝色的火焰。这是由于在碳粒正面部 份所形成的CO，来不及烧完便被吹到碳粒后面 去，和扩散来的O2反应形成CO2，而在碳后面 部份由于被CO及CO2所包围，使O2无法扩散进 去，因此在碳粒后面部份除了CO2+C→2CO的还 原反应外，几乎不存在C+ O2的氧化作用。
B煤灰中痕量元素的范围（PPm ，以灰分为基础）
元 素 Ag B Ba Be Co Cr Cu Ga Ge La M n Ni Pb So Sn Sr V Y Yb Zn Zr Cd Li Nb 无 煤 烟 1 63-130 540-1340 6-11 10-165 210-395 96-540 30-71 20 115-220 58-220 125-320 41-120 50-82 19-4250 80-340 210-310 70-120 5-12 155-350 370-1200 高 发 烟 低 发 烟 挥 份 挥 份 煤 煤 1-3 1-1.4 90-2800 210-4660 4-60 12-305 74-315 30-770 17-98 20-285 29-270 31-700 45-610 32-1500 7-78 10-825 170-9600 60-840 29-285 3-15 60-1200 115-1450 76-180 96-2700 6-40 26-440 120-490 76-850 10-135 20 56-180 40-780 61-350 23-170 15-155 10-230 66-2500 115-480 37-460 4-23 62-550 220-620 中等挥发份 褐煤和次烟 烟 煤 煤 1 1-50 74-780 230-1800 4-31 10-290 36-230 130-560 10-52 20 19-140 125-4400 20-440 52-210 7-110 29-160 40-1600 170-860 37-340 4-13 50-460 180-540 320-1900 550-13900 1-28 11-310 11-140 58-3020 10-30 20-100 34-90 310-1030 20-420 20-165 2-58 10-660 230-8000 20-250 21-120 2-10 50-320 100-490 -
灰份对煤燃烧的影响
• 煤中矿物持的性质，从典型的煤的灰中 识别了多达35种元素。在灰中，这些元 素的百分含量以很高（ Si,Al,Fe,Ca,K,Na,Mg,Ti,S）变化到只 有微量值。此外，煤中的灰量变化很大 ，从占总煤量的百分之几到一半，或更 多。大量的，极不相同的矿物质对煤的 燃烧和气化过程有明显的影响。
多孔性碳球的燃烧
• 内部反应对碳粒燃烧的影响 • 在前两节中所述的碳粒燃煤速率是假定化与反 应仅在碳粒表面上进行的情况下来讨论的，这 种情况是对于碳粒表面是平滑的，而且反应气 体不传透入内部时才算是真正的“表面燃煤” （即外部燃煤）。 • 实际上一切多相反应不仅在外表面进行，而且 在物质内部进行，碳是多孔性物质，碳的燃煤 和气化。在一定的温度条件下，在碳粒外表面 上进行，同时随着反应气体向孔隙内部渗透扩 散，反应过程也扩展到碳粒内部。
煤焦反应的控制区及煤燃烧的速率
• 非均相反应过程的复杂性表现在①煤结 构的多变；②反应物的扩散；③不同反 应物（O2，H2O，CO2，H2）的反应，④ 煤粒尺寸的影响；⑤内孔扩散；⑥灰份 的存在；⑦表面积的变化；⑧焦炭的碎 裂；⑨随温度和压力的变化；⑩原煤中 水分含量；⑾挥发份的析出过程；⑿与 湍流的相互作用。
表89 典型煤灰的成分
SiO2 (% ) 无 煤 烟 烟 煤 次 烟 煤 褐 煤 4868 7-68 1758 6-40 AL2O3 (% ) 25-44 4-39 4-35 4-26 A煤 灰 分 煤 的 化 中 成 随 种 变 Fe2O3 TiO2 CaO M g Na2O (% ) (% ) (% ) O (% ) (% ) 2-10 1.0-2 0.2-4 0.2-1 2-44 3-19 1-34 0.5-4 0.6-2 0.00.8 0.736 2.252 12.452 0.1-4 0.5-8 2.814 0.2-3 0.2-28 K2O SO3 (% (% ) ) 0.11 0.2-4 0.132 3.016 0.11.3 8.332 P2O3 (% ) -
固体碳 具有两 种结晶 形态— —石墨 和金刚 石。
焦炭燃烧过程中的吸附
• 吸附是固体表面的特征之一。这是以一 种物质的原子或分子附着在另一种物质 表面上的现象，或者说是物质在相界表 面上浓度自动发生变化的现象。在吸附 中，我们把具有吸附作用的物质（如煤 粉颗粒）称为吸附剂，被吸附的物质（ 如氧气或空气）称为吸附物。
• 先生成一氧化碳还是直接生成二氧化碳 • 煤中的固体可燃物的燃烧是经过一氧化 碳到生成二氧化碳。前者的滞后燃烧发 生在离颗粒表面很近的地方。只有在供 氧不足或温度较低时才能在气相中发现 一氧化碳。
碳的动力扩散燃烧特点及燃烧 化学反应
• 碳的动力扩散燃烧特点: • 碳的燃烧比速度
yCo2.∞ K = 1 1 + K B
有CO空间反应时碳球燃烧速率 的计算
• 存在有二次反应时碳燃烧速率的计算是 十分复杂的，考虑到二次反应结果是CO2 被C还原成CO，而一次反应本身也会产生 CO，如果我们已能确定所产生CO的总数 量，则对燃烧产生的影响主要是这些CO 在碳球附近空间燃烧形成一个包复火焰 的影响。
强迫对流条件下碳粒燃烧速率 的分析方法
表8-2 碳与氧气反应速率参数 ，反应方程为
A kgm-2sPa-nK-n) 1.32× -1 10 .6× 2 10 — — — .18× -1 10 2.013 5.428 2.902 E/R (K) 16400 18000 20100 3000-6000 15000-32700 6500-25000 8200 9600 20100 10300 N (n) 0 0 0 0 1.75-3.5 0 0 0 0 反 级 煤 种 应 的 类 颗 尺 粒 寸 数 是 分 否 组 0 1 0.1a 0,1b 0 1 0.5 1 1 1 褐煤炭 各种煤 碳 烟煤炭 各种煤 褐煤炭 半 烟 无 煤 半 烟 无 煤 烟煤炭 是 变 的 化 是 否 是 是 是 是 是 尺 寸 （ m） μ 22,49,89 变 的 化 2.54× 4 10 0-200 420-1000 22,49,89 6,22,49,78 6,22,49,78 18,35,70 温 范 度 围 （ K） 630-1812 s950-1650 — — 1100-1500 630-2200 1400-2200 1400-2200 800-1700s
c s
谢苗诺夫准则
Co2.s n− 1 (Co (Co2.s ) n Co2.s Co2.∞ B Sm = = = Co2.s K Co2.∞ −Co2.s 1− Co2.∞
• 在动力和过渡区分界线的值为
Sm = 9(0.9Co2.∞)
• 在过渡区和扩散区的分界线上
n−1
Sm = 0.11(0.1 2.∞) Co
煤的燃烧是扩散控制还是动力控制
• 限制焦炭氧化反应速率的步骤可以是化 学的（反应物的吸收、反应、产物的解 吸）或气态扩散（反应物或产物的容积 气相扩散或内孔扩散）。
碳的形态与结构
• • • • • • 碳燃烧是固体和气体之间进行的异相 化学反应，它包括了五个连续的步骤： （1）氧扩散到碳表面； （2）扩散的氧被碳表面所吸附； （3）被吸附的氧与碳反应形成被碳 表面吸附的产物； （4）产物从碳表面解吸； （5）被解吸的产物扩散离开表面。
• 1．热效应，大量的灰改变了煤粒热特性，当灰 被加热到高温时，它要消耗能量并发生相变。 • 2．辐射特性。灰提供了一个辐射传热的固态 介质。 • 3．颗粒尺寸，接近燃烬时焦炭粒破裂成更小 的碎片，与焦炭中矿物质的含量和性质有关。 • 4．催化效应。焦炭中不同的矿物质已证明能 使焦炭的反应性增加，尤其是在低温条件下。 • 5．障碍效应。矿物质提供了一个障碍，反应 物（例如氧气）必须通过这一障碍才能到达焦碳 ，尤其是接近燃烬时，高矿物质含量将阻碍燃烧 ，这是可能的，由于矿物质的软化和熔化，燃烧 会恶化。
吸附按其作用力的性质分为两类
• 物理吸附 • 化学吸附
Langmuir 吸附方程
Ynk1 p k1k2 p x= = 1+ k1 p 1+ k1 p
用吸附时间来估计近似碳反应 速度和燃烧时间
焦炭燃烧过程中的扩散
• 在进行多相燃烧时，必须向碳的反应表 面供给氧化剂，并且自反应表面导出气 态反应产物。碳燃烧过程所需要的氧化 剂数量，可以通过自然扩散或强制扩散 物质，来得到供给。
挥发物的存在对煤粒燃烧速度 的影响
• 由于挥发物能够在较低的温度下析出和燃烧，使煤粒周 围温度迅速提高，为煤焦的着火与燃烧创造了极为有利 的条件。在挥发物析出过程。使煤焦膨胀。增大了内部 孔隙及外都反应表面积。有如上述，也有利于提高煤焦 的燃烧速度。挥发物是煤中可燃物的一部分，挥发物的 燃烧也是煤的一部份的燃烧，而这一切都有利于整个燃 料燃烧速度的提高。但是，另一方面，因为挥发物在煤 焦的周围燃烧。消耗周围介质间煤粒表面扩散的部份氧 气。以致扩散到煤粒表面的氢量显著的减少，特别是在 煤粒燃烧初期，挥发物析出和燃烬的速度较大的阶段。 这种影响尤为严重。使初期阶段煤焦的燃烧速度显著下 降。
碳与二氧化碳的反应
C +CO (g) →2CO(g) 2
r =k1pco2 /(1+ k2 pco + k3 pco2 )
碳与水蒸汽的反应
C + H2 = H2 +CO
∗
r = k1P 2o /(1+(k2P 2 + k3P 2o ) H H H
碳与氢气的反应
C + 2H2 →CH4
*
r = aP /(1+bP 2 ) H
• 在实际的燃烧过程中，煤焦（碳粒）往往是 处于对流的环境之中，此时，碳粒燃烧速率 的计算就无法在球对称条件下进行分析，在 自然对流条件下，球形颗粒燃煤的情形，采 用边界层近似假设及边界层厚设比颗粒半径 小得多的假设，建立方程后采用的是数值的 求解方法，在强迫对流条件下球形颗粒燃烧 的情形，对燃烧过程的描述同时采用边界层 和火焰薄膜的假定。
2 H2
碳球的燃烧速度
质量守恒
dCi r − 4πr D ρm i + 4πr2vρmCi +ςr2 4πrr2Widr + 4πrs2KiCis = 0 dr
2
能量守恒
di r i i −4πr λm + 4πr2vρmCp(T −Ts) −ςrs 4π 2WiQnet dr −4πrs2Qnet KiCis = 0 dr
第八讲 煤的燃烧理论（碳及煤焦 的燃烧）
煤燃烧涉及的物理化学过程
1 表8— 燃 种 烧 类 焦 占 燃 份 重 % 碳 可 成 的 量 96． 5 无烟煤 57— 58 烟煤 55 褐煤 30 泥煤 15 木柴
焦 占 发 值 % 碳 煤 热 的 95 59． 83． 5— 5 66 40． 5 20
2
• 温度较低或颗粒很小可略去空间气相反 应的情况。 • 碳球在高温下的扩散燃烧情况
考虑二次反应的碳球燃烧
• 考虑二次反应作用的碳球燃烧模型 • 在静止或相对流动速度很低的介质中（ Re<100），不同温度条件下碳粒表面附 近的燃烧。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
在流动的介质中（Re>100）碳 表面附近的燃烧。