第十五部分固体燃料的燃烧

Kz

1 1
k1 Si
rs 2 D
减小碳粒直径可以使反应速度加 快。当rs趋于零时，有效综合反应 速度常数等与k，转入动力燃烧。 因此为了保证火焰尾部的燃烧，必 须保证足够高的温度。仅适用于 200微米以上颗粒。
四、碳燃烧的二次反应
实验研究发现：当碳粒燃烧进入扩 散区以后，其反应速度并非如上图所 示与温度无关，而是随着温度的提高 显著提高，这便是二次反应的影响。
对于半径rs的碳粒，氧初始浓度C0， 只有一次反应的情况下。那么对于 半径为ξ 的球面，氧的扩散量为：
m D dC 4 2 d
对于稳态燃烧，存在dm=0，因此
D
d 2C d 2

2

2
dC d



0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
,C C0


rs , m

D
dC dr

k1 Si Cb
Cb

S

k
Cb

k

1
1 3
rs Si
k , 有效反应速度常数
2、当温度很高时，反应速度很快，以至 于氧扩散速度跟不上内部反应需要，内表 面Cb＝0，内部反应停止，碳的燃烧速度为：

W燃 S k Cb

k k,有效反应速度常数
比较上面两个有效速度常数 可以发现，从低温到高温， 内部反应引起化学反应速度 常数的增值在1～rsSik/3之间。
6
d03
dt



2
d02
d d0
dt
根据异相反应速度的定义： m' d02W
d d0 2W
dt

1、动力区燃烧时
dd0 2W 2kC0 A
dt


k、、C0与d 0、t均无关
d d0 At 当d 0时，t d0
A
燃尽时间与碳粒直径成正比
3、蒸发燃烧：发生在熔点较低的燃料中，先熔化呈液态，然后进行蒸发 和燃烧，如石蜡等链烷烃燃料。
4、冒烟燃烧：一些易分解的固体燃料当温度较低挥发分未着火时，将产 生大量浓烟，从而使大量可燃成分散失在烟雾中。如木材纸张在低温下的 燃烧。
第一节碳的反应速度
在燃烧过程中，碳的反应包括初次反应（碳与氧）和二次反应（碳与二 氧化碳及一氧化碳与氧），这两次反应都是在相界面上的异相反应。
2、扩散区燃烧时
d d0 2C0 2Nu D C0 B
dt

d0
d0
Nu D d0
努谢准则数 Nu、扩散系数 D都与d0、t无关
d 2 d02 Bt 当d 0时，t d02
B
燃尽时间与碳粒直径的平方成正比，服从颗粒直径燃烧平方规律
第十五章固体燃料的燃烧
煤的燃烧
燃烧特征分类
1、表面燃烧：燃烧反应在燃料表面进行，通常发生在几乎不含有挥发分 的燃料中，如焦炭、木炭，氧气与二氧化碳通过扩散作用到达燃料表面进 行燃烧反应。
2、分解燃烧：一般发生在热分解温度较低的燃料中，热分解产生的挥发 分在离开燃料后与氧气接触进行同相燃烧反应，如纸张、木材、煤等。
W k1 Si Cb
0 ~ rs ,有效渗透系数 3


0时，内部无氧；

rs 3
时，内部氧Cb
由于Cb很难确定，因此在讨论内部反应时，一般仍看作

W Kz 1 Si C0 Kz C0
是在外表面燃烧，氧浓度为C0。引入综合反应速度常数

Kz : 有效综合反应速度常数
,综合速度常数
1、化学反应速度很低时，k<<β ， 处于动力区，W=kC0。K与T指数关系
2、当处于高温区，k>>β ，处于扩 散区，W= β C0。 β 与温度无关
3、k＝β ，处于中间区（过渡区）
在动力区，提高温度可以强化燃烧。 在扩散区提高气相初始浓度、气流 速度，减小碳粒直径可强化燃烧。
三、碳燃烧的内部反应
对于球状碳粒的稳定燃烧，设其半径为rs，外表面积 S，单位体积上内部孔隙总表面积Si，则总表面积为：
S
1

1 3
rs
Si

1、当温度较低时，反应速度远远低于氧 扩散速度，内表面氧浓度可以认为等与Cb， 只考虑一次反应，则碳的燃烧速度为：
W燃

S 1
1 3
rs Si
k
碳在纯氧中燃烧
一、碳燃烧过程中的化学反应
1、初次反应：碳与氧反应，生成 中间状态的碳氧络合物，然后离解 为二氧化碳与一氧化碳。
2、二次反应：二氧化碳在炽热碳 表面进行还原反应，吸热；一氧化 碳与氧气进行容积反应，放热。
3C 2O2 C3O4 C3O4 C O2 2CO 2CO2 C3O4 2CO CO2
CO2 C 2CO 2CO O2 2CO2
A、温度低于700 度：由于温度不 高，CO2不能进行 还原反应，CO也 不能与氧反应
B、温度700～ 1200度：CO2仍 然不能进行还 原反应，CO与 氧可以反应生 成CO2并形成火 焰前锋，所以 其浓度高于CO。
C、温度大于 1200度：CO2 的还原反应生 成CO，故增大 其扩散量。在 其扩散过程中 与氧反应形成 火焰前锋， CO2达到最大。 氧已经不能扩 散到碳表面。
碳的异相反应可以在外表面进行，也可以在孔隙的内表面进行；异相反 应越强烈，越集中在外表面；反之，容易趋向内表面。
异相反应速度：单位时间单位表面积上完成的反应物质的量。g/cm2s
碳的燃烧包括：1、氧扩 散到碳表面；2、氧吸附于 碳表面；3、氧与碳进行表 面反应；4、反应产物的脱 附；5、解析后的生成物从 反应表面扩散到周围环境。
二、碳燃烧过程中的动力区与扩散区
一般情况下，碳的燃烧 反应可认为是一级反应
稳态过程反应速度应该等 于反应表面气体扩散速度
W kCb k : 反应速度常数 Cb : 反映表面气体浓度
W C0 Cb
：扩散系数 C0：气体初始浓度
W

1
1
1
C0
KzC0
k
Kz

k k
温度越高，CO2越容易还原为CO， CO在离开表面途中与迎面的氧反应生 成CO2，达到峰值并向碳表面扩散，此 时氧已经不能扩散到碳表面，所以是 CO2在与碳进行反应。
第二节碳粒的燃尽时间
对于直径d0的碳粒，经过燃烧时间dt后，直 径缩小d(d0),则碳粒质量减小速率为：
m'


dm dt


d