燃烧理论与基础 07第七章 煤的燃烧理论

分析和试验结果都表明，挥发分和焦炭同时 燃尽的论点较为合理。但是，在燃烧的初始 阶段，焦炭烧掉约15%~20%时，80%~90% 的挥发分已经燃尽。
2、灰分对燃烧的影响 灰的存在对煤燃烧有以下几方面潜在的影响： （1）热效应。 （2）辐射特性。 （3）颗粒尺寸。 （4）催化效应。 （5）障碍效应。
C
d 02 k kk
kk
8DC

k s 8D ln 1 C
2、考虑二次反应时碳球燃烧速率

考虑到二次反应的结果是CO2被C还原成CO ，CO在碳球附近空间燃烧形成一个包围碳球 的火焰，影响碳的燃烧过程。这时在碳球表 面只考虑气化燃烧。
w
m D
r
ln C f C 1 f CO 1

在燃烧温度低于灰的软化温度时，考虑灰层 的影响，焦炭的燃烧速率为：
w
1 1
ks
1 Dh k

C
3、其它因素的影响 （1）氧浓度； （2）总压力； （3）烟气温度和燃烧室壁温； （4）颗粒直径。
图7-4 碳表面燃烧过程 1-迎风面；2-背风面；3-回流区；4-火焰
其燃烧过程可分为以下几种方式。 （1）温度在1200℃以下时的反应 第一步先生成络合物： 3C+2O2→C3O4 第二步是络合物分解。在高能量氧分子撞击下，分 解反应为： C3O4+C+O2→2CO+2CO2 则一次反应的总反应为： 4C+3O2→2CO+2CO2
2、总体反应速率法 通过总体反应速率来描述碳氢化合物的燃烧 情况。

目前常用的总体反应速率模型有以下三类： 第一类，假定碳氢化合物燃烧机理归纳为一 个产物为CO和H2O的总体反应。 第二类，总体反应产物为CO和H2。 第三类：提供了H2、CO、C2H4及烷烃的总体 反应速率。
3、完全反应法 为了精确描述热解产物的完整燃烧情况，应该 把热解产物的每一个组分的反应机理结合在一 起，以形成整体的反应机理。
（3）NuD/d》k(1+εSi)，并且ε》r0 这是温度较低、碳球颗粒很小时的情况。称 为内部动力燃烧。
（4）NuD/d》k(1+εSi)，并且ε≈ξ 这是温度较低、碳球内部孔隙的平均直径和 有效反应深度接近。称为外部动力燃烧。
五、焦炭的燃烧

焦炭的燃烧比单纯的多孔碳球燃烧要复杂， 除了要考虑挥发分析出对焦炭燃烧的影响外 ，还要考虑灰分等因素对焦炭燃烧的影响。

煤的形成是一个十分复 杂的过程，至少可分两 个阶段：泥炭化阶段和 煤化阶段。前者主要是 生物化学过程，后者是 物理和化学过程。煤的 形成过程如右图所示。
2、煤岩学



由于煤是一种有机的沉积岩石，煤岩学是利 用研究岩石的方法来研究煤。 煤是由各种在光学显微镜下可辨别的微细颗 粒显微组分构成。 褐煤的煤岩显微镜组分可分为腐植组、稳定 组和惰质组。烟煤为镜质组、壳质组和惰质 组。

一、碳的形态与结构 碳燃烧的步骤为： （1）氧扩散到碳表面； （2）扩散的氧被碳表面吸附； （3）碳与氧发生化学反应； （4）燃烧产物解吸附； （5）燃烧产物向外扩散。


固体碳具有两种结晶形态－石墨和金刚石。在 金刚石的晶格中碳原子排列十分紧密，原子间 键的结合力很大。金刚石硬度高而活性小，很 不容易被氧化。压力越高，热力学稳定性越好 。 煤中的碳为石墨晶体。
二、碳燃烧化学反应机理
碳燃烧有四种可能的机理： （1）碳表面完全氧化，C+O2=CO2； （2）产物全为CO，2C+O2=2CO； （3）先全部生成CO，后燃烧成CO2，称为滞 后燃烧； （4）气化燃烧：C+CO2=2CO。


一般把碳与氧的直接反应称为一次反应，把 一次反应生成物继续发生的化学反应称为二 次反应。考虑碳二次燃烧时，煤燃烧过程如 图7-4所示。
煤的热解产物主要是由焦油及气体所组成。 影响热解产物的因素有： （1）温度的影响； （2）颗粒粒度的影响； （3）煤种的影响； （4）气氛的影响。

4、热解动力学模型 向简单的通用模型发展，主要兼顾实用； 向详细的化学反应机理模型发展，主要考虑 从本质上反映热解过程，并从动力学的角度 加以描述。
1、挥发分析出对燃烧的影响 挥发分在煤的着火过程中起着十分重要的作 用。


一种论点认为，在煤的燃烧过程中，煤从开 始干燥到析出挥发分直至挥发分大部分烧掉 的时间，只占总燃烧时间的十分之一。 另一种论点认为，挥发分的析出与燃烧是和 焦炭的燃烧同时进行的，而且挥发分的析出 一直延长到燃烧过程的末期。
第二节 碳及焦炭的燃烧
煤的挥发分析出后剩余的炭骸类似石墨结构 ，为由很多晶粒组成的焦炭。煤粒燃烧特性 主要由焦炭决定，这是因为： （1）焦炭占煤可燃质量的55%~97%，发热量 占60%~95%； （2）焦炭燃烧时间占煤燃尽时间的90%； （3）焦炭燃烧为其他过程创造热力条件。 所以煤的燃烧过程主要是焦炭的燃烧过程。
燃烧理论与技术
第七章 煤的燃烧理论
第一节 煤的热解及挥发分的燃烧


挥发分析出及燃烧和挥发分析出后煤中其余成 分形成的碳粒的燃烧这两个阶段。 一般主要研究在惰性气氛和氧气气氛下的挥发 分析出，统称为热解或挥发分析出。
一、煤的组成特性 1、煤的形成


煤是世界上最重要的燃料。 是发电的主要燃料和生产焦炭与煤气的原料。
1 C k Z C
1 d k 1 S i NuD

不同工作条件、碳球半径r0、有效反应深度ε 、碳球内部空隙平均直径ξ等参数，内孔对燃 烧的影响有以下四种情况：
（1）k(1+εSi)》NuD/d 这发生在温度很高的情况下，称为外部扩散 燃烧。
（2）NuD/d》k(1+εSi)，并且r0》ε》ξ 这种情况发生在温度较低、碳球颗粒较大且 内部孔隙很小时，称为内部扩散燃烧。
2、煤化学

利用化学方法研究煤的特性就是煤化学。 下图为假想的煤大分子结构。
二、煤的热解
1、煤热解研究方法

静态样品法和连续流动法。 热解产物必须和工业分析测定的挥发分含量仔 细加以区别。
2、影响煤热解的因素

煤质特性； 温度； 加热速率； 压力； 颗粒粒度。
3、热解产物
0
8 m D ln 1 f C 1 f CO C
C d 02
四、多孔性碳球的燃烧


碳颗粒是多孔的，内表面对燃烧的影响是不 可忽略的。 低温时，碳球内表面停止了碳和氧的一次反 应。


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引用一个有效反应深度ε的概念来表示内孔在 不同温度下对燃烧的影响：

w
Di k Si C

（2）温度在1200~1300℃以上时的反应 在高温下，首先生成的络合物C3O4直接发生 热分解： C3O4→2CO+CO2
三、碳球的燃烧速率
1、碳一次反应燃烧速率 只考虑碳的一次反应的燃烧比较简单。碳燃 烧和温度的关系很大，可以分为动力控制、 扩散控制和过渡区。
w
1 d 1 NuD k

双方程模型在实际数值模拟中应用极广。 考虑总体的热解产物的析出过程。

从另一种思路出发的一种煤热解模型化方法 是将一级反应模型应用于许多单个化合物或 几类化合物的释放过程。
三、热解产物的燃烧

煤热解产物的燃烧是一个相对薄弱的研究领 域。
1、局部平衡法 局部平衡法就从此实验现象出发，假设热解 产物与氧化性气体处于局部热力学平衡状态 ，此时热解产物的燃烧完全决定于热解产物 射流与周围环境的扩散过程。 可以采用类似于紊流扩散火焰的k-ε-g模型的 方法对此进行计算。
（1）单方程模型 热解速度可以表达为：
dV k V V dt
式中：V－时间t以前所产生的挥发分的累积量，当t→∞， V→V∞； k－速度常数，可用阿累尼乌斯定律表示； V∞－煤的有效挥发分含量。
（2）双方程模型 煤粉颗粒的快速热分解是由两个平行的一级 反应控制，即：
dV dV1 dV2 a1k1 a 2 k 2 W dt dt dt