7固体燃料的燃烧

另外，可以把氨加入到自由空间用于NOx的控制：
4NO 4NH 3 O2 4N 2 6H 2 O 2NO2 4NH 3 O2 3N 2 6H 2 O
循环流化床工艺过程
燃料的加料系统是通过床层 内加料或循环物料流把燃料 和石灰石加入燃烧室。
循环流化床的速度能够沿反 应器把所有的固体颗粒吹向 固体回收系统。
流化床燃烧原理 固体燃料颗粒的湍动，导致了与质量和热量传递结果 有关的固体颗粒间的更加紧密地接触，并且导致了床 层温度的更加均匀一致； 在床层内可直接加入酸性气体吸附剂（如石灰石）,简 化了酸性气体控制系统； 由于燃料分配系统、空气分配系统的位置已确定，加 上在反应器内及器壁上安装有热量回收管，为了加强 污染控制系统，温度则作为一个独立的可控制的变量 使用； 作为除热池的惰性材料床层的使用能够减缓通常含水 量较高的燃料或固体废弃物燃料不能燃烧的影响。
第七章 固体燃料的燃烧
第一节 概述
固体燃料 –煤、油页岩、木柴、甘蔗渣等都是碳氢化合物，可作为固体燃料 –煤占我国一次能源消费的70%以上 –消费的煤中80%以上用于燃烧 –我国是少有的以煤为主的国家 –煤的燃烧比较复杂，木柴等容易燃烧 –煤中焦炭占煤中可燃质重量的55~97%，焦炭的发热量也占煤的总发热 量的60~95%。
倾斜炉栅层燃炉
层状燃烧的特征 燃料放在炉篦上 空气通过炉篦下方炉篦孔穿过 燃料层并和燃料进行燃烧反应 生成的高温燃烧产物离开燃料 层进入炉膛 两个重要参数 煤粒大小——烧烟煤时：20-30mm 燃烧煤层厚度—— 薄煤层燃烧100-150mm 厚煤层燃烧200-400mm
沿煤层厚度方向气体成分的变 化曲线如图所示，大致可分为： 灰渣带、氧化带、（还原带）和干 馏带。
碳和氧反应的络合物理论 温度在1300℃以下时，碳和氧的反应机理： –物理吸附为主，反应过程为一级反应.氧分子落入碳晶格内生成络合物。 3C+2O2= C3O4 –由于温度不高，络合物热离解的可能性不大而处于稳定状态，一旦有 能量较高的氧分子撞击此部分时，将发生以下离解反应： C3O4+C+O2= 2CO2+2CO –简化方程式可写成： 4C+3O2= 2CO2+2CO 温度在1600℃以上时，碳和氧的反应机理 –高能氧分子份额增多了，但同时已溶解氧分子的解脱作用也加大了； –碳和氧的一次反应通过晶体边界的棱和顶角的化学吸附完成； –高温下氧分子撞击碳表面的频率增大，但此时化学反应取决于较慢的 化学吸附速度，与氧分子浓度和撞击频率无关。属于零级反应。 –化学吸附形成络合物： 3C+2O2= C3O4 –高温下自行热分解 C3O4= 2CO+CO2 –简化方程式可写成： 3C+2O2= 2CO+CO2
燃料类型
气体燃料 液体燃料 固体燃料
燃烧过程
纯单相 属多相，但基本上在 气相中进行 属多相扩散燃烧
固体燃料的多相扩散燃烧过程相当复杂：
首先要使氧气到达固体表面，在固体表面和氧气之间界面上 发生多相化学反应； 其后，化学反应所需要的雾质量则靠自然扩散或强制扩散所 形成的物质转移来提供。
第二节 煤的燃烧过程及特点 一、煤粒的燃烧过程
氧化带厚度大约等于煤粒尺 寸的3-4倍。 只有当煤层厚度大于氧化带 厚度时，才会出现还原带 （CO2被C还原成CO）。
人工加煤的燃烧炉 灰坑：积存灰渣，使空气沿炉篦平面分布均匀， 高约800mm； 人工加 煤层状 燃烧炉 组成： 炉篦：支承煤层，空气进入通道，灰渣掉落通 道。为避免堵塞，炉篦缝应上小下大； 灰层：50-60mm厚灰层能保护炉篦，同时有 助于空气预热并使之均匀分布；
振动炉排 煤在炉排上靠振动产 生的惯性徐徐向后移 动，并与空气相交而 遇，新的煤由煤斗不 断补充引入炉内。 按照先后顺序，得到 干燥、预热、着火、 燃烧和燃尽。
2、流化床燃烧
是介于固体燃料的火床燃烧和煤粉燃烧之间的一种燃 烧方式——由上升气流支撑的颗粒床，气流可为空气、 燃烧气体产物和其它气流。
三、煤的燃烧方式
按 燃 1、层状燃烧（固定床）
块煤、型煤或原煤置于固定或移动的炉栅上面，空气 通过燃烧层进行燃烧反应。最宜燃烧块度为25-50mm。
烧
方 式 分 类
2、气流燃烧（气流夹带床）
将固体燃料先磨成细粉，然后随空气在炉膛内呈悬浮 状态进行燃烧。可分为直流式(煤粉直径300-500μm) 和旋风式（煤粉直径2-3mm） 。
二、碳燃烧的化学反应机理
1、碳和氧的化学反应 碳燃烧是一个气固间的异相化学反应过程，此时碳和氧之 间的反应是在碳的吸附表面上进行的。 研究表明，碳燃烧释放热量的主要化学反应使碳和氧的直 接反应，也称为一次反应。 C+O2=CO2+409 MJ 2C+O2=2CO+245 MJ 一次反应生成的CO和CO2通过周围的介质扩散出去，能 够重新被碳表面从气体介质中吸附，在一定条件下发生二 次反应。 CO+O2=2CO2+571 MJ C+CO2=2CO-162 MJ 一次反应和二次反应同时交叉平行进行着，构成碳燃烧过 程的基本化学反应。
2、碳与氧的反应理论 （1）对于碳和氧的一次反应产物，有三种观点： a. 二氧化碳学说
碳的氧化产物中CO2是初次产物，燃烧中的CO是CO2与C 相互作用形成的二次反应产物。
b. 一氧化碳学说 碳与氧反应的初次产物是CO，CO再与氧化合生成CO2。 c. 目前普遍接受的第三种观点 碳与氧首先生成碳氧络合物，络合物再生成CO和CO2。
（4）岐化反应 •定义：反应物因原子不均匀分配而转化成两种不同产物的 反应； • 2CO = C+CO2 •该反应为放热反应，是气化反应的逆反应； •在温度降低时，会引起析碳；对于冶金炉、合成氨装置和 燃油炉，这是一个重要问题。 •温度很高时，不能发生岐化反应；温度很低时，反应速度 太低，也不能析碳，仅在200~1000℃的温度范围内，才可 能析碳。 •岐化反应的最大速度出现在温度为400~600℃范围内。
燃烧空间：使燃烧产物能够通畅地进入炉膛， 并使烟气中的可燃气体能在燃烧炉内完全燃烧。
新燃料周期性地加进炉内，燃烧过程具有周期性。 加煤清渣全靠人力，劳动强度大，劳动条件差。
（下伺）绞煤机
一种应用较广的机 械加煤设备。
水套8用于冷却灰渣， 避免与燃烧炉围墙粘 连在一起。
可以借助渣板9的翻 转将wenku.baidu.com渣排入渣车， 或采用人工出渣。
链条炉 是一种结构比较完善 的机械化层燃炉。 炉子的燃烧过程不随 时间变化，克服了人 工炉燃烧的周期性缺 点，实现了燃烧过程 的连续化。 链条炉的引燃主要靠 炉膛内的辐射热，所 以着火条件较差，必 须在炉膛采取一些有 效措施，如设置炉拱 和使用二次供风。
抛煤机
由给煤器和抛煤 器组成。前者将煤从 煤斗输送至抛煤器； 后者则负责将煤抛撒 到炉篦上。 若与往复炉排配 合使用，可使投煤和 清灰工作实现机械化。
流化床反应器内同时有同相气相氧化反应和异相气固反应。 许多反应在床层顶部到燃烧室的自由空间进行。
Ca H b N d Se CL f xcsO2 N 2 aCO2 0.5(b f ) H 2 O (0.1 0.5d ) NO2 eSO2 fHCL+O2 +N 2 heat
当碳表面有水蒸气存在时，还可能发生以下反应：
C+H2O=CO+H2 C+2H2O=CO2+2H2 3C+4H2O=4H2+2CO+CO2 C+2H2=CH4
在靠近碳表面的气体层中，还可能发生下列反应：
2H2+O2=2H2O CO+H2O=CO2+H2
上述反应过程中哪些是主要的，取决于温度、压力以及气 体成分等燃烧过程的具体条件。
右图表示下加煤燃烧炉的 基本燃烧过程。 当燃料向上运动时，它逐 渐被加热、干燥，并析出 挥发物，在燃料层表面的 已是焦炭。挥发物和空气 的混合物经过焦炭层，在 焦炭层的孔隙中燃烧。焦 炭在新燃料的推动下向炉 篦两侧运动，并与氧接触 而燃烧。
显然，新燃料 的送入速度及 送入的空气量 应有严格的要 求，否则可能 出现当新燃料 到达燃料层表 面还未着火的 不正常燃烧情 况（b）。
3、流化床燃烧
较高速度的空气从底部经过炉篦吹入较小的燃料粒子 层中（<6mm）,当风速达到某一临界速度时，粒子层 的全部颗粒向上漂浮，靠近炉壁的颗粒则向下降，整 个粒子层象液体沸騰一般。
1、层状燃烧（固定床燃烧）
炉栅燃烧系统可分为 层状燃烧系统 加煤机机动炉排燃烧系统
层状燃烧是一种最简单和最普通的块煤燃烧法， 在中小型工业炉中占有一定地位，但难以满足大 型工业炉的需要，并不能完全实现机械化和自动 化。 层状燃烧系统包括：人工进料层燃炉、下部进料 层燃炉、倾斜炉栅层燃炉、移动炉栅层燃炉。
煤的干燥 (析出水分)
析出挥发分和形成焦炭 (结晶水、碳氢化合物)
挥发分和 焦炭燃烧
灰渣生成
从燃料干燥开始到干馏出挥发物以至挥发物基本燃尽所需的时间仅占 燃料全部燃烧时间的10%。实际的燃烧各过程相互交叉进行或者某些 阶段是同步进行的。
在煤粒的燃烧过程中，起决定作用的是碳的燃烧过程，即碳 和氧在煤粒表面进行的化学反应过程。碳的燃烧速度不仅和 化学反应本身有关，而且还和氧扩散到碳表面的速度有关。 扩散速度和反应速度之间差别可能很大，当其中一个速度远 小于另一个速度时，燃烧速度取决于较小的一个。 提高煤层温度 提高通风速度 加强反应能力 加强扩散能力
流化床设计中典型气流表观速度 流化床类型 典型表观速度,m/s
常压沸腾床
循环流化床 加压流化床（工作压力 1.2MPa）
0.92-2.76
4.62-9.24 0.8-3.13
沸腾床主要是要把所有固体物质保持在密相流化床中； 循环流化床反应器则是把床层介质及固体燃料吹出，然后 在旋风除尘器即U型除尘其中重新捕获这些固体颗粒并重新 加入反应器； 加压流化床表观速度与沸腾床接近，但工作压力为1.2MPa.
沸腾床工艺过程 一次空气从床层底部鼓入，床层可在一定的空气流速 范围内达到流化，二次空气可在床层与自由空间的交 接处以上的不同高度鼓入，以确保反应器的燃烧阶段 进行完全和确保固体颗粒和挥发分析出物的完全燃烧。 燃料可通过一系列的床内分布器加入床层。 热回收可通过传承内部的埋管或通过流化床反应器器 壁的冷却管和燃烧系统下游的锅炉来完成。
（2）碳和二氧化碳的反应
C+CO2=2CO •该反应为一吸热反应，是煤气发生炉中进行的主要化学反应。 •CO2首先要吸附到碳的晶体上，形成络合物，然后络合物分解成CO， 解析离开碳表面。 •由于CO2的化学吸附活化能比氧的溶解活化能大得多，因此这一反应 只有在温度很高时才能显著起来。 –T<400℃，仅存在物理吸附，没有任何化学反应； –T>400℃，CO2的固溶络合和化学吸附络合开始显著； –T>700℃，零级反应。最为薄弱环节为碳氧络合物如何自我分解。 –T>950℃，一级反应。最为薄弱环节为碳氧络合物受CO2撞击分解 –温度更高，一级反应。最为薄弱环节为化学吸附过程 （3）碳和水的反应 C+H2O = CO+H2 •吸热反应，反应级数一般认为是一级反应； •C与H2O的反应速度约比C与O2的反应速度快3倍； •水蒸汽也是经过吸附、络合与解析等一系列中间环节而引起的，起决 定性环节是中间络合物的生成和分离。
床层中的石灰石（酸性气体吸附剂）被分解为CaO和CO2， 然后CaO与SO2和HCL反应，脱除酸性气体混合物：
CaCO3 CaO CO2 CaO SO2 0.5O2 CaSO4 CaO 2HCL CaCL2 H 2 O
流化床燃烧器在燃烧后处理过程中不再需要酸性气体清洗系统。布袋过 滤器或除尘室用于空气污染控制目的已经足够。
流化床技术已逐渐成为一种商业燃烧技术。 研制开发了常压沸腾床燃烧器、循环流化床燃烧器和 加压流化床燃烧器。
可用于生物质燃料、泥炭、烟煤和褐煤、无烟煤碎屑、 洗煤泥、石油焦、油页岩、城市固体废物燃料和各种 有害废弃物。
图示为沸腾床系统
流化床燃烧系统 一般包括：燃料 和石灰石进料系 统、流化床反应 器、废热锅炉及 空气污染控制系 统（APCS）