燃烧学讲义2010-第五章固体

西安交通大学能源与动力工程学院1第五章固体燃料燃烧5.1概述5.2异相化学反应及碳化学反应速度5.3碳球燃烧过程与燃尽时间5.4气流燃烧的热工况5.5煤粉的火炬燃烧西安交通大学能源与动力工程学院25.1概述煤的燃烧过程有自己的特点：气态产物：挥发分V受热裂解着火燃烧加热剩余固态产物：焦炭C加热着火燃烧供O2燃尽放热Q煤西安交通大学能源与动力工程学院3可见：焦炭（C）无论在煤中的质量百分比或燃烧放热（发热量）的百分比都是占主要地位。①煤中焦炭量占55-96.5%，发热量占66-95%。②焦炭燃烧是异相化学反应，反应速度慢。焦炭燃烧的时间约占全部燃烧时间的90%，也就是说，挥发分燃烧时间仅约10%。这也说明了焦炭燃烧比气体燃料燃烧要困难的多。③从提供热量的角度，焦炭具有主要意义，∵它提供了大量的热量。焦炭占可燃成分的质量百分比，%焦炭发热量占煤总发热量的百分比，%无烟煤96.595烟煤57-7859.5-83.5褐煤5566泥煤3040.5木柴1520西安交通大学能源与动力工程学院4煤燃烧过程的特点总结挥发份的燃烧过程：先析出，然后遵循气体燃料燃烧的规律。——类似与液体燃料燃烧的过程，也存在一个“析出潜热”。煤的燃烧过程主要是焦炭燃烧——一个异相（非均相）化学反应过程。遵循固体燃料燃烧特有的规律。所以，本章重点讨论焦炭的燃烧过程。西安交通大学能源与动力工程学院5煤中碳的结构特征1.41×10-10m3.345×10-10m第一层第二层第三层第四层在六角形基面中，碳原子间距1.41×10-10m，所以结合比较牢固。而六角形基面之间的距离较大，可达3.345×10-10m，故结合较弱，不能阻止其它原子（如O原子）的深入，而发生氧化反应。西安交通大学能源与动力工程学院6煤中碳的结构特征1.41×10-10m3.345×10-10m第一层第二层第三层第四层另外，六角形基面上的C原子都是以3个价电子与基面上其它C原子结合，结合紧密，反应活性就低。而周界和边缘上的C原子的结合键要少，因此活性较好，但是活化能仍然较高。西安交通大学能源与动力工程学院75.2异相化学反应动力学5.2.1异相化学反应基本步骤碳的燃烧是一种气固两相间在碳的表面上进行的化学反应(非均相化学反应)。通常气固异相反应包括如下步骤：西安交通大学能源与动力工程学院85.2.1异相化学反应基本步骤O2第一步：O2必须通过扩散到达碳的表面，并被碳表面吸附第二步：在碳表面上进行碳—氧反应，并生成反应产物第三步：反应产物从碳的表面上脱离（解吸），并从碳表面向外扩散开去碳球而整个碳表面上的反应速度决定于其中最慢的一步。西安交通大学能源与动力工程学院9温度与吸附的关系温度条件吸附原理吸附的化学变化常温主要是物理吸附，并随T↑---吸附气体脱离无化学变化中温气体分子溶入晶格基面之间----形成固溶络合物发生化学变化（∵络合物与原来的气体--O2的性质不同）高温不存在物理吸附，仅有很少的固溶络合物。主要是晶体周界和边缘上的C原子对气体（O2）的化学吸附，但吸附活化能很大。∴只能在很高温下，化学吸附才显著。发生化学变化，产生新气体。化学吸附后的新气体可能自动或被撞击而解吸。西安交通大学能源与动力工程学院10焦炭反应活性由于碳晶体边界与中心的活性不同（键能低）——边界反应活性更好。基面上与基面间的活性不同（间隙大）——基面间反应活性更好。内、外表面积大小不同，活性不同——表面积大反应活性更好。所以不同的焦炭其化学反应速度相差甚大。一般密度小孔隙率高（疏松）的焦炭，粒径小的焦炭（比表面积大，内空隙易暴露），反应活性更强。西安交通大学能源与动力工程学院11对C+CO2=2CO反应的焦炭活性顺序活性大活性小泥煤焦炭木炭褐煤焦炭烟煤焦炭无烟煤焦炭西安交通大学能源与动力工程学院125.2.2碳燃烧异相反应理论根据异相反应的步骤，首先需要建立的理论，是吸附（解吸）的理论O2第一步：O2必须通过扩散到达碳的表面，并被碳表面吸附碳球西安交通大学能源与动力工程学院13设碳表面上的吸附了氧的面积份额为q，则又称表面遮盖率。吸附了O2的碳表面上，不能再吸附新的O2分子，而只能把碳—氧反应产物解吸出去。因此，解吸的速率wj与碳表面上O2的吸附面积份额q成正比，即吸附面积率q愈大，反应物愈多，向外解吸速度wj愈快O2碳球碳的总表面积分子的表面积吸附了Ｏ２q或（k-1——解吸的比例常数）jwq1jwkq西安交通大学能源与动力工程学院14同样，在碳表面上(1-q)的面积份额上没有吸附O2，故碳表面附近的O2就有可能再吸附上去。吸附上去的速率wx决定于碳表面附近的O2浓度Cb和(1-q)的大小。O2碳球吸附与解吸的平衡或（k1——吸附的比例常数）11xbwkCq1xbwCq当达到平衡时即jxww111bkqkCqbbbbKCKCCkkCkq111111kkK其中西安交通大学能源与动力工程学院15q与K及Cb的关系02468100.00.20.40.60.81.0CbCb=10Cb=1qK=k1/k-1Cb=0.1西安交通大学能源与动力工程学院16碳表面O2浓度很低的情况显然：化学反应只能在吸附了O2的那一部分表面q上发生，因此q↑——发生碳燃烧反应的机会↑——燃烧速度↑。所以：碳燃烧化学反应速度或讨论：①当碳表面附近O2浓度很低时，即，则结论：a．化学反应速度wm与氧浓度Cb一次方成比例。反应级数为一级，n=1；b．，说明碳表面吸附的O2很少，吸附能力很弱。mwq1bmbKCwkqkKC21OKC21mOwqKC1q西安交通大学能源与动力工程学院17碳表面O2浓度很高的情况②当碳表面O2浓度CO2很高，即，则结论：a．此时wm与Cb的0次方成比例，与碳表面附近O2浓度无关。此时为0级反应n=0b．此时，q≈1说明碳表面吸附O2的能力很强，几乎达到了饱和，同时说明解吸能力很弱。③当碳表面O2浓度CO2中等时，可认为n=0～1即为分数的反应级数。21OKC201mOwqKC2nmOwqC1bmbKCwkqkKC西安交通大学能源与动力工程学院18温度对化学反应因素的影响通常，在处理碳的燃烧反应时，有时为简化问题起见，可以把它当作n=1的一级反应处理。即温度T碳表面O2浓度CO2吸附能力q反应级数n＜800℃（低温阶段）CO2高q≈1，吸附强n=0＞1200℃（高温阶段）CO2低q1，吸附弱n≥1800℃～1200℃中等q=0～1n=0～110expmbbEwkCkCRT西安交通大学能源与动力工程学院195.2.3碳燃烧异相化学反应动力学氧从远方向单位碳表面积单位时间内扩散的流量qm（mol/m2·s）为：1()bmzlbzlCCqCC质量交换系数远方O2浓度碳表面O2浓度O2碳球扩散到碳表面的O2与碳发生化学反应，当达到平衡时，消耗的O2量就是qm2O10exp1nbmbbbCEqKkCkCRTk单位时间，单位碳表面积上燃烧消耗的氧量，mol/m2·s把此两式消去CbkCkCCCkCCCKqzlzlbbbzlbObm1111)(112西安交通大学能源与动力工程学院20040080012001600200001x1072x1073x1074x107211ObzlCKkzlCzlkC2ObK反应速率温度T/K当温度T很低时很小11zlk21()ObCKkCk0expEkkRT结论：①此时，燃烧反应速度决定于化学反应常数k(T)——称为动力燃烧（区）（或动力燃烧控制）；②由于k很小，化学反应很慢，碳表面上的Ｏ2消耗不掉，∴表面上的Ｏ2浓度=C∞化学反应速度与Ｏ2浓度无关，即为0级反应。③举例：气体燃料燃烧的全预混火焰中，燃料气与Ｏ2均匀充分混合在一起，只要火焰传播过来，通过导热就能把燃料混合物加热升温——着火燃烧掉，∴预混火焰燃烧属动力燃烧控制——即企图↑燃烧化学反应的唯一措施就是↑T（即↑k）211ObzlCKk西安交通大学能源与动力工程学院21040080012001600200001x1072x1073x1074x107211ObzlCKkzlCzlkC2ObK反应速率温度T/K当温度T很高时很大11zlk2ObzlKC0expEkkRT结论：①此时燃烧反应速度完全决定于扩散（αzl）——称为扩散燃烧（区）（或扩散燃烧控制）②此时，碳表面化学反应很快，∴Ｏ2一扩散到碳表面就完全燃烧掉，∴燃烧决定于Ｏ2供应的多少，决定于碳表面的Ｏ2浓度，即为≥1级反应。③举例：气体燃料的扩散火焰中，只要Ｏ2一到火焰锋面就很快消耗掉。因此，强化燃烧唯一的办法就是增加扩散供Ｏ2，即↑αzl211ObzlCKk西安交通大学能源与动力工程学院22040080012001600200001x1072x1073x1074x107211ObzlCKkzlCzlkC2ObK反应速率温度T/K当T适当，k≈αzl时——过渡区总之：当处于动力区时（n=0级），强化燃烧的措施是↑T而不是强化通风；当处于扩散区时，n≥1级，强化燃烧的措施就是强化湍流混合——送风；当处于过渡区控制时（n=0～1），分别↑T和↑αzl都能起到强化燃烧的效果。zlObkCK112西安交通大学能源与动力工程学院23判断燃烧区的谢苗诺夫准则Sm和浓度准则CCb动力燃烧区过渡区扩散燃烧区谢苗诺夫准则90.11～90.11浓度准则0.90.1～0.90.1mSzlkCCb0000exp()exp()zlzlzlDNuNuDEEkkkRTRT讨论：①颗粒直径δ0↓mSzlk↑→向动力区移动；②当T↑↓→向扩散区移动；③当相对速度Re↑↑→向动力区移动；)exp(RTE↑mSzlkmSzlkNu21RePrmnc西安交通大学能源与动力工程学院24粒径对进入扩散区温度的影响设煤的E=126～168kJ/mol进入扩散区的温度Tδ0=10mm↓δ0=0.1mm≥1200K≥2000K西安交通大学能源与动力工程学院25思考题前面已经讨论过，比表面积大的细小煤粉反应活性好。家用煤球炉在800多℃就能稳定燃烧，而大型煤粉炉却在1200℃以上才能稳定燃烧。这与“煤粉反应活性好”的结论矛盾吗？大容量锅炉为什么要使用煤粉燃烧的方式？西安交通大学能源与动力工程学院265.2.4碳燃烧化学反应机理基本的宏观反应1、一次反应——指碳与氧之间的直接反应C+O2=CO2+409MJ2C+O2=2CO+245MJ2、二次反应——指一次反应的产物在碳表面或空间的再反应2CO+O2=2CO2+571MJ（放热反应）CO2+C=2CO-162MJ（吸热反应）一次反应和二次反应是碳燃烧过程中的基本反应，实际过程中交叉平行进行着。西安交通大学能源与动力工程学院275.2.4碳燃烧化学反应机理CO2COO2CO2C反应机理1CO2或CO反应机理2O2西安交通大学能源与动力工程学院285.2.4碳燃烧化学反应机理温度不太高，气化反应尚不能发生，CO也不能与O2在空间发生反应。反应式为：4C+3O2=2CO2+2COCO2和CO由表面向远处扩散，浓度也是一路递减。O2浓度由远处向近处一路递减，直到碳球表面。o火焰锋面cO2CO浓度CO2x温度低于700℃西安交通大学能源与动力工程学院295.2.4碳燃烧化学反应机理温度还不够高，气化反应仍不能发生。反应式仍为：4C+3O2=2CO2+2COCO2浓度高于CO浓度。O2浓度由远处向近处一路递减，只有和CO反应后剩余的O2才能扩散到碳球表面。但是，CO可以与O2在空间发生反应。火焰锋