1、第四节第四节 燃烧过程的基本理论燃烧过程的基本理论 一、基本概念 从燃烧的角度来看，各种不同燃料均可归纳为两种基本组成:n可燃气体如H2、CO及CmHn等n固态炭 燃烧是指燃料中的可燃物与空气产生剧烈的氧化反应，产生大量的热量并伴随着有强烈的发光现象。 燃烧有两种类型: n普通的燃烧，亦即正常的燃烧观象n爆炸性燃烧n普通的燃烧，亦即正常的燃烧观象，靠燃烧层的热气体传质传热给邻近的冷可燃气体混合物层而进行火焰的传播。通常燃烧的火焰传播速度较小，仅每秒几米，燃烧时压力变化较小，一般可视为等压过程。n爆炸性燃烧，系靠压力波将冷的可燃气体混合物加热至着火温度以上而燃烧，火焰传播速度大，约为100040
2、00m/s。通常是在高压、高温下进行。n一般窑炉中燃料的燃烧，属于普通的（正常的）燃烧。二、煤粉的燃烧研究 n对燃烧领域来说，主要关心的是煤的燃烧特性和污染特性 n煤粉燃烧特性的研究主要集中在四个方面：煤粉的热解特性，煤粉的着火特性、煤焦的燃尽特性及煤的结渣特性。n由于焦的燃烧及燃尽需要更长的时间，故在燃烧过程中更为重要。1. 煤粉的热解特性煤粉的热解特性 n煤的热解是指煤在加热过程中释放出气体（挥发分）的过程。n热解研究应包括两个方面：气态成分的生成过程和固态成分的孔隙结构及形态变化。n通常所谈到的煤的热解特性仅指挥发分的析出特性。 n在400之前，基本上只有CO2析出n在400600，C2
3、H4、C2H6、CO、CH4和H2相继达到最大值，同时焦油也在形成；n在600以后主要是H2和CO析出，并达到最大值。n通常工业生产中所用到的挥发分含量是煤的工业分析挥发分含量，它是按我国标准规定，将干燥的煤样放在有盖坩埚内，在90010的马弗炉中加热7min，煤样所失去的重量。 实验证明实验证明2 煤粉的着火特性煤粉的着火特性 n以煤着火机理研究、煤粉的着火特性实验研究及评判为主要内容 n煤粉着火机理的研究已有长达一个多世纪的历程，其中一个主要的争论是,煤的着火是均相还是非均相的。n均相着火:一般是指煤中的挥发分热解、聚积到一定程度发生的着火。n非均相着火:是指氧气扩散到焦炭表面，直接与颗粒
4、发生反应而着火。 Essenhigh在其综述文章15中给出了着火区域划分图, 指出煤粒着火不仅有均相着火与非均相着火，而且还有一个称为非均相均相的联合着火区（hcterohomgencous）n。一般，对于100m的大颗粒，且挥发分含量较多的煤，在慢速加热的条件下（）确实是挥发分先析出并着火，在低温下（）则是整个煤粒或煤粒表面某处着火。n对极慢的加热速度情况，1985年ognott22利用普通热天平对褐煤的着火特性进行了研究，他们发现，因挥发分的慢慢析出，且逐渐扩散到空气中，这样挥发分浓度始终很低，因而不可能着火，此时必定是非均相着火。）均相着火）均相着火n煤的均相着火涉及到热解、挥发分的组成
5、和析出速度、以及挥发分的气相反应机理等，而人们对这些了解还很不够，因此发展缓慢。nnnamalai和Durbetaki23 在不考虑多相反应时分析了煤颗粒的均相着火，提出了火焰薄层（lame Sheet）模型，其着火判据称为绝热着火准则，即气相反应放热正好可以满足煤的热解吸热和将热解产物加热到着火温度。nGururajan25既考虑颗粒表面的氧化反应，又考虑空间挥发分的气相氧化，建立了单颗粒稳态燃烧的详细模型。n模型中着火的判据是：当燃烧状态由低温燃烧或动力燃烧转变为高温燃烧或扩散燃烧时着火发生。模型成功地预报了着火温度随粒径、氧浓度等因素的变化规律，结果与实验相吻合。n章明川26利用可燃气体
6、浓度极限建立了煤粉均相着火的模型 n张军和付维标2728在较准确的数值计算基础上，提出了带化学反应的分区简化模型来描述煤粒的均相着火。 3煤粉的燃尽特性煤粉的燃尽特性n焦炭的非均相燃烧过程控制着煤粉燃烧的总速度，为国内外学者所关注。n研究内容：碳与氧的反应机理和燃烧反应速度。n对于碳与氧的反应机理，一般认为碳与氧反应时一氧化碳和二氧化碳都是其主要产物，两种产物之比随温度上升而增加，并与碳的种类有关。n煤焦的燃烧速度取决于焦的化学反应速度和气流的扩散速度 总的燃烧速度常数总的燃烧速度常数KnK=1/（1/Ks+1/Kd）n焦的化学反应速度常数Ks一般认为满足Arrhenius公式：n Ks=Ae
7、xp(-E/RTs)n气流的扩散速度可由下式确定55n Kd=2.3D/（d RTa）n其中，为化学当量系数，与反应机理有关，在C+O22CO时，=2，在C+O2CO2时=1其他影响因素其他影响因素n燃烧速度不仅与边界层扩散有关，而且与氧在孔内的扩散有关。n孔内扩散系数与焦的孔隙结构密切相关。n煤中矿物组成及含量对煤焦燃烧反应也具有影响。灰分对燃尽影响比较复杂，灰分的增大，一方面会妨碍氧在煤焦内部的扩散，另一方面，增加的灰分中的空隙又会提高氧在煤焦内部的扩散截面积。4煤的结渣性研究煤的结渣性研究 n 煤灰结渣是一个复杂的物理化学过程。已提出了许多结渣经验判别指标。n美国EPRI（Electri
8、c Power Research Institute）调研表明：已有指数不能完全正确的预报结渣倾向，但有相当的可靠性（70%左右）。其中软化温度，硅比值分辨率最好。n何佩敖、张忠孝引入最优分割方法60，对用煤灰软化温度T2、SiO2/Al2O3碱/酸比硅比（SiO2100/SiO2+CaO+MgO+Fe2O3）等参数预报结渣倾向的可靠性进行了研究，对我国的动力用煤，这四项指数的分辨率可达65%左右。n而华中理工大学，主要从相图、扫描电镜及X射线分析结果入手，引入模糊综合评判的方法。n目前，在水泥行业中，涉及到煤的结渣特性的研究尚未开展，煤的结渣性是否对水泥生产有影响，其影响程度如何，有待于科学
9、的分析。三、三、 煤粒着火过程及着火动力学煤粒着火过程及着火动力学 n1着火的定义着火的定义 n任何燃料的燃烧过程，都有“着火”及“燃烧”两个阶段，由缓慢的氧化反应转变为剧烈的氧化反应（即燃烧）的瞬间叫着火，转变时的最低温度叫着火温度。n Essenhigh指出临界着火的情况下，有的点 出现非临界着火时, 但有的点 出现 0, 022tdTddtdT, 0dtdT022tdTd放热与散热曲线-2-10123456780500100015002000温度热量散热放热ABCn某一容器内煤气与空气的混合物，单位时间内由于氧化反应放出热量（放热速率Q放）、单位时间内散失热量（散热速率Q散）与混合气体温
10、度的关系为： nQ放 = Kexp（-E/RT）nQ散 = K（T-T0）放热曲线与散热曲线相切的点C叫着火点，该时的温度（Tc）叫着火温度 ，即在一定条件下燃料稳定燃烧的最低温度。着火温度并不是一个定值。当氧化反应速率加大（即放热速率很高）或散热速率降低时，均能使着火温度降低。 气体燃料实验气体燃料实验2. 几种着火实验方法几种着火实验方法 n热天平法nTognotti6利用热天平，得到空气及氮气情况下煤（煤焦）的失重曲线。将这两条曲线画在一个图中，则当曲线出现分离点时就表明颗粒着火了。n闪光频率计数法nWall等让煤粉从一垂直沉降炉中落下，记录不同炉温时煤粉出现火光的频率，出现规则的火星或
11、闪光（regular flashing）定义为着火温度 n测温法n章明川等在沉降炉中，认为刚好形成炉内稳定的火焰时是临界着火状态。此时，测量炉内投粉与不投粉时沿轴向距离气体的温度，两温度曲线在一定位置会发生分离，定义此分离点即着火点。 n 单颗粒煤着火的实验方法 Tomeczck与Wojcik10 利用热电偶测量颗粒的温度。但在判断着火方法上仍以光电探测器探测到火焰为准n采用非临界着火条件 付维标，曾桃芳记录碳粒整个着火过程中的温升曲线，获得温度对时间的一阶导数及二阶导数。根据着火定义，二阶导数为零即为着火时刻，从而获得准确的着火温度及一阶导数。3煤焦着火动力学参数研究煤焦着火动力学参数研究n
12、两种研究方法： 采用经典的TET理论 12，其中对辐射换热一般都忽略不计 对颗粒能量守恒与质量守恒方程进行求解n在过去的研究中，都是根据TET简化理论所得的公式及实验所测的临界着火气体或碳粒温度，来反算E、 值。n表2.1是部分研究者的结果。可以看到，即使对同一种煤，E值范围也是很离散的。 chK,0傅维标的研究傅维标的研究n原因是：在前人处理数据中，将化学因素及物理因素引起对炭粒着火的影响都归入E、 中。其次，在用着火温度来确定反应动力学参数时，许多研究者常以观察到火焰出现或者炭粒发光作为着火的标志，但此刻与理论上定义的着火时刻相距较远，所以导致误差也较大。 nE应是颗粒表面温度的函数，由煤
13、焦与氧的化学特性决定，而与煤质无关；n纯碳与氧反应的表观频率因子 仅是碳粒温度与直径的函数，而煤焦反应的频率因子 , 表示煤焦比表面积f（s）影响 煤焦反应速率的某一函数，显然f（s）是个物理因素，它的大小与煤质有关，因此煤焦反应的频率因子与煤质有关。 coK,coK,)(,sfKKoccho4实验室研究情况实验室研究情况 n实验方法实验方法n直接观察n失重分析分别记录煤粉、挥发分及煤焦的失重曲线，对比三条失重曲线，进行着火方式判断。n温升曲线分析 借鉴付维标，曾桃芳所采用的碳粒着火实验方法，同时考虑分解炉内煤粉实际加热状况，将实验炉温设置升温到850。 关于着火现象观察的结果关于着火现象观察
14、的结果 a b c d 关于着火方式研究的结果关于着火方式研究的结果 1#挥发份失重温度曲线00.0040.0080.01205001000温度（）失重(g/min)1#固定碳失重温度曲线00.0050.010.0150.020.02505001000温度（）失重(g/min)1# 煤样失重温度曲线00.010.020.0305001000温度（）失重(g/min)1#挥发份失重时间曲线00.0040.0080.0120204060时间（m i n ）失重 ( g/min)1#固定碳失重时间曲线00.0050.010.0150.020.025010203040时间（m i n ）失重(g/mi
15、n)1#煤样失重时间曲线00.010.020.0302040时间( m in)失重(g/min)表表2.5. 煤的着火方式实验结果煤的着火方式实验结果煤分类 无烟煤 贫 煤 烟 煤煤编号 1# 2# 6# 7# 8# 11# 3# 4# 5# 9# 10#着火方式 非均相 非均相 非均相 联合 联合 联合 均相 均相 均相 联合 联合 从表2.5可见，对不同煤质，着火机理不同，无烟煤均为非均相着火，贫煤及部分烟煤为均相非均相联合着火，还有部分烟煤是均相着火。但受实验条件的限制，本实验中煤的加热速度是100/秒，因此此结果反映的是煤粉在低加热速度下的低温燃烧着火机理。 从图2.8趋势可以推断，提
16、高加热速度，烟煤着火机理将由均相着火向联合着火过渡。这就是说，在实际分解炉生产中，烟煤的着火机理也应是均相非均相联合着火。 3#煤焦着火-500501001500100200t（s ）dT/dt或d2T/dt2127#煤焦着火-20002004006008000100200300400t（s ）dT/dt或d2T/dt212 在该点之前，温升速率逐渐降低，相当于固体颗粒的纯加热过程；在该点附近，温升速率变化较小，表明着火过程；在该点之后，温升速率又逐渐增加，这是化学反应生成热的作用结果，表明焦炭已被点燃，着火过程完成。 d2T/dt2=0这点的物理意义这点的物理意义曲线1：dT/dt-t关系曲
17、线曲线2：d2T/dt2-t关系曲线各煤焦的各煤焦的E、 值值 cK, 0煤分类无烟煤贫煤烟煤煤编号1#2#6#7#8#11#3#4#5#9#10#温度715680711691687701623513623636599活化能E kcal/mol57.243.056.547.045.551.228.614.828.731.224.6 (10-3)(kg/sm2atm)1.610.431.540.620.550.930.120.040.120.150.08表表2.7 失重分析及温升实验获得的着火温度比较失重分析及温升实验获得的着火温度比较n不同的实验方法获得的着火温度不同，且以热失重分析获得的着火
18、温度偏低n由温升实验获得的T3结果更可靠，且具有明确的物理意义，符合着火点定义 煤分类无烟煤贫煤烟煤煤编号1#2#6#7#8#11#3#4#5#9#10#T1（）484420383206333309319190278294266T2（）696629637557590573550546572582577T3 ( )715680711691687701623513623636599四、分解炉煤粉燃尽动力学四、分解炉煤粉燃尽动力学 nEssenhigh4-5、Somins6-7、Smith8-10等人的工作揭示：在燃烧中，煤焦周围的边界层扩散对焦粒的燃烧速率有较大的影响，煤焦的化学特性及内孔扩散也起
19、着更为重要的作用。 n在计算燃烧动力学参数时，国内许多研究者未考虑燃尽度对燃烧速率的影响，因此所得的计算结果与实际有一定的差距。 n燃尽度对煤焦燃烧速率的影响主要表现在两个方面： 一方面，随着燃尽度的增加，灰壳的扩散阻力随着燃尽度的增加而不断增加，从而使燃烧速率减少 另一方面，随着燃尽度的增加，煤焦的反应性也不断变化含煤灰的燃尽动力学理论含煤灰的燃尽动力学理论 n传统的颗粒燃烧模型，一般可分为等密度缩核模型和等粒径燃烧模型两类：n前者认为燃烧发生在颗粒的外表面，可燃质密度保持不变，颗粒外径不断减小n后者认为燃烧发生在整个煤粒的内部，可燃质外径保持不变，密度逐渐减小n提出裹灰缩核模型，来进行含灰
20、煤焦的燃尽动力学研究燃尽模型的建立燃尽模型的建立n模型认为：煤焦在燃烧过程中，形成了灰壳和未燃炭核两部分。n未燃炭核部分的燃烧总发生炭核表面，可燃质密度保持不变，随着燃烧的进行，未燃炭核的半径不断减小，当炭核燃尽，未燃炭核直径变为零。(等密度缩核模型)n在未燃炭核的外层是灰壳，灰壳则随着炭核燃烧的进行，灰壳厚度逐渐增加，灰层内的物质密度及气体物质在其中的扩散系数保持不变。n在炭粒未点燃之前灰层的厚度为零，炭粒燃尽，灰层厚度为原煤粒半径ro。模型示意图见图3.1。 1焦炭未燃核燃烧遵守等密度缩核模型的假设，即t=0 时，rc=r0，t=tf（燃尽）时，rc=0。在燃烧过程中， 不变。燃烧仅发生在
21、焦炭核表面。 2焦炭未燃核之外是灰壳，灰壳内O2的扩散系数为 Dh t=0 时，灰壳厚度 =0， t=tf (燃尽) 时， 3由于分解炉内煤粉燃烧属于低温燃烧，本文假设在焦炭粒表面仅发生C+O2=O2的反应ch0rh裹灰缩核模型假设 焦炭燃尽特性及燃尽过程焦炭燃尽特性及燃尽过程 煤焦粒的多相燃烧过程主要包括下面的三个过程：1氧气由边界层向焦粒外表面扩散2氧气通过孔隙扩散到颗粒内部3氧分子与碳原子发生氧化燃烧反应因此在本文假设的模型中，上面三个过程可以理解为：1环境中氧气由边界层向灰层表面扩散2扩散至灰层表面的氧气又通过灰层孔隙扩散至未燃炭粒表面3未燃炭粒表面发生C+ =C的氧化燃烧反应 21、
22、炭粒的燃烧速度计算、炭粒的燃烧速度计算 根据质量守恒定律和扩散定律，在稳态反应条件下，氧气通过各个反应球面的传质速率应为一常数。n设氧气从某一半径为的球面扩散到另一半径为的球面。在 r1和 r2 之间取某一半径为r的球面，则单位时间里通过这个球面向内扩散的氧气量为： (1) drdcDrm24121242ccrrDdcrdrm122111)(4rrccDm当氧气由环境扩散传质至灰层表面时，上式中， =, = (环境氧浓度) = , = (灰表面氧浓度)则氧气的扩散速率 1r1cc2r0r2chc)(40hccrkm当氧气由灰层表面向未燃炭核表面扩散时，上式中 = , = (t时刻炭核半径) =
23、 , =则在灰层内 扩散速率 1r0r2rr1chc2cc2rrccDmhh11)(40Ckrmcob242在炭粒表面，若以氧气的消耗速率KbO2来表示炭粒的燃烧速度，则：根据稳态时通过产物层各个球面的传质速率为一常数的条件，由式3.4、3.5、3.6，消去不便测量的Ch和m，可得炭粒表面氧气的浓度 )1 (1002rrDrkkkrrCChcc)11(111114)1 (1400200222rrDkrkrCrrDrkkkrrCkrmhChcccob)11(111114)1 (1400200222rrDkrkrCrrDrkkkrrCkrKhChcccobcb若以炭粒中的碳的消耗速度来表示燃烧速度
24、，则 式中:为碳消耗量与氧消耗量的比例，对仅发生C+ CO2的反应，12/320.375。当、C+ CO2反应共存，则根据文献，在730-1170K温度范围，CO和CO2两种产物的比值随温度的升高而增加，两种产物的比值： 22)/6240(2500/2RTExpCOCOw由式可见，随着的减小，炭粒的燃烧速度降低。 .炭粒燃尽时间计算炭粒燃尽时间计算根据假设，炭粒为球形颗粒，炭粒的消耗速率为 ，则： cbdtrddtdmccobcb)(3342CkdtdrdtdrrCkrcccc2244Ckrmcob242 为扣除灰分量后的炭粒密度，即球粒单位体积内的可燃物质量 c)1 (1/002rrDrkk
25、krrCkdtdrhcccc)231 (6)1 (3)1 (13032020303000rrrrDrrrkrrrkcrthcc3000)(1)1 (1rrAmAmmRff燃尽度 式中: m指t 时刻燃尽度为R时煤粒的重量, m0 指燃烧开始时煤粒的重量, Af为煤中灰分含量（wt%）。 hccDRRrRkrkRcrt62)1 (333)1 (13/2003/10)631(000hccfDrkrkcrt燃尽时，t=tf，根据假设，炭粒半径 r=0， 1R)1 (1400222rrDrkrrCkrmhcccob3、总反应过程的动力学参数、总反应过程的动力学参数前面以知而用总反应速度常数K表示，煤粒
26、燃烧速度又可表示成：对比3.8式与3.26式，可以确定总反应速度常数K的表达式 KCrob2042) 1(1000220rrDrkrkrrhc1)1 (1)1 (13/1003/2RDrkrkRhc可见，总反应速度常数与煤粒的燃尽度有直接关系。反应开始， r=r0, R=0 krkc011随着燃尽度的提高，总反应速度常数减小，当炭燃烧趋于结束时，可燃炭粒半径r0，R1，总反应速度常数趋于0。 4、讨论、讨论 n按不同控制环节进行的反应燃烧时间与燃尽度的关系 A、由边界层扩散传质控制Rkcrtc320kcrtcf320即在边界层扩散传质过程控制的情况下，反应时间与燃尽时间的比值和燃尽度成直线关系
27、 B、由灰层扩散控制 )231 (630320200rrrrDrcrthchcfDrcrt600炭粒燃烧时间以及它与燃尽时间的比值和r/r0、燃尽度之间均为曲线关系。 C、由化学反应控制 )1 (100rrkcrtccccfkcrt10)1 (0rrttf炭粒燃烧时间与燃尽时间的比值和半径变化率成直线关系 t/tf = R 控制环节的判断（燃尽机理）控制环节的判断（燃尽机理） n判断反应过程中的控制环节是一个重要而又非常困难的问题，这对生产过程中如何有效的改善煤燃烧特性至关重要。n只有由边界层扩散控制的反应过程，燃烧时间与燃尽时间的比值和燃尽度成直线关系，而由其他反应控制的过程，都是曲线关系。n对于化学反应控制的过程，炭粒燃烧时间与燃尽时间的比值和半径变化率r/ro成直线正比关系，其他过程无此关系。
