1、第七章 煤的燃烧惠世恩惠世恩 西安交通大学？7.1 煤的燃烧过程特点及其热解煤的燃烧过程特点及其热解 7.1.1 煤的燃烧过程7.1.2 水分的蒸发过程及对燃烧的影响7.1.3 煤的热解与挥发分的燃烧7.1.4 煤粒的着火7.1.5 煤粒燃烧的一些实验研究结果7.1.6 影响煤粒着火的因素7.1.7 焦炭的燃烧特性7.1.1煤的燃烧过程 煤煤：复杂的固体碳氢燃料水分水分+矿物质矿物质+有机可燃有机可燃混合物混合物（由C、H、O、N和S等元素组成）。Wiser分子结构模型煤的整个燃烧过程：煤的整个燃烧过程：挥发分析出加热水分蒸发焦炭煤着火燃烧燃烧燃尽7.1.2水分的蒸发过程及对燃烧的影响 不等温
2、加热干燥阶段 水分的平衡蒸发阶段 影响 不利不利：吸收热量 有利有利：爆烈、多孔结构、H2O+C反应 水分蒸发所需的时间：TqpqppBNurC1ln32207.1.3 煤的热解与挥发分的燃烧煤的热解：煤的热解：煤被加热到一定温度时开始分解，产生煤焦油和挥发分。挥发分：挥发分：可燃性气体、二氧化碳和水蒸汽的混合物。可燃性气体主要是碳氢化合物，还有一氧化碳和氢气外，少量的酚和其它成分。主要化学反应？主要化学反应？实验现象？实验现象？影响因素？影响因素？如何燃烧的？如何燃烧的？如何描述？如何描述？煤热解的主要化学反应 裂解反应：化学桥键断裂，生成自由基 二次反应：裂解反应、脱氢反应、加氢反应、缩合
3、反应、桥键分解 缩聚反应：生成半焦和焦炭 煤的热解现象与影响因素 固定床热解法、热重法、金属网格加热法、沉降反应器法、热解-色谱法等 汇合汇合 影响因素：压力温度、加热速度、煤种及粒径、反应器的形式、空气动力条件等。挥发分的燃烧挥发分的燃烧 挥发分的含量高低对煤的着火和稳定燃烧有显著的影响。通常用挥发分(工业分析)的高低来判断其着火特性和燃烧特性。一般认为挥发分含量高的煤着火和燃烧都比挥发分含量低的煤要好。碳化程度浅的煤，其挥发分比碳化程度深的煤多，而且挥发分的活性也较强，所以着火也容易。煤热解的数学描述 Badzioch最早提出的单方程模型：RTEmmkdtdmViVVexp0Stickle
4、r两个平行反应方程模型：C k1 k2 挥发份1Vm+剩余残碳1pm 挥发份2Vm+剩余残碳2pm 1 11 2 12 CoalmkkdtdmdtdmdtdmVVV221121煤粒的着火 非均相着火 均相着火 联合着火 在低加热速率下，小颗粒煤粉以非均相方式着火，而大颗粒以均相方式着火。加热速率升高时，煤粒向联合着火方式（即挥发分火焰直接引燃碳骸）转变。如：煤粉炉炉膛内。煤粒的热平衡方程式：34401QTTSTTSQdtdTcmppppppP内能增加非均相反应热 外部加热对流散热 辐射散热煤粒的着火现象与影响因素 挥发分燃烧时，煤粒直径几乎不变，煤粒表面局部有时有挥发物喷流，膨胀特性差别很大。
5、焦炭烧完，变成极小的粒子。影响因素：影响因素：燃料的性质(包括燃料水分、灰分、挥发分)煤的粒径热力条件空气动力参数等 在T1200K，CO20.23 kg/m3环境里，d0750um褐煤粒的四个燃烧段时间为：预热及挥发分着火：1.146s；挥发分的燃烧：0.3s；焦炭预热着火：0.35s；焦炭燃烧燃尽：4.6s。7.2 碳燃烧化学反应的过程碳燃烧化学反应的过程 7.2.1 碳燃烧化学反应的步骤7.2.2 碳燃烧过程中的吸附和解吸7.2.3 碳燃烧过程中的扩散7.2.1 碳燃烧化学反应的步骤n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)。n包括如下步骤：O21：O2扩散到
6、达碳球表面并被吸附2：在碳表面上进行反应，生成反应产物3：反应产物从碳球的表面解吸，向外扩散碳球碳球整个反应的速度取决定于这3步中最慢的一步。7.2.2 碳燃烧过程中的吸附和解吸 O2碳球碳球表面上吸附了氧的面积份额为A，表面覆盖分数，表面覆盖分数，即：A吸附了分子的表面积碳的总表面积Ajkw1解吸的速率常数AOxckw121吸附速率常数 吸附和解吸平衡时，A将不再变化：BcckckckooooA2222111 讨论1：11kkBBcckkwooAAA22BkkA2okcw 当BCO2时 一级反应 222oAooAcBkBcckw222oAooAcBkBcckw令当BCO2时AooAAAkBc
7、ckkw22AooAAAkBcckkw22与碳表面氧浓度无关 当BCO2时反应级数n由实验测定nokcw2 0n1 讨论2：氧氧与与燃烧产物燃烧产物都有都有吸附吸附和和解吸解吸作用作用化学反应化学反应共共5个环节个环节氧和燃料产物在固体表面上吸附所占的份额为氧和燃料产物在固体表面上吸附所占的份额为1与与 2，吸，吸附速度常数分别为附速度常数分别为k1与与k2假设：假设：吸附是与氧和燃料产物在表面上的浓度吸附是与氧和燃料产物在表面上的浓度CO2、CXO2的成比的成比例例,解吸速度常数分别为解吸速度常数分别为k-1与与k-2（1）如果表面化学反应本身速度很低时）如果表面化学反应本身速度很低时由由氧
8、氧的的吸附平衡吸附平衡可得可得1121112kcko由由燃烧产物燃烧产物的的吸附平衡吸附平衡可得可得2221212kckxo令令111kkK222kkK，这时，总反应速这时，总反应速度是由表面反应度是由表面反应速度控制的速度控制的22222221212121221121111111xooxooxoocKcKcKcKcKcK22221111xooocKcKcK得到得到22221221xooxocKcKcK2222211101xooocKcKcKw（2）如果表面化学反应本身速度很高时）如果表面化学反应本身速度很高时氧氧在固体表面上在固体表面上吸附份额吸附份额1非常小而可忽略不计非常小而可忽略不计氧
9、氧的的吸附速度吸附速度成了控制成了控制总反应速度总反应速度的决定性环节的决定性环节反应产物反应产物的的吸附吸附和和解吸解吸成仍建立平衡关系成仍建立平衡关系21122oockw（1-2）代表空白的表面分额，因为10。2222211122kckckxoo22222221221221111xooxoockkckkkckck令令222kkK无论无论吸附吸附和和解吸解吸关系如何，又无论是关系如何，又无论是吸附速度控制吸附速度控制还还是是化学反应速度控制化学反应速度控制，均可认为，均可认为异相化学反应速度异相化学反应速度n为为01之间之间的分数指数的分数指数n为的数值取决于为的数值取决于反应机理反应机理而
10、而2222222111xoooockkckkckw222222111xoooocKckkckwnoocw22得到得到7.2.3 碳燃烧过程中的扩散碳燃烧的必要条件：足够高的温度和氧气。氧气首先是从气流主体通过外扩散外扩散而到达碳的表面，然后进行表面控制反应表面控制反应，同时在颗粒孔隙内进行氧气的内扩散内扩散。外扩散 内扩散 扩散 表面反应过程 传质过程 22oockw22ozloccw7.3 碳的动力燃烧与扩散燃烧碳的动力燃烧与扩散燃烧 假设假设化学反应速度化学反应速度与与C CO2O2的的某个分数幂成正比某个分数幂成正比每秒每平方米固体每秒每平方米固体表面上烧掉的氧量表面上烧掉的氧量化学反应
11、常数化学反应常数,阿累尼乌斯定律阿累尼乌斯定律RTEkkexp0扩散扩散消耗消耗2ozlccq22ookcwqKckckccckcccwzlzlooozloo11111122222得到得到kKzl111(1)动力区动力区T较低时，较低时，k很小很小k1很大很大zlk11111zlKk燃烧速度决定于化学反应燃烧速度决定于化学反应(化学动力控制或简称化学控制化学动力控制或简称化学控制)固体表面上的固体表面上的化学反应很慢化学反应很慢（k很小很小），氧从远处扩散来固体表面后消），氧从远处扩散来固体表面后消耗不了多少，所以固体固体表面上的耗不了多少，所以固体固体表面上的氧浓度氧浓度CO2等于远处的等于
12、远处的氧浓度氧浓度C例如：例如：气体燃料与空气均匀预混物的燃烧气体燃料与空气均匀预混物的燃烧动力燃烧动力燃烧0cwzlc(2)扩散区扩散区T很高时，很高时，k很大很大k1很小很小zlk11(扩散控制扩散控制)111zlKk燃烧速度决定于扩散燃烧速度决定于扩散固体表面的固体表面的化学反应很快化学反应很快（k很大很大），氧从远处扩散到固体表面后几乎），氧从远处扩散到固体表面后几乎很快全部消耗，所以固体固体表面上的很快全部消耗，所以固体固体表面上的氧浓度氧浓度CO2十分低，几乎为零。十分低，几乎为零。例如：例如：气体燃料与空气毫无预混物的燃烧气体燃料与空气毫无预混物的燃烧扩散燃烧扩散燃烧0kKzl1
13、11cRTEkkcwcexp0(3)过渡区过渡区 zl与与k大小差不多大小差不多不可偏从哪一个不可偏从哪一个111zlKk当温度比较当温度比较低低时，提高燃烧速度的时，提高燃烧速度的关键关键是在于是在于提高温度提高温度例如：例如：家用煤炉在生火点炉时、火床炉在生火点炉时家用煤炉在生火点炉时、火床炉在生火点炉时当温度很当温度很高高时，提高燃烧速度的时，提高燃烧速度的关键关键是在于是在于提高固体表提高固体表面的质量交换系数面的质量交换系数 zl例如：例如：提高空气与固体之间的相对速度可以达到提高提高空气与固体之间的相对速度可以达到提高 zl 的目的的目的层燃炉与家用煤炉在正常运行中时层燃炉与家用煤
14、炉在正常运行中时2owT zlkC zl C 动力区动力区扩散区扩散区 过渡区过渡区讨论1：zla 质量交换系数质量交换系数相似理论相似理论Pr)(Re,fLNua 传热学中的换热系数传热学中的换热系数Nu努谢尔特准则数努谢尔特准则数L特征尺寸特征尺寸导热系数导热系数Pr普朗特准则数普朗特准则数Re雷诺准则数雷诺准则数*(Re,)zlpdNufScD*Nu质量交换努谢尔特准则数质量交换努谢尔特准则数D质量扩散系数质量扩散系数Sc施密特准则数施密特准则数Pr)(Re,fLNu*(Re,)zlpdNufScDaPrDSc运动粘性运动粘性质量扩散系数质量扩散系数热扩散系数热扩散系数aPrDSc分子运
15、动扩散层流中，动量与质量交换引起流动中的温度场和浓度场的分布规律完全一致锅炉的煤粉燃烧中：锅炉的煤粉燃烧中：*0.61/320.37(Re)(Pr)Nu由格里古耳实验由格里古耳实验Re0 2NupzldD2氧气向煤粉颗粒表面的氧气向煤粉颗粒表面的扩散量扩散量与与颗粒直径颗粒直径d d的大小成反比的大小成反比讨论2：判断燃烧工况的谢苗诺夫准则和浓度准则 mSzlk2OCC颗粒直径dpmSzlk 向动力区移动；当T 向扩散区移动；当相对速度Re 向动力区移动；)exp(RTEmSzlkmSzlk7.4 碳的燃烧化学反应碳的燃烧化学反应 7.4.1 碳的晶格结构7.4.2 碳与氧的反应机理7.4.3
16、 碳和二氧化碳的反应机理7.4.4 碳与水蒸汽的反应7.4.5 表面反应的碳球燃烧速度7.4.6 二次反应对碳燃烧过程的影响7.4.7 具有空间二次反应的碳球燃烧速率煤挥发分挥发分焦炭焦炭(固定碳固定碳)矿物杂质矿物杂质析出析出灰分灰分碳的燃烧碳的燃烧碳燃烧释热的化学反应为碳燃烧释热的化学反应为222COCO409MJ2CO2CO245MJ实际上，碳与氧相遇后实际上，碳与氧相遇后首先首先发生的化学反应是发生的化学反应是2222COCO2O23CCO2CO2O34C或或初次反应初次反应二次化学反应二次化学反应异相气化反应异相气化反应2CCO2CO 16.2MJ气相燃烧反应气相燃烧反应222COO
17、2CO57.1MJ2222COCO2O23CCO2CO2O34C初次化学反应初次化学反应在燃烧过程中同时交叉和平行地进行着在燃烧过程中同时交叉和平行地进行着如果如果水蒸气水蒸气存在存在222H2COOH2C22HCOOHC42CHH2C决定于燃烧过程的决定于燃烧过程的具体条件具体条件7.4.1 碳的晶格结构两种晶格结构两种晶格结构金刚石金刚石石石 墨墨碳原子排列紧密、键结合力碳原子排列紧密、键结合力很大，对燃烧技术没意义很大，对燃烧技术没意义石墨的晶格结构由石墨的晶格结构由六角形六角形组成的基面叠结而组成的基面叠结而成，基面内成，基面内碳原子碳原子分布在边长为分布在边长为1.41A的正的正六边
18、形的六边形的顶点顶点上上基面是彼此平行重叠的，各基面间相距基面是彼此平行重叠的，各基面间相距3.445A的，紧邻的两个基面错开的，紧邻的两个基面错开1.41A晶格内部每个碳原子的晶格内部每个碳原子的三个价电子三个价电子在基在基面与相邻碳原子形成稳固的键，面与相邻碳原子形成稳固的键，第四个第四个价电子价电子则分布在基面之间的空间内则分布在基面之间的空间内7.4.2 碳与氧的反应机理（一次反应）n当T1300，C表面O2的分压（浓度）很小，发生反应C+2O2=C3O4 由于此时温度不很高，此时C3O4比较稳定，当 有 能 量 高 的 O2分 子 撞 击 时，发 生 如 下 离 解 反 应：C3O4
19、+C+O2=2CO2+2CO（此反应与O2有关故为n=1级反应）此时产物中CO/CO2=1；n当T1600，由于温度高，碳氧反应是通过晶格边缘棱角的C原子发生络合反应3C+2O2=C3O4，进而发生反应C3O4=2CO+CO2（此分解反应与O2浓度无关，是自行热分解，是n=0级反应）此时CO/CO2=2n当T=13001600时，若碳表面O2浓度不很大，燃烧反应接近于1级反应。一般情况下，煤和焦碳都在常压或增压下进行燃烧，着火后碳表面的温度都在13001600范围内，所以燃烧速度可按1级反应来表示。7.4.3 碳与二氧化碳的气化反应机理2CCO2CO 16.2MJCO2吸附吸附络合物形成络合物
20、形成 络合物分解络合物分解 一氧化碳解吸一氧化碳解吸络合物自动分解络合物自动分解二氧化碳分子二氧化碳分子撞击下解析撞击下解析0.60.81.01.2-6-226100C+CO2C+O2KT/)101(3kln氧化反应氧化反应气化反应气化反应速度快？速度快？RTEkkexp0E2E115001200气化氧化kk)3010(氧化反应是放热反应，自我促进；氧化反应是放热反应，自我促进；气化反应是吸热反应，自我抑制。气化反应是吸热反应，自我抑制。7.4.4 碳与水蒸汽的反应机理 是水煤气发生炉中的是水煤气发生炉中的主要反应主要反应反应性质与碳与二氧化碳的反应性质与碳与二氧化碳的气化反应气化反应十分相似
21、十分相似反应是反应是一级反应一级反应反应的活化能是碳与氧的反应的活化能是碳与氧的氧化反应氧化反应的的1.6倍倍C+H2O=CO+H2131.5103 kJ/mol C+2H2O=CO2+2H290.0103 kJ/mol 7.4.5 表面反应的碳球燃烧速度 假设：假设：n燃烧反应在扩散区燃烧，即碳球表面燃烧反应在扩散区燃烧，即碳球表面O2浓度很浓度很低，低，CO20n碳球表面进行氧化一次反应碳球表面进行氧化一次反应C+O2=CO2，生成物生成物CO2向外扩散，没有气化反应向外扩散，没有气化反应CO2+C=2CO发生发生n碳球相对运动碳球相对运动Re=0(与周围气体之间无相对运动与周围气体之间无
22、相对运动)n碳球周围气体浓度分布均匀碳球周围气体浓度分布均匀ddddp)(227.4.5 表面反应的碳球燃烧速度 （1）碳球的扩散燃烧速度为：pzlcdDccw2n单位时间内烧掉的C量应为：2dwcn同时，燃烧使半径减小 d 碳球的表面积碳球的表面积d 燃料密度燃料密度半径减小率半径减小率d(d)=2dwc dDcwdddppc142设设C等均不变等均不变22pddK比例常数比例常数8pDCK 碳球燃烧的碳球燃烧的直径平方直径平方-直线定律直线定律 ddpdd)(dDcp04积分积分ppDcdd4222碳球的燃尽时间碳球的燃尽时间2pkdK碳球的碳球的燃尽时间燃尽时间与其直径的与其直径的平方成
23、正比平方成正比燃烧效率燃烧效率煤粉磨细煤粉磨细或雾化小油滴，采用更小的剩留量或雾化小油滴，采用更小的剩留量R90提高煤粉或油滴的提高煤粉或油滴的均匀性指数均匀性指数n（2）碳球的动力燃烧速度为：n单位时间内烧掉的C量应为：2dwcn同时，燃烧使半径减小 d d d(d)RTEkckcwcexp0（3）过渡燃烧时：zlPkCddd1127.4.6 二次反应对碳燃烧过程的影响 考虑二次反应考虑二次反应(2CO+O2=2CO2及及C+CO2=2CO)时，针对时，针对Re数和温度区间分别讨论。数和温度区间分别讨论。（1）静止空气中（或碳球与空气之间相对速度的）静止空气中（或碳球与空气之间相对速度的Re
24、100）T12001300（2）流动介质中（碳球与空气之间相对速度）流动介质中（碳球与空气之间相对速度Re100）碳球周围燃烧变的很不均匀碳球周围燃烧变的很不均匀 T1200，迎着气流的部分，反应速度很高，火焰发亮 火焰锋面COCOO2CO2O2O2O2O2CO2O2O2O2O2后部回流区反应很弱，拖着较长的兰色火焰尾迹。7.4.7 具有二次反应的碳球燃烧速率 1)当T12001300，此时温度很高，CO2=0 n3C+2O2=CO2+2CO nCO2+C=2COn总反应式为n4C+2O2=4COn=(412)/(232)=0.75 n火焰锋面上CO2 浓度最高。并向两侧扩散，向内供给气化反应
25、所需的CO2。向外则扩散到远处。n碳球表面因为得不到O2只能发生气化反应。气化反应所需的吸热由CO燃烧的放热供给。nCO与O2在空间发生反应，并把向碳球表面扩散的O2完全消耗掉。火焰锋面以外没有CO。而火焰锋面以内没有O2。7.5多孔性碳球的燃烧多孔性碳球的燃烧 n焦炭的结构特点在于多孔性，即使对于比较紧密的无烟煤，焦炭的结构特点在于多孔性，即使对于比较紧密的无烟煤，也存在大量内孔，不同煤种的焦炭内部孔隙率很不相同。单也存在大量内孔，不同煤种的焦炭内部孔隙率很不相同。单位体积的内部表面积估算数据如下：位体积的内部表面积估算数据如下：n焦炭燃烧的异相反应不仅能在外表面上进行，同样焦炭燃烧的异相反
26、应不仅能在外表面上进行，同样能在内表面与进行。能在内表面与进行。所以，内反应不能忽视。这就所以，内反应不能忽视。这就是多孔性燃烧的特点。是多孔性燃烧的特点。反应总表面积n外表面积 n内表面积n总表面积SnpSd361npSdS361nnpnpSSSdSSdS161613渗入深度渗入深度 反应总表面积相当于乘上了一个因数反应总表面积相当于乘上了一个因数 包括炭球内、外表面反应的速度常数 nnpbSkSdk161讨论：n在低温下化学反应速度慢，内表面上的O2浓度就等于外表面O2浓度；n随着温度T的化学反应速度，以至O2的扩散跟不上内表面的化学速度，此时内表面O2浓度到0。当反应温度从低温当反应温度
27、从低温高温高温 n反应总面积的倍数从 1n反应交换常数b从 k nnpbSkSdk161 nnpbSkSdk1617.6 灰分对焦炭燃烧的影响灰分对焦炭燃烧的影响 7.6.1 碳粒燃烧过程的物理模型7.6.2 不同燃烧温度下灰分对燃烧的影响7.6.3 灰分对焦炭燃烧的其他影响灰分主要成分包括灰分主要成分包括SiO2、Al2O3、TiO2等酸性氧化物和等酸性氧化物和Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O等碱性氧化物。等碱性氧化物。7.6.1 碳粒燃烧过程的物理模型 均匀反应模型 不均匀反应模型 7.6.2 不同燃烧温度下灰分对燃烧的影响1）当燃烧温度低于灰的软化温度时，燃煤碳粒的外表形成松
28、）当燃烧温度低于灰的软化温度时，燃煤碳粒的外表形成松积灰层（见不均匀燃烧模型），且随着燃烧的进行，灰层的积灰层（见不均匀燃烧模型），且随着燃烧的进行，灰层的厚度不断增加。虽然灰层的堆积较为松散，不能完全阻止氧厚度不断增加。虽然灰层的堆积较为松散，不能完全阻止氧气向碳粒与灰层界面的扩散，但由于灰层的存在，给氧气扩气向碳粒与灰层界面的扩散，但由于灰层的存在，给氧气扩散增加了额外的阻力。灰层扩散的大小取决于灰层的厚度、散增加了额外的阻力。灰层扩散的大小取决于灰层的厚度、密度等物理因素。密度等物理因素。2）当燃烧温度高于灰的熔化温度时，燃烧产生的不再是松积）当燃烧温度高于灰的熔化温度时，燃烧产生的不再
29、是松积的灰层，而是产生具有一定流动性的熔渣。的灰层，而是产生具有一定流动性的熔渣。7.7 煤粉的燃烧煤粉的燃烧7.7.1 煤粉气流的输送与分配7.7.2 煤粉气流的着火7.7.3 旋转射流中煤粉的着火7.7.4 直流射流中煤粉的着火7.7.5 煤粉气流的燃尽过程7.7.1 煤粉气流的输送与分配 1）静止流体中的颗粒沉降速度当力平衡时（即Fi=0），颗粒匀速下降。此时的速度称颗粒沉降速度2461612233xdppppwdgdgd重力重力 浮力浮力 阻力阻力 式中阻力系数，由实验确定的表达式npcfReRe xdppwdRepRe245.0Re10p44.0气固两相的临界沉降速度为：nnnppl
30、jcgdw21134 1-空气温度0 2-空气温度10002)颗粒在垂直管内的输送煤粉受上升气流的推力而作上升运动n当 wf=w 时，颗粒悬浮在流体中 n当 wf w 时，颗粒以 wf-w（相对运动速度）向上运动n当 wf w 时，颗粒以 wf-w 向下运动 n对于等粒径的颗粒，在垂直管内的断面上的浓度分布与速度分布相似n即中心浓度大，边壁浓度小n并随着wf 的增大中心高浓度区的范围扩大。7.6.1 煤粉气流的输送与分配 2)颗粒在水平管内的输送n当气流脉动速度wy 沉降速度w 时，颗粒悬浮在管中随气流流动n当气流脉动速度wy 沉降速度 w 时，则沉积堵粉wx w yw x y 一般一般 11
31、()57yxww3)颗粒在水平管内的浓度分布n湍流引起质量扩散量 kg/(m2s)其中：Dt湍流扩散系数 m2/sr颗粒密度 kg/m3v颗粒体积混合比 m3/m3 rtdGDdy n自由沉降量 kg/(m2s)其中：wq颗粒群沉降速度 m/s颗粒群的沉降速度与单颗粒的沉降速度可认为：rqvGw2(1)qww湍流引起质量扩散量自由沉降量 n积分区间y：从 0 yn ：从0 n积分方程左边0yttwwdyyDD 222(1)(1)1(1)rtrtdDwdywdddddyDn积分方程右边0000000200ln(1)1ln11111111()lnexp()lnexp()(1)11111ddddd
32、相加0000011lnexp()lnexp()1111lnlnlnlnttyDppwppyD 即 0exp()tpwypDp是随增大而增大的递增函数1exp()11p水平直管和弯管内固体颗粒的分布 垂直方向 弯曲水平面 7.7.2 煤粉气流的着火 1)零维系统的热平衡分析 n热工况：讨论气流温度在某一系统中如何变化的问题。n温度和燃烧反应速度这两个因素相互促进。燃烧加强以后使温度升高，温度升高以后更使燃烧加强但是有时条件不利的话，也可能使这两个因素相互促退 零维系统：也称为“强烈搅拌的模型”假设某一空间，例如一个炉膛，内部的气体极强烈地掺混以至炉内温度T、浓度C等物理参数非常均匀进口体积流量：
33、qV气流温度：T0燃料或氧的浓度：C0体积：V温度：T浓度：C出口温度：T浓度：Cn炉膛容积中的产热率 n按气流可燃成分的消耗率计算 消去C就得到Q：燃料与空气混合物的发热量：气流的密度10exp()EQk CVQRT10()VQqCC QvvvqVk)RTE(QCq)RTE(-Vk-C)Q(CCQq-C)Q(C)RTE(-VkCQQ1exp1exp11exp10000001n如把产热率分摊给每1m3流过炉膛的的气体，则得单位产热量01100exp()1vC QQqEqRTk单位产热量q1与温度T的关系停留时间0=V/qVn气流所带走的散热量：n每1m3气体的单位散热量：220()pVQqc
34、TTq20()VpQqcTTTT0q2单位散热量q2与温度 T 的关系n)如果产热和散热曲线处于q1与q2I位置，气流熄火n）如果产热和散热曲线处于q1与q2III气流正常燃烧n）如果产热和散热曲线处于q1与q2II位置，气流可能熄火，也可能正常燃烧零元系统的燃烧热工况na)如果交点是A，气流熄火，这是个稳定点nb）如果交点是C，气流正常燃烧，这也是个稳定点nc）如果交点是B，是个不稳定点，如果温度脉动向低温方向，则交点移动到A点，发生熄火；如果温度脉动向高温方向，则交点移动到B点，正常燃烧零元系统的燃烧热工况7.7.2 煤粉气流的着火 2)一维系统的热平衡分析 n一维系统：系统中在气流的横截
35、面上温度、浓度等参数是均匀的，仅沿气流方向这些参数才有变化，可以对气流燃烧过程进行计算。n例如：将煤粉气流从燃烧器喷口喷出的气流近似的按一元系统来处理。加热煤粉气流及对煤粉中的水分进行蒸发和过热所需的着火热为：04110100100100100TTMcqcrVBQzhardkrrzh100251010010025101000TcMMMTcMBqmfmfarzhqarr n着火热随燃料性质(着火温度，燃料水分、灰分、煤粉细度)和运行工况(煤粉气流初温、一次风率和风速)的变化而变化，当煤粉与一次风通过对流与辐射传热获得的热量等于或大于着火热时，再过了孕育时间，它就着火了。0411010010010
36、0100TTMcqcrVBQzhardkrrzh100251010010025101000TcMMMTcMBqmfmfarzhqarr 7.7.3 旋转射流中煤粉的着火 煤粉燃烧的方式：旋流燃烧器前后墙对冲燃烧、直流燃烧器煤粉燃烧的方式：旋流燃烧器前后墙对冲燃烧、直流燃烧器四角切圆燃烧。四角切圆燃烧。旋转射流通过各种型式的旋流器来产生；旋转射流通过各种型式的旋流器来产生；具有轴向速度，和较大的切向速度；具有轴向速度，和较大的切向速度；的流动过程形成中心负压区，产生高温烟气的回流。的流动过程形成中心负压区，产生高温烟气的回流。旋流燃烧器出口的气流速度分布 烟气回流卷吸和煤粉着火过程 n煤粉与一次
37、风气流喷入炉膛后与回流区流来的回流气体混合，并受到火焰的辐射，同时二次风与一次风混合，增大了着火所需热量；在这三个因素作用下煤粉与一次风气流升温到着火温度而着火。n着火后部分煤粉与一次风气流转而流入回流区，其他部分继续与二次风混合而燃烧，并向下游流去。一次风着火点着火点着火温度着火温度Tzh回流烟气回流烟气特征长度 l二次风二次风着火过程的物理模型 0VrecQQQQc煤粉气流从卷吸烟气中得到的对流吸热量和炉膛烟气辐射吸热量；QV煤粉气流以及烟气升温所需的吸热量，包括一次风和混入的二次风气流以及烟气的显热等；Qre煤粉气流中的化学反应放热量，包括挥发分和焦炭的燃烧放热以及其它化学反应的放热量。
38、7.7.4 直流射流中煤粉的着火 直流燃烧喷出的煤粉气流一般在炉内呈切圆布置，形成切向燃烧（四角或四墙切圆燃烧）n直流燃烧器的煤粉一次风气流所获得的对流传热来自炉内正在旋转的火焰，其中尤其是上邻角燃烧器的火炬冲撞。n炉内旋转火焰的旋转速度主要决定于二次风 二次风一次风 二次风旋转火焰的方向 上邻角的火焰送到向火面的高温烟气背火面卷吸热烟气二次风过早混入7.7.5 煤粉气流的燃尽过程 煤粉气流着火后，煤粉气流着火后，火焰火焰会以一定速度向逆着气流方向扩展，会以一定速度向逆着气流方向扩展，若此速度等于从燃烧器喷出的若此速度等于从燃烧器喷出的煤粉气流的速度煤粉气流的速度时，则火焰稳时，则火焰稳定于该
39、处。反之，火焰则被气流吹向下游，在气流速度衰减定于该处。反之，火焰则被气流吹向下游，在气流速度衰减到一定程度的地方稳定下来，此时，可能会导致火焰被吹灭，到一定程度的地方稳定下来，此时，可能会导致火焰被吹灭，或出现或出现着火不稳定着火不稳定的现象。的现象。降低一次风煤粉气流的速度，在相同的距离内会吸收更多降低一次风煤粉气流的速度，在相同的距离内会吸收更多的热量，有利于着火稳定。提高煤粉浓度和煤粉细度、提高的热量，有利于着火稳定。提高煤粉浓度和煤粉细度、提高一、二次风温，都有利于着火稳定。一、二次风温，都有利于着火稳定。稳定着火后，将会有更多的空气混入煤粉气流，提供稳定着火后，将会有更多的空气混入煤粉气流，提供足够足够的氧气的氧气。此外，还必需保证。此外，还必需保证足够的火焰长度足够的火焰长度，即煤粉在高温，即煤粉在高温的炉膛内有的炉膛内有足够的停留时间足够的停留时间。不同煤粉沿炉膛长度燃尽率的变化情况不同煤粉沿炉膛长度燃尽率的变化情况 无烟煤煤粉炉无烟煤煤粉炉燃烧过程中各燃烧过程中各种气氛和飞灰种气氛和飞灰含碳量含碳量 本章结束
