1、燃料与燃烧第九章固体燃料燃烧 煤的结构特点 煤是由很多不同结构的含C、H、O、N、S的有机聚合物粒子和矿物杂质混合而成，各种有机聚合物粒子之间常由不同的碳氢支链连结成更大的粒子。煤的燃烧过程：干燥热解及挥发分析出挥发分燃烧焦炭燃烧第九章固体燃料燃烧当煤加热到足够高的温度时，煤先变成塑性状态，失去棱角而使其形状变得更接近于球形，同时开始释放挥发份。24426222HCO、焦油、焦油、CHHCHCCOOH 挥发份释放后留下的是一多孔的炭。热解过程中不同的煤有着不同程度的膨胀。第九章固体燃料燃烧 加热速率对挥发份析出的速率及其成分有很大的影响；慢速加热时大部分转化成碳，而快速加热时则得到很小，甚至无
2、碳。煤粒终温对挥发分析出的最终产量影响很大：随着热解温度的提高，挥发分产量可高达70%以上，即挥发分并不是一个确定不变的常数。第九章固体燃料燃烧 挥发份的燃烧 焦炭的燃烧焦炭含量占5597%，燃烧时间占90%，发热量占6095%第九章固体燃料燃烧两相反应的特点：物质在相的分界表面上发生反应。反应的一般步骤：以上步骤依次发生。整个反应过程的快慢取决于各步中最慢的一步。1.反应分子扩散到表面2.分子在表面发生吸附作用3.被吸附的分子在表面上进行化学反应4.生成物从表面解吸5.生成物扩散离开表面第九章固体燃料燃烧假设碳与氧燃烧的生成物只有二氧化碳，并仿照传热学中对流换热系数的概念引入对流扩散系数，则
3、氧从周围向单位碳粒表面的扩散量可以写为 *D)(0,*222OODOg氧在碳表面处的反应的速度（单位碳粒表面、单位时间燃烧掉的氧量）可表示为0,22OOK在稳定燃烧状态时，向碳粒扩散的氧量应等于碳粒燃烧所消耗的氧量。因此0,0,*2222)(OOOODK第九章固体燃料燃烧,*0,222OODDOK,*,222211OODOOKKg2111*ODKK2111*ODKK)(0,*222OODOg表观速度常数 多相燃烧反应阻力 第九章固体燃料燃烧2111*ODKK多相燃烧反应阻力：燃烧反应的化学阻力氧气扩散过程中的物理阻力根据多相燃烧反应的化学阻力与物理阻力的对比，可将多相燃烧反应分为三类：动力燃烧
4、、扩散燃烧、过渡燃烧动力燃烧、扩散燃烧、过渡燃烧第九章固体燃料燃烧动力燃烧：动力燃烧：当化学阻力比物理阻力大得多时，燃烧速度取决于化学反应速度，故称为动力燃烧。2*ODK2OKK,0,22OO碳表面上氧气浓度接近于周围气流中氧的浓度。这种情况相当于较低温度下的燃烧情况。此时由于化学反应速度很低，从远处扩散到碳表面的氧消耗得很少，从而使得碳表面氧的浓度等于远处环境中氧的浓度。第九章固体燃料燃烧扩散燃烧：扩散燃烧：当化学阻力比物理阻力小得多时，燃烧速度取决于氧分子扩散速度，故称为扩散燃烧 2*ODK*DK00,2O碳表面上氧气浓度接近于零。这相当于在高温下的燃烧情况。此时由于温度很高，化学反应能力
5、已大大超过扩散能力，使所有扩散到碳表面的氧立即全部反应掉，从而导致碳表面的氧浓度为零。第九章固体燃料燃烧过渡燃烧：过渡燃烧：当化学阻力与物理阻力在同一数量级时，两者均不可忽略，燃烧工况处于扩散控制与动力控制之间，故称为过渡燃烧 2*ODK,0,220OO2111*ODKK,*0,222OODDOK第九章固体燃料燃烧温度对碳燃烧速率及碳表面氧浓度的影响碳燃烧速率随温度的变化1、动力燃烧区 2、过渡燃烧区3、扩散燃烧区 碳燃烧时其表面氧浓度分布1动力区；2，3过渡区；3扩散区第九章固体燃料燃烧碳燃烧状态的判别准则谢米诺夫准则：KSDm氧的浓度比：,0,22/OOmS动力燃烧过渡燃烧扩散燃烧9.00
6、.119.00.90.10.90.1,0,22/OO第九章固体燃料燃烧两相反应的级数吸附理论在固体燃料表面，两相反应的级数01级。11122KPKPKKKwOO112KPKKwOKw nOKPw22OP2OP很小很大中值一级反应0级反应n=01第九章固体燃料燃烧碳粒燃烧的三种模型：一般认为碳的氧反应首先生成碳氧络合物，碳氧络合物进一步反应同时产生一氧化碳和二氧化碳。写成化学式即为yxOCOyxC22nCOmCOOCyx2二氧化碳是初次反应产物的模型；一氧化碳是初次反应产物的模型；二氧化碳、一氧化碳同时是初次反应产物的模型第九章固体燃料燃烧温度不同时，由于反应机理上的区别，生成物中一氧化碳和二氧
7、化碳的比例也不相同。比值n/m随温度上升而增大。43223OCOCCOCOOCOC222243COCOOC222322络合离解总的简化反应式在1300以下或碳表面氧的分压很低、浓度很小的情况下氧分子溶入碳的晶体内构成固溶络合物第九章固体燃料燃烧络合离解总的简化反应式在1600以上：43223OCOC2432COCOOC22223COCOOC碳氧反应机理逐步转为由化学吸附引起，络合物不待氧分子撞击就自行热分解第九章固体燃料燃烧kJCOCOC42102.162吸附到碳的晶体上形成络合物，然后络合物分解成，并解吸离开碳表面。由于的化学吸附活化能比氧的溶解活化能大得多，因此只有在温度很高时，这一反应才
8、显著起来。2COCO2CO第九章固体燃料燃烧kJHCOOHC22210123molkJ/106.374与碳的气化反应十分类似，同样为吸热反应。反应级数为一级，活化能比气化反应的活化能大，约为。反应进行过程中水蒸气也是经过吸附、络合与分解一系列环节才完成水煤气的生成的。第九章固体燃料燃烧kJCCOCO16222一氧化碳的分解反应是碳的气化反应的逆反应。这个反应会导致碳的析出，因而也是一个重要问题。第九章固体燃料燃烧32/cmcm实际上碳是一种多孔性物质，因此反应不仅在外表面进行，而且在碳的内部也进行。这些数据表明，内部表面对反应的影响是不可忽视的。木炭内部的反应表面积为57114电极碳为7050
9、0无烟煤为10032/cmcm32/cmcm第九章固体燃料燃烧iS)31(343rSSSrSii0,*0,22222)31(OOOOiOCSKCKSrSG若每单位体积碳粒所含内部孔隙的表面积为，则对半径为r的碳粒球体，其内外表面积之和为：碳球的总反应速率为：式中为包括了对应内表面的碳球的总反应速度常数*K当温度较低时内表面上各处的氧浓度都相同，且等于碳粒外表面的氧浓度0,2OC第九章固体燃料燃烧0,0,*22222OOOOOCSKCSKG22*OOKK当碳球温度很高时，内表面上氧浓度接近于零，亦就是碳球内表面停止了碳和氧的一次反应。只有碳球外表面能和氧发生反应。于是氧在碳表面上的总反应速度就变
10、成第九章固体燃料燃烧30r)1(22*iOOSKK2223*OiOOKSrKK称为反应的有效渗透深度低温时高温时022*OOKK令：第九章固体燃料燃烧)1(22*iOOSKK0,0,*22222)1(OiOOOOCSKCKg)1(11222*,iODOOSKCg总反应速度常数：总反应速度：考虑碳粒内外扩散作用，同时又考虑了内外表面上化学反应影响的化学反应速度第九章固体燃料燃烧COCOCcCOOCbCOOCa2)(222)(22)(二次反应一次反应一次反应表面反应2221)(COOCOd二次反应空间反应COCOOC223422第九章固体燃料燃烧温度低于800时碳粒周围的燃烧情况COCOOC223
11、422第九章固体燃料燃烧温度在8001200时静止碳粒燃烧情况COCOOC223422第九章固体燃料燃烧温度大于12001300时碳粒周围的燃烧情况COCOOC22322COCCO22COCCOCOOCO221222第九章固体燃料燃烧1、氧化反应动力区2、氧化反应扩散区3、还原反应动力区4、还原反应扩散区第九章固体燃料燃烧碳粒表面附近的燃烧情况1-迎风面；2-背风面；3-回流区；4-火焰锋面第九章固体燃料燃烧近似算法（稳定燃烧）：2111*ODKK,22OOKgDdsNDu*Stefan流不是很大时：dsDNuD*传热与传质完全可以类比，Le=1)Re35.0exp(1Re35.02uNRe7
12、.0100Re2ReuuNN时，很小时，第九章固体燃料燃烧当Stefan流的影响不可忽略时：drdTrdrddrdTGCdrdfDrdrddrdfGpOO224422扩散方程：能量方程：假设没有空间气相反应，则在任何半径上的总质量流均应相等：.4420020constVrVrG第九章固体燃料燃烧00202020,0002044)(442222drdTrdrdTrTTGCGGfDrGfdrdfDrpOOOO44321222COOC积分：rr 00,0,0,22232123244OCOCOgggg223212OOCGGGG第九章固体燃料燃烧222142OOOfdrdfDrG0,0,022221ln
13、4OOOOfffrDG0,0,022221ln4OOOOCfffrDGG积分：积分：从从0r第九章固体燃料燃烧由能量方程亦可求得：22001ln4OppOQTTCrCG22001ln4OppOCQTTCCrGG由阿累尼乌斯定律亦可求得：)/exp(400,0,20222RTEfKrGOOO第九章固体燃料燃烧0,0,02222OOOOpfffQTTC1CleDP假设假设第九章固体燃料燃烧dtddrrdtdrrgrGCCCC20000202084440,0222ln4OOOCffrDGG0,2022ln)(8OOCffDdtdd第九章固体燃料燃烧tfDddOC,2020,021ln8当燃烧为纯扩散
14、燃烧时，00,2Of,20,021ln8OCbfDdt碳粒燃尽时间：碳粒进行扩散燃烧时，碳粒燃尽时间与碳粒直径的平方成正比。第九章固体燃料燃烧当燃烧处于动力燃烧状态：)/exp(40,0,20222RTEfKrGGOOOCdtddrdtdrrGCCC020020244COORTEfKdtdd)/exp(2)(0,0,022第九章固体燃料燃烧当燃烧处于动力燃烧状态：tRTEfKddCOO)/exp(20,0,022)/exp(20,0,022RTEfKdtOOCb碳粒进行动力燃烧时，碳粒燃尽时间与碳粒直径成正比。第九章固体燃料燃烧燃烧过程是一维稳定过程；灰分在碳板中均匀分布；燃烧时的含灰碳板的温
15、度为定值；燃烧反应只在灰层和碳板的界面上进行，不考虑内部燃烧假设：,0,0,0,0,2222222)(OOOOOODOCKKCxCCDCCg灰在稳定燃烧情况下，单位时间通过单位面积的氧扩散量等于碳反应的消耗量：第九章固体燃料燃烧KDxCgDOO11,22灰KDxKD111灰反应物质交换总阻力外部扩散阻力灰层扩散阻力化学反应阻力第九章固体燃料燃烧ddxggCOC2ddxKDxCCDO11,2灰KDxCxDOC121,2灰KDdCdDOCb121,2灰灰碳板的燃尽速率：第九章固体燃料燃烧0,21100,0,010,20212222224)(4)(44OOOOODOKCrrrCCDrrCCrgr灰灰
16、KCrrDrrCCrrCCrgOOODOOO1)(1)(40,01100,0,2010,20222222灰灰第九章固体燃料燃烧0110201,1122rrDrrrrKCgDOO灰灰0110201,1112rrDrrrrKCdtdrDOC灰灰灰灰DrKCrtDOCb63110,02020rtrtbb扩散控制动力控制第九章固体燃料燃烧层燃燃烧悬浮燃烧沸腾燃烧第九章固体燃料燃烧逆流式（上饲式）顺流式（下饲式）交叉式（前饲式）燃烧状态：大部分燃料在炉栅上燃烧，可燃气体及一小部分细屑燃料则在燃烧室空间内呈悬浮燃烧 第九章固体燃料燃烧固定火床燃烧过程第九章固体燃料燃烧新燃料层：煤干燥、干馏，将水汽、挥发物
17、等带离煤层进入炉膛空间，挥发分及CO与煤层着火燃烧；还原层：气流中CO2与碳起还原反应，即CO2+C2CO，温度越高，速度越快氧化层：主要进行氧化反应，末端气体的温度也达到最高冷空气进入，炉栅和灰渣被冷却，而空气则被预热燃烧过程：第九章固体燃料燃烧如果燃烧层稳定，氧化层的厚度几乎不随鼓风量变化改变煤层的厚度还可以改变烟气的成分 一次空气主要是供给焦炭燃烧的需要，二次空气则是供给挥发物、CO以及部分被气流扬起的细小煤粒等燃烧的需要；一般取空气过剩系数1.31.7燃烧规律：第九章固体燃料燃烧手烧炉的空气供需状况Ab进入炉内的总空气量Cd 实际参与燃烧的有效空气量Ef实际需要空气量Gh焦炭燃烧所需空
18、气量第九章固体燃料燃烧链条炉中燃烧区段分布图1预热干燥区2挥发分析出与燃烧区3a焦炭氧化层区3b焦炭还原区4灰渣燃尽区第九章固体燃料燃烧链条炉原则性配风方案(a)尽早配风法(b)强风后吹法(c)推迟配风法第九章固体燃料燃烧 燃烧状态：将磨成微粒或细粉状的燃料与空气混合后从喷燃器喷出，在炉膛空间呈悬浮状态时的一种燃烧。直流式（火炬式）旋涡式（旋风式）特点：燃烧速度快、燃烧效率高、燃烧温度高、煤耗低、调节方便第九章固体燃料燃烧燃烧过程：煤粉进入到炉膛受到导热、对流及辐射加热、逸出挥发分，并升温着火，形成着火区着火后煤粉与空气强烈反应，并放出大量的热，构成燃烧区当温度达到最大值后，燃烧过程已相当完全
19、，反应减慢，这时放热量小于散热量，温度下降，从而进入燃尽区第九章固体燃料燃烧（1）一、二次空气的比例要合适，考虑两个方面：（A）一次风携带煤粉喷入燃烧室或窑炉并供逸出的挥发分燃烧（B）煤粉制备系统的设计要求及窑炉的特点。（2）一、二次空气的温度一次风的温度150，以防止煤粉发生爆炸；二次风的温度不受限制（尽量高）。（3）控制适当的过剩空气系数水泥回转窑的过剩空气系数一般为1.051.15。（注意：若为满足烘干机对烟气温度的要求而需掺入冷空气时，则应在煤粉基本燃烬之后的地段再掺入）。燃烧规律：第九章固体燃料燃烧（4）控制合适的一次风喷出速度（5）制备细度合格、粒度均匀的煤粉5070m。挥发分高的
20、煤或质地疏松的煤，其粒度可以稍大些；无烟煤或硬质煤，粒度就要小些。煤粉细度一般控制为0.08mm方孔筛筛余8%15%左右。（6）保持较高的炉膛温度（7）使用合适的煤粉烧嘴（8）炉膛空间的大小和形状要适当使煤粉在其中有足够的停留时间以保证其能充分燃烬。燃烧规律：第九章固体燃料燃烧 煤粉燃烧器：直流煤粉燃烧器旋流煤粉燃烧器第九章固体燃料燃烧1温度2飞灰含碳量3CO2浓度4氧浓度、着火区、燃烧中心区、燃尽区第九章固体燃料燃烧旋风炉第九章固体燃料燃烧空气速度与煤粒存在状态：1.速度低：碎煤颗粒静止在布风板上；2.速度达某值：煤粒被风托起，颗粒之间的空隙加大，颗粒在一定高度内上下翻腾，煤颗粒能悬浮在空气
21、中，受热完成干燥、预热、干馏、挥发分逸出及燃烧、焦炭的燃烧及燃烬等燃烧过程3.流速过快：煤不完全燃烧。第九章固体燃料燃烧沸腾燃烧室的底部安装有布风板炉栅，块煤经锤链式破碎机破碎后，其粒度在0.510mm之间，碎煤经喂煤口投放到布风板炉栅上，布风板下为风室，空气由此向上吹送。第九章固体燃料燃烧A、煤粒与空气之间能充分混合。空气过剩系数小，燃烧速度非常迅速B、热效率高，可达95%以上C、燃烧温度稳定，可保持在9601050范围内D、可充分利用各种劣质燃料E、沸腾燃烧室结构简单、操作灵活、易于调节、自动化程度高及操作环境好F、空气动力消耗大，烟气中飞灰量较多G、操作不当时，不完全燃烧造成的热损失大H
22、、煤的结焦性强时，排渣困难沸腾燃烧的特点：第九章固体燃料燃烧煤浆燃料是煤粉与液体如水、油或甲醇混合而成的燃料。种类以煤与何种液体相混合来命名有：（1）油煤浆（COM或COD）油与煤粉混合，可以包含10%的水（2）煤油水浆（COW）和煤水油浆（CWO）：水含量大于10%（3）水煤混合燃料煤与水的混合物，CWF水煤燃料，CWS水煤浆（4）煤甲醇水混合物（5）油石油焦浆（6）水石油焦浆第九章固体燃料燃烧（1）用于工业蒸汽锅炉（2）用于电站锅炉（3）用于各种工业窑炉（4）用于内燃机（5）用于燃气轮机联合循环（6）用于煤粉锅炉的点火燃料水煤浆是近十几年发展起来的一种新型燃料，它由煤粉、水和少量化学添加剂
23、组成。水煤浆的用途可以代油：第九章固体燃料燃烧煤浆特征使用方式特点用途50%煤/50%水管道运输降低运输费用旧和新设计燃煤锅炉70%煤/29%水/1%添加剂直接燃用燃料费用低于燃油、民用燃料旧的燃油设计锅炉60%煤/40%水管道运输直接燃用过程费用降低旧和新设计燃煤锅炉超细煤浆直接燃用燃料减小降负荷燃油和燃气锅炉水焦浆直接燃用燃料降低燃料费用船用锅炉，燃油锅炉油焦浆直接燃用燃料降低燃料费用燃油锅炉超细、超净煤浆替代燃料替代油内燃机直接燃用超净煤浆直接燃用燃料减小降负荷燃油和燃气锅炉第九章固体燃料燃烧1.非牛顿流体，一种高浓度煤粉颗粒在水中的悬浮混合物2.可以泵送与雾化喷入炉中3.需有稳定的剪切
24、应力和良好的稳定性（抵制煤粉颗粒沉积）4.低粘度和很好的流变特性5.雾化水煤浆时要求其颗粒容易分离6.水煤浆在制造过程中进行净化处理，处理以后可除去原料煤中灰分的50%75%和黄铁矿（硫）的40%90%，并回收原料煤热值的90%98%。7.煤矿可以用水力开采，并把原煤的洗选和水煤浆的制造过程结合起来，水煤浆的经济性会更高。第九章固体燃料燃烧1.湿磨 将原料煤湿磨至需要的颗粒尺寸，一般为50200m。2.浮选净化 含有合格煤粉的煤浆被送到浮选净化段，通过浮选工艺除去其中大部分灰分和硫分。3.过滤和脱水 从浮选段出来的煤浆送至一过滤器（常用真空浓缩过滤器），把水煤浆制成相对干燥和清洁的煤饼状，以使
25、最终的水煤浆产品达到所要求的固体浓度。4.混合和储存 由浓缩过滤器出来的清洁煤浆的滤饼被送到连续搅拌的混合器，在混合器中加入化学添加剂，以满足所需要的水煤浆特性。当混合过程完成以后，水煤浆就制备好了，可以泵送去储存或直接输送到用户。制造水煤浆主要包括以下几个部分：第九章固体燃料燃烧第九章固体燃料燃烧水煤浆良好的雾化特性是使其稳定着火和燃烧并保证高的燃烧效率的的首要因素。雾化不好不仅会造成燃烧不稳定和燃烧损失增加，而且还会造成炉膛结渣。因此，水煤浆雾化喷嘴是关键的燃烧设备。由于水煤浆在常温下的工作粘度一般为0.31Pas，比燃料油在运行时的工作粘度大得多，所以，水煤浆多用空气或蒸汽雾化喷嘴。一个
26、良好设计的水煤浆喷嘴应能达到以下要求：1.具有良好的雾化性能，能得到尽可能细的水煤浆液滴。希望雾化炬的平均液滴直径在75m，这样才能保证良好的燃烧。2.雾化介质（压缩空气或蒸汽）和水煤浆的流量比为0.10.25，这样经济上才合理。3.由于水煤浆中含有70%75%的固体颗粒，因此，从结构和材料上，要使喷嘴具有防磨损的功能。采用碳化硅或陶瓷作为喷口材料，可使喷嘴的工作寿命在2000小时以上。4.喷嘴不会被水煤浆堵塞，并能承受燃烧器重复启停所产生的热应力第九章固体燃料燃烧图为以烟煤为原料煤制成的水煤浆，当采用空气雾化喷嘴，空气压力为1.2105Pa，空气和水煤浆的流量比分别为10%、20%、30%、
27、40%和50%时，水煤浆的水分含量和雾化液滴的质量平均直径的关系。第九章固体燃料燃烧空气雾化水煤浆喷嘴a）T型喷嘴；b）标准Y型喷嘴；c）渐扩Y型喷嘴1-碳化硅或陶瓷管第九章固体燃料燃烧第九章固体燃料燃烧水煤浆的燃烧过程，首先是通过喷嘴将其雾化成细滴，液滴在高温炉膛中迅速蒸发掉水分，然后就像煤粉燃烧那样，析出挥发分、着火和焦炭粒燃烧和燃尽。由于水煤浆的水分含量为2530%，因此其燃烧的首要问题是在燃烧器根部保证稳定的着火。保证水煤浆的稳定着火和燃烧，除了上述的正确设计喷嘴和保证雾化质量外，还要能在燃烧器出口火焰根部维持一个高温区，以保证水煤浆雾化炬具有很高的升温速率，以使水煤浆液滴中的水分能迅
28、速蒸发和使挥发分析出并着火。第九章固体燃料燃烧旋流燃烧器第九章固体燃料燃烧水煤浆燃烧过程分三个阶段：（1）水分蒸发（2）挥发分析出和燃烧（3）焦炭燃烧第九章固体燃料燃烧与一般煤粉燃烧相比，水煤浆燃烧的特点：1.水煤浆中含有30%40%的水分，在燃烧过程中首先必须有一个蒸发过程，使煤浆的着火热增加，大约是同种煤粉的66%87%。2.水煤浆以喷雾方式进入燃烧区域，为达到良好的雾化，喷嘴出口速度往往高达200300m/s，而煤粉则以一次风混合带入，速度较低，一般为2030m/s。3.雾化过程不可能得到比原煤粉更小的液滴，在煤粉燃烧中，往往小颗粒煤粉在着火阶段起主要作用，可以迅速加热而着火，而对于煤浆
29、，这些小颗粒都形成了较大的液滴。4.水煤浆雾滴中有多个煤粉颗粒，在水分加热蒸发和挥发分析出过程中会产生二次破碎分离和结团现象，由于这种结团引起焦炭颗粒明显大于一般煤粉焦炭粒子而难于燃烧。5.水煤浆雾炬本身具有很高的动量，这对燃烧室流场组织产生影响。第九章固体燃料燃烧第九章固体燃料燃烧，单滴燃烧，单滴燃烧，内部群燃烧，内部群燃烧，外部群燃烧，外部群燃烧，外部壳燃烧，外部壳燃烧21221210G10G1010G1010G液滴云的四种群燃烧方式：VRmnG/群燃烧数：第九章固体燃料燃烧火焰的4个区域：挥发分析出区空气不足未燃焦炭区焦炭燃烧区非燃烧区群燃烧三种模式：第九章固体燃料燃烧无反应长度无反应长
30、度灰灰焦碳燃烧区长度焦碳燃烧区长度长度长度缺氧焦碳粒子存在区的缺氧焦碳粒子存在区的挥发分析出长度挥发分析出长度群壳包住火焰长度群壳包住火焰长度/ashccadqdvfLLLLL群燃烧三种模式：带缺氧焦碳粒子存在区的水煤浆雾群燃烧第九章固体燃料燃烧群燃烧三种模式：不带缺氧焦碳粒子存在区的水煤浆雾群燃烧第九章固体燃料燃烧群燃烧三种模式：颗粒挥发分析出和焦碳粒子燃烧的水煤浆雾群燃烧第九章固体燃料燃烧煤的气化是一个热化学过程，即用氧或含氧化合物（如水蒸气、二氧化碳）通过高温的煤层或焦炭层，使燃料中的有机物氧化，并转化生成含有H2、CO等可燃气体的过程。根据所用气化剂及煤气成分、热值的不同，生产的煤气可
31、分为：空气煤气、混合煤气、水煤气以及半水煤气等。名称气化剂组成成分%低热值KJ/m3用途H2COCO2N2CH4O2空气煤气空气2.61014.772.00.50.237604600燃料混合爆气空气、水蒸气13.527.55.552.80.50.250005220燃料水煤气水蒸气48.438.56.06.40.50.21000011200燃料半水煤气水蒸气、空气40.030.78.014.60.50.287709610合成氨原料气第九章固体燃料燃烧煤气的气化方法主要有两种：一种是沸腾层气化，以富氧空气和水蒸气为气化剂连续地送入粉状燃料层中，使燃料呈沸腾状态气化。这种方法气化强度高、生产能力大，
32、但需使用氧气，而且原料适用范围狭窄（要求使用化学活性高的燃料制气），故采用这种气化方法的工厂不多。另一种是固定床气化法，它是目前国内广泛采用的一种制气方法 第九章固体燃料燃烧氧化层氧化层还原层还原层干馏层干馏层干燥预热层干燥预热层kJCOCOC42102.162气化剂kJCOOC422109.4022NCO 2NCO22NO 第九章固体燃料燃烧氧化层氧化层还原层还原层干馏层干馏层干燥预热层干燥预热层气化剂333342221.424.221.422.11121025.1288.188.121mmmmkgkJNCONOC3338.544.41mmkg%3.65%7.342NCO3/4422%7.3
33、412745mkJ热值：气化效率：%703408338.54422第九章固体燃料燃烧影响制气过程的因素：(1)反应温度还原反应是吸热反应，升高反应温度有利于CO的生成反应温度过高，会使灰渣熔融，结成大块，造成操作困难反应温度一般控制在10001200之间，应低于所用燃料的灰熔点(2)燃料性质气孔率(3)鼓风速度煤气产量与质量第九章固体燃料燃烧kJHCOOHCkJHCOOHC4222422105.722108.11 上述两个都是吸热反应，如果连续地向发生炉内通水蒸气，则将导致燃料层迅速冷却。为了能在燃烧料层中维持必要的温度必须交替地向炉内吹入空气和水蒸气。第九章固体燃料燃烧分类：按燃料与氧化剂经
34、气化炉的流动方式分类气化炉气流床流化床移动床与煤粉燃烧类似与流化床燃烧器类似与层燃类似气流床流化床移动床燃料规格500m0.55mm550mm燃料滞留时间110s550s1530min气体出口温度9001400700900400500第九章固体燃料燃烧在一台气流床气化炉内，粉煤或雾化油流与氧化剂（典型的氧化剂是氧）一起汇流。气流床气化炉的主要特性是其温度非常高，且均匀（一般高于1000），气化炉内的燃料滞留时间非常短。第九章固体燃料燃烧煤被磨碎至100m并靠氮由风力输送到气化炉。气化炉结构独特，气化炉本身与合成气冷却器结合。煤、O2和蒸气一起经装在气化炉下部的燃烧器给入。合成气在1600的温度
35、下产生。但它在气化炉出口借助再循环的洁净合成气淬冷，将其温度减至大约800。然后合成气向上流至一中心分配器管，并经蒸发器段向下流动，在大约380离开气化炉。在气化过程形成的熔渣在水槽内淬冷，并通过闸斗仓装置排出。图7 Prenflo R 气化炉第九章固体燃料燃烧在一个流化床内，固体（如煤、灰）悬浮在一般向上流动的气流中。在流化床气化炉内，气体流包含氧化介质（一般是空气而非O2）。流化床气化炉的重要特点（像流化床燃烧器一样）是不能让燃料灰过热，以至熔化粘接在一起。假如燃料颗粒粘在一起，则流化床的流态化作用将停滞。空气作为氧化剂的作用是保持温度低于1000。这表示流化床气化炉最适合用比较易反应的燃
36、料，如生物质燃料。流化床气化炉的优点包括能接受宽范围的固体供料，包括家庭垃圾（经预先适当处理的）和生物质，如木柴，灰份非常高的煤也是受欢迎的供料，尤其是那些灰熔点高的煤，因为其他类型的气化炉（气流床和移动床）在熔化灰形成熔渣中损失大量能。第九章固体燃料燃烧燃料在闸斗仓内加压，然后储存日仓或加料仓里，之后再螺旋给入气化炉。气化炉的底部是流化床，流化介质是空气或O2和蒸汽。气体与固体向上流至反应器，在这里再加入空气/O2和蒸汽来完成气化反应。之后将粗合成气在除尘器里除尘并冷却。在除尘器中脱除的固体回至气化炉底部。用螺旋除灰器将灰从气化炉底部排出。第九章固体燃料燃烧在移动动床气化炉里，氧化剂（蒸汽和
37、O2）被吹入气化炉的底部。产生的粗燃料气通过固体燃料床向上移动，随着床底部的供料消耗，固体原料逐渐下移。因此移动床的限定特性是逆向流动。在粗燃料气流经床层时，被进来的给料冷却，而给料被干燥和脱去挥发分。因此在气化炉内上下温度显著不同，底部温度为1000或更高，顶部温度大约500。燃料在气化过程中脱除挥发分意味着输出的燃料气含有大量煤焦油成分和甲烷。故粗燃料气在出口处用水洗来除去焦油。其结果是，燃料气不需要在合成气冷却器中来高温冷却，假如燃料气来自气流反应器，它就需冷却。第九章固体燃料燃烧块煤给进气化炉顶部的闸斗仓，在进入气化炉之前增压。一个旋转的煤分配器确保煤在反应器各处均布。煤缓慢下移到气化
38、炉。当煤下移时，由经床层向上流动的燃料气加温；煤就被不断干燥和挥去挥发分，然后气化。床层底部紧靠炉蓖的上面是气化炉最热的地方1000，在此处燃烧任何剩余的煤，产生的CO2与床层中的碳起反应形成CO。灰由旋转炉蓖排出并在闸斗仓中减压。蒸汽和O2被向上吹，通过炉蓖为气化过程提供氧化剂。所产生的气体在300-500的温度离开气化炉，利用一水淬冷进行冷却和洗涤。该气化炉由水夹套围绕，水夹套产生的蒸汽可用于工艺过程中。第九章固体燃料燃烧气化是煤和燃料油这类传统燃料与燃气轮机间的桥梁。将这类燃料气化产生一种燃料气，洁净后可在燃气轮机发电厂使用。因此气化能发挥燃气轮机的长处，使其可利用任何燃料，无论是固体还是液体燃料。进一步而言，由于所产生的燃料气在燃气轮机中燃烧之前能进行洁净，去掉颗粒物、硫和氮化合物，因此以气化为基础的发电厂（GPP）的排放物要比传统电厂少得多。气化与联合循环结合（即IGCC）是唯一能接近燃用天然气系统的环境性能的以煤为基础的技术。此外，IGCC的热效率同传统的使用锅炉和蒸气轮机的燃煤电厂相比，即使不是更好，也是一样好。第九章固体燃料燃烧第九章固体燃料燃烧
