燃烧基本理论课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,:,可燃气体如,H,2,、,CO,及,C,m,H,n,等,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,:,普通的燃烧，亦即正常的燃烧观象,爆炸性燃烧,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,1,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。,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,10004000m/s,。通常是在高压、高温下进行。,一般窑炉中燃料的燃烧，属于普通的（正常的）燃烧。,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,2,二、,煤粉的燃烧研究,对燃烧领域来说，主要关心的是,煤的燃烧特性和污染特性,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。,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。,二、煤粉的燃烧研究 对燃烧领域来说，主要关心的是煤的燃烧特性,3,1.,煤粉的热解特性,煤的热解是指煤在加热过程中释放出气体（挥发分）的过程。,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。,通常所谈到的煤的热解特性仅指挥发分的析出特性。,1.煤粉的热解特性 煤的热解是指煤在加热过程中释放出气体,4,在,400,之前，基本上只有,CO,2,析出,在,400600,，,C,2,H,4,、,C,2,H,6,、,CO,、,CH,4,和,H,2,相继达到最大值，同时焦油也在形成；,在,600,以后主要是,H,2,和,CO,析出,，并达到最大值。,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,900,10,的马弗炉中加热,7min,，煤样所失去的重量。,实验证明,在400之前，基本上只有CO2析出实验证明,5,2,煤粉的着火特性,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,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。,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。,非均相着火,:,是指氧气扩散到焦炭表面，直接与颗粒发生反应而着火。,2 煤粉的着火特性 以煤着火机理研究、煤粉的着火特性实验研,6,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,）,。,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。,对极慢的加热速度情况，,1985,年,ognott,22,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。,imber21等认为在快速热解时，煤中的固定炭将随着挥,9,）均相着火,煤的均相着火涉及到热解、挥发分的组成和析出速度、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。,nnamalai,和,Durbetaki,23,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。,）均相着火煤的均相着火涉及到热解、挥发分的组成和析出速度、,10,Gururajan,25,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。,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。,章明川,26,利用可燃气体浓度极限建立了煤粉均相着火的模型,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。,Gururajan25既考虑颗粒表面的氧化反应，又考虑空,11,3,煤粉的燃尽特性,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。,研究内容：碳与氧的反应机理和燃烧反应速度。,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。,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,3煤粉的燃尽特性焦炭的非均相燃烧过程控制着煤粉燃烧的总速度,12,总的燃烧速度常数,K,K=1/,（,1/Ks+1/Kd,）,焦的化学反应速度常数,Ks,一般认为满足,Arrhenius,公式：,Ks=Aexp(-E/RT,s,),气流的扩散速度可由下式确定,55,K,d,=2.3D/,（,d RT,a,）,其中，,为化学当量系数，与反应机理有关，在,C+O,2,2CO,时，,=2,，在,C+O,2,CO,2,时,=1,总的燃烧速度常数KK=1/（1/Ks+1/Kd）,13,其他影响因素,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。,孔内扩散系数与焦的孔隙结构密切相关。,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。,其他影响因素燃烧速度不仅与边界层扩散有关，而且与氧在孔内的扩,14,4,煤的结渣性研究,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。,美国,EPRI,（,Electric 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。,何佩敖、张忠孝引入最优分割方法,60,，对用煤灰软化温度,T2,、,SiO,2,/Al,2,O,3,碱,/,酸比,硅比（,SiO,2,100/SiO,2,+CaO+MgO+Fe,2,O,3,）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。,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。,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，有待于科学的分析。,4煤的结渣性研究 煤灰结渣是一个复杂的物理化学过程。已提,15,三、,煤粒着火过程及着火动力学,1,着火的定义,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。,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,三、煤粒着火过程及着火动力学 1着火的定义,16,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,）与混合气体温度的关系为：,Q,放,=Kexp,（,-E/RT,）,Q,散,=K,（,T-T,0,）,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,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,17,2.,几种着火实验方法,热天平法,Tognotti,6,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。,闪光频率计数法,Wall,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,规则的火星或闪光（,regular flashing,）,定义为着火温度,测温法,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。,2.几种着火实验方法 热天平法,18,单颗粒煤着火的实验方法,Tomeczck,与,Wojcik,10,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,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。,单颗粒煤着火的实验方法,19,3,煤焦着火动力学参数研究,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,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。,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。,3煤焦着火动力学参数研究两种研究方法：,20,傅维标的研究,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。,E,应是颗粒表面温度的函数，由煤焦与氧的化学特性决定，而与煤质无关；,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。,傅维标的研究原因是：在前人处理数据中，将化学因素及物理因素引,21,4,实验室研究情况,实验方法,直接观察,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。,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,。,4实验室研究情况 实验方法,22,关于着火现象观察的结果,a b,c d,关于着火现象观察的结果,23,关于着火方式研究的结果,关于着火方式研究的结果,24,表,2.5.,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。,表2.5.煤的着火方式实验结果煤分类,25,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。,d,2,T/dt,2,=0,这点的物理意义,曲线,