燃烧学－固体燃料煤的燃烧

,*,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,燃烧学,江苏大学,能源与动力工程学院,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,*,第六章 固体燃料,煤的燃烧基础,固体燃料种类、特性，碳的燃烧化学反应过程，煤的各种燃烧方法,碳的燃烧化学反应过程,本章简要介绍煤燃烧的一些基本知识，为进一步研究煤燃烧奠定基础。,1,6.1,固体燃料,煤、木柴、甘蔗渣等都是碳氢化合物，可作为固体燃料。,天然固体燃料,木质燃料,矿物质燃料,煤,冶金生产：炼焦和气化,工业炉窑,锅炉,大型热电厂,2,煤占我国一次能源消费的,70%,以上；,消费的煤中,80%,以上用于燃烧；,我国是少有的以煤为主的国家；,煤的燃烧比较复杂，木柴等容易燃烧；,煤中焦炭占煤中可燃质重量的,55,97%,，焦炭的发热量也占煤的总发热量的,60,95%,。,3,一、煤的种类及其化学组成,煤的种类,根据生物学、地质学和化学方面的判断，煤是由古代植,物变来的，中间经过了极其复杂的变化过程。,根据母体物质炭化程度的不同，可将煤分为四大类,:,泥煤,褐煤,烟煤,无烟煤,4,泥煤,最年青的煤，由植物刚刚变来的煤。,在结构上，它尚保留着植物遗体的痕迹，质地疏松，吸水性强，含天然水份高达,40,以上，需进行露天干燥。,在化学成分上，含氧量最多，高达,28,38,，含碳较少。,在使用性能上，泥煤的挥发分高，可燃性好，反应性强，含硫量低，机械性能很差，灰分熔点很低。,用途：烧锅炉和做气化原料，制成焦炭供小锅炉使用。,地方性燃料。,5,褐煤,褐煤是泥煤经过进一步变化后,生成的，由于能将热碱水染成,褐色而得名；,与泥煤相比，密度较大，含碳,量较高，氢和氧的含量较小，,挥发分较低；,褐煤的使用性能是粘结性弱，,极易氧化和自燃，吸水性较强。,新开采出来的褐煤机械强度较,大，但在空气中极易风化和破碎；,地方性燃料。,6,烟煤,表面呈灰黑色，有光泽，质松软,一种炭化程度较高的煤；,与褐煤相比，它的挥发分较,少，密度较大，吸水性较小，,含碳量增加，氢和氧的含量,减少；,烟煤的最大特点是具有粘结,性，这是其他固体燃料所没,有的，因此它是炼焦的主要,原料，是冶金工业和动力工,业不可缺少的燃料，也是近,代化学工业的重要原料。,7,无烟煤,呈灰黑色，有金属光泽，燃烧时,没有煤烟，仅有很短的青蓝色火,焰，焦碳也没有粘结性。,矿物化程度最高的煤，也是年龄,最老的煤。,特点是密度大，含碳量高，挥发,分极少，组织致密而坚硬，吸水,性小，适于长途运输和长期储存。,主要缺点是受热时容易爆裂成碎,片，可燃性较差，不易着火。,由于其发热量大，灰分少，含硫量低，而且分布较,广，因此受到重视。可以用于气化，或在小高炉和,化铁炉中代替焦碳使用。,8,不 同 种 类 煤 的 特 点,泥煤,褐煤,烟煤,无烟煤,碳化,程度,密度,吸水性,挥发分,运输储存,氢氧含量,可燃性,发热量,机械性能,粘结性,低,高,小,大,强,弱,高,低,差,好,难,易,高,低,好,差,低,高,弱,最好,9,燃料种类,可燃质中焦炭的质量份额,%,焦炭热值占总热值的份额,%,木柴,15,20,泥煤,30,40.5,褐煤,55,66,烟煤,57,88,59.6,83.5,无烟煤,96.5,95,常见固体燃料可燃质情况,10,煤的化学组成,可燃质,惰性质,碳,(C),：,煤的主要可燃元素，燃烧时放出大量的热。,氢,(H),：煤的主要可燃元素（可燃氢、化合氢）。,氧,(O),：煤中一种有害物质。和碳、氢构成氧化物,。,氮,(N),：,一般不参加燃烧反应，是燃料中的惰性元素。,硫,(S),：,有机硫,(S,机,),黄铁矿硫,(S,矿,),硫酸盐硫,(S,盐,),可燃硫或挥发硫,灰分,(A),：,煤中所含的矿物杂质,(,主要是碳酸盐、粘,土矿物质、以及微量稀土元素等,),。,水分,(W),：,外部水分,(,也叫做湿分或机械附着水,),内部水分,11,二、煤的使用性能,煤的工业分析值,煤的工业分析内容,：测定水分、灰分、挥发分和固定碳的百分含量。,煤的工业分析方法,（国家标准）：将一定重量的煤加热到,110,，使其水分蒸发，以测出水分的含量，再在隔绝空气的条件下加热到,850,，并测出挥发分的含量，然后通以空气使固定碳全部燃烧，以测出灰分和固定碳的含量。,煤的工业分析值的应用,：确定煤的用途和制定工艺制度时不可缺少的原始依据。,12,煤的发热量,(,与炭化程度有关，含碳量,87,时发热量到最大值,),定义：,1kg,煤完全燃烧后所放出的燃烧热称为发热量，单位千卡,/,千克。,用途：评价燃料质量好坏的重要指标，计算燃烧温度和燃料消耗量时不可缺少的依据。,表示方法：,高发热量,Q,高,：燃料完全燃烧后燃烧产物冷却到使其,中的水蒸气凝结成,0,的水时所放出的热量,。,低发热量,Q,低,：指的是燃料完全燃烧后燃烧产物中的,水蒸气冷却到,20,时放出的热量,。,13,比热、导热系数,煤的比热,随炭化程度的提高而变小。与水分和灰分含量成线性关系。,泥煤：,0.33,；褐煤：,0.29,；烟煤：,0.24,煤的导热系数,随炭化程度和温度的升高而增大。,煤：,0.20.3,千卡,/,米,小时,14,反应性和可燃性,煤的反应性,：煤的反应能力，即燃料中的碳与二氧化碳及水蒸气进行还原反应的速度。反应性的好坏是用反应产物中,CO,的生成量和氧化层的最高温度来表示。,CO,的生成量越多，氧化层的温度越低，则反应性就越好。,煤的可燃性,：燃料中的碳与氧发生氧化反应的速度，即燃烧速度。,煤的炭化程度越高，则反应性和可燃性就越差。,15,6.2,碳的燃烧化学反应,煤的燃烧过程大致可分为,5,步：,干燥,。,100,左右，析出水分；,热解,。约,300,以后，燃料热分解析出挥发分，为气态的碳氢化合物，同时生成焦和半焦；,着火,。约,500,，挥发分首先着火，然后焦开始着火；,燃烧,。挥发分燃烧，焦炭燃烧。挥发分燃烧速度快，从析出到基本燃尽所用时间约占煤全部燃烧时间的,10%,；挥发分的燃烧过程为气,-,气同相化学反应，焦炭的燃烧为气,-,固异相化学反应；,燃尽,。焦炭继续燃烧，直到燃尽。这一过程燃烧速度慢，燃尽时间长。,16,煤的热分解,煤被加热到一定温度后，进入热分解阶段。,热分解阶段释放出焦油和气体，并形成剩余焦炭，这些焦油和气体称为挥发分。,挥发分由可燃气体混合物、二氧化碳和水组成。其中可燃气体包括一氧化碳、氢、气态烃类和少量酚醛。,煤加热时释放出的挥发分的重量和成分取决于加热升温速度、加热最终温度和在此温度下的持续时间。根据升温速度不同，将热解过程分为慢速热解和快速热解：,慢速热解,：加热煤粒的升温速度小于,2/s;,快速热解,：加热煤粒的升温速度大于,104/s,；,居于慢速热解和快速热解之间的热解过程为,中速热解,。,17,18,碳的晶格结构,金刚石晶格结构,对燃烧技术没有意义,石墨晶格结构：,由六角形组成的基面叠结,而成,。,晶体内部每个碳原子三,个价电子在,基,面内形成稳定化,学键，第四个价电子则分布在,基面之间的空间内，键的结合,力较弱。,19,常温下,，碳晶格表面和周界上能吸附气体分子，称为物理吸附。物理吸附不能发生化学变化。,温度较高时,，气体分子具有较高的相对速度，能侵入石墨晶格表面层基面间的空间内，把基面的空间距离撑大，和碳原子形成新的键。碳和氧会形成固溶络合物，该络合物可能会由于其他具有一定能量的氧分子碰撞而结合成,CO,和,CO,2,。,温度很高时,，单纯物理吸附不存在，晶体周界对氧分子的化学吸附能力增加，吸附后形成的碳氧络合物会受热分解成为,CO,和,CO,2,气体，或被其他分子碰撞而离解，离开晶体而形成自由分子。,20,碳燃烧的化学反应机理,碳燃烧是一个气固间的异相化学反应过程，此时碳和氧,之间的反应是在碳的吸附表面上进行的。,碳燃烧释热的化学反应过程为：,KJ,KJ,表示整个化学反应的物质平衡和热平衡，是,总体反应,。,反应过程,反应机理,21,研究表明，碳与氧相遇后首先发生,初次反应,：,初次反应生成的,CO,和,CO,2,通过周围的介质扩散出去，,能够重新被碳表面从气体介质中吸附，在一定条件下发,生,二次反应,。,初次反应和二次反应同时交叉平行进行着，构成碳燃,烧过程的基本化学反应。,或,KJ,KJ,22,碳表面有水蒸气,存在时，还可能进一步进行以下反应：,在靠近碳表面的气体层中，还可能发生下列反应：,上述反应过程中哪些是主要的，取决于温度、压力以及气体成分等燃烧过程的具体条件。,3,C,+4,H,2,O,=4,H,2,+2,CO,+,CO,2,2,H,2,+,O,2,=2,H,2,O,CO,+,H,2,O,=,CO,2,+,H,2,23,1.,初次反应,对于碳和氧的初次反应产物，有三种观点：,二氧化碳学说,碳的氧化产物中,CO,2,是初次产物，燃烧中的,CO,是,CO,2,与,C,相互作用形成的二次反应产物。,一氧化碳学说,碳与氧反应的初次产物是,CO,，,CO,再与氧化合生成,CO,2,。,目前普遍接受的第三种观点,碳与氧首先生成碳氧络合物，络合物再生成,CO,和,CO,2,。,或,(,氧化反应）,24,初次反应：（氧化反应）,(1),当温度略低于,1300,时,碳和氧的反应机理,:,物理吸附为主，反应过程为一级反应；,氧分子落入碳晶格内生成络合物。,由于温度不高，络合物热离解的可能性不大而处于稳定状态，一,旦有能量较高的氧分子撞击此部分时，将发生以下离解反应：,简化方程式就可写成：,或,络合：,离解：,燃烧反应由溶解、络合、在撞击下离解等诸环节串联而成。,25,氧消耗速度,(,即燃烧速度,),为：,k,1,络合速度；,k,2,撞击下离解的速度常数；,C,b,氧的表面浓度。,26,1,C,b,很小时,：，则,一级反应，与氧气的一次方成正比，反应速度取决于离解速度,2,C,b,很大时,：，则,零级反应，反应速度取决于络合速度，而与氧气浓度无关,通常空气中不会很大，碳的化学反应是一级反应,：,27,(2),温度在,1600,以上时，碳和氧的反应机理：,高能氧分子份额增多了，但同时已溶解的氧分子的解脱作用也加,大了；,碳和氧的一次反应通过晶体边界的棱和顶角的化学吸附完成；,高温下氧分子撞击碳表面的频率增大，但此时,化学反应取决于较,慢的化学吸附速度,，与氧分子浓度和撞击频率无关。属于零级反,应。,化学吸附形成络合物：,高温下自行热分解：,简化方程式可写成：,燃烧反应包括吸附、络合、热分解三个环节。,络合：,热分解：,28,化学吸附速度,(,即燃烧速度,),为：,碳与氧反应的速度公式统一表示为：,（,一级反应）,撞击下分解的速度常数：,k,1,化学吸附的速度常数：,k,1,反应机理,阿累尼乌斯定律：,k,29,2.,二次反应,(,气化反应或二氧化碳的还原反应,),KJ,该反应为一吸热反应，是煤气发生炉中进行的主要化,学反应。,CO,2,首先要吸附到碳的晶体上，形成络合物，然后络,合物分解成,CO,，解析离开碳表面。,30,由于,CO2,的化学吸附活化能比氧的溶解活化能大得,多，因此这一反应只 有在温度很高时才能显著起来。,T400,，,CO2,的固溶络合和化学吸附络合开始显；,T700,，零级反应。最为薄弱环节为碳氧络合物如何自我分解；,T950,，一级反应。最为薄弱环节为碳氧络合物受,CO2,撞击分解；,温度更高，一级反应。最为薄弱环节为化学吸附过程。,气化反应的速度,：,（一级反应）,31,“,碳的氧化反应和气化反应相比，究竟哪一个速度快？,”,往往是,锅炉和冶金炉燃烧技术上感兴趣的一个问题。,碳的氧化反应的活化能较小一些，表现为一根稍平缓的直线。,碳与二氧化碳的气化反应的活化能大一些，表现为一根较陡的直线。,比较后知，氧化反应的速度常数在,1200,1500,的范围内比气化反应的速度常数要大,10,30,倍。,32,氧化反应,：强烈的放热反应，如强化，放热,更多，温度更高，反