燃料燃烧理论ppt课件

3.3 燃料燃烧理论,1,3.3.0 燃烧理论的发展历史,直至18世纪以前，发展缓慢，对燃烧现象的本质几乎一无所知。 之后：燃素的概念出现（物质是否燃烧被归于是否含有燃素） 1765年燃烧是物质的氧化（燃烧理论的萌芽） 19世纪出现热化学和化学热力学（将燃烧作为热力学系统，考察其初态和终态，静态特性的研究） 20世纪初燃烧反应动力学（研究燃烧过程的动态过程的理论） 3040年代火焰传播的概念湍流燃烧理论（认识燃烧过程的限制因素不仅在于反应动力学，而且受限于传热传质的物理过程） 5060年代德国人Von Karmen提出用连续介质力学来研究燃烧，称为化学流体力学或反应流体力学。 大型计算机出现，形成计算燃烧学，建立了燃烧的数学模拟方法和数值计算方法；同时测试技术的发展使精密测量成为现实。,基本理论+数学模型和数值计算+先进的测量技术,2,燃烧应用研究的发展方向,要求燃烧不断强化和趋于更高能量水平； 探讨高温、高压、高速、强湍流条件下的燃烧 要求燃烧过程高效率，节省燃料等； 洁净燃烧，减轻环境污染 火灾的起因与防治,3,3.3.1基本概念及燃烧理论,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发光的现象。 燃烧可以产生火焰，而火焰又能在适合的可燃介质中自行传播。这种火焰能自行传播的特性是燃烧反应区别于其他化学反应的最主要特征。 燃烧可分为普通的燃烧和爆炸性燃烧两种类型。 普通的燃烧：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。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。,4,一般窑炉中燃料的燃烧，属于普通的（正常的）燃烧。 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。 一种是可燃气体如H2、CO及CmHn等，另一种是固态碳。 例如： 液体燃料，受热气化形成气态烃类，同时在高温缺氧处，煤气中的重碳氢化合物裂解，生成碳黑。 固体燃料燃烧时，首先是挥发分逸出，随后是可燃气体和固态碳燃烧。 讨论燃料的燃烧过程，可分别讨论可燃气体、固态碳两种基本可燃组分的燃烧。,5,1、可燃气体（H2 、CO及烃类）的燃烧,可燃气体的燃烧过程是一系列链锁反应。 链锁反应的产生必须要有链锁刺激物（中间活性物）的存在，如H、O及OH。它们是由于分子间的互相碰撞、气体分子在高温下的分解、或电火花的激发而产生。 在氢气或一氧化碳的燃烧过程中 ，有氢或水汽的存在可产生刺激物，加速反应的进行。 甲醛的存在，可产生O活性原子刺激物，对烃类的燃烧有利。 延迟着火现象,6,2、固态碳的燃烧,碳的燃烧是气-固相两相反应的物理-化学过程。氧气扩散至碳粒表面与它作用，生成CO及CO2气体再从表面扩散出来。 碳和氧反应的机理 燃烧反应过程控制机理,燃烧碳粒附近CO2、CO、O2浓度的变化,扩散控制还是反应动力学控制？,7,3、火焰及其传播,燃烧焰面以热传导的方式传给邻近一层的气体，使其燃烧形成新的燃烧焰面，这种焰面不断向未燃气体方向移动的现象叫火焰的传播（扩散）现象。 火焰面移动的速度称火焰传播（扩散）。是指单位时间内，在火焰单位面积上所烧掉的气体体积（m3/m2s），也称为燃烧速度。 火焰传播速度与燃气种类、燃气与空气比例、混合气体压力和温度有关。在过量空气系数值接近于1而略小于1时，出现最大值。,8,点燃处气流速度=火焰传播速度，火焰根部稳定 气流速度火焰传播速度,火焰根部远离喷嘴,严重时完全熄火。 若气体喷出速度较火焰扩散速度，火焰根部可能移至烧嘴，发生“回火”而有产生爆炸的危险。 材料生产中，要控制燃烧火焰的长度、性质、刚度。 火焰长度的控制是通过燃烧方法的选择及气流速度的调整来实现的。 火焰的性质，系指火焰气氛，有氧化焰、还原焰、中性焰之分。 火焰的刚度，系指火焰的刚直情况，它与喷出气流的速度有关。流速大，则刚度好。在玻璃池窑中要求火焰具有一定的刚度。,9,3.3.2 不同燃料的燃烧过程,1、气体燃料的燃烧 包括三个基本过程：燃料与空气的混合，着火，燃烧。 混合过程比着火、燃烧过程缓慢许多，混合速度和混合程度对燃烧速度和燃烧完全程度起着决定性作用。 根据燃气与空气的混合方式，可将燃烧分成扩散燃烧和预混燃烧。,10,2、液体燃料的燃烧 燃烧方法通常有蒸发燃烧和雾化燃烧两种。 对容易蒸发的燃料油，例如汽油，在燃烧前燃料先气化，与空气混合后着火燃烧，这种燃烧（蒸发燃烧）接近于均相燃烧。 对难于蒸发的燃料油，例如柴油和重油，一般采用雾化燃烧，在燃烧室中边雾化、边蒸发、边着火燃烧，这种燃烧属于非均相燃烧。 燃料油的雾化燃烧过程：雾化、蒸发、混合、着火和燃烧 雾化方法:压力式、气动式、旋转式、对冲式、振动式等 雾化质量指标有：喷雾锥角、喷雾射程、燃料的分布特性、雾化液滴细度、雾化液滴的均匀度、雾化液滴尺寸分布特性。,11,燃油雾化现象,12,燃油雾化现象,13,油珠破碎过程,气动力,表面张力,14,离心喷嘴,15,气动喷嘴,特点：,雾化质量高 排气冒烟少 贫油熄火范围窄 可采用特殊的气化剂,16,其它喷嘴,17,3、煤的燃烧,(1)单颗粒煤的燃烧 煤燃烧是煤分子和氧气之间发生的激烈的氧化反应。煤粒达到着火温度燃烧才能持续进行，而着火温度只有通过加热才能达到。 煤粒的燃烧过程主要包括脱气（挥发分释放）、挥发份着火和燃烧、固定碳燃烧（残焦燃烧）三个阶段。 由于固定碳的燃烧及燃尽需要更长的时间，故在燃烧过程中更为重要。,18,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%,19,（2）层燃燃烧,20,层燃燃烧装置,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,21,（3） 喷燃燃烧 用于煤粉的燃烧（三通道喷煤管）,合理组织炉内气流以加速煤粉着火 合理控制一次风量和一次风温 合理空气过剩系数 合适的一次风喷出速度 加速固定碳的燃烧,22,燃 烧 器,23,煤粉燃烧器,24,25,（4） 悬浮燃烧与沸腾燃烧 燃料在沸腾炉中 的运动特点 沸腾燃烧特性,26,（5）水煤浆的燃烧,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,27,水煤浆单滴燃烧模型,28,3.4 洁净煤技术,洁净煤技术（clean coal technology）是旨在减少污染和提高效益的煤炭加工、燃烧、转换和污染控制等新技术的总称。 它包括煤炭使用环节的净化和防治污染的技术。主要为洁净生产技术、洁净加工技术、高效洁净转化技术、高效洁净燃烧与发电技术、燃煤污染排放治理技术等。,29,煤燃烧前的处理和净化技术,洗选处理： 除去或减少原煤中所含有的灰分、矸石、硫等杂质，并按不同的煤种、灰分、热值和粒度分成不同的品种等级。 其过程包括：破碎、筛分、分选（跳汰分选、重介分选等）、存储等环节。 就选煤能力而言，中国仅次于美国，居世界第2位，但总的来说煤炭入洗率很低，仅有1/4煤炭入洗。,30,31,32,煤炭的脱硫,全国各地的煤炭都不同程度地含有化学成分“硫”，然而绝大部分的煤不经过处理就直接进入工业窑炉、工业锅炉内燃烧，燃烧产生的SO2等有害物质又直接排放到大气中，我国每年排放到大气的SO2有18002000万t，其中80%来自燃烧过程。 1998年我国SO2排放总量成为世界SO2排放量最高的国家，且随着我国经济的迅速发展，煤炭消耗量的不断增加，排放量将以每年100万t递增，致使我国的酸雨(PH5.65)覆盖面积已占到国土面积的40%，酸雨造成的经济损失每年达数百亿元。,33,34,1-Weak control, total emission, not including countryside data 2-Weak control, predicted total emission, including countryside data 3-Strict control, predicted total emission 8-Idealized perfect control 4-Strict control, emission from two control zones 7-Weak control condition 5-Strict control, emission from electricity generation 6- Existed distribution,1 2 3 4 5 6 7 8,中国SO2排放量的逐年变化和预测,35,全球污染排放情况,70,60,50,40,30,20,10,7,6,5,4,3,2,1,SOx,CO2,NOx,SOx (MtS),CO2 (GtC),NOx (MtN),1860 1900 1950 2000,年份,36,煤的脱硫,煤中硫的分布 煤炭脱硫与硫在煤炭中的赋存状态有着密切的关系。煤炭中硫按照硫的赋存状态可分为有机硫和无机硫，有机硫包括硫醇、硫醚和噻酚硫，约占全硫含量的60%-70%；无机硫包括黄铁矿硫、硫酸盐硫和单质硫，约占全硫含量的30%-40%，黄铁矿（FeS2）是煤炭中硫的主要组成部分。 中国煤中硫的含量变化很大(0.2%8%)。我国煤炭资源平均灰分为17%，平均硫分为1.11%。其中，高灰分、高硫分的煤比重大，高硫煤储量约占煤炭总量的1/3左右。,37,采用的脱硫方法按工序,按照脱硫工序在煤炭利用过程中所处阶段的不同，煤碳脱硫可以分为： （1）燃烧前脱硫 在煤炭的燃烧之前进行，最经济常用的有洗选法等，但洗选法主要去除无机硫，对有机硫效果不好； （2）燃烧中脱硫 煤燃烧过程中进行脱硫处理，即在煤中掺烧固硫剂（如石灰石粉、白云石粉、生石灰等）固硫，固硫物质随炉渣排出。 （3）燃烧后脱硫 煤燃烧后进行脱硫处理，即对尾部烟气进行脱硫处理，净化烟气，降低烟气中的SO2排放量。是目前世界上大规模商业化应用的脱硫技术，它是控制SO2最行之有效的途径。,38,采用的脱硫方法按反应方法,按照脱硫工序在煤炭利用过程中所处阶段的不同，煤碳脱硫可以分为： （1）物理脱硫法 物理脱硫法是基于煤中硫的存在形式主要是硫化铁与煤基体的物理化学物质，如利用密度、电性质、磁性质、表面性质等的不同，将其与煤基体分离开来的过程。常用的方法有重介质法、跳汰法、浮洗法、磁选法、辐射照射法等。 （2）化学脱硫法 化学脱硫法是利用化学试剂在一定的条件下与煤发生化学反应，使煤中的硫转化为可溶物，继而从煤中洗脱的一种脱硫方法。根据所用化学试剂的种类和反应原理的不同，化学脱硫法可分为碱处理法，氧化法，溶剂萃取法，热解法，微波处理法等。 化学脱硫目前还处于试验阶段，尽管它可以脱去所有的无机硫和大部分的有机硫，但工艺复杂，需在一定的酸碱条件下进行，有时甚至需要较高的温度，对煤的性质影响较大，如可能引起煤的黏结性差异、发热量降低等。,39,采用的脱硫方法按反应方法,按照脱硫工序在煤炭利用过程中所处阶段的不同，煤碳脱硫可以分为： （3）生物脱硫法 煤的生物脱硫技术大体可分为生物浸出法、生物表面法和生物浮选脱硫法。 当前微生物煤炭表面改性强化脱硫方面的研究主要集中在以下几个方面：一是选择、发现新菌种，对老菌种进行培养、驯化，使之具有新的功能，扩大其应用；二是探索最适宜的细菌作用、改性、分选的条件，以尽量接近现行的工业生产条件；三是结合以上的研究和试验过程，进行有关煤、黄铁矿或其他矿物颗粒表面性质变化的测定、分析，以掌握其规律，了解其改性和吸附机理。 目前，微生物脱硫还仅停留在实验室阶段，但却是当前国际上脱硫研究开发的热点，我国在这方面也做了许多有益的工作。可以预见，随着微生物技术的发展，微生物在煤炭脱硫中是大有可为的。,40,湿法脱硫 湿法脱硫工艺绝大多数采用碱性浆液或溶液作为吸收剂，是目前使用最广泛的脱硫技术。,采用的脱硫方法按工艺,41,干法脱硫 干法脱硫工艺利用粉状或颗粒状吸收剂，通过吸附、催化反应或高能电子电解等作用除去烟气中的SO2。反应在无液相介入的完全干燥状态下进行，反应物亦为干粉状，不存在腐蚀和结垢等问题。相对于湿法脱硫技术，干法脱硫技术具有耗水量少、不造成二次污染、硫便于回收等优点，但由于气固反应速率较低，致使脱硫过程空速低、设备庞大，脱硫率不及湿法。,42,温度型（热力型）NOx、燃料型NOx和快速温度型NOx。 温度型NOx:燃烧用空气中的N2在高温下氧化而生成的氮氧化物。 燃料型NOx： 燃料中的氮受热分解和氧化而生成的。减小炉内过量空气系数或抑制挥发分燃烧区燃料与空气的混合，可使燃料型NOx生成量减少。 快速温度型NOx：发生在碳氧化合物较多的燃料燃烧火焰中，生成速度快，也是由空气中N2氧化而来，在燃煤火焰中，它只占5 % 以下。,NOx的生成与控制,43,温度型NOx,燃烧温度越高，dNOx/dt越大,生成NOx越多，故又称为热力型NOx。在实际中，应尽量避免局部高温区的形成，以减少NOx生成量。 氧浓度越高，NOx生成速度越快，NOx越多。 对预混火焰 1时，增加，燃烧温度随之增加，NOx生成率增加； 1时，氧浓度增加，但燃烧温度大大降低，故NOx生成率反而降低； 1时，NOx最大。 对扩散火焰 混合情况较差，NOx生成率的最大值移至1的区域，且因燃烧温度较低，NOx生成率最大值降低。 缩短燃料在高温区的停留时间，NOx生成反应不充分，可以减少NOx量。,44,低NOX的控制技术,改善燃烧技术，使炉内NOX的生成量减少 煤粉燃烧时产生的NOX，80%由煤的氮燃烧生成，20%是由空气中氮由于高温反应转变为温度型NOX。 保持适当的一次空气量，以便控制燃烧速度。 防止NH3、HCN等转变为NOX，减少挥发分中的氮化合物转变为NOX。 烟气再循环技术。在气体燃烧的情况下，降低燃烧温度，减少温度型NOX的生成。,45,具体的脱硝技术,湿法：在溶液中进行反应。与湿式排烟脱硫法联合使用 干法：在气相中进行反应。 用NH3为还原剂的选择性还原法 4NH3+4NO+O24N2+6H2O 8NH3+6NO27N2+12H2O 用CO、氢、碳氢化合物进行分解的非选择性还原法,46,煤燃烧的烟气除尘,燃煤产生的大气污染物占我国烟尘排放总量的60%，粉尘的70%以上，因此烟气除尘是一个突出的问题。 常用的烟气除尘器 离心分离除尘器 洗涤式除尘器 袋式过滤除尘器 静电除尘器,47,