燃烧学（西安交大）第4-5章固体燃料燃烧混合与传质

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1、燃烧学西安交通大学能源与动力工程学院主讲人：周屈兰西安交通大学能源与动力工程学院1第四章固体燃料燃烧¢4.1概述¢4.2异相化学反应及碳化学反应速度¢4.3碳球燃烧过程与燃尽时间¢4.4煤粉两相流的燃烧¢4.5煤粉的火炬燃烧西安交通大学能源与动力工程学院24.1概述¢煤的燃烧过程有自己的特点：加热气态产物：着火燃烧挥发分V供O2受热裂解煤加热剩余固态产物：着火燃烧燃尽焦炭C放热Q西安交通大学能源与动力工程学院3焦炭占可燃成分的质量焦炭发热量占煤总发热量的百百分比，%分比，%无烟煤96.595烟煤57-7859.5-83.5褐煤5566泥煤3040.5木柴1520¢可见：焦炭（C）无论在煤中的质

2、量百分比或燃烧放热（发热量）的百分比都是占主要地位。¢①煤中焦炭量占55-96.5%，发热量占66-95%。¢②焦炭燃烧是异相化学反应，反应速度慢。焦炭燃烧的时间约占全部燃烧时间的90%，也就是说，挥发分燃烧时间仅约10%。这也说明了焦炭燃烧比气体燃料燃烧要困难的多。¢③从提供热量的角度，焦炭具有主要意义，∵它提供了大量的热量。¢所以可以认为：煤的燃烧过程主要是一个异相（非均相）化学反应。西安交通大学能源与动力工程学院4煤中碳的结构特征¢固体碳的两种结构——金刚石和石墨¢金刚石的晶格结构中C原子排列十分紧密，原子键结合力很大，所以金刚石硬度高而活性小，很不容易氧化，且压力越高热稳定性越好，故没

3、有燃烧价值。西安交通大学能源与动力工程学院5煤中碳的结构特征煤中主要是石墨晶格，石墨晶格是复杂的六棱柱结构组合。1.41×10-10m第一层第二层3.345×10-10m第三层第四层西安交通大学能源与动力工程学院6煤中碳的结构特征在六角形基面中，碳原子间距1.41×10-10m，所以结合比较牢固。1.41×10-10m而六角形基面之间的距离较大，可达第一层3.345×10-10m，故结合第二层较弱，不能阻-10止其它原子3.345×10m（如O原子）第三层的深入，而发生氧化反应。第四层西安交通大学能源与动力工程学院7煤中碳的结构特征另外，六角形基面上的C原子都是以3个价电子与基面1.41×10

4、-10m而周界和边缘上其它C原子结合，结合紧上的C原子的密，反应活性就低。结合键要少，第一层因此活性较好，但是活化第二层能仍然较高。3.345×10-10m第三层第四层西安交通大学能源与动力工程学院8¢内空隙及表面积、密度¢煤中含有水分¢煤中含有灰分¢煤中挥发份的量以及析出过程¢这些都影响着焦炭的反应特性西安交通大学能源与动力工程学院94.2异相化学反应动力学¢4.2.1异相化学反应基本步骤¢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)。¢通常气固异相反应包括如下步骤：西安交通大学能源与动力工程学院10而整个碳表面上的4.2.1异相化学反应基本步骤反应速度决定于其第一步

5、：O必须通2O过扩散到达碳的表2中最慢的一步。面，并被碳表面吸附第三步：反应产物从碳的表面上脱离（解碳球吸），并从碳表面向外扩散开去第二步：在碳表面上进行碳—氧反应，并生成反应产物西安交通大学能源与动力工程学院11温度与吸附的关系温度吸附原理吸附的化学变化条件常温主要是物理吸附，并随T↑---吸附气体脱离无化学变化中温发生化学变化气体分子溶入晶格基面之间----形成固溶络（∵络合物与原来的气合物体--O的性质不同）2高温不存在物理吸附，仅有很少的固溶络合物。发生化学变化，产生新主要是晶体周界和边缘上的C原子对气体气体。化学吸附后的新（O）的化学吸附，但吸附活化能很大。气体可能自动或被撞击2∴只

6、能在很高温下，化学吸附才显著。而解吸。西安交通大学能源与动力工程学院12焦炭反应活性¢由于碳晶体边界与中心的活性不同（价电子低）——边界反应活性更好。¢基面上与基面间的活性不同（间隙大）——基面间反应活性更好。¢内、外表面积大小不同——表面积大反应活性更好。¢所以不同的焦炭其化学反应速度相差甚大。一般密度小孔隙率高（疏松）的焦炭，粒径小的焦炭（比表面积大，内空隙易暴露），反应活性更强。西安交通大学能源与动力工程学院13对C+CO=2CO反应的焦炭活性顺序2活性大活性小泥煤焦炭木炭褐煤焦炭烟煤焦炭无烟煤焦炭西安交通大学能源与动力工程学院144.2.2碳燃烧异相反应理论¢根据异相反应的步骤，首先需

7、要建立的理论，是吸附（解吸）的理论第一步：O必须通2O过扩散到达碳的表2面，并被碳表面吸附碳球西安交通大学能源与动力工程学院15O设碳表面上的吸附了氧的面积2份额为q，则吸附了Ｏ分子的表面积２q=碳的总表面积碳球又称表面遮盖率。吸附了O的碳表面上，不能再吸附新的O分22子，而只能把碳—氧反应产物解吸出去。因此，解吸的速率w与碳表面上O的吸附面积份j2额q成正比，即吸附面积率q愈大，反应物愈多，向外