燃烧学第七章固体燃料的燃烧

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1、燃烧学第7章固体燃料的燃烧7.1概述一、固体燃料燃烧的特点固体燃料煤、油页岩、木柴、甘蔗渣等都是碳氢化合物，可作为固体燃料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%。一、固体燃料燃烧的特点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%无烟煤96.595烟煤57~8859.6~83.5褐煤5566泥煤3040.5木柴1520常见固体燃料可燃质情况一、固体燃料燃烧的特点煤的燃烧过程大致可分为5步：干燥。100℃

2、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。7.2煤的热解一、概述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

3、、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。二、挥发分的析出煤的热解过程快速玻璃化孔隙中液态热解产物沸腾，释放出气泡此时孔隙中充满液态热解产物初次挥发物焦油、CO2、CO、C2、C6H6、CH4、H2O半焦孔隙加大慢速热解，温度水平为400~600℃快速热解，温度水平为2000℃初次挥发物中速初次挥发物扩散通过煤粒内部孔

4、隙或燃料层时裂解或热分解二次挥发物CO2、CO、C2H6、CH4、H2O、液体+二次焦油半焦慢速离解三次挥发物饱和和不饱和H2和气态碳氢化合物焦炭三、煤的热解反应动力学模型煤的热解过程及其复杂，因而建立热解反应动力学模型来描述煤粒热解的动力学过程，并进而计算挥发物的析出速率也是一个十分复杂的问题。上式可描述中等温度时的热解过程，称为一步反应模型，由Badzioch提出。T——热解温度；av——在时间t内析出的挥发分的质量；av∞——从煤粒中析出的挥发分的最大质量。三、煤的热解反应动力学模型Stickler提出了两个平行反应方程模型，假定煤粉颗粒在快速热解下由两个平行反应控

5、制挥发分av1+剩余焦炭ah1挥发分av2+剩余焦炭ah2Ck1a11-a1k2a21-a2a1、a2——挥发分在两个反应中所占当量百分数ac——原煤中干燥无灰基挥发分含量av1、av2——两个反应所析出的挥发分的质量ah1、ah2——两个反应所析出的焦炭的质量三、煤的热解反应动力学模型Stickler给出：E1=74106J/mol；E2=252464J/mol；k01=3.7×105s-1；k02=1.46×1013s-1；由于E2>E1，k02>k01，所以在低温时，第一个方程将起主要作用；在高温时，第二个方程将起主要作用。7.3碳燃烧的异相反应理论一、碳燃烧的异相

6、反应理论根据Lanmuir的异相反应理论：碳和氧的异相反应是氧分子溶入碳的晶格结构的表面部分，由于化学吸附络合在碳晶格的界面上。在碳表面上的吸附层只有单分子的厚度，该吸附层首先形成碳氧络合物，然后由于热分解或其他分子的碰撞而分开，这称为解析。解析形成的反应产物扩散到空间，剩下的碳表面再度吸附氧气。一、碳燃烧的异相反应理论整个碳表面上的气固异相反应可分为以下步骤：氧必须扩散到碳表面；扩散到碳表面的氧被表面吸附；吸附在碳表面上的氧在表面进行反应，形成反应物；反应物从表面解析；解析的产物必须从碳表面扩散出去。整个碳表面上的反应速度取决于上述步骤中最慢的一个。二、碳燃烧的异相反应

7、理论先不考虑扩散的因素，假定碳表面上吸附了氧的面积份额为q，即：q=吸附了气体分子的表面积固体的总表面积在吸附了氧的碳表面积上，已不能再吸附新的氧分子了，而只能解析氧和碳的反应产物。解析速度和q成正比：vj=k-1q解析速度常数由于剩余部分没有吸附氧，因而表面附近的氧分子就会吸附上去，其吸附速度和(1-q)及表面上的氧的浓度成正比vs=k1Cs(1-q)吸附速度常数碳表面上的氧浓度二、碳燃烧的异相反应理论如果吸附和解析之间达到平衡，此时碳表面上吸附了的氧的面积份额q将不再变化，从而可求出q：由于碳和氧的反应只能在吸附了氧的那部