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1、第10章煤的燃烧基础§10.1引言煤是人类早己使用的固体燃料，对煤的使用要比对石油的使用早得多。但是,由于煤燃烧的复杂性，以及工业生产也没有提出对煤的燃烧进行深入细致研究的必要，因而，人们对煤的燃烧机理和规律的了解大大落后于对油的燃烧规律的了解。只是到了本世纪七十年代，由于煤在燃料工业中地位上升，人们对煤的研究才空前活跃起来。现在不只是硏究一般锅炉中煤的燃烧问题，而且各种煤粉强化燃烧装置出现了，如MHD发电机被称之为烧煤的地面火箭，用高温的等离子体点燃粉煤，可以使煤粉温度骤然升高到几千度的高温，使煤粉的点燃
2、极为容易,煤和油混合形成COM（Coal-OilMixture）燃料以及煤的液化、气化等项研究工作也开展得很广泛。计算机技术，湍流和两相流理论的发展，使得煤粉一一空气两相燃烧的物理模型和数学模型也有了很大的发展。可以说本世纪七十年代中期是世界各国对煤的燃烧进行广泛研究的新时期的开始。煤是一种很不均匀的矿石燃料。对煤的组成成分的研究是属于岩相学和煤化学的内容。世界煤的种类一下低于1200种。而煤的典型组分按质量百分数计，大约是:碳占65%~95%,氢占2%~7%,氧占3%~25%,水分占1%^10%,氮占1%
3、~2%,硫占1%~10%,灰分占5%~15%o表10—1给出了几种煤的工业分析和化学分析的数据。而图10—1给出了煤分子的结构示意简图。表10-1对煤所做典型工业分析和化学分析数据煤序列烟煤（高挥发份）烟煤（中等挥发份）无烟煤（低挥发份）工业分析（％）水分1.01.01.3固定碳63.225.671.8挥发份2&916.38.8灰分6.96.218.1化学分析（％）C80.684.273.2H4.94.33.1N1.51.20.9S0.70.70.905.43.43.8A6.96.218.1煤在加热升温时,
4、将发生很复杂的过程。首先是煤颗粒变软，成为塑性状态,损失了颗粒的楞角，变得更近于球形，同时不断地释放出挥发份，一般来说，逸岀挥发份的量和挥发粉的组分是对煤颗粒加热温度的函数。挥发份放出之后剩余的固体称之为炭或残碳。挥发份将在碳颗粒外围空间燃烧，形成空间气相火焰，而碳将与气相氧化剂发生气一固两相燃烧。两相燃烧问题将在下边的各节中讨论。木章将着重讨论煤的快速热分解、挥发物燃烧及碳粒燃烧等基木概念及分析方法,为读者今后从事煤燃烧的研究打下基础。§10.2煤的快速热分解§10.2.1快速热分解的概念和实验］粉煤子枪
5、「―—t—T二—收集器图10・2实验装置7F意煤的热解，也就是放出挥发份，也称为破坏性蒸惚。煤热解产生的挥发份的质量百分数和挥发份组分强烈地依赖热解温度，这是在引言中己经提及过的。过去在对煤的热解进行工业性分析时，一般热解温度均在800K左右,这吋挥发份百分数不犬于40%,但是当热解温度升高之后，可以发现热解逸出的挥发份质量百分数将高达70%以上，由此可见，提高温度是提高煤的气化率的重要因索。表10・2给出了不同温度下挥发份的质量百分数。对煤颖粒加热速率低于1000kcal/s，叫做低速加热，当加热速率高于
6、10000kcal/s,就叫快速加热，快速加热时的热解叫快速热解。现在研究热解问题一般是指煤颗粒尺寸不大于100um,加热速率不低于10000kcal/sz热解温度高于1000K,煤颗粒在高温环境中停留时间最多不超过儿秒，而通常情况为5-200ms的时间。表10・2热解产物的质百分数800K1300K1720K2170K38.3%48%60%71%另外，大部分研究者的报告还指出，降低环境压力，以及减小煤粒尺寸也有利于挥发份的逸出。对煤粉进行热分解的实验，可以分成下面三种。第一种实验是把煤的粉末嵌入金属丝的筛
7、孔中，用电加热，因此称为电加热热解法。这种方法的弱点是用金属丝对煤粉颗粒加热时，其温度滞后时间很难确定，因而由滞后造成的金属丝筛温度与颗粒温度间的差别就更难确切知道了。第二种称为火焰热解法，是把煤粉喷到火焰中燃烧产牛热分解。这种方法优点是很接近工业生产过程的实际情况,但弱点是独立变量只有进口参数，而对煤粉颗粒加热速率、最终温度、环境压力等都只能由火焰的结果去间接确定，因而火焰过程的复杂性可能造成挥发量及挥发份组分不精确。第三种是惰性气加热热解法，其优点是环境压力、最终温度,煤粉浓度都比较容易控制，并且对挥发
8、最的测定比较准确，但这种方法也有缺点,那就是对煤粉颗粒的加热速率较难确定。清华大学工程热物理教研室研究煤的挥发问题就是采用第三种方法，用惰性等离子体高温焰加热煤粉，产生快速热解,实验装置示意图如图10-2所示。表10-3给出了几种煤的快速热解所逸出挥发份的百分比情况。表10-3在1300K时快速热解产物煤粉环境气体气体产物摩尔数/%Tarch4h2C2-C4COx烟煤真空<9.950.313.1-26.7烟煤02
