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1、第七章固体燃料燃烧固体燃料的燃烧与气体燃料、液体燃料都不同,气体燃料的燃烧是一种纯粹的单相燃烧过程;液体燃料的燃烧虽属异相燃烧,但实质上仍是按气相燃烧过程进行的。只有固体燃料的燃烧,是在固体与气体之间进行的异相扩散燃烧。这种燃烧比气体燃料和液体燃料的燃烧都复杂,至今尚有许多问题,还未得到解决。但固体燃料的地位,随着近年来石油的危机和能源的紧张以及环境污染而日益显得重要。我国是以煤炭为第一能源的国家,固体燃料(煤)的开发与利用对国民经济的发展起着重要的制约作用。当然,固体燃料不仅包括煤、木柴,还包括非金属硼和镁、铝等金属燃料,以及各种固体推进剂燃料等等,但我
2、们仅研究常用的固体燃料煤的燃烧过程,通过对这一具体对象的基本燃烧规律的研究来了解异相燃烧的一般规律。内容如下：第一节固体燃料燃烧过程第二节碳粒燃烧速度第三节碳粒燃烧机理第四节焦炭的燃烧第一节固体燃料燃烧过程煤在受热时,表面上或渗在孔隙里的水分,首先蒸发变成干燥的煤,接着就是挥发物逐渐析出,剩余的基本上是碳和灰所组成的固体残物,称为焦炭,当外界温度较高又有足够的氧时,析出的挥发物就会燃烧起来,最后才是焦炭的着火和燃烧。其过程为:原煤干煤碳燃烧干燥水分挥发份析出并燃烧焦炭灰除去固体燃料中的可燃物,除挥发物外主要是碳,碳在固体燃料中所占比重最大,是燃料中最主要的
3、可燃质,例如:无烟煤中碳的发热量占总发热量的90％以上。而碳的着火温度又比挥发物着火温度要高得多,所以,碳的着火最晚,燃烧时间最长,燃尽也最迟,碳的燃烧过程是固体燃料中最长的一个阶段,因此,固体燃料煤的燃烧,可以认为基本上就是碳的燃烧,碳的燃烧过程基本决定了煤的燃烧过程。第二节碳粒燃烧速度碳的燃烧属于异相反应,异相反应的特征是:物质在异相分界表面上发生反应。异相反应可以在外部表面进行,也可以在内部表面进行。当反应温度愈高和固体燃料的反应能力愈大时,则反应很大程度上集中于物体的外表面上进行,反之,温度愈低和反应能力愈小,则反应愈渗入到物体的内部。内部表面为外
4、部表面的连续,没有明显的界限。分界面上发生的反应一般由下列步骤组成:氧扩散到燃料表面;经扩散的氧气为表面所吸附;吸附的氧和燃料反应,形成生成物;生成物从表面解吸;解吸的生成物扩散离开表面。因此,决定碳粒燃烧快慢的因素主要是扩散和反应动力学两个因素。下面分析碳粒的燃烧速度。首先说明一个问题:异相燃烧速度与同相燃烧速度不同:异相速度:单位时间内单位表面上起燃烧反应的物质量(Kg/m2.s)同相速度:单位时间内单位容积内起燃烧反应的物质量(Kg/m3.s)异相燃烧的总速度是指整个异相过程进展的速度,取决于异相过程中最慢阶段的速度。如同同相反应一样,异相燃烧速度既
5、可以用碳的消耗量来表示,也可以用氧的消耗量来表示。前已述及,反应时氧的消耗量应服从质量作用定律,实验结果和理论分析都表明固体表面上异相化学反应都是0～1级的反应,即:Vm=kCn由于碳燃烧现象的复杂性,在研究时往往无法同时考虑所有各种影响因素,所以常采用不同程度的简化,一般假设在碳表面上化学反应是一级反应,则在燃烧时反应所消耗的氧量就应为:VmO2=K.CbCb──碳表面上氧气浓度。第三节碳粒燃烧机理碳的一般燃烧方程式为:C+O2──CO2;2C+O2──2CO其反应机理为:①初次反应:温度<1200～1300℃时,CO2／CO=14C+3O2──2CO2
6、+2COor温度高于1500～1600℃时,CO2／CO=1／23C+2O2──CO2+2CO②二次反应:C+CO2──2CO异相反应CO+O2──2CO2同相反应当有水蒸汽时,还会发生下述反应:C+H2O──CO+H2上述反应在燃烧过程中,同时交叉进行,究竟哪些速度高,哪些速度微弱可被忽略,都得根据情况来定。下面分别讨论一下上述机理:1.氧化反应机理──碳与氧的反应碳与氧反应的机理是:首先生成中间暂态的碳氧络合物CxOy,这种中间络合物再进一步变化生成CO2和CO即:xC+(y/2)O2──CxOy──mCO2+nCO其中CO2与CO的比例随温度的变化而
7、变化,Arthur指出下列关系式:当T=730～1170K时,n/m=CO/CO2=2500exp(-6240/T)特征:氧化反应是强烈的放热反应,氧化反应如能强化,放热增多,温度更高,反应更剧烈。当碳中含有矿物杂质时对燃烧也有催化影响,例如含有钾、钠的氧化物及盐类时,碳的活性会明显提高,氧化反应就能大大加强,如在赤热的煤上洒些食盐(NaCl)就可以使燃烧强化,大大提高燃烧速度。2.气化反应机理──(C与CO2的反应)C+CO2──2CO吸热反应此反应在t≥1200～1300℃的高温下进行,温度愈高,反应进行的愈剧烈,对燃烧过程有较大影响,其主要表现为:①
8、吸热:吸热反应的存在必然要吸收一部分热量,这对碳表面来说是一个"冷
