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1、会计学1燃烧燃烧(rnsho)学义固体燃料燃烧学义固体燃料燃烧(rnsho)第一页，共118页。27.1 概述概述(i sh)n n煤的燃烧过程有自己(zj)的特点：气态产物(chnw)：挥发分V受热裂解着火燃烧加热剩余固态产物：焦炭C加热着火燃烧供O2燃尽放热Q煤第1页/共118页第二页，共118页。3可见：焦炭（可见：焦炭（C C）无论在煤中的质量百分比或燃烧放热（发热量）的百）无论在煤中的质量百分比或燃烧放热（发热量）的百分比都是占主要地位。分比都是占主要地位。煤中焦炭量占煤中焦炭量占55-96.5%55-96.5%，发热量占，发热量占66-95%66-95%。焦炭燃烧是异相化学反应焦炭
2、燃烧是异相化学反应(f(f nyng)nyng)，反应，反应(f(f nyng)nyng)速度慢。焦炭速度慢。焦炭燃烧的时间约占全部燃烧时间的燃烧的时间约占全部燃烧时间的90%90%，也就是说，挥发分燃烧时间，也就是说，挥发分燃烧时间仅约仅约10%10%。这也说明了焦炭燃烧比气体燃料燃烧要困难的多。这也说明了焦炭燃烧比气体燃料燃烧要困难的多。从提供热量的角度，焦炭具有主要意义，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。它提供了大量的热量。焦炭占可燃成分的质量百分比，%焦炭发热量占煤总发热量的百分比，%无烟煤96.595烟煤57-7859.5-83.5褐煤5566泥煤3040.5木
3、柴1520第2页/共118页第三页，共118页。4煤燃烧煤燃烧(rnsho)过程的特点总过程的特点总结结n n挥发份的燃烧过程：先析出，然后遵循气体燃料燃烧的规律。类似与液体燃料燃烧的过程，也存在一个“析出潜热(qinr)”。n n煤的燃烧过程主要是焦炭燃烧一个异相（非均相）化学反应过程。遵循固体燃料燃烧特有的规律。n n所以，本章重点讨论焦炭的燃烧过程。第3页/共118页第四页，共118页。5煤中碳的结构特征煤中碳的结构特征n n固体碳的两种结构金刚石和石墨n n金刚石的晶格结构中C原子排列(pili)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
4、，故没有燃烧价值。第4页/共118页第五页，共118页。6煤中碳的结构特征煤中碳的结构特征1.4110-10m3.34510-10m第一层第二层第三层第四层煤中主要是石墨(shm)晶格，石墨(shm)晶格是复杂的六棱柱结构组合。第5页/共118页第六页，共118页。7煤中碳的结构特征煤中碳的结构特征1.4110-10m3.34510-10m第一层第二层第三层第四层在六角形基面中，碳原子间距1.4110-10m，所以结合(jih)比较牢固。而六角形基面之间的距离较大，可 达 3.34510-10m，故结合较弱，不能阻止其它原子（如O原子）的深入，而发生氧化(ynghu)反应。第6页/共118页第
5、七页，共118页。8煤中碳的结构特征煤中碳的结构特征1.4110-10m3.34510-10m第一层第二层第三层第四层另外(ln wi)，六角形基面上的C原子都是以3个价电子与基面上其它C原子结合，结合紧密，反应活性就低。而周界和边缘上的 C原子(yunz)的结合键要少，因此活性较好，但是活化能仍然较高。第7页/共118页第八页，共118页。9影响焦炭反应影响焦炭反应(fnyng)特性的特性的因素因素n n内空隙及表面积、密度n n煤中含有(hn yu)水分n n煤中含有(hn yu)灰分n n煤中挥发份的量以及析出过程n n这些都影响着焦炭的反应特性第8页/共118页第九页，共118页。10
6、7.2 异相异相(y xin)化化学反应动力学学反应动力学异相化学反应(fnyng)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(fnyng)(非均相化学反应(fnyng)。通常气固异相反应(fnyng)包括如下步骤：第9页/共118页第十页，共118页。11异相异相(y xin)化学反应基本步骤化学反应基本步骤O2第一步：O2必须通过扩散到达(dod)碳的表面，并被碳表面吸附第二步：在碳表面上进行碳氧反应，并生成(shn chn)反应产物第三步：反应产物从碳的表面上脱离（解吸），并从碳表面向外扩散开去碳球而整个碳表面上的反应速度决定于其中最慢的一步。第10页/共118页第十一页
7、，共118页。12温度温度(wnd)与吸附的关系与吸附的关系温度条件吸附原理吸附的化学变化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气体分子溶入晶格基面之间-形成固溶络合物发生化学变化（络合物与原来的气体-O2的性质不同）高温不存在物理吸附，仅有很少的固溶络合物。主要是晶体周界和边缘上的C原子对气体（O2）的化学吸附，但吸附活化能很大。只能在很高温下，化学吸附才显著。只能在很高温下，化学吸附才显著。发生化学变化，产生新气体。化学吸附后的新气体可能自动或被撞击而解吸。第11页/共118页第十二页，共118页。13焦炭焦炭(jiotn)反应活反应活性性 n n由由于于(yuy)(yuy
8、)碳碳晶晶体体边边界界与与中中心心的的活活性性不不同同（键键能能低低）边界反应活性更好。边界反应活性更好。n n基基面面上上与与基基面面间间的的活活性性不不同同（间间隙隙大大）基基面面间间反应活性更好。反应活性更好。n n内内、外外表表面面积积大大小小不不同同，活活性性不不同同表表面面积积大大反反应活性更好。应活性更好。n n所所以以不不同同的的焦焦炭炭其其化化学学反反应应速速度度相相差差甚甚大大。一一般般密密度度小小孔孔隙隙率率高高（疏疏松松）的的焦焦炭炭，粒粒径径小小的的焦焦炭炭（比比表面积大，内空隙易暴露），反应活性更强。表面积大，内空隙易暴露），反应活性更强。第12页/共118页第十三
9、页，共118页。14对对对对C+CO2=2CO C+CO2=2CO 反应的焦炭反应的焦炭反应的焦炭反应的焦炭(jiotn)(jiotn)活性顺序活性顺序活性顺序活性顺序 活性大活性小泥煤(n mi)焦炭木炭(mtn)褐煤焦炭烟煤焦炭无烟煤焦炭第13页/共118页第十四页，共118页。15碳燃烧异相反应碳燃烧异相反应(fnyng)理论理论n n根据异相反应的步骤，首先(shuxin)需要建立的理论，是吸附（解吸）的理论O2第一步：O2必须通过(tnggu)扩散到达碳的表面，并被碳表面吸附碳球第14页/共118页第十五页，共118页。16设碳表面上的吸附(xf)了氧的面积份额为q，则 又称表面遮盖
10、率。吸附了O2的碳表面上，不能再吸附新的O2分子，而只能(zh nn)把碳氧反应产物解吸出去。因此，解吸的速率wj与碳表面上O2的吸附面积份额q成正比，即吸附面积率q愈大，反应物愈多，向外解吸速度wj愈快O2碳球n 或 （k-1解吸(jix)的比例常数）第15页/共118页第十六页，共118页。17同样，在碳表面上(1-q)的面积份额上没有吸附O2，故碳表面附近的O2就有可能再吸附上去。吸附上去的速率wx决定于碳表面附近的O2浓度(nngd)Cb 和(1-q)的大小。O2碳球吸附与解吸吸附与解吸(jix)的平衡的平衡 或 （k1吸附(xf)的比例常数）当达到平衡时 即 其中第16页/共118页
11、第十七页，共118页。18q与与K及及Cb的关系的关系(gun x)第17页/共118页第十八页，共118页。19碳表面碳表面(biomin)O2浓度很低的浓度很低的情况情况n n显显然然：化化学学反反应应只只能能在在吸吸附附(xf)(xf)了了O2O2的的那那一一部部分分表表面面q q上上发发生生，因因此此qq发发生生碳碳燃燃烧烧反反应应的的机机会会燃燃烧烧速速度度。所所以以：碳碳燃燃烧化学反应速度烧化学反应速度 或或n n讨论：讨论：当碳表面附近当碳表面附近O2O2浓度很低时，即浓度很低时，即 ，则，则n n 结结论论：a a化化学学反反应应速速度度wmwm与与氧氧浓浓度度CbCb一一次次
12、方方成成比比例例。反反应应级级数为一级，数为一级，n=1n=1；n n b b ，说说明明碳碳表表面面吸吸附附(xf)(xf)的的O2O2很很少少，吸吸附附(xf)(xf)能力很弱。能力很弱。第18页/共118页第十九页，共118页。20碳表面碳表面O2浓度浓度(nngd)很高的很高的情况情况n n 当碳表面当碳表面O2O2浓度浓度CO2CO2很高，即很高，即 ，则，则n n结论：结论：a a此时此时wmwm与与CbCb的的0 0次方成比例，与碳表面附次方成比例，与碳表面附近近O2O2浓度无关浓度无关(wgun)(wgun)。此时为。此时为0 0级反应级反应 n=0 n=0n n b b此时，
13、此时，q1 q1 说明碳表面吸附说明碳表面吸附O2O2的能力很强，的能力很强，几乎达到了饱和，同时说明解吸能力很弱。几乎达到了饱和，同时说明解吸能力很弱。n n 当碳表面当碳表面O2O2浓度浓度CO2CO2中等时，可认为中等时，可认为n n n n n=0 n=01 1 即为分数的反应级数。即为分数的反应级数。第19页/共118页第二十页，共118页。21温度温度(wnd)对化学反应因素的影对化学反应因素的影响响n n通常，在处理碳的燃烧通常，在处理碳的燃烧(rnsho)(rnsho)反应时，有时为简化反应时，有时为简化问题起见，可以把它当作问题起见，可以把它当作n=1n=1的一级反应处理。即
14、的一级反应处理。即温度T碳表面O2浓度CO2吸附能力q反应级数n800（低温阶段）CO2高q1，吸附强n=01200（高温阶段）CO2低q90.1190.90.10.90.1第28页/共118页第二十九页，共118页。30讨论：颗粒(kl)直径0当T当相对速度(xin du s d)Re 向动力区移动(ydng)；向扩散区移动；向动力区移动；第29页/共118页第三十页，共118页。31粒径对进入扩散粒径对进入扩散(kusn)区温度的影响区温度的影响设煤的E=126168kJ/mol进入扩散区的温度T0=10mm0=0.1mm1200K2000K第30页/共118页第三十一页，共118页。32
15、思考题思考题n n前面已经讨论过，比表面积大的细小煤粉反应活性好。家用煤球(miqi)炉在800多就能稳定燃烧，而大型煤粉炉却在1200 以上才能稳定燃烧。这与“煤粉反应活性好”的结论矛盾吗？n n大容量锅炉为什么要使用煤粉燃烧的方式？第31页/共118页第三十二页，共118页。33碳燃烧碳燃烧(rnsho)化学反应机理化学反应机理 基本基本(jbn)(jbn)的宏观反应的宏观反应 1 1、一次反应、一次反应指碳与氧之间的直接反应指碳与氧之间的直接反应 C+O2=CO2+409MJ C+O2=CO2+409MJ 2C+O2=2CO+245MJ 2C+O2=2CO+245MJ2 2、二次反应、二
16、次反应指一次反应的产物在碳表面或空间的再反应指一次反应的产物在碳表面或空间的再反应 2CO+O2=2CO2+571MJ 2CO+O2=2CO2+571MJ （放热反应）（放热反应）CO2+C=2CO-162MJ CO2+C=2CO-162MJ （吸热反应）（吸热反应）一次反应和二次反应是碳燃烧过程中的基本一次反应和二次反应是碳燃烧过程中的基本(jbn)(jbn)反应，实反应，实际过程中交叉平行进行着。际过程中交叉平行进行着。第32页/共118页第三十三页，共118页。34碳燃烧化学反应碳燃烧化学反应碳燃烧化学反应碳燃烧化学反应(huxu f(huxu f nyng)nyng)机理机理机理机理
17、CO2COO2CO2C反应(fnyng)机理1CO2或CO反应(fnyng)机理2O2第33页/共118页第三十四页，共118页。35碳燃烧碳燃烧碳燃烧碳燃烧(rnsho)(rnsho)化学反应机理化学反应机理化学反应机理化学反应机理 n n温度不太高，气化反应温度不太高，气化反应(f(f nyng)nyng)尚不能发生，尚不能发生，COCO也也不能与不能与O2O2在空间发生反应在空间发生反应(f(f nyng)nyng)。反应。反应(f(f nyng)nyng)式式为：为：n n4C+3O2=2CO2+2CO4C+3O2=2CO2+2COCO2 和 CO由表面(biomin)向远处扩散，浓度
18、也是一路递减。O2浓度由远处向近处一路递减，直到碳球表面。o火 焰 锋面cO2CO浓度CO2x温度低于700第34页/共118页第三十五页，共118页。36n n温度还不够温度还不够(bgu)(bgu)高，气化反高，气化反应仍不能发生。反应式仍为：应仍不能发生。反应式仍为：n n4C+3O2=2CO2+2CO4C+3O2=2CO2+2COnCO2 浓度(nngd)高于 CO浓度(nngd)。nO2浓度由远处向近处一路递减，只有和 CO反应(fnyng)后剩余的O2才能扩散到碳球表面。n但是，CO可以与O2在空间发生反应。火焰锋面以外没有CO。o火焰锋面cO2CO浓度CO2x温度在8001200
19、之间第35页/共118页第三十六页，共118页。37n n温度温度温度温度(wnd)(wnd)已足够高，碳球表面发已足够高，碳球表面发已足够高，碳球表面发已足够高，碳球表面发生气化反应：生气化反应：生气化反应：生气化反应：n nC+CO2=2COC+CO2=2COn火焰锋面上CO2 浓度最高。并向两侧(lin c)扩散，向内供给气化反应所需的CO2。向外则扩散到远处。n碳球表面因为得不到O2只能发生气化反应。气化反应所需的吸热(x r)由CO燃烧的放热供给。nCO与O2在空间发生反应，并把向碳球表面扩散的O2完全消耗掉。火焰锋面以外没有CO。而火焰锋面以内没有O2。o火 焰 锋面cO2CO浓度
20、CO2x温度高于1200第36页/共118页第三十七页，共118页。38碳燃烧化学反应碳燃烧化学反应(huxu fnyng)机机理理 3 3、其它反应、其它反应在碳燃烧过程中如果有水蒸汽（这是经在碳燃烧过程中如果有水蒸汽（这是经常普遍存在的）还会发生其他反应常普遍存在的）还会发生其他反应 C+H2O=CO+H2 C+H2O=CO+H2 （吸热）（吸热）C+2H2O=CO2+2H2 C+2H2O=CO2+2H2 3C+4H2O=2CO+CO2+4H2 3C+4H2O=2CO+CO2+4H2 以上反应究竟哪些是主要以上反应究竟哪些是主要(zh(zh yo)yo)的，这需要看具体情况。的，这需要看具
21、体情况。实际上，一次反应只表示了反应的反应物和最终的生实际上，一次反应只表示了反应的反应物和最终的生成物及其物质平衡及热平衡关系，并未说明碳和氧的成物及其物质平衡及热平衡关系，并未说明碳和氧的燃烧反应的具体过程，因此应进一步研究。燃烧反应的具体过程，因此应进一步研究。第37页/共118页第三十八页，共118页。39碳与氧燃烧的化学反应碳与氧燃烧的化学反应碳与氧燃烧的化学反应碳与氧燃烧的化学反应(f(f nyng)nyng)（一次反应（一次反应（一次反应（一次反应(f(f nyng)nyng)）机理）机理）机理）机理 n n各国许多学者的研究由于实验条件的差别各国许多学者的研究由于实验条件的差别
22、各国许多学者的研究由于实验条件的差别各国许多学者的研究由于实验条件的差别(chbi)(chbi)，结论是不尽相同。大致有，结论是不尽相同。大致有，结论是不尽相同。大致有，结论是不尽相同。大致有三种观点：三种观点：三种观点：三种观点：n n 1 1、二氧化碳学说：、二氧化碳学说：、二氧化碳学说：、二氧化碳学说：CO2CO2是一次反应的产物，而是一次反应的产物，而是一次反应的产物，而是一次反应的产物，而COCO只是只是只是只是CO2+CCO2+C的二次反应产的二次反应产的二次反应产的二次反应产物物物物n n 2 2、一氧化碳学说：、一氧化碳学说：、一氧化碳学说：、一氧化碳学说：COCO是一次反应的
23、产物，在碳表面附近是一次反应的产物，在碳表面附近是一次反应的产物，在碳表面附近是一次反应的产物，在碳表面附近CO+O2CO+O2才生成了才生成了才生成了才生成了CO2CO2n n 3 3、两步反应说：、两步反应说：、两步反应说：、两步反应说：第一步生成络合物第一步生成络合物第一步生成络合物第一步生成络合物 xC+y xC+y2 O2=CxOy 2 O2=CxOy（碳氧络合物）（碳氧络合物）（碳氧络合物）（碳氧络合物）。第二步络合物的分解第二步络合物的分解第二步络合物的分解第二步络合物的分解 CxOy=mCO2+nCO CxOy=mCO2+nCO 其其其其n nmm随温度随温度随温度随温度T T
24、升高而升高升高而升高升高而升高升高而升高n n三种观点至今尚未统一，不过普遍接受第三种观点三种观点至今尚未统一，不过普遍接受第三种观点三种观点至今尚未统一，不过普遍接受第三种观点三种观点至今尚未统一，不过普遍接受第三种观点即碳氧反应先生成碳氧即碳氧反应先生成碳氧即碳氧反应先生成碳氧即碳氧反应先生成碳氧络合物，然后络合物再同时生成络合物，然后络合物再同时生成络合物，然后络合物再同时生成络合物，然后络合物再同时生成CO2CO2和和和和COCOn n结论：结论：结论：结论：C C与与与与O2O2的异相化学反应过程是经历吸附的异相化学反应过程是经历吸附的异相化学反应过程是经历吸附的异相化学反应过程是经
25、历吸附络合络合络合络合热分解（或离解热分解（或离解热分解（或离解热分解（或离解解吸）解吸）解吸）解吸）一系列环节完成的。一系列环节完成的。一系列环节完成的。一系列环节完成的。第38页/共118页第三十九页，共118页。40碳和碳和碳和碳和CO2CO2化学反应机理化学反应机理化学反应机理化学反应机理又称碳的气化又称碳的气化又称碳的气化又称碳的气化(q hu)(q hu)反应或反应或反应或反应或CO2CO2的还原反应的还原反应的还原反应的还原反应n n这这是是一一个个吸吸热热的的异异相相化化学学反反应应，所所以以在在低低温温下下（如如800800）化化学学反反应应速速度度(sd)0(sd)0，且且
26、活活化化能能很很高高，因因此此这个反应只能在这个反应只能在13001300的高温下才能进行。的高温下才能进行。n n煤的气化反应常作为测定煤活性的基础。煤的气化反应常作为测定煤活性的基础。反应进程中的关键反应级数nT700（1）固溶络合+化学吸附表面（2）CO2浓度较高KbCO2与CCO2无关0级（3）CO生成很少，化学反应速度很慢T950表面CO2浓度不高，决定于化学吸附KbCO2CCO21级第39页/共118页第四十页，共118页。41 C C气气气气化化化化和和和和氧氧氧氧化化化化(y(y nghu)nghu)反反反反应应应应的活化能与温度的关系的活化能与温度的关系的活化能与温度的关系的
27、活化能与温度的关系 3 6 8 2 4 4 5 6 2620K=23471540K=12671240K=967lgk T-1104/K8 无烟煤焦炭(jiotn)的气化 E2=322kJ/mol7 无烟煤焦炭(jiotn)的气化E2=276kJ/mol6 烟煤焦炭(jiotn)的气化E2=230kJ/mol5 褐煤焦炭(jiotn)的气化E2=184kJ/mol气 化(q hu)反 应 2C+O2=2CO10 3 5 7 E2E2T氧化反应氧化反应C+O2=CO24 无烟煤焦炭的氧化E1=147kJ/mol3 无烟煤焦炭的氧化E1=128kJ/mol2 烟 煤 焦 炭 的 氧 化E1=105k
28、J/mol1 褐 煤 焦 炭 的 氧 化E1=84kJ/mol结论：关于活化能特性气化反应的活化能E2总是氧化反应的活化能E1对于同一种焦碳统计平均E22.2 E1第40页/共118页第四十一页，共118页。42C C气化和氧化反应的活化能（气化和氧化反应的活化能（气化和氧化反应的活化能（气化和氧化反应的活化能（E E）与温度）与温度）与温度）与温度(wnd)(wnd)（T T）的）的）的）的关系关系关系关系 3 6 8 2 4 4 5 6 2620K=23471540K=12671240K=967lgk T-1104/K8 无烟煤焦炭(jiotn)的气化E2=322kJ/mol7 无烟煤焦炭
29、(jiotn)的气化E2=276kJ/mol6 烟煤焦炭(jiotn)的气化E2=230kJ/mol5 褐煤焦炭(jiotn)的气化E2=184kJ/mol气 化(q hu)反 应2C+O2=2CO10 3 5 7 E2E2T氧化反应C+O2=CO24 无烟煤焦炭的氧化E1=147kJ/mol3 无 烟 煤 焦 炭 的 氧 化E1=128kJ/mol2 烟 煤 焦 炭 的 氧 化E1=105kJ/mol1 褐 煤 焦 炭 的 氧 化E1=84kJ/mol结论：关于化学反应速度常数k的特性a)对同一种焦碳当气化反应的速度常数k2=氧化反应速度常数k1的临界温度T=2347即T2347 k2k1，
30、T2347 k2k1在T=12001300区间 k2=k1/10或k1=10 k2第41页/共118页第四十二页，共118页。43 C C气化和氧化反应的活化能与温气化和氧化反应的活化能与温气化和氧化反应的活化能与温气化和氧化反应的活化能与温度度度度(wnd)(wnd)的关系的关系的关系的关系 3 6 8 2 4 4 5 6 2620K=23471540K=12671240K=967lgk T-1104/K8 无烟煤(ynmi)焦炭的气化E2=322kJ/mol7 无烟煤(ynmi)焦炭的气化E2=276kJ/mol6 烟煤(ynmi)焦炭的气化E2=230kJ/mol5 褐 煤 焦 炭 的
31、气 化E2=184kJ/mol气 化(q hu)反 应 2C+O2=2CO10 3 5 7 E2E2T氧化反应C+O2=CO24 无 烟 煤 焦 炭 的 氧 化E1=147kJ/mol3 无 烟 煤 焦 炭 的 氧 化E1=128kJ/mol2 烟 煤 焦 炭 的 氧 化E1=105kJ/mol1 褐 煤 焦 炭 的 氧 化E1=84kJ/mol结论：关于化学反应速度常数k的特性b)对对各种不同的焦碳 当T=1267 各种焦碳的k2都相等当T=967 各种焦碳的k1都相等第42页/共118页第四十三页，共118页。44C C气化和氧化反应的活化能（气化和氧化反应的活化能（气化和氧化反应的活化能
32、（气化和氧化反应的活化能（E E）与温度）与温度）与温度）与温度(wnd)(wnd)（T T）的关系）的关系）的关系）的关系 结论：氧化反应是放热反应 自我(zw)促进机制（正反馈）促进(cjn)反应速度再氧化反应速度放热温度第43页/共118页第四十四页，共118页。45C C气化和氧化反应气化和氧化反应气化和氧化反应气化和氧化反应(f(f nyng)nyng)的活化能（的活化能（的活化能（的活化能（E E）与温度（）与温度（）与温度（）与温度（T T）的关系的关系的关系的关系 结论：气化反应是吸热反应自我抑制(yzh)机制（负反馈）促进(cjn)反应速度气化反应速度吸热温度第44页/共11
33、8页第四十五页，共118页。46C C和水蒸气的化学反应和水蒸气的化学反应和水蒸气的化学反应和水蒸气的化学反应(huxu f(huxu f nyng)nyng)机理机理机理机理水煤气发生原水煤气发生原水煤气发生原水煤气发生原理理理理 n n这也是一个异相吸热化学反应(huxu fnyng)n n C+H2O=CO+H2 n n该反应与C+O2的氧化反应相比n n共同点：n n异相反应：吸附络合热解、离解解吸过程n n反应级数：n=1n n不同点：EC+H2O1.6EC+O2第45页/共118页第四十六页，共118页。47C C和水蒸气的化学反应机理和水蒸气的化学反应机理和水蒸气的化学反应机理和
34、水蒸气的化学反应机理水煤气发生水煤气发生水煤气发生水煤气发生(fshng)(fshng)原理原理原理原理 n n与C+CO2气化(q hu)反应相比n n EC+H2O0.73EC+CO2n n (EC+CO22.2EC+O2)n n所以经研究，水煤气反应比气化(q hu)反应约快3倍。第46页/共118页第四十七页，共118页。487.3 7.3 碳球燃烧碳球燃烧碳球燃烧碳球燃烧(rnsho)(rnsho)速度与燃尽时速度与燃尽时速度与燃尽时速度与燃尽时间间间间碳球的燃烧碳球的燃烧 一、假设一、假设 燃烧反应在扩散区燃烧，即燃烧反应在扩散区燃烧，即C C球表面球表面O2O2浓度很低，浓度很低
35、，Cb0Cb0 碳球表面进行氧化一次反应碳球表面进行氧化一次反应C+O2=CO2C+O2=CO2，生成物，生成物CO2CO2向外扩散，没有气化反应向外扩散，没有气化反应CO2+C=2COCO2+C=2CO发生发生 碳球相对运动碳球相对运动Re=0(Re=0(与周围气体与周围气体(qt(qt)之间无相之间无相对运动对运动)碳球周围气体碳球周围气体(qt(qt)浓度分布均匀浓度分布均匀第47页/共118页第四十八页，共118页。49二、碳球表面二、碳球表面二、碳球表面二、碳球表面(biomin)(biomin)扩散燃烧的燃烧速度扩散燃烧的燃烧速度扩散燃烧的燃烧速度扩散燃烧的燃烧速度 kg/(m2s
36、)那么单位时间(shjin)单位C表面积上消耗的C量应为：单位时间(shjin)内烧掉的C量应为第48页/共118页第四十九页，共118页。50三、单位时间三、单位时间三、单位时间三、单位时间(shjin)(shjin)内，碳球质量的减少量为内，碳球质量的减少量为内，碳球质量的减少量为内，碳球质量的减少量为n n两个 相等，移项积分(jfn)n n积分(jfn)区间：从0n n ：从0 式中 第49页/共118页第五十页，共118页。51这就是碳球扩散燃烧时的直径平方直线这就是碳球扩散燃烧时的直径平方直线这就是碳球扩散燃烧时的直径平方直线这就是碳球扩散燃烧时的直径平方直线(zhxin)(zhx
37、in)定律定律定律定律 n n讨论讨论当当00时时,rj,rjn n可知：煤燃烧时，磨得越细可知：煤燃烧时，磨得越细(0)(0)，反应越快，反应越快，燃尽时间燃尽时间rjrj越短越短n nK K的实验的实验(shyn)(shyn)结果结果n n 对煤粉燃烧时对煤粉燃烧时 K=0.0229 mm2/s K=0.0229 mm2/sn n对单颗煤粉时对单颗煤粉时 K=0.16 mm2/s K=0.16 mm2/s（大约是单个油（大约是单个油滴的滴的1/51/61/51/6）第50页/共118页第五十一页，共118页。52有二次反应有二次反应(fnyng)的情况的情况 n n考虑实际有二次反应(2C
38、O+O2=2CO2及C+CO2=2CO)时的情况n n由于上述反应与温度区间有关(yugun)，故分别讨论 第51页/共118页第五十二页，共118页。531)1)当当当当T700T1200T120013001300 ，此时，此时，此时，此时(c(c sh)sh)温度很高，温度很高，温度很高，温度很高，Cb=0 Cb=0 n n氧气还能扩散到碳球表面时，碳球与氧气氧气还能扩散到碳球表面时，碳球与氧气反应式为：反应式为：n n3C+2O2=CO2+2CO3C+2O2=CO2+2COn nCO/CO2=2 CO/CO2=2 n n气化反应发生：气化反应发生：n nCO2+C=2COCO2+C=2C
39、On n总反应式为总反应式为n n4C+2O2=4CO4C+2O2=4COn n=(412)/(232)=0.75=(412)/(232)=0.75 n n温度进一步升高，气化反应速度温度进一步升高，气化反应速度(sd)(sd)加加快，同时空间中快，同时空间中COCO的燃烧速度的燃烧速度(sd)(sd)也也加快，使得碳球表明只发生气化反应加快，使得碳球表明只发生气化反应CO2+C=2COCO2+C=2CO，空间中发生反应为，空间中发生反应为2CO+O2=2CO22CO+O2=2CO2，总反应为，总反应为C+O2=CO2 C+O2=CO2，此时，此时=(112)/(132)=0.375=(112
40、)/(132)=0.375 O2COCO2火焰(huyn)锋面第56页/共118页第五十七页，共118页。58n n温度已足够高，碳球表面温度已足够高，碳球表面温度已足够高，碳球表面温度已足够高，碳球表面(bi(bi omin)omin)发生气化反应：发生气化反应：发生气化反应：发生气化反应：n nC+CO2=2COC+CO2=2COn火焰锋面上CO2 浓度最高。并向两侧扩散，向内供给气化反应(fnyng)所需的CO2。向外则扩散到远处。n碳球表面(biomin)因为得不到O2只能发生气化反应。气化反应所需的吸热由 CO燃烧的放热供给。nCO与O2在空间发生反应，并把向碳球表面扩散的O2完全消
41、耗掉。火焰锋面以外没有CO。而火焰锋面以内没有O2。o火焰锋面cO2CO浓度CO2x温度高于1200第57页/共118页第五十八页，共118页。594)4)碳球表面的碳球表面的碳球表面的碳球表面的C C燃烧速度燃烧速度燃烧速度燃烧速度(sd)(sd)与与温度与与温度与与温度与与温度T T的关系的关系的关系的关系 KcbT第1段：温度很低，动力(dngl)控制区，只发生氧化反应氧化(ynghu)反应4C+3O2=2CO2+CO气化反应C+CO2=2CO第2段：温度上升，进入扩散控制区，反应速度与T无关第3段：温度很高，碳球表面发生气化反应，燃烧又转入动力控制第4段：温度继续提高，燃烧再次转入扩散
42、控制第58页/共118页第五十九页，共118页。605)5)当碳球与周围气流存在相对运动当碳球与周围气流存在相对运动当碳球与周围气流存在相对运动当碳球与周围气流存在相对运动(xin(xin du yn dn du yn dn)时的燃烧特点时的燃烧特点时的燃烧特点时的燃烧特点 当Re很小时，研究(ynji)发现在碳球周围有浅蓝色火焰，表明 CO在碳球周围燃烧 第59页/共118页第六十页，共118页。61当当当当Re100Re100时时时时 燃烧燃烧燃烧燃烧(rnsho)(rnsho)情况有很大改变：碳球周围燃情况有很大改变：碳球周围燃情况有很大改变：碳球周围燃情况有很大改变：碳球周围燃烧烧烧烧
43、(rnsho)(rnsho)变的很不均匀变的很不均匀变的很不均匀变的很不均匀 当T100Re100时时时时 燃烧情况燃烧情况燃烧情况燃烧情况(qngkung)(qngkung)有很大改变：碳球有很大改变：碳球有很大改变：碳球有很大改变：碳球周围燃烧变的很不均匀周围燃烧变的很不均匀周围燃烧变的很不均匀周围燃烧变的很不均匀 当 T1200，碳球后部回流区中被CO和 CO2包 围(bowi)，阻碍了扩散O2进去。后部有气化反应 CO2+O2=2CO，而回流区中几乎不存在氧化反应。尾迹有CO在燃烧。2CO+O2=2CO2。O2扩散(kusn)进不到回流区中。火焰锋面COCO2CO2O2O2O2O2O2
44、CO2O2O2O2O2CO2CO第61页/共118页第六十二页，共118页。63实例实例(shl)n n层燃炉很接近层燃炉很接近(jijn)Re(jijn)Re比较大的燃烧特点比较大的燃烧特点(煤尺寸煤尺寸mmmmcmcm级级)n n旋风炉的煤尺寸是旋风炉的煤尺寸是mmmm级，是极高温极高级，是极高温极高ReRe下的强化燃烧方法下的强化燃烧方法n n沸腾炉的煤尺寸是沸腾炉的煤尺寸是mmmm级，是在较低温度级，是在较低温度(800(800950950)下，靠着下，靠着ReRe来强化燃烧来强化燃烧n n煤粉炉中煤尺寸是煤粉炉中煤尺寸是 mm级，所以随风飘动，级，所以随风飘动，Re0Re0，故可近似
45、当作焦碳在静止空，故可近似当作焦碳在静止空气中燃烧气中燃烧第62页/共118页第六十三页，共118页。64多孔焦炭多孔焦炭(jiotn)球燃烧特点球燃烧特点 n n焦炭的结构特点在于(ziy)多孔性，即使对于比较紧密的无烟煤，也存在大量内孔，不同煤种的焦炭内部孔隙率很不相同。单位体积的内部表面积估算数据如下：木炭电极炭无烟煤内比表面积Sn（m2/m3）(0.571.14)104(0.75)104(13)104第63页/共118页第六十四页，共118页。65n n焦炭燃烧的异相反应不仅能在外表面上进行(jnxng)，同 样 能 在 内 表 面 与 进 行(jnxng)。所以，内反应是不能忽视的。
46、这就是多孔焦炭燃烧的特点。第64页/共118页第六十五页，共118页。661、反应、反应(fnyng)总表面积总表面积S=S1+S2 n n外表面积(min j)（设碳球半径r）n n内表面积(min j)(Sn为内比表面积(min j)m2/m3)n n总表面积(min j)，考虑总面积(min j)参与反应，相当于化学反应常数K增加了 倍。n n用反应气体交换常数b代替K，则第65页/共118页第六十六页，共118页。67讨论讨论(toln)：n n在低温(dwn)下，化学反应速度慢。内表面上的O2浓度就等于外表面O2浓度Cb；n n随着温度T的化学反应速度，以至O2的扩散跟不上内表面的化
47、学速度，此时内表面O2浓度到0。即Cb内=0。第66页/共118页第六十七页，共118页。68n n 反应温度从低温高温 n n反应总面积的倍数(bish)从 1n n反应交换常数b从 K第67页/共118页第六十八页，共118页。69n n引入一个调节参数n n可以推知：温度处于(chy)高低温之间时，n n反应面积提高的倍数为n n反应交换常数b为 n n其中=01又称O2的有效渗入(shnr)深度高温(gown)时 低温时第68页/共118页第六十九页，共118页。70结论结论(jiln)：n n在动力区中（低温），内表面参与(cny)化学反应。在扩散区中（高温），内表面对化学反应已无作
48、用。第69页/共118页第七十页，共118页。712多孔焦炭的燃烧多孔焦炭的燃烧(rnsho)速速度度n n有人对燃用无烟煤的煤粉炉进行了计算：有人对燃用无烟煤的煤粉炉进行了计算：n n煤粉直径煤粉直径(zhjng)=100(zhjng)=100 mm，E=141kJ/molE=141kJ/mol，内部孔隙比表面积，内部孔隙比表面积Sn=3104 m2/m3Sn=3104 m2/m3，炉温在，炉温在14271427 下的系数下的系数 0.20.30.20.3n n计算结果计算结果 bb（1.21.31.21.3）K K n n zl/zl/b0.60.7 b0.60.7 处于过渡区处于过渡区
49、第70页/共118页第七十一页，共118页。72各阶段各阶段各阶段各阶段(jidun)C(jidun)C(jidun)C(jidun)C燃烧通用式燃烧通用式燃烧通用式燃烧通用式 温度T反应方程炭表面O2浓度Cb12001300 3C+2O2=CO2+2CO+)C+CO2=2CO0.75C表面温度很高，O2不足，即 同时产生更多CO。3C+2O2=CO2+2CO进入扩散燃烧区，n=1 4C+2CO2=4CO第71页/共118页第七十二页，共118页。737.4 气流气流(qli)燃烧的热工况燃烧的热工况n n热工况：讨论气流温度在某一系统中如何变化的问题。n n温度和燃烧反应速度这两个因素相互(
50、xingh)促进。燃烧加强以后使温度升高，温度升高以后更使燃烧加强但是有时条件不利的话，也可能使这两个因素相互(xingh)促退 第72页/共118页第七十三页，共118页。74零元系统零元系统(xtng)的燃烧热工况的燃烧热工况零元系统：也 称 为“强烈(qin li)搅拌的模型”假设某一空间，例如一个炉膛，内部的气体极强烈地掺混以至炉内温度T、浓度(nngd)C等物理参数非常均匀进口体积流量：qV气流温度：T0燃料或氧的浓度：C0体积：V温度：T浓度：C出口温度：T浓度：C第73页/共118页第七十四页，共118页。75系统系统(xtng)产热情况产热情况n n炉膛容积中的产热率 n n按