《燃料种类及其燃烧》PPT课件.ppt

材料工程基础,主 讲: 陈常连 2010.10,团结 严谨 勤奋 求实,3.3.1基本概念及燃烧理论,燃烧是指燃料中的可燃物与空气产生剧烈的氧化反应，产生大量的热量并伴随着有强烈发光的现象。 燃烧可以产生火焰，而火焰又能在适合的可燃介质中自行传播。这种火焰能自行传播的特性是燃烧反应区别于其他化学反应的最主要特征。 燃烧可分为普通的燃烧和爆炸性燃烧两种类型。 普通的燃烧：靠燃烧层的热气体传质传热给邻近的冷可燃气体混合物层而进行火焰的传播。一般可视为等压过程。 爆炸性燃烧，系靠压力波将冷的可燃气体混合物加热至着火温度以上而燃烧，火焰传播速度大，约为10004000m/s。通常是在高压、高温下进行。,1 燃烧过程的基本理论,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,一般窑炉中燃料的燃烧，属于普通的（正常的）燃烧。 从燃烧的角度来看，各种不同燃料均可归纳为两种基本组成。 一种是可燃气体如H2、CO及CmHn等，另一种是固态碳。 例如： 液体燃料，受热气化形成气态烃类，同时在高温缺氧处，煤气中的重碳氢化合物裂解，生成碳黑。 固体燃料燃烧时，首先是挥发分逸出，随后是可燃气体和固态碳燃烧。 讨论燃料的燃烧过程，可分别讨论可燃气体、固态碳两种基本可燃组分的燃烧。,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,着火浓度范围,概念：气体燃料与空气混合后，体积比必须在一定的范围内，才能着火燃烧，这一范围称为着火浓度范围或着火极限。 影响因素： 混合物温度，着火浓度范围 气体燃料组成：着火浓度范围随燃料组成 变化而变化,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,（1）固态碳的燃烧,碳的燃烧是气-固相两相反应的物理-化学过程。氧气扩散至碳粒表面与它作用，生成CO及CO2气体再从表面扩散出来。,燃烧碳粒附近CO2、CO、O2浓度的变化,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,固态碳的燃烧机理 反应机理一 C + O2 = CO2 （一次反应） CO2 + C = 2CO （二次反应） 反应机理二 2C + O2 = 2CO （一次反应） 2CO + O2 = 2CO2 （二次反应）,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,= mCO + nCO2,xC +yO2 = CxOy CxOy CxOy + O2,m、n与温度有关 9001200： 4C +3O2 = 2CO + 2CO2 1450以上： 3C +2O2 =2CO + CO2 C的燃烧过程：,反应机理三：,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,固态碳的燃烧速度,表面温度800，为动力燃烧,表面温度1000时，为扩散燃烧,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,（1）：动力燃烧： 当温度较低时，化学反应速度慢，而物理混合速度相对较快，燃烧速度主要决定于化学条件，即炉内温度，我们把这种燃烧称为动力燃烧，或者说燃烧于动力区。 （2）：扩散燃烧： 当温度较高，化学反应速度较快，而物理混合速度相对较小时，燃烧速度主要取决于炉内氧对燃料扩散情况，我们把这种燃烧情况叫扩散燃烧，或者说燃烧处于扩散区。 （3）：当炉内温度与混合情况相适应时，燃烧速度既与温度有关，又与氧对燃料的混合、扩散有关，我们把这种燃烧情况叫做过渡燃烧，或者说燃烧处于过渡区。,（2）可燃气体（H2 、CO及烃类）的燃烧,可燃气体的燃烧过程是一系列链锁反应。 链锁反应的产生必须要有链锁刺激物（中间活性物）的存在，如H、O及OH。它们是由于分子间的互相碰撞、气体分子在高温下的分解、或电火花的激发而产生。 在氢气或一氧化碳的燃烧过程中 ，有氢或水汽的存在可产生刺激物，加速反应的进行。 甲醛的存在，可产生O活性原子刺激物，对烃类的燃烧有利。 延迟着火现象,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,可燃气体的燃烧按链锁反应的方式进行的。 H、O、OH等为连锁反应刺激物，是反应进行的必要条件 生成连锁刺激物的反应如下： H22H O22O H+O2OH+O O+H2OH+H,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,氢的燃烧,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,一氧化碳的燃烧,H和OH为链锁刺激物,连锁反应过程,总反应 2CO+O2 +H2C2O+H,氢气和水气所产生的刺激物H、OH可加速一氧化碳的燃烧,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,气态烃的燃烧,CH4的连锁反应过程,总反应：O活性原子为链锁反应的刺激物 O+ CH4+2O2 2 H2O +CO2+O 气体燃烧特点： 延迟着火混合并加热到着火温度之后，要经过一定的感应期，才能迅速燃烧,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,（3） 火焰传播速度,概念 火焰传播燃烧焰面不断向未燃气体移动的现象称为火焰的传播（扩散）现象 火焰传播速度 燃烧焰面向未燃气体移动的速度或：单位时间内，在火焰单位面积上所烧掉的气体体积获得稳定火焰的条件：流速与火焰传播速度大小相等、方向相反 影响火焰传播速度的因素：混合物的组成、温度、压力、水分及燃烧管道的尺寸等。在过量空气系数值接近于1而略小于1时，出现最大值。,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,可燃气体的含量与火焰传播速度之间的关系 A、H2的火焰传播速度比甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）大的很多，因H2的导热系数远大于后者； B、存在着火焰传播的极限值； C、空气过剩系数接近于1而略小于1时，速度最大； D、提高气体混合物的温度、增加燃烧管的尺寸、减少燃烧的热损失，均能使邻近的可燃气体较快地达到着火温度而燃烧，从而提高火焰传播的速度。 E、回火与脱火,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,2 燃料燃烧过程,煤的燃烧 ：（1）单颗粒煤的燃烧,煤燃烧是煤分子和氧气之间发生的激烈的氧化反应。煤粒达到着火温度燃烧才能持续进行，而着火温度只有通过加热才能达到。 煤粒的燃烧过程主要包括脱气（挥发分释放）、挥发份着火和燃烧、固定碳燃烧（残焦燃烧）三个阶段。 由于固定碳的燃烧及燃尽需要更长的时间，故在燃烧过程中更为重要。,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,（2） 层燃燃烧,层燃的燃烧过程,层燃：把煤块放在炉篦上堆成一定 厚度的煤层进行燃烧。,燃烧过程：,新燃料层加入燃烧室时,开始处于燃料 层表面,随后由于燃烧的进行逐渐下沉,自上 而下依次进行准备、燃烧和燃烬三个阶段， 完成燃烧过程。,还原层：CO2 +C2CO,主要与燃料粒度大小、挥发分和灰分多少及燃烧层温度高低等因素有关,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,层燃的方式,在燃料层中，发生氧化放热反应：,空气过剩系数= 1.31.7,助燃空气,一次空气：供给焦炭燃烧的需要,二次空气：供给挥发物、CO以及 部分被气流扬起的细小煤粒等燃烧,C + O2 CO2 + 热量 2C + O2 2CO +热量 2CO + O2 2CO2 + 热量,直火式（完全燃烧式）,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,直火式层燃的特点 ：,（1）燃料层薄,（2）一次空气量充足：占总空气量的85%90%左右,（3）燃烧室空间大：供挥发物及细煤粒燃烧,半煤气式,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,半煤气层燃的特点：,（4）燃烧室空间小：温度约1000 1100的半煤气产物 去窑炉与二次空气混合后燃烧。,（1）燃料层较厚：为直火式的2 3倍，,（2）一次空气量不足：占总空气量的40% 70%；,（3）燃料层内的温度比直火式低：氧化层内约为1200；,半煤气的成分：,CO 7%20%；H2 5%12%；CH4 02%； N2 50%60%；CO2 10%15%； Qnet,ar 25004000kj/Bm3,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,全煤气式(固体燃料的气化),全煤气式层燃的特点：,（1）燃料层厚度为直火式三倍以上，一次空气不足，二 次空气为零，燃烧产物中可燃气体占35%48%； （2）将煤制成煤气，易满足窑炉内火焰的气氛和温度要 求，燃烧温度较直火式、半煤气式温度高； （3）劳动条件好，环境污染少； （4）可使用劣质煤，燃料费用低 。,氧化层：厚度与直火式基本相同,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,（3） 喷燃燃烧 :,合理组织炉内气流以加速煤粉着火 合理控制一次风量和一次风温 合理空气过剩系数 合适的一次风喷出速度 加速固定碳的燃烧,把块煤磨成煤粉喷入窑炉内进行悬浮燃烧。,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,优点：,燃烧速度快、燃烧效率高、燃烧温度高、煤耗低、调节方便。,回转窑内的喷燃,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,多风道喷嘴,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,多风道煤粉燃烧器的原理：如图。,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,（1）内外净风出口速较大（70150m/s），有利于提高煤粉的燃烧速度和燃烬程度； （2）内外风的配合有利于煤粉的燃烧；火焰形状规整，有利于保护窑衬； （3）一次风量小（1214%），有利于燃烧温度的提高及余热的有效利用。 （4）火焰形状调节灵活，可调幅度大，对煤质的适应性强。 （5）NOx有害气体低。,三风道燃烧器的特点：,直流式烧嘴的使用特点：,（1）流体阻力较小，喷出的煤粉气流射程远，高温烟气的回流量也少，致使着火延迟，炉膛火焰充满度差。 （2）空气喷出速度一般比旋流式烧嘴所用风速大。,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,(4) 沸腾燃烧,沸腾燃烧是基于固体颗粒流态化技术，将其应用于碎煤燃烧的一种新型燃烧方法，它是利用空气动力作用使煤在沸腾状态下完成传热、传质和燃烧过程。,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,沸腾燃烧的特点 ：,（1）煤粒与空气之间能充分混合。空气过剩系数小，燃烧速度非常迅速； （2）热效率高，可达95%以上； （3）燃烧温度稳定，可保持在9601050范围内； （4）可充分利用各种劣质燃料； （5）沸腾燃烧室结构简单、操作灵活、易于调节、自动化程度高及操作环境好； （6）空气动力消耗大，烟气中飞灰量较多； （7）操作不当时，不完全燃烧造成的热损失大； （8）煤的结焦性强时，排渣困难 。,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,气体燃料的燃烧 包括三个基本过程：燃料与空气的混合，着火，燃烧。 混合过程比着火、燃烧过程缓慢许多，混合速度和混合程度对燃烧速度和燃烧完全程度起着决定性作用。 根据燃气与空气的混合方式，可将燃烧分成扩散燃烧和预混燃烧。,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,液体燃料的燃烧 燃烧方法通常有蒸发燃烧和雾化燃烧两种。 对容易蒸发的燃料油，例如汽油，在燃烧前燃料先气化，与空气混合后着火燃烧，这种燃烧（蒸发燃烧）接近于均相燃烧。 对难于蒸发的燃料油，例如柴油和重油，一般采用雾化燃烧，在燃烧室中边雾化、边蒸发、边着火燃烧，这种燃烧属于非均相燃烧。 燃料油的雾化燃烧过程：雾化、蒸发、混合、着火和燃烧 雾化方法:压力式、气动式、旋转式、对冲式、振动式等 雾化质量指标有：喷雾锥角、喷雾射程、燃料的分布特性、雾化液滴细度、雾化液滴的均匀度、雾化液滴尺寸分布特性。,2.3 燃烧基本理论、燃烧过程及设备,1 燃烧污染与防治,温度型（热力型）NOx、燃料型NOx和快速温度型NOx。 温度型NOx:燃烧用空气中的N2在高温下氧化而生成的氮氧化物。 燃料型NOx： 燃料中的氮受热分解和氧化而生成的。减小炉内过量空气系数或抑制挥发分燃烧区燃料与空气的混合，可使燃料型NOx生成量减少。 快速温度型NOx：发生在碳氧化合物较多的燃料燃烧火焰中，生成速度快，也是由空气中N2氧化而来，在燃煤火焰中，它只占5 % 以下。,一、NOx的生成与控制,2.4 洁净燃烧技术,温度型NOx,燃烧温度越高，dNOx/dt越大,生成NOx越多，故又称为热力型NOx。在实际中，应尽量避免局部高温区的形成，以减少NOx生成量。 氧浓度越高，NOx生成速度越快，NOx越多。 对预混火焰 1时，增加，燃烧温度随之增加，NOx生成率增加； 1时，氧浓度增加，但燃烧温度大大降低，故NOx生成率反而降低； 1时，NOx最大。,2.4 洁净燃烧技术,温度型NOx,对扩散火焰 混合情况较差，NOx生成率的最大值移至1的区域，且因燃烧温度较低，NOx生成率最大值降低。 缩短燃料在高温区的停留时间，NOx生成反应不充分，可以减少NOx量。,2.4 洁净燃烧技术,控制NOx的几种燃烧技术,(1)低氧燃烧 低氧燃烧是在炉内总体过量空气系数较低的工况下运行。但是，过低，会使化学和机械不完全燃烧热增加；过大，对燃烧也不利。 (2)烟气再循环 将部分低温烟气直接送入初始燃烧区，或与燃烧用空气相混合后送入燃烧区，由于烟气吸热和稀释了氧浓度，使燃烧速度和炉内温度降低，因而可降低温度型NOx。,2.4 洁净燃烧技术,控制NOx的几种燃烧技术,(3)分级燃烧 分级燃烧时，燃烧速度延缓，火焰温度降低，因而温度型NOx降低，并且，由于第一级为富燃区，使挥发分生成的NOx（燃料NOx）减少。 (4)对向燃烧 燃料和空气分别对向喷入炉内进行燃烧，因火焰最高温度降低，NOx降低。,2.4 洁净燃烧技术,二、SOx的生成与控制,硫的氧化物SOx主要指SO2和SO3，它们是由燃料中硫在燃烧过程中与氧反应而生成。 几种脱硫技术,（1）燃料在燃烧前脱硫 (2) 燃烧过程中固硫 (3) 烟气脱硫： 湿法脱硫、干法脱硫,2.4 洁净燃烧技术,三、烟尘的生成与控制,(1)气体燃料 碳氢化合物在空气不足的条件下受热，会热解产生碳黑，称为气相析出型烟尘。 (2)液体燃料 当雾化不良、局部地区油雾浓度大、供氧不足、炉温较低时，会生成剩余型烟尘（油灰）。重油的碳原子数多，因而烟尘较多。 (3)固体燃料 固体燃料的挥发分因缺氧燃烧不完全时，也会生成碳黑，即气相析出型烟尘。,措施：1、改善燃料与空气的混合和供给充足的空气。 2、保证足够的温度和停留时间。 3、采用除尘装置控制粉尘污染。,2.4 洁净燃烧技术,2 材料生产中的燃烧新技术,一、高温低氧空气燃烧(HTAC)技术 （High Temperature Air Combustion) 20世纪80年代末至90年初开发出的新一代燃烧技术。目前多应用于冶金工业气体或液体燃料燃烧。 高温低氧燃烧是将燃料喷射到一种高温低氧的助燃剂（把燃烧产物按比例地掺入参与燃烧的高温空气中得到的）中进行的混合和燃烧。 高温：参与燃烧反应的空气预热温度高(一般800)， 低氧：气体助燃剂中氧气的浓度低(一般15%)。 当其他条件一定时，高温低氧燃烧工况取决于空气的预热温度和助燃剂中氧气的浓度。,2.4 洁净燃烧技术,高温低氧燃烧技术的基本特征,火焰体积显著扩大 火焰温度场分布均匀 环保节能效果显著 低燃烧噪音 高温度效率、高热回收率和高热效率,有