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第九章固体燃料燃烧 传质过程 在含有两种或两种以上组分的流体内部 如果有浓度梯度存在 则每一种组分都有向低浓度梯度方向转移 以削弱这种浓度不均匀的趋势 这样的转移过程称之为传质 传质产生条件 浓度梯度存在温度梯度是热量传递的推动力浓度梯度是质量传递的推动力二元混合物中 温度梯度或总压力梯度的存在也会引起相应的浓度扩散 混合物浓度表示方法 浓度梯度是传质的推动力 组分的浓度通常用质量浓度 kg m3 和物质的量浓度c kmol m3 表示 fick定律 ma质量通量密度kg m2s na物质的量通量密度kmol m2s 质扩散系数d 是一个物性参数表征了物质扩散能力的大小取决于混合物的性质 压力与温度 主要靠实验确定 斯蒂芬流 stefen流 多组分流体在一定条件下 相分界面发生物理或化学过程 在界面处将形成一定的浓度梯度 因而可能形成多种组分的法向的扩散物质流 在相分界面上有物理或化学过程存在 那么它将产生或消耗一定的质量流 因此在相分界面上会产生一个与扩散物质流相关的法向总物质流 这个总物质流是由表面本身的因素造成的这一现象是斯蒂芬在研究水面蒸发时首先发现的 称之为斯蒂芬流 stefen流产生条件 相分界面处有扩散现象存在同时有物理或化学过程存在 9 1煤的燃烧过程 煤的结构特点煤是由很多不同结构的含c h o n s的有机聚合物粒子和矿物杂质混合而成 各种有机聚合物粒子之间常由不同的碳氢支链连结成更大的粒子 煤的燃烧过程 引言 干燥热解及挥发分析出挥发分燃烧焦炭燃烧 9 1煤的燃烧过程 煤的热解过程 当煤加热到足够高的温度时 煤先变成塑性状态 失去棱角而使其形状变得更接近于球形 同时开始释放挥发份 挥发份释放后留下的是一多孔的炭 热解过程中不同的煤有着不同程度的膨胀 9 1煤的燃烧过程 煤的热解过程 加热速率对挥发份析出的速率及其成分有很大的影响 慢速加热时大部分转化成碳 而快速加热时则得到很小 甚至无碳 煤粒终温对挥发分析出的最终产量影响很大 随着热解温度的提高 挥发分产量可高达70 以上 即挥发分并不是一个确定不变的常数 9 1煤的燃烧过程 煤的燃烧过程 挥发份的燃烧焦炭的燃烧 焦炭含量占55 97 燃烧时间占90 发热量占60 95 9 2固体碳粒的燃烧 气固两相燃烧反应过程两相反应的特点 物质在相的分界表面上发生反应 反应的一般步骤 以上步骤依次发生 整个反应过程的快慢取决于各步中最慢的一步 反应分子扩散到表面分子在表面发生吸附作用被吸附的分子在表面上进行化学反应生成物从表面解吸生成物扩散离开表面 9 2固体碳粒的燃烧 气固两相反应理论 假设碳与氧燃烧的生成物只有二氧化碳 并仿照传热学中对流换热系数 的概念引入对流扩散系数 则氧从周围向单位碳粒表面的扩散量可以写为 氧在碳表面处的反应的速度 单位碳粒表面 单位时间燃烧掉的氧量 可表示为 在稳定燃烧状态时 向碳粒扩散的氧量应等于碳粒燃烧所消耗的氧量 因此 9 2固体碳粒的燃烧 气固两相反应理论 9 2固体碳粒的燃烧 气固两相反应理论 多相燃烧反应阻力 燃烧反应的化学阻力 氧气扩散过程中的物理阻力 根据多相燃烧反应的化学阻力与物理阻力的对比 可将多相燃烧反应分为三类 动力燃烧 扩散燃烧 过渡燃烧 9 2固体碳粒的燃烧 气固两相反应理论 动力燃烧 当化学阻力比物理阻力大得多时 燃烧速度取决于化学反应速度 故称为动力燃烧 碳表面上氧气浓度接近于周围气流中氧的浓度 这种情况相当于较低温度下的燃烧情况 此时由于化学反应速度很低 从远处扩散到碳表面的氧消耗得很少 从而使得碳表面氧的浓度等于远处环境中氧的浓度 9 2固体碳粒的燃烧 气固两相反应理论 扩散燃烧 当化学阻力比物理阻力小得多时 燃烧速度取决于氧分子扩散速度 故称为扩散燃烧 碳表面上氧气浓度接近于零 这相当于在高温下的燃烧情况 此时由于温度很高 化学反应能力已大大超过扩散能力 使所有扩散到碳表面的氧立即全部反应掉 从而导致碳表面的氧浓度为零 9 2固体碳粒的燃烧 气固两相反应理论 过渡燃烧 当化学阻力与物理阻力在同一数量级时 两者均不可忽略 燃烧工况处于扩散控制与动力控制之间 故称为过渡燃烧 9 2固体碳粒的燃烧 气固两相反应理论 温度对碳燃烧速率及碳表面氧浓度的影响 碳燃烧速率随温度的变化1 动力燃烧区2 过渡燃烧区3 扩散燃烧区 碳燃烧时其表面氧浓度分布1 动力区 2 3 过渡区 3 扩散区 9 3碳粒燃烧的化学反应 碳与氧的反应 碳粒燃烧的三种模型 一般认为碳的氧反应首先生成碳氧络合物 碳氧络合物进一步反应同时产生一氧化碳和二氧化碳 写成化学式即为 二氧化碳是初次反应产物的模型 一氧化碳是初次反应产物的模型 二氧化碳 一氧化碳同时是初次反应产物的模型 9 3碳粒燃烧的化学反应 碳与氧的反应 温度不同时 由于反应机理上的区别 生成物中一氧化碳和二氧化碳的比例也不相同 比值n m随温度上升而增大 络合 离解 总的简化反应式 在1300 以下或碳表面氧的分压很低 浓度很小的情况下 氧分子溶入碳的晶体内构成固溶络合物 9 3碳粒燃烧的化学反应 碳与氧的反应 络合 离解 总的简化反应式 在1600 以上 碳氧反应机理逐步转为由化学吸附引起 络合物不待氧分子撞击就自行热分解 9 4二次反应对碳粒燃烧的影响 二次反应对碳粒燃烧的影响 温度低于800 时碳粒周围的燃烧情况 9 4二次反应对碳粒燃烧的影响 二次反应对碳粒燃烧的影响 温度在800 1200 时静止碳粒燃烧情况 9 4二次反应对碳粒燃烧的影响 二次反应对碳粒燃烧的影响 温度大于1200 1300 时碳粒周围的燃烧情况 9 5固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 固体燃料的燃烧方式 层燃燃烧悬浮燃烧沸腾燃烧 9 5固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 层燃燃烧 逆流式 上饲式 顺流式 下饲式 交叉式 前饲式 燃烧状态 大部分燃料在炉栅上燃烧 可燃气体及一小部分细屑燃料则在燃烧室空间内呈悬浮燃烧 9 5固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 层燃燃烧 固定火床燃烧过程 9 8固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 层燃燃烧 新燃料层 煤干燥 干馏 将水汽 挥发物等带离煤层进入炉膛空间 挥发分及co与煤层着火燃烧 还原层 气流中co2与碳起还原反应 即co2 c 2co 温度越高 速度越快氧化层 主要进行氧化反应 末端气体的温度也达到最高冷空气进入 炉栅和灰渣被冷却 而空气则被预热 燃烧过程 9 8固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 层燃燃烧 如果燃烧层稳定 氧化层的厚度几乎不随鼓风量变化改变煤层的厚度还可以改变烟气的成分一次空气主要是供给焦炭燃烧的需要 二次空气则是供给挥发物 co以及部分被气流扬起的细小煤粒等燃烧的需要 一般取空气过剩系数1 3 1 7 燃烧规律 9 8固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 层燃燃烧 链条炉中燃烧区段分布图 1预热干燥区2挥发分析出与燃烧区3a焦炭氧化层区3b焦炭还原区4灰渣燃尽区 9 8固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 悬浮燃烧 燃烧状态 将磨成微粒或细粉状的燃料与空气混合后从喷燃器喷出 在炉膛空间呈悬浮状态时的一种燃烧 直流式 火炬式 旋涡式 旋风式 特点 燃烧速度快 燃烧效率高 燃烧温度高 煤耗低 调节方便 9 8固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 悬浮燃烧 燃烧过程 煤粉进入到炉膛受到导热 对流及辐射加热 逸出挥发分 并升温着火 形成着火区着火后煤粉与空气强烈反应 并放出大量的热 构成燃烧区当温度达到最大值后 燃烧过程已相当完全 反应减慢 这时放热量小于散热量 温度下降 从而进入燃尽区 9 8固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 悬浮燃烧 1 一 二次空气的比例要合适 考虑两个方面 a 一次风携带煤粉喷入燃烧室或窑炉并供逸出的挥发分燃烧 b 煤粉制备系统的设计要求及窑炉的特点 2 一 二次空气的温度一次风的温度 150 以防止煤粉发生爆炸 二次风的温度不受限制 尽量高 3 控制适当的过剩空气系数水泥回转窑的过剩空气系数一般为1 05 1 15 注意 若为满足烘干机对烟气温度的要求而需掺入冷空气时 则应在煤粉基本燃烬之后的地段再掺入 燃烧规律 9 8固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 悬浮燃烧 煤粉燃烧器 直流煤粉燃烧器 旋流煤粉燃烧器 9 8固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 沸腾燃烧 空气速度与煤粒存在状态 速度低 碎煤颗粒静止在布风板上 速度达某值 煤粒被风托起 颗粒之间的空隙加大 颗粒在一定高度内上下翻腾 煤颗粒能悬浮在空气中 受热完成干燥 预热 干馏 挥发分逸出及燃烧 焦炭的燃烧及燃烬等燃烧过程流速过快 煤不完全燃烧 9 8固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 沸腾燃烧 沸腾燃烧室的底部安装有布风板炉栅 块煤经锤链式破碎机破碎后 其粒度在0 5 10mm之间 碎煤经喂煤口投放到布风板炉栅上 布风板下为风室 空气由此向上吹送 9 8固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 沸腾燃烧 a 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b 热效率高 可达95 以上c 燃烧温度稳定 可保持在960 1050 范围内d 可充分利用各种劣质燃料e 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f 空气动力消耗大 烟气中飞灰量较多g 操作不当时 不完全燃烧造成的热损失大h 煤的结焦性强时 排渣困难 沸腾燃烧的特点 9 10水煤浆燃烧 水煤浆 1 用于工业蒸汽锅炉 2 用于电站锅炉 3 用于各种工业窑炉 4 用于内燃机 5 用于燃气轮机联合循环 6 用于煤粉锅炉的点火燃料 水煤浆是近十几年发展起来的一种新型燃料 它由煤粉 水和少量化学添加剂组成 水煤浆的用途可以代油 9 10水煤浆燃烧 水煤浆的制作 湿磨将原料煤湿磨至需要的颗粒尺寸 一般为50 200 m 浮选净化含有合格煤粉的煤浆被送到浮选净化段 通过浮选工艺除去其中大部分灰分和硫分 过滤和脱水从浮选段出来的煤浆送至一过滤器 常用真空浓缩过滤器 把水煤浆制成相对干燥和清洁的煤饼状 以使最终的水煤浆产品达到所要求的固体浓度 混合和储存由浓缩过滤器出来的清洁煤浆的滤饼被送到连续搅拌的混合器 在混合器中加入化学添加剂 以满足所需要的水煤浆特性 当混合过程完成以后 水煤浆就制备好了 可以泵送去储存或直接输送到用户 制造水煤浆主要包括以下几个部分 9 10水煤浆燃烧 水煤浆的制作 9 10水煤浆燃烧 水煤浆的燃烧 9 11煤的气化 煤的气化 煤的气化是一个热化学过程 即用氧或含氧化合物 如水蒸气 二氧化碳 通过高温的煤层或焦炭层 使燃料中的有机物氧化 并转化生成含有h2 co等可燃气体的过程 根据所用气化剂及煤气成分 热值的不同 生产的煤气可分为 空气煤气 混合煤气 水煤气以及半水煤气等 9 11煤的气化 煤的气化 煤气的气化方法主要有两种 一种是沸腾层气化 以富氧空气和水蒸气为气化剂连续地送入粉状燃料层中 使燃料呈沸腾状态气化 这种方法气化强度高 生产能力大 但需使用氧气 而且原料适用范围狭窄 要求使用化学活性高的燃料制气 故采用这种气化方法的工厂不多 另一种是固定床气化法 它是目前国内广泛采用的一种制气方法 9 11煤的气化 空气煤气 氧化层 还原层 干馏层 干燥预热层 气化剂 9 11煤的气化 空气煤气 氧化层 还原层 干馏层 干燥预热层 气化剂 热值 气化效率 9 11煤的气化 空气煤气 影响制气过程的因素 反应温度还原反应是吸热反应 升高反应温度有利于co的生成反应温度过高 会使灰渣熔融 结成大块 造成操作困难反应温度一般控制在1000 1200 之间 应低于所用燃料的灰熔点 2 燃料性质气孔率 3 鼓风速度煤气产量与质量 9 11煤的气化 水煤气 上述两个都是吸热反应 如果连续地向发生炉内通水蒸气 则将导致燃料层迅速冷却 为了能在燃烧料层中维持必要的温度必须交替地向炉内吹入空气和水蒸气 9 11煤的气化 气化工艺 分类 按燃料与氧化剂经气化炉的流动方式分类 气化炉 气流床 流化床 移动床 与煤粉燃烧类似与流化床燃烧器类似与层燃类似 9 11煤的气化 气流床气化炉 在一台气流床气化炉内 粉煤或雾化油流与氧化剂 典型的氧化剂是氧 一起汇流 气流床气化炉的主要特性是其温度非常高 且均匀 一般高于1000 气化炉内的燃料滞留时间非常短 9 11煤的气化 气流床气化炉 煤被磨碎至100 m并靠氮由风力输送到气化炉 气化炉结构独特 气化炉本身与合成气冷却器结合 煤 o2和蒸气一起经装在气化炉下部的燃烧器给入 合成气在1600 的温度下产生 但它在气化炉出口借助再循环的洁净合成气淬冷 将其温度减至大约800 然后合成气向上流至一中心分配器管 并经蒸发器段向下流动 在大约380 离开气化炉 在气化过程形成的熔渣在水槽内淬冷 并通过闸斗仓装置排出 图7prenflo r气化炉 9 11煤的气化 流化床气化炉 在一个流化床内 固体 如煤 灰 悬浮在一般向上流动的气流中 在流化床气化炉内 气体流包含氧化介质 一般是空气而非o2 流化床气化炉的重要特点 像流化床燃烧器一样 是不能让燃料灰过热 以至熔化粘接在一起 假如燃料颗粒粘在一起 则流化床的流态化作用将停滞 空气作为氧化剂的作用是保持温度低于1000 这表示流化床气化炉最适合用比较易反应的燃料 如生物质燃料 流化床气化炉的优点包括能接受宽范围的固体供料 包括家庭垃圾 经预先适当处理的 和生物质 如木柴 灰份非常高的煤也是受欢迎的供料 尤其是那些灰熔点高的煤 因为其他类型的气化炉 气流床和移动床 在熔化灰形成熔渣中损失大量能 9 11煤的气化 流化床气化炉 燃料在闸斗仓内加压 然后储存日仓或加料仓里 之后再螺旋给入气化炉 气化炉的底部是流化床 流化介质是空气或o2和蒸汽 气体与固体向上流至反应器 在这里再加入空气 o2和蒸汽来完成气化反应 之后将粗合成气在除尘器里除尘并冷却 在除尘器中脱除的固体回至气化炉底部 用螺旋除灰器将灰从气化炉底部排出 9 11煤的气化 移动床气化炉 在移动动床气化炉里 氧化剂 蒸汽和o2 被吹入气化炉的底部 产生的粗燃料气通过固体燃料床向上移动 随着床底部的供料消耗 固体原料逐渐下移 因此移动床的限定特性是逆向流动 在粗燃料气流经床层时 被进来的给料冷却 而给料被干燥和脱去挥发分 因此在气化炉内上下温度显著不同 底部温度为1000 或更高 顶部温度大约500 燃料在气化过程中脱除挥发分意味