第四章-固体燃料燃烧

燃烧与传热学II

第4章固体燃料燃烧飞行器动力工程2第四章

固体燃料燃烧固体燃料的特性煤粒着火及燃烧过程炭及焦炭的燃烧推进剂及金属粉末燃烧煤的燃烧方式与燃烧装置3第一节 固体燃料特性典型固体燃料煤煤、油页岩、木柴、甘蔗渣等都是碳氢化合物，可作为固体燃料煤占我国一次能源消费的70%以上消费的煤中80%以上用于燃烧我国是少有的以煤为主的国家煤的燃烧比较复杂，木柴等容易燃烧煤中焦炭占煤中可燃质重量的55~97%，焦炭的发热量也占煤的总发热量的60~95%金属颗粒固体推进剂4第一节 固体燃料特性固体物质的燃烧速度一般小于可燃气体和液体的燃烧速度不同组成、不同结构的固体物质燃烧速度差别很大：萘的衍生物、石蜡，三硫化磷，松香等固体物质，其燃烧过程要经过受热熔化、蒸发、分解氧化、起火燃烧等几个阶段，一般速度较慢。硝基化合物、硝化纤维及其制品，因其本身含有不稳定的含氧基团，燃烧非常剧烈。比表面：固体物质比表面大燃烧速度快。5元素分析碳C氢H氧O氮N硫S灰分A水分W可燃质惰性质C：主要可燃元素，碳化程度越高，含碳量越大泥煤：70%褐煤：7078%烟煤：7890%无烟煤：90%以上H：主要可燃元素，含量较低，5%有效氢：氢元素与C、S结合，热值高，约C的3.7倍化合氢：氢元素与O结合形成不可燃化合物H2O第一节 固体燃料特性-煤6主液体推进系统热值：煤质的重要指标，是计算热平衡、耗煤量、热效率等的依据煤的比热：室温下煤的比热约为0.841.67kJ/(kg·℃)比热随煤的变质程度、水分、矿物质含量和环境温度变化而变化；炭化程度高，比热减小，泥煤1.38，褐煤1.21，烟煤1.001.09；通常矿物质含量增高，比热降低；温度变化，比热先增后降。煤的导热系数：一般在0.2320.348W/(m·℃)随炭化程度升高和温度升高而增大，同一煤种水分含量增大，导热系

数增大第一节 固体燃料特性-煤7主液体推进系统粘结性：粉碎后的煤在隔绝空气的情况下加热到一定温度时，煤的颗粒相互粘结形成焦块的性质焦结性：指在工业炼焦条件下（在隔绝空气条件下加热到1000℃左右），一种煤或几种煤混合后的粘结性，也就是煤能炼出冶金焦炭的性质（无烟煤和褐煤的热稳定性较差）耐热性：煤在高温条件下对热的稳定程度，反映煤在受热时是否易于破碎，或块煤在高温下保持原有粒度的能力结渣性：煤燃烧产生高温，使灰分熔融成渣。结渣性即煤中矿物质的结块性能第一节 固体燃料特性-煤8主液体推进系统第一节 固体燃料特性-金属金属的燃烧能力取决于金属本身及其氧化物的物理、化学性质，其中金属及其氧化物的熔点和沸点对其燃烧能力的影响比较显著。挥发金属（如Li、Na、K等）

它们的沸点一般低于其氧化物的熔点（K除外），因此在其表面上能够生成固体氧化物不挥发金属（不挥发金属的沸点比它的氧化物的熔点要高）不挥发金属因其氧化物的熔点低于金属的沸点，则在燃烧时熔融金属表面上形成一层氧化物。金属氧化物先于金属固体熔化变成气体，使金属表面裸露与空气接触，金属氧化物的熔化消耗了一部分热量，又阻碍了金属和空气中氧的接触，减缓了金属的氧化燃烧速度，固体表面呈炽热发光现象，如氧焊、电焊、切割火花等。不挥发金属的燃烧属于气、固两相燃烧。9主液体推进系统第一节 固体燃料特性-金属挥发性金属的燃烧过程挥发金属和火源接触时被加热发生氧化，经过一段时间后，金属被熔化并开始蒸发，蒸发出的蒸气通过多孔的固体氧化物扩散进入空气中。当空气中的金属蒸气达到一定浓度时就燃烧起来，同时燃烧反应放出的热量又传给金属，使其进一步被加热直至沸腾，进而冲碎了覆盖在金属表面上氧化物薄层，出现了更激烈的燃烧。同时燃烧激烈时，固体氧化物也变成蒸气扩散到燃烧层，离开火焰时变冷凝聚成微粒，形成白色的浓烟。这是挥发金属的燃烧特点。挥发金属的燃烧属于熔融蒸发式燃烧。金属固体→金属液体→金属蒸气→与空气混合→均相有焰燃烧→金属氧化物白烟。10主液体推进系统第一节 固体燃料特性-金属不挥发金属在粉末状、气熔胶状、刨花状时在空气中燃烧进行得很激烈，且不生成烟。粉尘悬浮在空气中可能发生爆炸，且无烟生成。金属固体→炽热表面与空气接触→非均相无焰燃烧Al、Ti、Fe等金属在空气中难以燃烧，但在纯氧中能燃烧，在燃烧时金属并不气化而是液化。气割时,先用氧-乙炔火焰将金属预热到燃点,然后打开切割氧阀门,使高温金属燃烧,金属燃烧时所产生的氧化物熔渣被高压氧吹走,形成切口。金属燃烧时放出大量的热,又预热待切割的金属,所以切割过程是预热-燃烧-去渣的形成切口的不断连续重复进行的过程。第一节 固体燃料特性-金属燃烧的应用（气割）气割过程一般分为3个阶段:①钢材表面,铁和氧开始燃烧反应②铁和氧的燃烧反应向钢材内部传播③将反应生成物(主要是氧化铁)强行排除，达到切断目的。气割的实质是金属在氧气中燃烧,乙炔或丙烷只起助燃作用整个切割过程不是将金属熔化,而是金属燃烧的过程。在气割过程中,铁与氧反应是预热钢材的主要热源,而预热火焰的热作用则是次要的。切割时所需总热量的85%来自燃烧反应,只有15%的热量来自预热火焰。第一节 固体燃料特性-金属燃烧的应用（气割）金属易燃程度与比表面积关系极大；燃烧热值大、燃烧温度高；燃烧时强度降低；某些金属燃烧时火焰具有特征颜色。

钠锂钾铷铯钙锶铜钡

黄

紫红

浅紫

紫

紫红

砖红色

洋红

绿

黄绿

第一节 固体燃料特性-金属燃烧高温下，金属性质活泼第一节 固体燃料特性-金属燃烧防水、防潮

碱金属、碱土金属、金属粉末

少量

煤油大量氮封锂氩或氦第一节 固体燃料特性-金属储运及防火密封单独存放薄片和颗粒金属远离可燃物氧化剂涂油物酸、碱、卤素16主液体推进系统第一节 固体燃料特性-金属着火的灭火剂7150灭火剂（三甲氧基硼氧六环）：是扑救镁、铝、镁铝合金、海绵状钛等轻金属火灾的有效灭火剂。灭火时，当它以雾状喷到炽热的燃烧着的轻金属上时，会发生两种反应，即

分解反应：

60℃以上

(CH３O)３B３O３

———

(CH３O)３B＋B２O３

(三甲氧基硼氧六环)

(硼酸三甲酪)

(硼酐)燃烧反应：

(CH３O)３B３O３＋9Ｏ２

——

3B2Ｏ３＋9H2Ｏ十6CO2

(三甲氧基硼氧六环)

(氧)

(硼酐)

(水)

(二氧化碳)

17主液体推进系统第一节 固体燃料特性-金属着火的灭火剂7150灭火剂（三甲氧基硼氧六环）：是扑救镁、铝、镁铝合金、海绵状钛等轻金属火灾的有效灭火剂。灭火时，当它以雾状喷到炽热的燃烧着的轻金属上时，会发生两种反应，即

分解反应：

60℃以上

(CH３O)３B３O３

———

(CH３O)３B＋B２O３

(三甲氧基硼氧六环)

(硼酸三甲酪)

(硼酐)燃烧反应：

(CH３O)３B３O３＋9Ｏ２

——

3B2Ｏ３＋9H2Ｏ十6CO2

(三甲氧基硼氧六环)

(氧)

(硼酐)

(水)

(二氧化碳)

煤是最重要的固体燃料，燃煤锅炉有沸腾床、流化床、链条床、旋风炉等。固体燃料燃烧问题非常复杂，一些细节既取决于燃料的自然属性，又和其特定应用场合有关。煤被粉碎后绝大多数煤粉粒径小于75μm。煤粉被一次风吹入一次风区，一次风提供了总燃烧风量的20%。在一次风中，氧气消耗于挥发分产物的燃烧。二次风通过二次风口以高速进入，并与焦炭以及来自锅炉下部的燃烧产物混合燃烧。经充分换热后，烟气被送入除尘和脱硫装置，有时还有脱硝装置。第二节煤的燃烧由于煤复杂的自然属性和其成分的多样性，因此不是所有煤的燃烧都遵循同一方式。其通常的顺序是，首先是水分脱除，接着是挥发分的蒸发。挥发分可以在气相中或者是在煤粉颗粒表面进行均相燃烧。由于挥发分的脱除，煤可能产生膨胀，变得含有很多孔。在热解后剩余的物质是焦炭和其相应的无机矿物质。焦炭燃烧后，矿物质形成了不同比例的灰、渣和细颗粒。尽管焦炭孔结构对实际燃烧的作用相当重要，但焦炭的燃烧过程依然基本遵循着前面讨论的碳燃烧的模式。第二节煤的燃烧非均相反应是指涉及以不同物理状态存在的组分参与的反应过程，例如气-液反应、气-固反应等。气-固反应的整个过程细分为以下的几个基本环节:(1)反应物分子通过对流和(或)扩散作用到达固体表面;(2)反应物分子在固体表面被吸附;(3)包含被吸附分子、固体表面自身及气相分子的多种化合作用的基元反应;(4)产物分子在固体表面的解吸附;(5)产物分子通过对流和扩散作用离开固体表面。第(1)步和第(5)步相似，可用第3章中传质的内容来分析。中间几步反应比较复杂，尤其是第(3)步。第二节煤的燃烧-非均相燃烧为了详细描述这些反应步骤，我们根据反应物和产物在固体表面吸附强弱的不同而引用三个速率方程。首先，如果反应物分子A的吸附能力较弱，那么反应速率R与邻近表面处的A气体浓度成正比，即其中，k(T)是速率常数。第二，如果A强吸附，则反应速率与A的气相浓度无关：反应物A弱吸附、产物分子B强吸附，这种情况下

其中，[A]和[B]是接近固体表面的A和B的气相浓度。上面三式表明气-固反应速率的表达式同我们所熟悉的均相基元反应是不同的。第二节煤的燃烧煤粉燃烧时，在挥发性物质从煤颗粒中脱掉并燃烧之后将有焦炭生成。随后焦炭的燃尽是整个燃烧过程包括需要的停留时间和燃烧空间大小的控制过程。而且，相当大部分的热量是通过焦炭颗粒的燃烧辐射出去的。图14.2示出了在反应边界层内一个燃烧的碳表面。在此表面上，主要根据碳表面温度不同，碳可以同O2、CO2或者H2O发生如下的总包反应:第二节煤的燃烧碳表面的主要产物是CO。从表面扩散出去的CO穿过边界层并同向内部扩散的氧气相结合，发生如下的均相总包反应:当然，上面这个反应式中包含许多基元反应步骤，其中最重要的一步是CO+OH→CO2+H。从原理上说，在确定了所有基元反应步骤后，碳的氧化问题可以通过列出适当组分、能量和质量守恒方程，根据固体表面和自由气流中的边界条件来求解。然而这一方法的复杂性在于碳表面是多孔的，其表面的详细属性又随碳氧化的过程而改变。因此，在一定的条件下，颗粒内部扩散在碳的燃烧中发挥着重要的作用。第二节煤的燃烧碳燃烧的简化模型是基于图14.2给出的总包反应，并且通常假定扩散无法通过固体表面。根据表面和气相化学的假定，有几种不同的建模方法。单膜模型：气相中没有火焰面，最高温度点在碳的表面。双膜模型：火焰面位于距离表面一定距离处，在火焰表面CO与O2发生反应。连续膜模型：火焰区域分布在整个边界层内，而非集中在一个薄层内。单膜模型十分简单，可以方便而又清晰地阐明非均相化学动力学和气相扩散的共同作用。双膜模型依然很简单，但更趋合理，它示出了产物CO先后产生和氧化的过程。利用这些模型可以估算碳-焦(carbon-char)的燃烧时间。第三节炭的燃烧1.假设单个碳球的燃烧应遵循如下的假定：(1)燃烧过程为准稳态。(2)球形碳颗粒在无限大、静态环境中燃烧，只存在氧气和氮气。与其他颗粒没有相互作用，对流的影响可忽略。(3)在颗粒表面，碳与化学当量的氧气反应产生二氧化碳。(4)气相仅由氧气、二氧化碳和惰性气体组成。氧气向内扩散，和表面碳反应生成二氧化碳；二氧化碳向外扩散；惰性气体形成不流动边界层，即前述的斯蒂芬问题。(5)气相导热系数、比定压热容、密度与质量扩散系数的乘积都是常数。进而假定Lewis数为1。(6)碳颗粒对气相组分具有不透过性，即内部扩散可忽略。(7)碳颗粒温度均匀，以灰体形式和外界辐射换热。第三节炭的燃烧-单膜模型图14.3示出了基于上述假设的基本模型，表明了各气相组分的质量分数和温度分布随径向的变化。二氧化碳的质量分数在表面处达到最大值，而远离颗粒表面无穷远处为0；氧气的质量分数在表面处最小。如果氧气消耗得非常快的话，颗粒表面上氧气的浓度将趋于0。既然假定在气相中没有反应发生，即所有热量的释放都生在固体表面，则温度将由表面温度的最大值Ts单调地下降到远离表面处的温度T∞。第三节炭的燃烧-单膜模型2.总质量和组分守恒方程在下面的分析中，主要目的是确定可估算碳质量燃烧率(ṁC)和表面温度(Ts)的表达式，重要中间变量包括氧气和二氧化碳在碳表面的质量分数。图14.4示出了三种组分的质量通量之间的关系。在表面上，碳的质量通量必须等于流出的二氧化碳和流人的氧气质量通量的差值，即:类似地，在任一径向位置r

处，净质量通量是二氧化碳和氧气质量通量的差值，即:第三节炭的燃烧-单膜模型在稳态、无气相反应条件下，不同时间和不同的径向位置处各种组分的质量通量都保持不变，因此可以得到:或可以看到，流出的质量流量恰恰等于碳的燃烧速率。二氧化碳和氧气的流率还可以通过在表面上反应的化学当量来建立关联，即：或其中化学计量系数：下标I表示这个系数用于单膜模型。对于双膜模型还有一个不同的化学计量系数。第三节炭的燃烧-单膜模型

第三节炭的燃烧-单膜模型通过含两个边界条件的一阶常微分方程，可以得到ṁC的表达式，即得到问题的特征值。对上式分离变量，并在上下限内积分，可以得到：因为YO2,∞是给定量，因此如果知道了碳颗粒表面的YO2,s值，问题即可解决。3.表面化学动力学假定同氧气有关的反应C+O2→CO2是一级的，碳的反应速率可以表示为:式中，[O2,s]是表面上氧气的浓度(kmol/m3)，kc是反应速率常数，即kc=Aexp(-EA/RuTs)。第三节炭的燃烧-单膜模型将浓度转化为质量分数，有：将碳燃烧速率和表面(r=rs

)处碳质量通量关联起来：或式中，除YO2,s外的所有化学动力学参数都包含在因子Kkin中，应注意Kkin值取决于压力、表面温度和碳颗粒半径等。从上式中解出YO2,s并代入到碳质量燃烧率(ṁC)表达式中得到一个关于燃烧速率ṁC的超越方程。另一种求解方法是采用电路比拟方法，从而更方便地表达所求的解。第三节炭的燃烧-单膜模型4.电路比拟为了进行电路比拟，需要将ṁC的两个表达式转化为包含所谓的势差和阻抗的形式：式中加上0是为了表征“势差”的形式，“阻抗”是化学动力学因子Kkin的倒数。上式与欧姆定律的形式是相似的，这里ṁC是"流率变量"，或者叫电流比拟。处理ṁC的另一个表达式需要一些数学变换，首先，重新整理对数项得到：定义一个传递数BO,m：第三节炭的燃烧-单膜模型则上式与液滴蒸发和燃烧的形式相同。上式可以通过展开为级数的形式进行线性化:如BO,m的值很小，截断二次项得：ln(1+BO,m)≈BO,m，因为ν1=2.664，而且YO2,s的值一定在零和YO2,∞(空气为0.233)之间，可见近似是合理的。因此：式中，ṁC又可以表示成"势差"和"阻抗"的形式，即由于Rdiff项中出现的YO2,s不是常量，

ṁC和ΔY是非线性关系。第三节炭的燃烧-单膜模型从化学动力学得到燃烧速率，必须与只考虑质量传递的燃烧速率相同，图14.5给出了串联电阻电路比拟结果。注意到，因为我们选择的势差是氧气的质量分数，所以碳是从低势区流向高势区，这同实际电路比拟正好相反。这时的流率变量是ṁO2/ν1=

-ṁC，这同样表示在图14.5中。下面可以利用电路比拟来得到燃烧速率ṁC：其中：第三节炭的燃烧-单膜模型5.碳燃烧控制情况ṁC本质上仅和阻抗值有关。如假定Rkin/Rdiff<<1，此时燃烧速率是扩散控制的。应用Rkin和Rdiff的定义，可得二者的比值这一比值在几种情况下可以变得很小。首先，表面反应足够快，kc可以非常大。尽管表面温度在上式的分子中，但根据kc=Aexp(-EA/RuT)，kc随着温度的升高而迅速上升。如果碳燃烧是由扩散控制的，则可以看到化学动力学参数中没有一个可影响到燃烧速率，而在碳表面上氧气的浓度接近于零。另外，Rkin/Rdiff>>1时，燃烧由化学动力学控制。此时Rdiff很小，注意到YO2,x和YO2,∞基本上相等，也就是说表面上的氧气浓度比较大。此时，化学动力学参数控制燃烧速率，第三节炭的燃烧-单膜模型化学动力学控制燃烧通常发生在微粒尺寸比较小、压力比较低、温度比较低(使kc值小)的情况下。表14.1总结了不同燃烧的模式。第三节炭的燃烧-单膜模型例14.1试计算直径为250μm的碳颗粒在1atm空气中的燃烧速率(YO2,∞=0.233)，颗粒表面温度是1800K，表面反应速率常数是13.9m/s。假设表面处气体分子平均摩尔质量为30kg/kmol。同时，判断燃烧处在哪种控制模式下?解：采用电路比拟的方法求解ṁC。扩散阻力方程中气相密度可用表面温度下的状态方程计算：质量扩散系数可用附表D.1中N2中CO2的值，折算到1800K:迭代开始时设YO2,s=0，则：第三节炭的燃烧-单膜模型计算化学动力学阻力，得从上述计算可以看出，Rdiff超过Rkin值10倍，因此该燃烧是扩散控制。采用电路比拟计算燃烧速率表达式计算ṁC，进而求得YO2,s，并进一步得到一个修正的Rdiff，一直迭代到满足一定精度的ṁC为止，即：根据电路比拟示意图(图14.5)得：第三节炭的燃烧-单膜模型因此：鉴于Rdiff变化小于1%，因此不需要进一步迭代。注：这个例子阐释了如何采用电路比拟方法来实现基于简易迭代的碳燃烧计算过程。由于化学动力学阻力的非负性，可以看到碳表面O2存在一个较明显的浓度值。需要强调的是本节给出的单膜模型并非实际发生的化学过程的准确表述，而是在基于将复杂问题最简化原则下的一个揭示基本概念的教学工具。第三节炭的燃烧-单膜模型6.能量守恒以上的分析中都是把表面温度Ts看作一个已知的参数。然而这一温度不可能是一个任意值，而是一个取决于碳表面能量守恒的唯一值。如同我们所看到的，表面能量守恒的控制方程强烈地取决于燃烧速率，即能量传递和质量传递过程的耦合。图14.6给出了碳表面上的能量通量。表面能量守恒方程为因为是稳态燃烧，没有热传导到颗粒内部，因此Qs-i=0，方程左边是ṁCΔhc，其中Δhc是碳-氧燃烧的反应热(J/kg)，因此上式变为：第三节炭的燃烧-单膜模型为了获得在表面上气相温度梯度的表达式，需要写出一个包含气相的能量平衡方程，并从中求解出温度分布。前面分析液滴蒸发模型时导出过类似的结论(方程(10.10)，用Ts代替原式中的Tboil，即这里Z=cpg/(4πkg)，将上面两式合并整理可得：上式含有两个未知量ṁC和Ts。为得到碳燃烧问题的完全解，需要同时迭代求解上式和电路比拟燃烧速率方程。还要注意，在扩散和化学动力学控制的过渡区域，YO2,s也变成未知量，碳的反应速率方程也要增加到方程组中。第三节炭的燃烧-单膜模型

第三节炭的燃烧-单膜模型单膜模型的教学性大于其实用性。双膜模型在描述碳燃烧的化学物理过程方面更为真实一些。图14.7示出了沿着两个气膜区域内组分的浓度和温度的分布曲线：以火焰面为界，分成了内部区域和外部区域。在双膜模型中碳表面受到二氧化碳的碰撞，发生总包反应C+CO2→2CO，产生的CO向外部扩散并在火焰面上遇到向内扩散的氧气，与其按化学当量发生反应而被消耗掉。如总包反应CO+1/2O2→CO2速率无限快，因而在火焰面上一氧化碳和氧气都为零。温度在火焰面上也达到峰值。下面的主要任务就是找到燃烧速率ṁC第三节炭的燃烧-双膜模型1.化学计量关系各种组分的质量流量可以通过在颗粒表面和火焰面上的简单质量平衡方程建立起关联，如图14.8所示，分别为：在表面上：ṁC=ṁCO-ṁCO2,i在火焰面：ṁCO=ṁCO2,i+ṁCO2,o-ṁO2或者：ṁC=ṁCO2,o-ṁO2利用颗粒表面和火焰面上的化学计量关系，所有组分的质量流量都能够和燃烧速率ṁC建立起关联。在表面上：在火焰面：其中：νs=3.664，νf=νs-1。第三节炭的燃烧-双膜模型因此，各质量流量可表示为2.组分守恒方程通过应用菲克定律可以获得分别描述内部区域和外部区域CO2分布的微分方程。同样地，对于惰性组分(N2)也需列出一个微分方程。这些方程表示如下。内部区域CO2:边界条件第三节炭的燃烧-双膜模型外部区域CO2:边界条件对于惰性组分(N2):边界条件对上述三个方程进行积分，并根据ΣYi=1，可得如下包含5个未知量ṁC、YCO2,s、YCO2,f、YI,f和rf的4个代数方程：第三节炭的燃烧-双膜模型为了得到双膜模型问题的更易处理的解，可从方程中消去除了ṁC和YCO2,s外其他所有变量，得到组分守恒方程，即：其中：对于扩散控制燃烧，YCO2,s=0，ṁC可从方程中直接解出。为封闭方程组，需要一个含ṁC和YCO2,s的化学动力学方程。3.表面化学动力学反应C+CO2→2CO是关于二氧化碳浓度的一级反应，因此燃烧速率可以表达为与单膜模型中相同的形式，即：第三节炭的燃烧-双膜模型其中或简写为上式是从表面化学动力学关系得到的组分封闭方程，与组分守恒方程联立，可求解ṁC和YCO2,s。为了获得表面温度，还需列出在表面和火焰面的能量方程。其过程同本章前面和第10章中介绍的方法类似。第三节炭的燃烧-双膜模型例14.3考虑扩散控制燃烧，在相同条件下(YO2,∞=0.233)比较单膜模型和双膜模型所预测的碳燃烧速率的不同。解：单膜模型和双膜模型计算碳燃烧速率的通用形式是：在相同条件下，上述方程中仅有Bm是唯一具有不同取值的参数，因而：对于扩散控制，颗粒表面CO2浓度(双膜模型)和O2浓度(单膜模型)都近似为0。则传递数可通过下式计算:第三节炭的燃烧-双膜模型则两种模型下碳燃烧速率的比值为:注：特别值得注意的是，碳燃烧速率计算的差别并不是两个模型本质上的差别，而应该归结于假定发生在碳表面汽化所涉及的具体反应的体现。该结论的正确性可以表示如下:在单膜模型中，如假定碳表面的产物是CO而非CO2，此时ν1=31.999/24.01=1.333，且Bm=0.175，这和双膜模型的传递数一样。只要表面反应产物是CO，则采用单膜模型和双膜模型计算出碳燃烧速率就是一致的，这既与这些表面产生CO后的情况无关，也与组分O2和CO2在颗粒表面处碰撞无关。第三节炭的燃烧-双膜模型对于扩散控制燃烧，建立D2定律，很容易得到颗粒燃烧时间颗粒半径可表示为随时间变化的函数，如下所示:其中燃烧速率常数KB是常量，可由下式给出:所以颗粒寿命为：根据所用的是单膜还是双膜分析方法，传递数B可选BO,m

或BCO2,m，而表面的质量分数设置为0。传递数B表达式中：ρ是气相密度，

ρc是团体碳的密度。有对流存在时，质量燃烧速率由于因子Sh/2的影响而增加，这里Sh是舍伍德数，它对质量传递的作用与传热学中努塞尔数对热量传递的作用是相似的。对于路易斯数等于1的情况，Sh=Nu，因此：第三节炭的燃烧-燃烧时间例14.5假设例14.4满足扩散控制燃烧条件，试计算直径70μm碳颗粒的寿命。假设碳的密度是1900kg/m3。解：燃烧速率常数可计算如下:式中，传递数BCO2,m的值采用了例14.4中计算的第一次迭代的结果，因此寿命可计算如下:注：实际锅炉中，YO2,∞不会保持为常量，随着燃烧过程发展而降低，这会增加颗粒燃烧的时间。相反的是，实际燃烧器存在的对流现象会加快燃烧速率。另外，随着颗粒直径降低，非均相化学反应动力学会控制碳的后期燃尽阶段，此时碳表面的温度变得尤为重要。第三节炭的燃烧-燃烧时间第四节推进剂及金属粉末燃烧Ariane5主液体推进系统固体火箭助推器固体推进剂金属铝粉末铝粉燃烧过程和燃烧产物对固体发动机的工作过程具有重要影响两相流损失降低比冲燃烧室绝热层及喷管冲刷烧蚀发动机燃烧效率及稳定性熔渣沉积消极质量高能量点火困难聚集、凝聚现象粒度、形状影响显著均质+异质燃烧铝粉在固体复合推进剂表面积累、粘结、团聚、着火、燃烧；铝粉在发动机中分布燃烧，与燃烧室壁面和喷管碰撞、沉积；铝粉颗粒/群的燃烧细节直接影响发动机性能！与粒径相关!潜入式固体发动机粒子沉积示意图Al(s)Al(l)Al(l)Al(s)粗糙的燃面金属颗粒第四节推进剂及金属粉末燃烧理论研究实验研究随机装填模型2口袋模型1物理过程复杂，缺乏更有效实验手段不够系统和深入以有效实验手段获得可靠数据，结合团聚物理过程获得经验模型SPLab,PolitecnicodiMilano.计算量过大第四节推进剂及金属粉末燃烧铝颗粒燃烧模型King模型1Liang-Beckstead模型2一、立论依据类比液滴燃烧模型1King,ProceedingsoftheCombustionInstitute,2009.2Beckstead,2002.56高温高压条件的适用性

考虑热辐射、对流、复杂氧化剂环境、凝聚相氧化物在铝颗粒表面的集聚第四节推进剂及金属粉末燃烧一、立论依据57第四节推进剂及金属粉末燃烧一、立论依据58国防科大张炜等铝颗粒燃烧计算模型西北工业大学刘佩进研究团队凝相燃烧产物的粒度特性42所金乐骥等提出铝团聚海绵模型第四节推进剂及金属粉末燃烧一、立论依据59第四节推进剂及金属粉末燃烧高压室含铝药条燃烧凝相粒径实时测量含铝药条燃烧高速摄影纳米铝粉燃烧跨学科研究计划（MURI）纳米铝颗粒的界面演化和反应机理的多尺度研究Al2O3MoltencoreMoltencoreMoltencoreAl2O3Al2O3OOMoltencoreOO能量释放控制争议：位置？路径？OAl2O3OOOOO：反应位置，─►：反应路径第四节推进剂及金属粉末燃烧界面演化与化学反应过程①温升→核心融化→颗粒膨胀②界面的氧化反应③氧化层中的氧原子环境中的氧原子④均质的氧化铝液滴依次由外向内迁移√界面处发生剧烈反应×

环境中的氧及液态铝穿越氧化层反应与现有猜想模式的异同MoltencoreAl2O3O：反应位置→：反应路径氧原子的置换和迁移过程Chu,

Shi*,

Liao*etal.,J.Phys.Chem.C122(2018)29620-29627第四节推进剂及金属粉末燃烧预热融化快速氧化缓慢氧化能量释放调控Chu,

Shi*,

Liao*etal.,J.Phys.Chem.C122(2018)29620-29627第四节推进剂及金属粉末燃烧层燃燃烧逆流式（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

第五节煤燃烧装置层燃燃烧固定火床燃烧过程第五节煤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灰渣燃尽区第五节煤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、调节方便第五节煤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，从而进入燃尽区第五节煤燃烧装置悬浮燃烧（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：第五节煤燃烧装置悬浮燃烧（4）控制合适的一次风喷出速度（5）制备细度合格、粒度均匀的煤粉50~70µm。挥发分高的煤或质地疏松的煤，其粒度可以稍大些；无烟煤或硬质煤，粒度就要小些。煤粉细度一般控制为0.08mm方孔筛筛余8%~15%左右。（6）保持较高的炉膛温度（7）使用合适的煤粉烧嘴（8）炉膛空间的大小和形状要适当使煤粉在其中有足够的停留时间以保证其能充分燃烬。燃烧规律：第五节煤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第五节煤燃烧装置悬浮燃烧旋风炉第五节煤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。第五节煤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。

第五节煤燃烧装置沸腾燃烧特点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，排渣困难第五节煤燃烧装置煤浆燃料煤浆燃料是煤粉与液体如水、油或甲醇混合而成的燃料。种类以煤与何种液体相混合来命名有：（1）油煤浆（COM或COD）油与煤粉混合，可以包含＜10%的水（2）煤油水浆（