燃烧基本理论精选PPT.ppt
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1、关于燃烧基本理论第1页,讲稿共45张,创作于星期二一、基本概念从燃烧的角度来看,各种不同燃料均可归纳为两种基本组成:n可燃气体如H2、CO及CmHn等n固态炭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的发光现象。燃烧有两种类型:n普通的燃烧,亦即正常的燃烧观象n爆炸性燃烧第2页,讲稿共45张,创作于星期二n普通的燃烧,亦即正常的燃烧观象,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。通常燃烧的火焰传播速度较小,仅每秒几米,燃烧时压力变化较小,一般可视为等压过程。n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
2、速度大,约为10004000m/s。通常是在高压、高温下进行。n一般窑炉中燃料的燃烧,属于普通的(正常的)燃烧。第3页,讲稿共45张,创作于星期二二、煤粉的燃烧研究n对燃烧领域来说,主要关心的是煤的燃烧特性和污染特性n煤粉燃烧特性的研究主要集中在四个方面:煤粉的热解特性,煤粉的着火特性、煤焦的燃尽特性及煤的结渣特性。n由于焦的燃烧及燃尽需要更长的时间,故在燃烧过程中更为重要。第4页,讲稿共45张,创作于星期二1.煤粉的热解特性煤粉的热解特性n煤的热解是指煤在加热过程中释放出气体(挥发分)的过程。n热解研究应包括两个方面:气态成分的生成过程和固态成分的孔隙结构及形态变化。n通常所谈到的煤的热解特
3、性仅指挥发分的析出特性。第5页,讲稿共45张,创作于星期二n在400之前,基本上只有CO2析出n在400600,C2H4、C2H6、CO、CH4和H2相继达到最大值,同时焦油也在形成;n在600以后主要是H2和CO析出,并达到最大值。n通常工业生产中所用到的挥发分含量是煤的工业分析挥发分含量,它是按我国标准规定,将干燥的煤样放在有盖坩埚内,在90010的马弗炉中加热7min,煤样所失去的重量。实验证明实验证明第6页,讲稿共45张,创作于星期二2 煤粉的着火特性煤粉的着火特性n以煤着火机理研究、煤粉的着火特性实验研究及评判为主要内容n煤粉着火机理的研究已有长达一个多世纪的历程,其中一个主要的争论
4、是,煤的着火是均相还是非均相的。n均相着火:一般是指煤中的挥发分热解、聚积到一定程度发生的着火。n非均相着火:是指氧气扩散到焦炭表面,直接与颗粒发生反应而着火。第7页,讲稿共45张,创作于星期二Essenhigh在其综述文章15中给出了着火区域划分图,指出煤粒着火不仅有均相着火与非均相着火,而且还有一个称为非均相均相的联合着火区(hcterohomgencous)n。一般,对于100m的大颗粒,且挥发分含量较多的煤,在慢速加热的条件下()确实是挥发分先析出并着火,在低温下()则是整个煤粒或煤粒表面某处着火。n对极慢的加热速度情况,1985年ognott22利用普通热天平对褐煤的着火特性进行了研
5、究,他们发现,因挥发分的慢慢析出,且逐渐扩散到空气中,这样挥发分浓度始终很低,因而不可能着火,此时必定是非均相着火。第10页,讲稿共45张,创作于星期二)均相着火)均相着火n煤的均相着火涉及到热解、挥发分的组成和析出速度、以及挥发分的气相反应机理等,而人们对这些了解还很不够,因此发展缓慢。nnnamalai和Durbetaki23在不考虑多相反应时分析了煤颗粒的均相着火,提出了火焰薄层(lameSheet)模型,其着火判据称为绝热着火准则,即气相反应放热正好可以满足煤的热解吸热和将热解产物加热到着火温度。第11页,讲稿共45张,创作于星期二nGururajan25既考虑颗粒表面的氧化反应,又考
6、虑空间挥发分的气相氧化,建立了单颗粒稳态燃烧的详细模型。n模型中着火的判据是:当燃烧状态由低温燃烧或动力燃烧转变为高温燃烧或扩散燃烧时着火发生。模型成功地预报了着火温度随粒径、氧浓度等因素的变化规律,结果与实验相吻合。n章明川26利用可燃气体浓度极限建立了煤粉均相着火的模型n张军和付维标2728在较准确的数值计算基础上,提出了带化学反应的分区简化模型来描述煤粒的均相着火。第12页,讲稿共45张,创作于星期二3煤粉的燃尽特性煤粉的燃尽特性n焦炭的非均相燃烧过程控制着煤粉燃烧的总速度,为国内外学者所关注。n研究内容:碳与氧的反应机理和燃烧反应速度。n对于碳与氧的反应机理,一般认为碳与氧反应时一氧化
7、碳和二氧化碳都是其主要产物,两种产物之比随温度上升而增加,并与碳的种类有关。n煤焦的燃烧速度取决于焦的化学反应速度和气流的扩散速度第13页,讲稿共45张,创作于星期二总的燃烧速度常数总的燃烧速度常数KnK=1/(1/Ks+1/Kd)n焦的化学反应速度常数Ks一般认为满足Arrhenius公式:nKs=Aexp(-E/RTs)n气流的扩散速度可由下式确定55nKd=2.3D/(dRTa)n其中,为化学当量系数,与反应机理有关,在C+O22CO时,=2,在C+O2CO2时=1第14页,讲稿共45张,创作于星期二其他影响因素其他影响因素n燃烧速度不仅与边界层扩散有关,而且与氧在孔内的扩散有关。n孔内
8、扩散系数与焦的孔隙结构密切相关。n煤中矿物组成及含量对煤焦燃烧反应也具有影响。灰分对燃尽影响比较复杂,灰分的增大,一方面会妨碍氧在煤焦内部的扩散,另一方面,增加的灰分中的空隙又会提高氧在煤焦内部的扩散截面积。第15页,讲稿共45张,创作于星期二4煤的结渣性研究煤的结渣性研究n煤灰结渣是一个复杂的物理化学过程。已提出了许多结渣经验判别指标。n美国EPRI(ElectricPowerResearchInstitute)调研表明:已有指数不能完全正确的预报结渣倾向,但有相当的可靠性(70%左右)。其中软化温度,硅比值分辨率最好。n何佩敖、张忠孝引入最优分割方法60,对用煤灰软化温度T2、SiO2/A
9、l2O3碱/酸比硅比(SiO2100/SiO2+CaO+MgO+Fe2O3)等参数预报结渣倾向的可靠性进行了研究,对我国的动力用煤,这四项指数的分辨率可达65%左右。n而华中理工大学,主要从相图、扫描电镜及X射线分析结果入手,引入模糊综合评判的方法。n目前,在水泥行业中,涉及到煤的结渣特性的研究尚未开展,煤的结渣性是否对水泥生产有影响,其影响程度如何,有待于科学的分析。第16页,讲稿共45张,创作于星期二三、三、煤粒着火过程及着火动力学煤粒着火过程及着火动力学n1着火的定义着火的定义n任何燃料的燃烧过程,都有“着火”及“燃烧”两个阶段,由缓慢的氧化反应转变为剧烈的氧化反应(即燃烧)的瞬间叫着火
10、,转变时的最低温度叫着火温度。nEssenhigh指出临界着火的情况下,有的点出现非临界着火时,但有的点出现第17页,讲稿共45张,创作于星期二n某一容器内煤气与空气的混合物,单位时间内由于氧化反应放出热量(放热速率Q放)、单位时间内散失热量(散热速率Q散)与混合气体温度的关系为:nQ放=Kexp(-E/RT)nQ散=K(T-T0)放热曲线与散热曲线相切的点C叫着火点,该时的温度(Tc)叫着火温度,即在一定条件下燃料稳定燃烧的最低温度。着火温度并不是一个定值。当氧化反应速率加大(即放热速率很高)或散热速率降低时,均能使着火温度降低。气体燃料实验气体燃料实验第18页,讲稿共45张,创作于星期二2
11、.几种着火实验方法几种着火实验方法n热天平法nTognotti6利用热天平,得到空气及氮气情况下煤(煤焦)的失重曲线。将这两条曲线画在一个图中,则当曲线出现分离点时就表明颗粒着火了。n闪光频率计数法nWall等让煤粉从一垂直沉降炉中落下,记录不同炉温时煤粉出现火光的频率,出现规则的火星或闪光(regularflashing)定义为着火温度n测温法n章明川等在沉降炉中,认为刚好形成炉内稳定的火焰时是临界着火状态。此时,测量炉内投粉与不投粉时沿轴向距离气体的温度,两温度曲线在一定位置会发生分离,定义此分离点即着火点。第19页,讲稿共45张,创作于星期二n单颗粒煤着火的实验方法Tomeczck与Wo
12、jcik10利用热电偶测量颗粒的温度。但在判断着火方法上仍以光电探测器探测到火焰为准n采用非临界着火条件付维标,曾桃芳记录碳粒整个着火过程中的温升曲线,获得温度对时间的一阶导数及二阶导数。根据着火定义,二阶导数为零即为着火时刻,从而获得准确的着火温度及一阶导数。第20页,讲稿共45张,创作于星期二3煤焦着火动力学参数研究煤焦着火动力学参数研究n两种研究方法:采用经典的TET理论12,其中对辐射换热一般都忽略不计对颗粒能量守恒与质量守恒方程进行求解n在过去的研究中,都是根据TET简化理论所得的公式及实验所测的临界着火气体或碳粒温度,来反算E、值。n表2.1是部分研究者的结果。可以看到,即使对同一
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