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燃烧学burning-5固体燃料燃烧的一般描述_图文

5-3 固体燃料燃烧的一般描述
固体燃料可以是金属,非金属,固体推进剂和化石燃 料—煤 按照不同的生成年代和碳氢比,煤可以分成无烟煤, 贫煤,烟煤,褐煤,泥煤等 煤的成分可以用元素分析(碳,氢,氧,氮,硫等) 工业分析(挥发份,固定碳,水份,灰份),岩相分 析来确定 固体燃料燃烧方式有装药燃烧,型煤燃烧,固定床燃 烧,移动床燃烧,流化床燃烧,悬浮(夹带)燃烧, 浆状燃烧(CWM,COM,CWOM)等 煤是地球上廉价燃料,主要问题是污染和磨损 煤的燃烧过程一般是升温,水份蒸发,热解挥发,挥 发份着火燃烧,挥发份和焦炭共同燃烧,焦炭燃烧, 后者时间最长,发热的贡献最大

煤的热解挥发---( 5-4 煤的热解挥发--(1)一般概念
煤通常升温到5000到6000左右时开始释放出一氧化碳,碳 氢化物,氮,水汽等,称为热解挥发 可以认为一个煤颗粒中含有干而无灰的煤(Daf煤),焦炭, 灰份和水份。 Daf煤热解放出挥发份,焦炭和环境中的氧起异相反应放出 一氧化碳和二氧化碳等 煤粒的质量损失率等于水份蒸发率加挥发份释放率加焦炭燃 烧率 煤的热解挥发对着火和火焰稳定有重要作用 虽然焦炭燃烧对煤粒燃烧起主要作用,但挥发份释放影响煤 的孔隙率,从而间接影响焦炭燃尽过程 煤的热解挥发模型有单方程,双方程,多方程模型等。其中 目前常用的是双方程模型

煤的热解挥发5-4 煤的热解挥发-(2)双方程模型
有两个热解挥发反应,一个在常规燃烧温度下起支配作用 (相当于工业分析的挥发份)另一个在高温下起支配作用 挥发份释放率正比于Daf煤质量,和煤粒温度成指数关系
m = mc + mh + ma + mw & & & & & & & m = mc + mh + mw = mv + mhr + mw Daf 煤 → α1 ? Volatile + (1 ? α1) ? Char1 1 → α2 ? Volatile2 + (1 ? α2 ) ? Char2 & mv = kαmc , & mc =
dmc dt

k = Bv exp(?E v / RTw )
& & mv1 mv 2 ? α α1 2

& mv = mc[α1Bv1 exp(?E v1 / RTw ) + α2Bv2 exp(?E v2 / RTw )] =? = ?mc[Bv1 exp(?E v1 / RTw ) + Bv2 exp(?E v2 / RTw )] Bv2 > Bv1 高温: E v2 > E v1 k 2 > k1 α1 ≈ αprox 低温: α2 ≈ 0.8 k1 > k 2

碳的异相氧化反应5-5 碳的异相氧化反应(1)反应种类
碳的氧化反应发生于碳表面,为异相反应,因为Tb>Ti 碳表面吸附氧分子,再通过解吸放出CO或CO2 表面氧化反应生成CO或CO2 ,还原反应生成CO , CO容积 反应生成CO2

表面一次反应之一 表面一次反应之二 表面二次反应

C + O2 → CO2 + 94200 / mol kcal 2C + O2 → 2CO+ 52300 / mol kcal C + CO2 → 2CO? 41950 / mol kcal

容积反应(二次反应) + O2 → 2CO2 +136200 / mol 2CO kcal

碳的异相氧化反应5-5 碳的异相氧化反应(2)反应动力学 (2)反应动力学
w ox1 = B1ρw Yoxw exp(?E1 / RTw ) = k ox1ρw Yoxw

Arrhenius型统观反应动力学,理论上设为一级,实际为0.5级 温度小于800时以生成CO2为主, 1000到2000之间以CO为主

w ox 2 = B2ρw Yoxw exp(?E 2 / RTw ) = k ox 2ρw Yoxw w co2 ,3 = B3ρw Yco2 w exp(?E3 / RTw ) = k co2 ,3ρw Yco2 w w ox 4 = 6.6 ×104 ρYco exp(?15000/ RT)
T r r k r = Br exp(?E r / RT) = k* exp[? RT (1 ? T )] = k* exp(RT ) exp(?E r / RT) * *
r Br = k* exp(RT ) *

E

E

E

k* = 10m / s B3 > B2 > B1 k1 > k 2 > k 3

T* = 2000K E 2 / E1 = 1.2 E3 / E 2 = 2.2 k1 < k 2 < k 3

E1 = (21 ~ 23) ×103 kcal / mol E3 > E 2 > E1 较低温度(E重要)

较高温度(B重要)

碳的异相氧化反应-(3)基本方程 5-5 碳的异相氧化反应-(3)基本方程
球对称一维层流有反应流动, CO和氧相遇扩散
2 4πr 2ρv = 4πrp ρ w v w = G = const d ρv drs = 1 dr (r 2 Dρ drs ) ? w s r2 dY dY

p ≈ const
d ρvcp dT = 1 dr ( r 2λ dT ) + w s Qs dr dr r2 r

r = rp处

g sw = ?Dρ( drs ) w + Ysw ρ w v w = ∑ Bsr ρ w Ysw exp(?E r / RTp )

dY

4 4 Qsr Bsr ρ w Ysw exp(?E r / RTp ) = εσ(Tg ? Tp ) ? λ( dT ) w ∑ dr r

∑ g sw = ρ w v w = g cow + g co 2 w + g o 2 w
s

r = r1处

T = Tg Ys = Ys∞

∑ Ys = 1
s

g iner = 0

(3)基本方程 基本方程( 5-5 (3)基本方程(续)
表面反应的化学当量比关系
( ) ( g o 2 w = g o12 w + g o2 )w 2 (3) g cow = g ( 2 ) + g cow cow (1 (3 g co 2 w = g co)2 w + g co )2 w ( ) (1 g o12 w = ? 32 / 44 g co)2 w ( g o2 )w = ? 32 / 56 g ( 2 ) cow 2 (3 (3) g co )2 w = ? 44 / 56 g cow

56 / 44 g cow + 56 / 32 g o 2 w + g cow = 0 g c = g c1 + g c 2 + g c 3 =

∑ g sw = ρ w v w = g
s

5-5 (4) 单膜反应模型
表面处只有反应1,无 容积反应,驻膜内热物性为常数
2 G ( Y o 2 ? Y o 2 w ) = 4 π r 2 D ρ ( dro 2 ) ? 4 π r p D ρ ( dro 2 ) w 2 Gc p ( T ? T p ) = 4 π r 2 λ ( dT ) ? 4 π r p λ ( dT ) w dr dr 2 ? 4 π r 2 D ρ ( dro 2 ) + GY o 2 = G o 2 = 4 π r p g o 2 w dY dY dY

4 π r 2 λ ( dT ) = G [ c p ( T ? T p ) + q w ] dr
3 G = G o 2 + G co 2 = ? 8 G o 2 ( 反应 1) G = ?G o2 / β β = 8 / 3或 4 / 3

2 q w = 4 π r p λ ( dT ) w / G dr 3 或 G = ? 4 G o(反应 2) 2

4 π r 2 D ρ ( dro 2 ) = G ( Y o 2 + β ) 由 r p 到 r1 积分,得到 G = G c = π d p Nu * D ρ ln[ 1 +

dY

4 π r 2 λ ( dT ) = G [ c p ( T ? T p ) + q w ] dr ] = π d p Nu * cλ ln[ 1 + p r = 1, 2
c p ( Tg ? Tp ) ] qw

Yo2∞ ? Yo2 w β + Yo2 w

2 G o 2 = ? 4 π r p B r Y o 2 w ρ exp( ? E r / RT p ) πd 3 p 6 dT

2 4 4 ρ c c c dt p = 4 π r p εσ ( T g ? T p ) ? Gq w + GQ c

单膜反应模型( 5-5 (4) 单膜反应模型(续1)
燃烧率G和反应动力学及传热传质都有关 反应2的G比反应1的大 定常状态和达到辐射平衡时,壁面热流等于燃烧放热,则燃烧 率,壁面氧浓度和颗粒温度取决于

G = G c = πd p Nu*Dρ ln[1 +
c p ( Tp ?Tg ) Qc

Yo 2 ∞ ? Yo 2 w ] β+ Yo 2 w

=

Yo 2 ∞ ? Yo 2 w β+ Yo 2 w

2 G o 2 = ? πd p Br Yo 2 w ρ exp(? E r

/ RTp )

单膜反应模型( 5-5 (4) 单膜反应模型(续2)
多数情况下 (Yo 2∞ ? Yo 2 w ) /(β + Yo 2 w ) << 1 (Yo 2∞ ? Yo 2 w ) /(β + Y ( ln[1 +扩散燃烧和动力燃烧o 2 w )] ≈ Yo 2∞ ? Yo 2 w ) / β g o 2 w = G o 2 /(πd 2 ) = ? d* ( Yo 2∞ ? Yo 2 w ) = h* ρ( Yo 2∞ ? Yo 2 w ) p d p g o 2 w = ? k o 2ρYo 2 w g o 2 w = ? KYo 2∞ k o 2 >> h* d Yo 2 w = Yo 2∞ h* /( h* + k o 2 ) d d K = 1 /( 1* + 1 )
hd ko2 Nu Dρ

D = τd / τc = k o 2 / h* >> 1 d

K ≈ h* d

Yo 2 w ≈ 0
u∞ 扩散燃烧 dp

g o 2 w ≈ ? h* ρYo 2∞ = ? Nu*DρYo 2∞ / d p d Tp = Tg + Yo 2∞ Q c /(β c p ), 最大

g o 2 w = inv(Tg ) ~

k o 2 << h* D << 1 K ≈ k o2 Yo 2 w ≈ Yo 2∞ Tp ≈ Tg (Tp最小) d g o 2 w ≈ ? k o 2 Yo 2∞ g o 2 w ~ Tg = inv( u ∞ , d p ) 动力燃烧

单膜反应模型( 5-5 (4) 单膜反应模型(续3)
液滴燃烧率只和传热传质有关,碳的燃烧率和反应动力学及 传热传质都有关 液滴燃烧总是扩散燃烧,碳粒燃烧一般是扩散-动力燃烧 高温,大颗粒,低相对速度时,碳粒燃烧趋于扩散燃烧 低温,小颗粒,高相对速度时,碳粒燃烧趋于动力燃烧 动力燃烧时,燃烧率随温度升高而增长,和粒径及速度无关 扩散燃烧时,燃烧率随速度的增大和粒径的减小而增大,和 温度无关 液滴燃烧时液滴温度低于环境温度,碳粒燃烧时碳粒温度高 于环境温度,但二者的表面氧浓度都低于环境值 动力燃烧时,碳粒表面处氧浓度最高,温度最低 扩散燃烧时,碳粒表面处氧浓度最低,温度最高 扩散燃烧时,碳粒直径平方的减小服从线性递减律,而动力 燃烧时,则直径的一次方的减小服从线性递减率

5-5 (5) 碳粒燃烧的某些实验结果
理论分析结果和直径为1.5mm的悬挂碳粒燃烧的实 验结果定性一致 环境温度小于900度(摄氏)为动力燃烧,900到 1000度之间为扩散-动力燃烧,1000到1200度之间 为扩散燃烧 但是当环境温度大于1200度时,再度出现扩散-动力 燃烧 这是观察到碳粒周围有兰色透明的CO火焰和气相空 间中局部高温(1480度)出现。 看来温度不太高时,单膜反应模型近似正确,但是 温度更高时必须考虑CO2表面还原反应和CO容积反 应

双膜反应(双燃烧面) 5-5 (6) 双膜反应(双燃烧面)模型
设表面上只有CO还原反应和驻膜内有CO扩散燃烧, 驻膜 内热物性为常数 基本方程和边界条件:
d G drs = dr ( 4 πr 2 D ρ drs ) ? w s d Gc p dT = dr ( 4 πr 2λ dT ) + w sQ s dr dr r = rp处 u=0 v = vw ≠ 0 dYs g sw = ? D ρ ( dr ) w + Ysw ρ w v w dYo Yo 2 w = 0 ( dr 2 ) w = 0 11 g cow = ? 14 g co 2 w dY dY

= Bc 3ρ w Ysw exp( ? E 3 / RTp ) Tp取决于前述能量方程

g c = g w = ∑ g sw = g cow + g co 2 w = ρ w v w
3 g c = g w = ? 11 g co 2 w

双膜反应(双燃烧面)模型( 双膜反应(双燃烧面)模型(续1)
使用Zeldovich转换
d G dY = dr (4πr 2 Dρ dY ) dr dr

Y = YO2 + 4 Yco2 / 11
d G dZ = dr ( 4πr 2 cλ dZ ) dr p dr

Z = c pT + Yo2Qo2,4

2 G ( Y ? Yw ) = 4πr 2 Dρ( dY ) ? 4πrp Dρ( dY ) w dr dr 2 G ( Z ? Z w ) = 4πr 2 cλ ( dZ ) ? 4πrp cλ ( dZ ) w p dr p dr
o co co 4 4 ? Dρ( dY ) w = ? Dρ[( dr 2 ) w + 11 ( dr 2 ) w ] = ? 11 Dρ( dr 2 ) w = dr

dY

dY

dY

4 4 = 11 (gco 2 w ? Yco 2 w g w ) = ? g w ( 4 + 11 Yco 2 w ) 3 4 4 ( Y ? Yw ) = Y ? ( Yo2 w + 11 Yco 2 w ) = Y ? 11 Yco 2 w

G ( Y + 4 / 3) = 4πr 2 Dρ( dY ) dr
Yo 2 ∞ ? 4 Yco 2 w / 11 最后扩散方程给出G = πd p DρNu * ln[1 + 4 ] + 4 Yco 2 w / 11 3

双膜反应(双燃烧面)模型( 双膜反应(双燃烧面)模型(续2)
类似地由气相能量方程可得 G = πd p cλ p Nu * ln[1 +
c p (Tg ?Tp ) ] qw

表面反应动力学
dTp 3 ( πd p / 6)ρccc dt

G = Gc = πd 2 Bc3ρw Yco2 w exp(? E3 / RTp ) p

TP取决于颗粒能量方程
4 4 = πd 2εσ(Tg ? Tp ) + Gq w ? GQc3 p

Gc取决于扩散和表面反应动力学,但和CO空间反应动力学无关 双膜模型和上述单膜模型的差别是:反应3的动力学代替了反应 或2的; 1 4 Yco2 w / 11代替了Yo2 w;Tp取决于Qc3和Qo2, 4,而不是Qc1或Qc 2

煤粒燃烧---( 5-6 煤粒燃烧--(1)基本方程
设煤粒有同时进行的水份蒸发,热解挥发和焦炭燃烧 煤粒表面同时有三种反应,不考虑驻膜内的挥发份和CO反应 基本方程和边界条件是

Gs = ?4πr

2

dYs Dρ dr

+ GYs = const

4πr 2λ dT = G[c p (T ? Tp ) + q w ] dr Gs = Gsw = πd 2ρYsw ∑ Br exp( ? E r / RTp ) p G = Gc + G v + G w G c = ?3G o2 / 4 ? 3G co 2 / 11
dTp m pcc dt

= πd 2 σε(T ? T ) + Gq w ? G w L w ? G v ?h v + ∑ G cr Qcr p

煤粒燃烧---( 5-6 煤粒燃烧--(2)方程的解
G s / G ? Ys∞ λ ln[1 + c p ( Tg ? Tp ) ] G w = πd p Nu*Dρ ln( G / G ? Y ) G = πd p Nu* c qw 积分驻膜内的扩散和能量方程给出 s sw p Gc p q w = c p (Tg ? Tp )[exp( πd Nu λ ) ? 1]?1 p *

最终的表达式: G w = πd p Nu*Dρ ln( 1? Yw∞ )
ww

1? Y

Yww = Bw exp( ? E w / RTp )

G v = mc [α1Bv1 exp( ? E v1 / RTp ) + α2 Bv 2 exp( ? E v 2 / RTp )]
dm c = ? mc [ Bv1 exp( ? E v1 / RTp ) + Bv 2 exp( ? E v 2 / RTp )] dt G / G?Y G / G?Y G = πd p Nu*Dρ ln( G co 2 / G ? Yco 2 ∞ ) = πd p Nu*Dρ ln( G o 2 / G ? Yo 2 ∞ ) co 2 co 2 w o2 o2 w

G o2 = πd 2ρYo2 w [ B1 exp( ? E1 / RTp ) + B2 exp( ? E 2 / RTp )] p
8 G co 2 = πd 2ρ[ 11 Yo2 w B1 exp( ? E1 / RTp ) ? Yco 2 w B3 exp( ? E3 / RTp )] p

煤粒燃烧---( 5-6 煤粒燃烧--(2)方程的解 (续)
G c = ?3G o2 / 4 ? 3G co 2 / 11
dTp mccc dt 4 = πd 2 εσ(Tg p

Gc = G ? G w ? G v
Gc p ? Tp )[exp( πd Nu λ ) ? 1]?1 p *

4 ? Tp ) + Gc p (Tg

? G w L w + G (1)Q(1) + G ( 2)Q( 2) ? G ( 3)2Q( 3)2 o2 o2 o2 o2 co co G (1) = πd 2ρYo2 w B1 exp( ? E1 / RTp ) p o2 G ( 2) = πd 2ρYo2 w B2 exp( ? E 2 / RTp ) p o2
(3 G co)2 = πd 2ρYco 2 w B3 exp( ? E3 / RTp ) p

煤粒燃烧---( 5-6 煤粒燃烧--(3)某些实验结果
悬挂淮南烟煤粒质量损失和温升的实验结果证实上述煤粒燃 烧模型符合实际,可以用于煤粉燃烧模拟中 悬挂煤粒的实验结果表明,煤粒燃烧分成着火期,挥发份燃 烧期和焦炭燃烧期 烟煤粒燃烧实验给出下列经验关系式

? ?0.15 ? 2 τi = K1Tg 4d p0 或 τi = K1Yo2∞ Tg 2.5d1.0 p 2 τ v = K 2d p 0 ? ?1 τch = K 3Tg 0.9 Yo2∞d 20 p ? 0.5 ?1 2 τch = K 3Tg Yo2∞d p0


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