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固體燃料的燃燒基礎(chǔ)

林其釗*§10-1引言人類燃燒燃料的歷史：木材

煤炭

石油

煤炭

生物質(zhì)固體燃料固體燃料18世紀(jì)和19世紀(jì)上半葉：木材為主之後，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，煤炭開始取代木材50年代末，煤炭成了能源的主要支柱80年代，石油成為了能源的主要來源石油可用50~100年，總有一天會(huì)耗盡，煤炭?jī)?chǔ)量大些，還可以開採(cǎi)300年左右，以後的能源是什麼?世界上，每年由於光合作用產(chǎn)生的生物品質(zhì)是目前年能源消耗量的8倍，但分散\能量密度低\利用效率不高如何高效利用生物質(zhì)，是目前較有前途的研究方向之一*18世紀(jì)蒸汽機(jī)的發(fā)明 熱轉(zhuǎn)化為功第一次工業(yè)革命(煤炭作為主要燃料)19世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)的誕生(石油為主要燃料)現(xiàn)代交通的基礎(chǔ)電的出現(xiàn)電氣化的時(shí)代蒸汽輪機(jī)功轉(zhuǎn)化為電能目前和不久的將來固體燃料仍然會(huì)佔(zhàn)有重要的地位目前常用的固體燃料：主要是煤炭本章主要介紹：煤炭與碳粒\炭粒的燃燒問題*§10-2煤炭的成分與性質(zhì)煤的形成：古代植物經(jīng)過地下長(zhǎng)期的物理化學(xué)變化，最終形成了煤，大致經(jīng)歷兩個(gè)階段：菌解作用階段：植物在隔絕空氣的條件下，進(jìn)行著緩慢的菌解及腐蝕，使植物中的各種有機(jī)物起腐蝕\溶解和消化的作用，放出CO\CO2\O2等氣體，使碳素相對(duì)地增加，這樣就完成了第一階段泥煤的形成過程變質(zhì)作用階段：在壓力和溫度的作用下，使泥煤進(jìn)一步變質(zhì)，使煤進(jìn)一步受到壓縮與堅(jiān)固化，同時(shí)水分和揮發(fā)份進(jìn)一步減少煤的形成過程，就是煤的碳化過程埋藏越深\受到壓力越大\則碳化程度越高*按照碳化的程度，可把煤炭分為：泥煤：最年輕的煤，水分含量大，達(dá)40~45%，熱值低，8000~10000kJ/kg，揮發(fā)份含量高，易著火褐煤：含水量也大，熱值較低，揮發(fā)份含量大，易著火煙煤：比較高級(jí)的煤，揮發(fā)份較高(揮發(fā)份大於20%)，水分\灰份含量不多，熱值較高，容易點(diǎn)燃，放出的熱量大貧煤：是一種最老的煙煤，揮發(fā)份含量較少(揮發(fā)份在10%~20%)，接近於無煙煤，著火較難，但發(fā)熱量不低，水分\灰份\含量不大，一旦著火，放出熱量較大無煙煤：碳化程度最高的煤，揮發(fā)份含量極少(揮發(fā)份小於10%)，很難著火，著火後的穩(wěn)定性也不好，但其熱值很高，一旦燃燒完全，放出熱量很大劣質(zhì)煙煤：含灰/含硫量較高的煙煤，熱值很低，燃燒溫度也很低，不易著火，南方一些煤礦這種煤不少*煤的化學(xué)成分主要成分是：C\H\O\N\S\A(Ash)\W(Water)除了A/W外，其他元素均以化合物狀態(tài)存在C\H和部分有機(jī)硫是可燃成分O\N\A(Ash)\W(Water)和部分硫(硫酸鹽)是不可燃成分N又可以生成NOX，是一種有害物質(zhì)S也是一種有害元素，可以形成SOX，在濕度較大的情況下會(huì)變成硫酸，對(duì)人體和農(nóng)作物有害A/W對(duì)燃燒沒有好處，A對(duì)環(huán)境有污染作用*煤的成分分析和換算通常以品質(zhì)百分?jǐn)?shù)表示各成分的含量：C+H+O+N+S+A+W=100%C\H\O\N\S\A\W表示該成分的品質(zhì)百分?jǐn)?shù)煤中的水分\灰份的含量隨開採(cǎi)\運(yùn)輸\貯存及氣候條件的變化而變化，同一種煤，由於水分\灰份的變化，則其他成分的含量也相對(duì)隨之發(fā)生改變，很難進(jìn)行比較為了實(shí)際應(yīng)用和理論研究的方便，常採(cǎi)用四種不同的基作為煤的分析基礎(chǔ)，即：應(yīng)用基\分析基\乾燥基\可燃基*應(yīng)用基：包括全部水分和灰份的煤作為100%進(jìn)行計(jì)算就是鍋爐運(yùn)行時(shí)的實(shí)際成分，即：Cy+Hy+Oy+Ny+Sy+Ay+Wy=100%其中水分Wy分為兩部分：外在水，由於下雨\風(fēng)吹等原因使煤的水分發(fā)生變化，用WW表示內(nèi)在水，它是以結(jié)晶狀態(tài)存在的，要在較高溫度下才能釋放出來，用WN表示W(wǎng)y=WW+WN*分析基去掉外在水的煤作為100%進(jìn)行計(jì)算也即實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行煤分析時(shí)所得的成分，即：Cf+Hf+Of+Nf+Sf+Af+WfN

=100%乾燥基去掉水份的煤作為100%進(jìn)行計(jì)算，即：Cg+Hg+Og+Ng+Sg+Ag=100%由於去掉水份的乾燥基成分不受水份的影響，可以準(zhǔn)確地表示各成分的含量例如應(yīng)用基Ay表示灰份的含量，一場(chǎng)大雨就使Ay大大降低，使高灰份的煤表現(xiàn)出低灰份的假像*可燃基

去掉水份和灰份的煤作為100%進(jìn)行計(jì)算：Cr+Hr+Or+Nr+Sr=100%由於去除了易受外界影響而變化的水份及灰份，因此煤的可燃基成分能更正確地反映出煤的實(shí)質(zhì)，便於區(qū)別煤的種類各種基的定義以及相互關(guān)係：ASlyCHONSrWNWWyfgr灰份水份固定碳揮發(fā)份炭氣化物質(zhì)*煤的分析工業(yè)分析：工業(yè)上常用的方法，它是測(cè)定煤中的水份、灰份、揮發(fā)份、固定碳、熱值及灰熔點(diǎn)煤經(jīng)加熱後，達(dá)到某一溫度開始變形，之後軟化，熔化、分解?；胰埸c(diǎn)：爐渣熔化的溫度，如果爐膛溫度高於灰熔點(diǎn)溫度，則爐渣將粘在爐膛壁面上，是非常不利的元素分析：測(cè)定煤中所含的C、H、O、N、S、A、W的百分比*§10-3煤的熱解實(shí)驗(yàn)方法煤的熱解過程的物理描述煤被加熱到足夠高的溫度時(shí)，先變成塑性狀態(tài)，失去棱角而使其形狀變得更接近於球形，同時(shí)開始失去揮發(fā)份揮發(fā)份釋放的次序大體是：H2O\CO2\C2H6\C2H4\CH4\焦油\CO\H2揮發(fā)份釋放後，留下的是一個(gè)多孔的炭在熱解過程中，不同的煤有著不同的膨脹係數(shù)*加熱速率對(duì)揮發(fā)份析出的速率及其成分有很大的影響賽璐璐在慢速加熱時(shí)大部分轉(zhuǎn)化成碳，快速加熱時(shí)則很少，甚至無碳快速熱解：加熱速率大於104K/s，且熱解時(shí)間少於1s的過程稱為快速熱解慢速熱解：加熱速率在1~10K/s，且熱解時(shí)間達(dá)幾分鐘或幾小時(shí)的過程碳化工業(yè)、熱天平分析中是慢速熱解固定床、流化床及工業(yè)分析中的熱解過程介於快速熱解和慢速熱解之間煤的燃燒問題：通常是快速熱解和中等加熱速率的過程生物質(zhì)的熱解速率不同，可以得到不同的氣化或液化產(chǎn)品*煤粒的終溫對(duì)揮發(fā)份析出的最終產(chǎn)量影響很大隨著溫度的升高，揮發(fā)份產(chǎn)量可大幅度地提高揮發(fā)份不是一個(gè)確定不變的量，隨熱解過程的環(huán)境而變化工業(yè)分析所得的揮發(fā)份產(chǎn)量只是一個(gè)相對(duì)值，是一定規(guī)範(fàn)下的相對(duì)含量溫度，K揮發(fā)份最終產(chǎn)量，%80038.3139048172060217071揮發(fā)份產(chǎn)量與煤粒終溫的關(guān)係*實(shí)驗(yàn)方法煤的熱解過程與許多因素有關(guān)：煤種、煤粒尺寸、加熱速率、終溫、壓力、加熱時(shí)間熱解的初始產(chǎn)物又有可能發(fā)生二次反應(yīng)，如熱裂解、凝結(jié)、再聚合等反應(yīng)得到的最終產(chǎn)物只是間接地表示出最初產(chǎn)物要從微觀角度分析熱解過程比較困難，目前大部分研究者從實(shí)驗(yàn)入手，獲得各種參數(shù)對(duì)揮發(fā)份產(chǎn)量與成分的影響，從而從宏觀角度建立描寫熱解過程的唯象動(dòng)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)方法在熱解過程中十分重要，實(shí)驗(yàn)方法大致分為四類：*金屬絲網(wǎng)法：將煤粉放在金屬絲網(wǎng)上，然後把金屬絲通電加熱優(yōu)點(diǎn)：能夠獨(dú)立控制環(huán)境壓力、加熱速率、終溫可以研究壓力對(duì)煤揮發(fā)份的影響，其他方法則不能缺點(diǎn)：金屬絲的加熱、金屬絲對(duì)煤粉的加熱，都存在一個(gè)滯後時(shí)間，增加了實(shí)驗(yàn)的不確定性用熱電偶放在只有一個(gè)煤粉顆粒厚度的煤層中，進(jìn)行煤粉溫度的測(cè)量，是不準(zhǔn)確的，所測(cè)溫度既不是金屬絲溫度，也不是煤粉溫度*熱氣流法將煤粉噴射到熱氣流中，使煤粉受熱而熱解關(guān)鍵在於如何準(zhǔn)確地測(cè)定煤粉顆粒在氣流中的速度，從而可以準(zhǔn)確地求得煤粉顆粒在熱氣流中的停留時(shí)間所用氣體最好是惰性氣體，如氬或氮如果用燃燒產(chǎn)物進(jìn)行加熱，則可能由於燃燒不完全使剩餘的氧與煤粒進(jìn)行表面反應(yīng)，將無法分辨煤粒的失重是由於揮發(fā)份的析出引起的，還是由於碳的表面反應(yīng)所引起的*煤粉在火焰中燃燒優(yōu)點(diǎn)：接近於工業(yè)實(shí)際缺點(diǎn)：不能獨(dú)立控制各種參數(shù)；由於在燃燒過程中存在碳的表面反應(yīng)，因而要確切地確定揮發(fā)份的析出量有困難熱天平利用熱天平記錄在坩堝內(nèi)的煤粉失重及溫度變化來測(cè)定揮發(fā)份的析出量?jī)?yōu)點(diǎn)：煤樣的失重隨加熱時(shí)間的變化能準(zhǔn)確地記錄下來缺點(diǎn)：加熱速率太低(10~20K/min)與實(shí)際爐內(nèi)的加熱速率相差太遠(yuǎn)，揮發(fā)份的析出量及其成分都與實(shí)際情況有較大差別此方法作為相對(duì)比較是比很好的*§10-4煤的熱解模型一個(gè)完整的熱解模型：能用來描述煤或炭在所有的加熱和揮發(fā)份的析出階段的物理狀態(tài)、揮發(fā)份的產(chǎn)量、成分及揮發(fā)份的析出速率實(shí)際情況是：由於揮發(fā)份析出過程的複雜性，要寫出一個(gè)完整的、反映物理化學(xué)過程的方程是困難的人們?cè)诿枋雒旱臒峤膺^程時(shí)，不得不做出許多假設(shè)，且不考慮熱解的細(xì)節(jié)，僅從宏觀角度建立宏觀數(shù)學(xué)模型*在建立模型的過程中一般假定：顆粒直徑：不同尺寸、不規(guī)則的碎片狀煤粉近似地簡(jiǎn)化為具有相應(yīng)品質(zhì)的球形，且通常只用一個(gè)平均的顆粒直徑來表示揮發(fā)份成分：對(duì)揮發(fā)份成分的處理方面，大都不涉及具體成分，只研究煤的失重；也有人假定有幾種成分，研究這些成分所占的百分比相當(dāng)?shù)难芯空邇H從實(shí)驗(yàn)角度研究不同條件對(duì)揮發(fā)份析出成分的影響，但目前還沒有公認(rèn)、統(tǒng)一的研究結(jié)果和數(shù)學(xué)模型*1單方程模型熱解過程的微分方程：V是已析出的揮發(fā)份品質(zhì)百分?jǐn)?shù)V

是當(dāng)時(shí)間t

時(shí)，最終析出揮發(fā)份的百分?jǐn)?shù)k、E分別是表觀頻率因數(shù)和活化能VM是工業(yè)分析值Q\Vc是實(shí)驗(yàn)常數(shù)對(duì)於直徑為20

m的CRC902煤，其經(jīng)驗(yàn)值為Q=1.26，Vc=0.15，對(duì)於不同的煤種，Q\Vc\k\E都將變化，因此該模型沒有通用性該模型對(duì)某些特定的煤種是合適的，但不能預(yù)測(cè)任何煤種、在任何工況下的熱解過程（2）（3）（1）*2兩個(gè)平行的反應(yīng)模型柯巴約希等人提出了用兩個(gè)平行的、互相競(jìng)爭(zhēng)的一級(jí)反應(yīng)來描述熱解過程即兩個(gè)平行反應(yīng)同時(shí)將煤的一部分（

1，

2）熱解成揮發(fā)份V1和V2，另一部分則變成炭R1和R2，即：其中k1、k2是反應(yīng)速度常數(shù)，分別為：這一模型的特點(diǎn)是認(rèn)為存在兩個(gè)不同的活化能E1、E2和兩個(gè)不同的頻率因數(shù)k01、k02的熱解反應(yīng)且認(rèn)為E2>E1，k01>k02這樣，在較低溫度時(shí)第一反應(yīng)起主要作用，而在較高溫度時(shí)，第二個(gè)反應(yīng)起主要作用

煤k1k2

V1+R1

11-

1

V2+R2

21-

2*兩個(gè)平行的反應(yīng)模型彌補(bǔ)了單方程模型只適用於有限溫度範(fàn)圍的局限性，可以適用於較大的溫度範(fàn)圍其中的

1、

2、E2、E1、k01、k02均由實(shí)驗(yàn)確定實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)於煙煤和褐煤，當(dāng)取E1=7.4

104J/mol，E2=2.5

105J/mol

，k01

=3.7

105s-1，k02=1.46

1013s-1，

1=0.38，

2=0.8，則能取得比較好的結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算值的比較如下頁圖2、圖3按上述計(jì)算的k1、k2列於表中，由表可見，k1隨溫度的變化速度比k2隨溫度的增加速度來的慢，這樣就可以用兩個(gè)反應(yīng)分別控制低溫和高溫?zé)峤?圖2計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較*圖3計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較*定義W1為在溫度T時(shí)，揮發(fā)份1的未熱解部分。如果認(rèn)為第1種揮發(fā)份熱解速度dW1/d

t與煤炭未熱解固體部分的品質(zhì)W的函數(shù)f（W）成正比，那麼在T=

t時(shí)，揮發(fā)份1的熱解速度為：

（40）同理，揮發(fā)份2的熱解速度為：

（41）因此在雙方程模型中，熱解反應(yīng)速度受式（40）與式（41）控制。即： （42） （43）式（42）或式（43）就是煤炭熱解的雙方程模型。*知道煤種熱解過程的化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，就可以利用上式求出煤種的熱解速率v或熱解量。由於不同煤炭之間存在差異，以及同一種煤炭在不同儲(chǔ)存天下下也有明顯的差別在利用式（42）或式（43）計(jì)算煤炭熱解速度時(shí)，對(duì)於上式中的六個(gè)參數(shù)

1、

2、E1、E2、k01、k02必須重新確定。而不能利用已知煤種的參數(shù)，計(jì)算其他煤種的熱解速度。*3無限個(gè)平行反應(yīng)模型安東尼等人提出的模型認(rèn)為熱解是通過無限多個(gè)的平行反應(yīng)進(jìn)行的並假定活化能是一連續(xù)的正態(tài)分佈，而頻率因數(shù)是一個(gè)常數(shù)，結(jié)果得到了如下運(yùn)算式：式中f(E)為：在具體計(jì)算時(shí)取E

=E0

，因此用這個(gè)模型必須由實(shí)驗(yàn)定出V

、k、

0、E0四個(gè)待定常數(shù)這一方法對(duì)安東尼的數(shù)據(jù)及苛巴約希的褐煤數(shù)據(jù)符合較好，見下頁圖這時(shí)的常數(shù)是：

=105J/mol，V

=63.5%，E0=3.15

105J/mol，k=1.67

1013s-1對(duì)於煙煤來說則所用的參數(shù)是不同的。由此可見，這個(gè)模型對(duì)不同的煤種有不同的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，因此也沒有通用性*圖4溫度對(duì)揮發(fā)份析出過程的影響*圖5溫度、加熱速率對(duì)揮發(fā)份析出速率的影響*4多組分單方程模型前面討論的幾種模型均不考慮揮發(fā)份的具體成分，只考慮揮發(fā)份的析出量，而多組分熱解模型則考慮揮發(fā)份的成分，並認(rèn)為每一種成分的熱解都可用單方程來表示本模型是由Solomon等人提出的，他們認(rèn)為煤是由各種不同的官能團(tuán)組成的例如羧基、羥基、醚、芳香烴脂肪等不同的官能團(tuán)在熱解時(shí)將產(chǎn)生不同的熱解產(chǎn)物，例如：羧基熱解時(shí)將產(chǎn)生CO2羥基熱解時(shí)將產(chǎn)生水醚產(chǎn)生CO芳香烴、脂肪組烴將產(chǎn)生氫（H2）等*當(dāng)煤種不同時(shí)，個(gè)官能團(tuán)的熱解速率係數(shù)是不變的，而煤的總揮發(fā)量是隨煤種而變的，這是因?yàn)楦鞴倌軋F(tuán)在不同煤中的含量是不同的。其動(dòng)力學(xué)運(yùn)算式為：式中Wi0是某官能團(tuán)的含量；Wi是某官能團(tuán)熱解時(shí)釋放的品質(zhì)百分?jǐn)?shù)；k0i、Ei是某官能團(tuán)的熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)，它們是常數(shù)，不隨煤種而變這一模型的優(yōu)點(diǎn)在於Ei、k0i不隨煤種而變，因此它有可能成為通用熱解模型但是該模型的困難在於一般實(shí)驗(yàn)室中很難確定官能團(tuán)的種類及含量Wi0，一定能夠得到這些參數(shù)，則該模型有可能成為通用模型但該模型不能用於大顆粒煤粒揮發(fā)過程的預(yù)報(bào)（12）（11）*5煤粒熱解的通用模型（Fu-Zhang模型）前面所討論的幾種模型普遍存在的問題是熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)隨煤種而變，這就是說，對(duì)於每一新煤種我們必須先做出熱解動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)曲線，以求得E、k0值，再用於同類煤的揮發(fā)過程的預(yù)報(bào)，這就失去了數(shù)學(xué)模型的本來意義數(shù)學(xué)模擬的目的就是要不依靠實(shí)驗(yàn)而預(yù)報(bào)各種煤的熱解過程，因此對(duì)數(shù)學(xué)模擬來說，熱解模型一定要具有通用性傅維標(biāo)等人提出的通用熱解模型就是力圖達(dá)到這一目的，這一模型被他們命名為傅-張模型*傅張通用熱解模型的主要思想如下：（1）煤粒熱解的等值動(dòng)力學(xué)參數(shù)E、k0與煤種無關(guān)，僅與煤粒終溫T

及加熱速率有關(guān)（2）煤粒的最終揮發(fā)份產(chǎn)量V

與煤種、煤粒尺寸和加熱條件有關(guān)（3）煤粒揮發(fā)份析出的總體速率由Arrhenius公式表示在前面介紹的幾種模型中，作者對(duì)任何煤粒溫度下的熱解過程只假設(shè)有一個(gè)E和k0存在，或者只有兩個(gè)不同的E和k0存在，或者設(shè)有無窮多個(gè)E和k0存在，但它們是呈高肆分佈的形式事實(shí)上，這些假設(shè)都過於簡(jiǎn)化，它們?cè)谖锢砩鲜侨狈Ω鶕?jù)的所以，所得E、k0值對(duì)某些煤種合適，而對(duì)其他煤種就不合適了，很難對(duì)任何煤種的熱解過程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬因此，關(guān)於E和k0值的通用性問題對(duì)煤粒熱解的數(shù)學(xué)模擬是重要的。*傅-張通用熱解模型就是指在給定的T

及同一類加熱速率下，其熱解反應(yīng)的E、k0對(duì)各種煤種都相同大量實(shí)驗(yàn)和計(jì)算表明，E、k0值確與煤種無關(guān)，而只與煤粒的終溫及加熱速率有關(guān)，對(duì)這個(gè)結(jié)論的解釋如下：要找到一個(gè)既在物理上是合理的，又要在數(shù)學(xué)上較簡(jiǎn)單的E、k0運(yùn)算式是困難的傅-張模型中提出的E(或k0)=F(T

)的運(yùn)算式是解決該問題的一種既簡(jiǎn)單，又近似合理的表述眾所周知，當(dāng)煤被投入高溫氣流之後，它們的溫度將逐漸升高，釋放出揮發(fā)份許多實(shí)驗(yàn)表明，隨著煤粒溫度的升高，釋放出揮發(fā)份的成分是不同的揮發(fā)份釋放次序大體是：H2O、CO2、CnHm、焦油、CO、H2這就意味著煤粒熱解的E、k0值在不同的煤粒的溫度下是不同的，因此嚴(yán)格地說，E、k0值應(yīng)是煤粒溫度的函數(shù)，即： E(或k0)=f(Tp)另一方面，在某個(gè)瞬間，即在給定的煤粒溫度下，可能有好幾種揮發(fā)份同時(shí)釋放出來，因此存在一個(gè)平均的（或等值的）E、k0

值，即E(或k0)=F(Tp)，這是比較符合煤粒熱解的真實(shí)過程的*然而，如果煤粒熱解的數(shù)學(xué)模型是基於E(或k0)=f1(Tp)的運(yùn)算式，就很難用此式，因?yàn)槠渲蠺p是未知的，它的求解依賴於E、k0值我們必須進(jìn)行某些簡(jiǎn)化，就是用煤粒的終溫T

代替Tp

用當(dāng)量的（或等值的）E、k0值（也即在煤粒初始溫度下的低E、k0值與煤粒終溫下的高E、k0值之間的某個(gè)當(dāng)量值或等效值）來代替給定溫度T

下的煤粒熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)這樣，我們就得到了E(或k0)=f(T

)的關(guān)係，或簡(jiǎn)單地寫成E(或k0)=f

(T

)這裏E、k0代替了E、k0值這一關(guān)係能否近似描述煤粒的熱解過程呢？要回答這一問題，必須進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證*下麵具體介紹傅-張模型（1）煤粒熱解的動(dòng)力學(xué)方程該動(dòng)力學(xué)方程類似於單方程模型，即：該方程與以前的不同之處在於這裏的E、k0值與煤種無關(guān)，僅與煤粒的終溫T

及其加熱速率有關(guān)大量的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明，E、k0值確與煤種無關(guān)，E、k0值與T

的關(guān)係及與加熱速率的關(guān)係見下頁表5、6、7表5、6、7分別代表了三種加熱速率即大顆粒的加熱速率（中等加熱速率）煤粉的加熱速率（快速加熱速率）極細(xì)微煤粒的加熱速率（極快速加熱）這些數(shù)據(jù)是根據(jù)一種煤種的實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合而得到的，由於它有通用性，因此可推廣到任何一種煤種實(shí)驗(yàn)表明，不論是哪一種加熱速率，它們的E值都相同，而k0值則與加熱速率有關(guān)當(dāng)煤粉極細(xì)（直徑小於20m）或加熱環(huán)境的氣體導(dǎo)熱速率極大（例如氦氣），則能實(shí)現(xiàn)極快速加熱（13）*表5大顆煤粒的通用熱解參數(shù)*表6極快速加熱條件下煤粉熱解的k值表7快速加熱條件下煤粉熱解的k值*熱解的總體速率dV/dt

與煤種有關(guān)因?yàn)榉匠蹋?3）中的V

對(duì)：不同的煤種不同的煤粒尺寸不同的加熱條件V

是不同的因此V

必須由實(shí)驗(yàn)確定*（2）煤粒能量方程對(duì)於存在熱解的煤粒的能量方程表示如下：式中T=Tp；Vp是煤粒的體積；cPC、cPV分別為煤粒的比熱容和揮發(fā)份的比熱容由於煤粒的空隙度在煤粒揮發(fā)過程中不斷增加，因此其導(dǎo)熱係數(shù)將減小，並趨於氣體的導(dǎo)熱係數(shù)為了簡(jiǎn)化起見，我們假定

=

(T

)和cP=cPC(T

)，它們代表煤粒在熱解期間的平均導(dǎo)熱係數(shù)及平均比熱容我們令：於是方程（14）可改寫為：根據(jù)量級(jí)分析可知，Q(t,r)比方程（15）中的其他各項(xiàng)都小得多，所以可近似取Q(t,r)=0（14）（15）*這樣，方程（15）簡(jiǎn)化為：邊界條件：初始條件：對(duì)煤粉來說，由於這時(shí)Bi數(shù)很小，故可近似認(rèn)為煤粒內(nèi)部溫度分佈是均勻的，這時(shí)方程（16）可改寫成：式中h是對(duì)流換熱係數(shù)；Ts、T0、Tw分別為煤粒表面溫度、煤粒初始溫度、爐壁溫度；

、

、F分別為煤粒黑度係數(shù)、波爾茲曼常數(shù)、角係數(shù)；s是煤粒的表面積（17）（18）（16）（19）（20）*對(duì)於煤粉來說，由於煤粒在爐內(nèi)不斷下降，因此必須要知道煤粒的下降速度隨時(shí)間的變化實(shí)驗(yàn)和計(jì)算表明：由於煤粒直徑較小且氣體溫度較高及其粘性較大因此煤粒跟隨上升氣流的速度很快，約為3ms，這與熱解的整個(gè)過程（10ms量級(jí)）相比可忽略不計(jì)所以可認(rèn)為煤粒與氣流之間無相對(duì)速度，即近似取Nu數(shù)等於2在計(jì)算Nu數(shù)時(shí)，其中氣體的特徵溫度取： Tm=0.7Ts+0.3T

*（3）煤粒品質(zhì)方程這樣聯(lián)立求解方程（13）（21）（6）或（20）即可解出V=V(t)對(duì)於大顆粒煤粒的求解，必須將方程（13）（21）及（16）離散化可將球形煤份分成20層，用T1、T21分別表示煤粒中心和外表面溫度，T1、T2、

T3、……、T20分別表示煤粒內(nèi)部各層的溫度，Tin

表示第i

個(gè)節(jié)點(diǎn)和第n個(gè)時(shí)間間隔的溫度；

r是兩節(jié)點(diǎn)之間的距離；

t是時(shí)間間隔方程（16）可以寫成：式中其中由實(shí)驗(yàn)求得是煤粒在室溫時(shí)的比熱（21）（22）*方程（22）可離散化： i=2,3,4,……,20式中初始化條件可離散為：邊界條件可離散為：式中h由下式計(jì)算：方程（23）取決於Ar（或N2）氣的特徵溫度T

的選取，取Tm=0.7Ts+0.3T

作為定性溫度，這樣的取法不一定與實(shí)際完全符合，因此增加了一個(gè)修正係數(shù)C進(jìn)行修正（23）*此外，還應(yīng)考慮煤粒在熱解時(shí)的斯蒂芬流對(duì)傳熱的影響，即方程（23）應(yīng)該用B的某個(gè)函數(shù)進(jìn)行修正，其中B=cP(T

-Ts)/qV，這樣方程（23）的最終形式應(yīng)為：因此，方程（22）最終就變成下列形式：其中：式中d0是煤粒的初始直徑計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：如果我們?nèi)∈剑?4）中的Cf2(B)

/f1(T

)=1.4則所有的計(jì)算都可得到滿意的結(jié)果（24）*根據(jù)追趕法有：這樣在每一瞬時(shí)的每一層溫度可由式（25）求得由於熱解是在每一層中進(jìn)行的，所以其總的揮發(fā)份析出量應(yīng)將各層的揮發(fā)份析出量相加傅-張模型結(jié)果在各種工況、各種煤種、各種……都有好的符合！*§10-5碳（或炭）粒燃燒碳和炭的主要區(qū)別是炭中含有灰份和其他雜質(zhì)煤中的揮發(fā)份析出後剩下的固體物質(zhì)稱為炭或者殘?zhí)?，它是呈多孔結(jié)構(gòu)，反應(yīng)不僅可以在表面上進(jìn)行，也可以在炭?jī)?nèi)部的空隙中進(jìn)行通常所說炭的反應(yīng)速率係數(shù)常常是以外表面為基礎(chǔ)的碳不僅與氧進(jìn)行表面反應(yīng)，而且還可以與CO2\水蒸氣\H2\等進(jìn)行表面反應(yīng)在理論分析中經(jīng)常是將煤粒近似為球形顆粒處理*擴(kuò)散-動(dòng)力控制的碳粒表面燃燒的半經(jīng)驗(yàn)公式霍特爾引用對(duì)流傳熱係數(shù)的概念，在擴(kuò)散中也相應(yīng)地引入了“對(duì)流擴(kuò)散係數(shù)hD”的概念可以把碳粒的燃燒速率gC與氧的消耗速率gO2寫成下列關(guān)係：、分別是碳表面上和環(huán)境中氧氣的品質(zhì)相對(duì)濃度假設(shè)在碳的表面上只發(fā)生反應(yīng)：

C+O2→CO2則碳的燃燒速率為：（47）（48）*由(47)\(48)得到：將上式代入式（48）消去YO2，s得：式中K為等值阻力係數(shù)，可以由下式計(jì)算：進(jìn)一步假定碳粒的傳質(zhì)規(guī)律類似於固體球的傳質(zhì)規(guī)律，則有：對(duì)於兩種極限情況的分析結(jié)果如下：*如果溫度很高(或壓力很高)

那麼kO2很大，於是1/hD

>>1/Ko2

所以：K

hDYO2，S

0所以：這就是純擴(kuò)散燃燒dp0就是碳粒的初始直徑如果環(huán)境不是靜止的，則NuD*=2，所以有：這就是純擴(kuò)散燃燒，rp，0是碳粒的初始半徑氧的總流量為：*碳的燃燒速率GC為：因?yàn)椋郝?lián)立以上兩式得到碳粒直徑平方的減小率為：

其中

C為碳粒的密度。當(dāng)流動(dòng)參數(shù)和擴(kuò)散參數(shù)不變時(shí)有：kC=常數(shù)所以：式中：dp，0為燃燒開始時(shí)的碳粒直徑；dp為碳粒直徑；t為時(shí)間；kC是與化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素有關(guān)的時(shí)間常數(shù)。這一結(jié)果與單個(gè)油滴的燃燒過程相似。這時(shí)燃燒過程為純擴(kuò)散控制的燃燒。

*如果溫度不高(或壓力不大)

則化學(xué)反應(yīng)速率較小

如果NuD較大，這時(shí)便有1/hD

<<1/kO2

那麼：K

kO2這就是純動(dòng)力燃燒，這時(shí)gO2與rp無關(guān)所以由39\40\45得：反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)不變時(shí)有：即：碳粒直徑與燃燒時(shí)間呈線性關(guān)係*碳粒擴(kuò)散燃燒的解析解當(dāng)碳粒處於純的擴(kuò)散燃燒時(shí)，其表面反應(yīng)最簡(jiǎn)單的情況只有：C+O2→CO2則可以進(jìn)行分析求解在球?qū)ΨQ座標(biāo)下的擴(kuò)散方程/能量方程為：邊界條件：r=rp：上式忽略了輻射;QO2是以氧為基礎(chǔ)的發(fā)熱量r=

：T=T，

YO2=YO2，（49）（50）（51）（52）（53）*對(duì)擴(kuò)散方程從r=rp

r進(jìn)行積分並利用邊界條件得：或：GC=

GO2/

C，GC是斯蒂芬流，它在數(shù)值上等於碳的燃燒速率，而碳的燃燒速率GC=GO2/

C，但斯蒂芬流與氧流的方向相反，因此取負(fù)號(hào)將式（55）改寫成：從r=rp

r1(r1為折算薄膜半徑)進(jìn)行積分有：同樣，對(duì)能量方程，利用邊界條件積分兩次得：（55）（54）（56）（58）（57）*在積分中假定

=常數(shù)，

D

=常數(shù)，Le=1，則：

由上式可知，對(duì)於純擴(kuò)散燃燒YO2，s=0，則溫差Ts-T

最大；對(duì)於動(dòng)力控制的燃燒YO2，s=YO2，

，則溫差最小。如圖：當(dāng)純擴(kuò)散燃燒\且無對(duì)流因素時(shí)即NuT*=2，則得：碳粒的燃燼時(shí)間tb為：圖動(dòng)力與擴(kuò)散控制的固體顆粒的燃燒T

T碳

粒r動(dòng)力燃燒擴(kuò)散燃燒

YCO2YO2

YO2

YO2

TCoffin實(shí)驗(yàn)（59）（64）（60）*§10-6具有容積反應(yīng)的碳粒燃燒模型***在實(shí)際碳粒的燃燒中，即使在環(huán)境只有氧氣的情況下，其反應(yīng)也比前面所討論的複雜得多在碳粒表面上，除與氧反應(yīng)生成CO2外，還可能產(chǎn)生CO，也可能發(fā)生碳與CO2的反應(yīng)所產(chǎn)生的CO在空間又與氧反應(yīng)，稱為容積反應(yīng)

正反應(yīng) (a)

C+O2CO2

表面反應(yīng) 正反應(yīng) (b)

C+0.5O2CO

副反應(yīng) (c)

C+CO22CO

容積反應(yīng) (d)

CO+0.5O2CO2***不要求的內(nèi)容*這樣一個(gè)比較複雜的反應(yīng)系統(tǒng)，為了求得它的燃燒速率，我們必須進(jìn)行某些轉(zhuǎn)換CKLaw找到了一種合適的澤爾多維奇轉(zhuǎn)換，從而可能對(duì)這個(gè)複雜的反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行解析解或半解析解限定所討論的碳粒溫度大於1000oC，這時(shí)碳粒的表面反應(yīng)以(b)、(c)為主，忽略反應(yīng)(a)對(duì)於靜止空氣中燃燒的球形碳粒（具有空間反應(yīng)）在球?qū)ΨQ的情況下，其組分方程和能量方程簡(jiǎn)化為：(66)—(70)*邊界條件：式中M表示分子量；GC(C+O2)、GC(C+CO2)

分別表示由反應(yīng)式(b)和(c)所產(chǎn)生的碳粒燃燒速率(71)(72)*定義P為反應(yīng)式(d)中的產(chǎn)物CO2、O表示氧；F表示CO；N表示氮，定義下列無量綱量：式中是個(gè)反應(yīng)式中的化學(xué)當(dāng)量係數(shù)將上述這些係數(shù)代入式66~70及邊界條件得：(73)(74)—(78)*邊界條件：邊界條件：其中：其中：(79)—(85)(86)(87)(88)*關(guān)於空間的氣相反應(yīng)（2CO+O2

CO2），其反應(yīng)速率根據(jù)品質(zhì)作用定律可表示成：對(duì)於以任一種反應(yīng)物為基礎(chǔ)的反應(yīng)速率與反應(yīng)的總體速率的關(guān)係有：注意，式（89）中的w是以摩爾為單位的，而wi是以品質(zhì)為單位的，因而要乘以Mi。k0,g、Eg分別是CO+O2反應(yīng)的頻率因數(shù)和活化能CF、C0分別是CO和O2的摩爾濃度

F、

O分別是CO和O2的反應(yīng)級(jí)數(shù)，它們分別等於式（d）中的化學(xué)當(dāng)量係數(shù)因?yàn)椋核允剑?9）可寫成：(89)(90)*由方程(74)~(78)就得澤爾多維奇轉(zhuǎn)換：其中球?qū)ΨQ座標(biāo)中對(duì)流擴(kuò)散運(yùn)算子為：氣相反應(yīng)的鄧克爾數(shù)：求解。由方程91中解得：(91)(92)(93)*其中現(xiàn)在的關(guān)鍵問題是要求解方程(91)中的能量方程對(duì)它只能進(jìn)行數(shù)值求解但進(jìn)行數(shù)值求解時(shí)，碳粒表面溫度應(yīng)事先給定（或與碳粒能量方程聯(lián)立求解）(94)(95)(96)(97)(98)(99)(100)*下麵討論幾種極限情況：（1）Das1，Das2

這就是說在碳表面上C+O2和C+CO2的反應(yīng)很快，這時(shí)將得到碳粒的最大燃燒速率在這種情況下，為了使方程（87）是有限解，則必須要求將代入方程（95）得：由式（99）得：這就是純擴(kuò)散燃燒(101)(102)*（2）氣相反應(yīng)CO+O2為凍結(jié)的情況這時(shí)方程（91）中L

(T

)=0，這就很容易求解，得：由此式可得：所以而可由式（98）求得這樣，將時(shí)，，

=0及代入（96）便求出然後將代入（95）得將、代入式（87）、（88）便得(103)(104)*（3）無限薄火焰燃燒這時(shí)可能出現(xiàn)兩種情況，一種情況是火焰遠(yuǎn)離碳粒表面即，這樣由（94）~（96）得：

這樣，可由（105）算出，則很容易求得及如果我們進(jìn)一步假設(shè)C+CO2反應(yīng)很快，即Das2

，則由式（105）可知，為了使解是有限的，則要求，這就得：它與式（101）完全一樣。這時(shí)擴(kuò)散起控制作用，其燃燒速率最大所以，我們有兩種情況都可以得到最大的燃燒速率，即：(105)(106)C+O2和C+CO2的反應(yīng)速率為無限快C+CO2和CO+O2的反應(yīng)速率無限快(107)*當(dāng)減小時(shí)，由式（106）可知，可能等於1，這時(shí)火焰緊貼碳粒表面這時(shí)將代入式（96）可求出將代入式（94）就可求出

再由式（99）求得*§10-7炭粒燃燒中的內(nèi)孔效應(yīng)當(dāng)揮發(fā)份析出之後，留下的就是炭炭與元素碳的最大區(qū)別在於炭是多灰和多孔的多灰和多孔這兩個(gè)因素對(duì)炭的燃燒影響都較大，也使得難以從理論上解決炭的燃燒問題一般在處理反應(yīng)速率時(shí)，均用外表面積為基礎(chǔ)，即將所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用碳的外表面積來處理反應(yīng)速率係數(shù)實(shí)際上是一個(gè)綜合的速率係數(shù)，它既包括了外表面的反應(yīng)，又包括了碳粒內(nèi)部?jī)?nèi)孔表面的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明，在一定條件下，各種炭的內(nèi)表面的反應(yīng)相差很大因此在描寫存在內(nèi)孔表面反應(yīng)的反應(yīng)速率時(shí)，通常採(cǎi)用“反應(yīng)性”這個(gè)量來表示，它定義為：?jiǎn)挝黄焚|(zhì)的炭的反應(yīng)速率[g/(g·s)]*關(guān)於內(nèi)孔反應(yīng)的研究，大體分為兩類：一類是微觀的，微觀內(nèi)孔擴(kuò)散模型通過對(duì)一個(gè)單孔的研究來描述其擴(kuò)散過程，然後用一個(gè)合適的內(nèi)孔尺寸分佈函數(shù)來預(yù)測(cè)炭的燃燒速率另一類是宏觀分析無論是微觀或是宏觀分析，對(duì)於炭的內(nèi)部反應(yīng)的理論研究都還很不成熟，大多是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诖嬖趦?nèi)孔的情況下，孔內(nèi)氧的擴(kuò)散方程為：式中是炭粒內(nèi)部單位體積中氧的消耗率式中Si是炭粒內(nèi)部單位體積所具有的表面積，k0是不考慮內(nèi)孔效應(yīng)時(shí)的反應(yīng)速度係數(shù)。邊界條件：式中Di是孔內(nèi)氧的分子擴(kuò)散係數(shù)；Ci是孔內(nèi)氧的濃度；k是等值反應(yīng)速度係數(shù)*應(yīng)用上述邊界條件解擴(kuò)散方程得到：式中rp是炭粒半徑；

是內(nèi)孔反應(yīng)準(zhǔn)則下麵討論幾種極限情況1）rp很小，溫度不高在這種情況下，

rp很小，因此可以將cth(

rp)展開成級(jí)數(shù)形式：如果Sirp/3<<1，則k=k0，因?yàn)镾i不是一個(gè)小量，所以要滿足這個(gè)條件，rp必須非常小在rp非常小，溫度又不高的情況下，內(nèi)孔的影響可以忽略不計(jì)在rp非常小的這種情況下，也就不存在空隙度的問題，實(shí)際上這種情況是不存在的*2）炭粒尺寸較大，溫度較高在這種情況下，

rp較大那麼有：cth(

rp)

1所以：當(dāng)溫度足夠高時(shí)，因此有：k

k0

這可以解釋為：由於溫度較高，在炭的表面上碳與氧反應(yīng)很快，氧在炭的表面上已經(jīng)耗盡，不可能再擴(kuò)散進(jìn)入內(nèi)孔表面中，這時(shí)在內(nèi)孔中就不會(huì)有反應(yīng)發(fā)生，這個(gè)溫度大約在1000℃以上在低溫情況下，各種類型的碳的反應(yīng)速率相差較大而對(duì)於大顆粒的碳或者煤粒，其燃燒溫度往往超過1000℃，可以不考慮內(nèi)孔效應(yīng)對(duì)於小顆粒的煤或者碳粒，則要看溫度範(fàn)圍，如果溫度很高，可以不考慮內(nèi)孔效應(yīng)，中等溫度就必須考慮內(nèi)孔效應(yīng)*儘管其內(nèi)孔的描述還沒有規(guī)範(fàn)的理論與方法，但是通過本節(jié)的內(nèi)容，可以大致瞭解固體可燃物的表面燃燒為了加深對(duì)這部分內(nèi)容的理解，依據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基本原理，可以將等值反應(yīng)速度係數(shù)k表示為：式中E為考慮了內(nèi)孔反應(yīng)後的等值活化能等值反應(yīng)速度係數(shù)k隨溫度與炭粒直徑的變化定性地表示在圖5中在高的

rp和高溫時(shí)，以及在低的

rp和低溫情況下，E*近似等於不計(jì)內(nèi)孔效應(yīng)的E而對(duì)於中間狀態(tài)的

rp，E*不等於E

1/TpE

E*

Edp1dp2dp3dp1>dp2>dp3lnk圖5反應(yīng)速度與溫度的關(guān)係*§10-8灰層的影響在炭粒的燃燒過程中，碳與氧不斷反應(yīng)，以CO或CO2的形式不斷離開反應(yīng)表面灰層留在炭粒的表面，隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，灰層會(huì)越積越厚，但是灰層的空隙度卻很大這層多孔的灰層對(duì)炭的燃燒增加了阻力未燃可燃物移動(dòng)速度R'

0

xB

x火焰前沿

y火焰高度駐定火焰反應(yīng)區(qū)(x'，y')灰層區(qū)圖6駐定火焰結(jié)構(gòu)*為了弄清火焰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們將直角坐標(biāo)的縱坐標(biāo)固定在火焰前沿上，假想可燃物以速度R‘流向火焰前沿當(dāng)R‘等於圖6中的火焰蔓延速度R時(shí)，可以得到一個(gè)駐定火焰結(jié)構(gòu)當(dāng)鄧克爾數(shù)趨於無窮（DI

）時(shí)，則可認(rèn)為燃燒僅發(fā)生在一層很薄的反應(yīng)區(qū)中反映區(qū)的座標(biāo)如圖7所示反應(yīng)區(qū)的座標(biāo)為（x'，y'）在反應(yīng)區(qū)中，任意位置x與可燃物進(jìn)入火焰後的時(shí)間t及可燃物進(jìn)入火焰的速度R‘之間的關(guān)係為：當(dāng)可燃物以R'進(jìn)入火焰時(shí)，即開始著火，到可燃物燃盡的時(shí)間tB。則火線寬度xB為：燒去可燃物厚度（

0

y）

y未燃可燃物厚度y

0dx圖7可燃物垂直燃燒模型灰層厚度C0（

0

y）*在上述假定中，燃燒區(qū)的座標(biāo)為（x’，y’），但要確定（x’，y’）的位置須作進(jìn)一步的假定：在d

x的寬度上的可燃物，自y等於

0處著火，也就是自頂部開始燃燒；燃燒灰燼堆積在可燃物的上方，使燃燒速度降低假定灰燼厚度與燒除的可燃物成正比，同時(shí)假定在灰層中，氧氣的擴(kuò)散阻力遠(yuǎn)大於氣相中的擴(kuò)散阻力可認(rèn)為灰層上方氧氣濃度不變，即為環(huán)境氧濃度gO1,

在燃燒區(qū)氧氣濃度YO2為0並假定在灰層中氧氣的擴(kuò)散係數(shù)為常數(shù)YO1在灰層中呈線形分佈（見圖7）*因此氧氣的擴(kuò)散與可燃物的消耗速度分別為：式中：gO2、gF分別為氧氣的擴(kuò)散與可燃物的消耗速度DO2為氧氣在灰層中的擴(kuò)散係數(shù)C0為比例常數(shù)，其值為灰層厚度/燃去的可燃物厚度

，

F分別為環(huán)境氣體和可燃物的密度

F為單位品質(zhì)可燃物完全燃燒時(shí)的耗氧量

0為著火前可燃物厚度y為未燃可燃物的厚度氧的擴(kuò)散方程可改寫為：或：利用初始條件，當(dāng)t=0時(shí)，y=

，對(duì)上式從0到t積分得到：*令常數(shù)當(dāng)可燃物在空氣環(huán)境中燃燒時(shí)，K是物性參數(shù)K與可燃物的幾何尺寸與分佈有關(guān)上式說明，可燃物的燃燒速度與時(shí)間的二分之一次方成正比同時(shí)還可以得到：當(dāng)寬度為dx的可燃物進(jìn)入火焰前沿，到達(dá)圖6所示座標(biāo)的位置x時(shí)，顯然x的座標(biāo)可由式（77）描述這時(shí)的燃燒區(qū)的高度y可由式（83）給出將式（77）代入式（83），得到反應(yīng)區(qū)座標(biāo)x與y的關(guān)係為：當(dāng)y=0時(shí)，可由式（84）得到火焰寬度xB

為：*如果xB和R由實(shí)驗(yàn)測(cè)出，

是可以預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，則常數(shù)K可表示為：所以有：即：上式即為在駐定火焰下，火線內(nèi)燃燒區(qū)的軌跡由（83）式還可以導(dǎo)出，自可燃物進(jìn)入火焰前沿到燃燼的時(shí)間tB燃燼時(shí)，y等於0，所以有：下麵研究反應(yīng)強(qiáng)度在火焰區(qū)的分佈從圖7可以看出，在整個(gè)火焰區(qū)內(nèi)，可燃物的燃燒速率是隨x座標(biāo)的不同而變化的d(

y)/d

t即為可燃物厚度隨時(shí)間的變化率由式81可得到：*如果認(rèn)為（90）式左端是單位面積上可燃物的燃燒速度（單位為m3/s），將（90）式兩端同乘以可燃物空間密度

F（kg/m3）和可燃物低熱值hF，並代入（84）式，得到任意x處的Ix為：上式說明，火線強(qiáng)度I等於單位面積可燃物完全燃燒時(shí)的放熱量

FhF

與火蔓延速度之積*§10-9

單顆碳粒的著火分析固體可燃物的著火和熄火分析碳粒和炭的區(qū)別主要是炭含有揮發(fā)份和灰份（雜質(zhì)），固體可燃物的燃燒一般指炭的燃燒過程固體可燃物的燃燒是先從揮發(fā)份的著火燃燒開始的但揮發(fā)份著火以後，殘留的炭就不一定能夠著火燃燒雖然揮發(fā)份的燃燒可以使殘留的炭得到迅速加熱，並促使其進(jìn)行穩(wěn)定的燃燒，但畢竟揮發(fā)份的著火和殘留炭的著火是兩個(gè)單獨(dú)的過程，一個(gè)是單相反應(yīng)，另一個(gè)是多相反應(yīng)*殘留炭能否著火取決於顆粒表面溫度能否迅速提高以致自行加熱它與殘留炭本身的化學(xué)反應(yīng)過程以及與周圍介質(zhì)的換熱過程有關(guān)同氣體可燃物的單相反應(yīng)一樣，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)析出的熱量與周圍介質(zhì)所散失的熱量相等時(shí)，殘留炭的表面溫度就會(huì)保持不變?nèi)绻罢叽箪夺嵴撸涂赡苁箽埩籼康谋砻鏈囟炔粩嗌仙?，致使殘留炭的溫度不斷上升，直到達(dá)到著火燃燒這些均取決於反應(yīng)放熱速度與散熱強(qiáng)度之間的關(guān)係*碳粒的著火與熄火過程分析：假設(shè)碳粒（或殘留炭）的燃燒僅在表面上進(jìn)行，並直接生成燃燒產(chǎn)物（即只有C+O2→CO2的反應(yīng)，且反應(yīng)級(jí)數(shù)為1），無空間反應(yīng)（不考慮揮發(fā)份的燃燒），亦不考慮內(nèi)部反應(yīng)（內(nèi)孔效應(yīng)）和灰層的影響，不計(jì)斯蒂芬流採(cǎi)用類似於開口體系中氣體熱自燃的分析方法，即烏裏斯方法碳粒的放熱速率qG

可表示為：其中：gO2是輸運(yùn)到碳粒表面的氧流；qO是以氧為基礎(chǔ)的發(fā)熱量YO2,s是碳粒表面的氧濃度kO,s、Es分別是表面反應(yīng)的頻率因數(shù)和活化能Tp是碳粒溫度(120)*其中g(shù)O2可表示如下：其中：hD是品質(zhì)交換係數(shù)；YO2,

、YO2,s分別是環(huán)境中和碳粒表面的氧濃度這時(shí)是散熱速率為：我們將qG、qL無量綱化，即將都除以hDqO

s

YO2,

得：由上式可見，實(shí)際上無量綱放熱速率

1就等於以氧為基礎(chǔ)的燃燒完全度同樣得：其中：式中假設(shè)了(123)(122)(121)(124)*由式（120）、（121）得：將上式兩邊同除以得：或：其中：這樣，碳粒的著火條件可表示成：將（124）（126）代入上式得：(125)(128)(127)或(126)(129)(130)*將（124）\（126）的關(guān)係畫成

~Tp的關(guān)係如圖所示：由圖可知，改變

DC、T

、YO2,

中任一參數(shù)均可達(dá)到著火、熄火的目的

DC

1

2EITp

1.00T

1

2EITp

1.00TpETpITI*YO2,

1

2EITp

1.00Tp

1.00IET

ET

I*在著火態(tài)附近，

=0在熄火態(tài)附近，

=1圖中E、I即為熄火和著火的臨界點(diǎn)圖中示出了各參數(shù)的變化對(duì)著火、熄火的影響我們僅以隔上頁下圖進(jìn)行分析若T

<TI，即處於緩慢的氧化狀態(tài)當(dāng)T

達(dá)到TI時(shí),就發(fā)生著火，立即變成穩(wěn)定燃燒狀態(tài)若T

再上升，仍為穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，不過這時(shí)的燃燒完全度稍高些但當(dāng)T

下降到TI時(shí)，並不立即熄火，而要達(dá)到TE時(shí)才熄火而變成緩慢氧化態(tài)如果將

1與

2的所有交點(diǎn)（即可能的工作點(diǎn)）畫成如上頁下圖所示的曲線，則看得更為清楚這裏我們?cè)僖淮慰吹街?、熄火的“S”形曲線也就是熄火在比著火更差的條件下才能發(fā)生*下麵進(jìn)一步推導(dǎo)著火、熄火條件將式（129）、（130）相除得：或：將式（129）、（130）相除得：(131)(132)*（1）在著火時(shí)，

0設(shè)

=

（

為無窮小量），這時(shí)有：

(1-

)=

(1-

)

=

所以式（132）可簡(jiǎn)化為：或：其解為：式中正號(hào)無意義，取負(fù)號(hào)。因?yàn)镽T

/Es<<1，因此可將根號(hào)近似展開成：即：式中TpI是著火時(shí)碳粒表面溫度將式（135）代入式（129）就得著火條件的最終運(yùn)算式：(134)(133)(135)(136)*（1）在熄火時(shí)，

1因此可寫成：

=1-

所以

(1-

)=(1-

)

=1-

這樣（132）可改寫成：或：其解為：這裏應(yīng)取正號(hào)，著火是在高溫條件下進(jìn)行的，負(fù)號(hào)沒有物理意義(137)*其中：其中Tf是絕熱火焰溫度因?yàn)椋核允剑?37）中的根號(hào)可展成一近似級(jí)數(shù)：代入（130）得熄火條件的最終運(yùn)算式：(140)(139)(138)*因?yàn)橐虼耍?dāng)其他條件保持不變時(shí)，則著火、熄火條件可表示成：式中常數(shù)1<常數(shù)2；是來流速度在著火或熄火條件下，碳粒直徑dp與著火溫度T

或火焰溫度Tf的關(guān)係為：

著火：

熄火：由此可見，隨著碳粒直徑的減小，著火溫度是增加的。但是，並不是說碳粒直徑越小越難著火，實(shí)際上恰恰相反。(142)(141)(143)(144)*從式（143）、式（144）可以看出，當(dāng)碳粒直徑dp減小時(shí)，T

的增加不會(huì)太大但另一方面，當(dāng)dp減小時(shí)，其加熱速率則很大，因此在很短的時(shí)間內(nèi)就到達(dá)所需的著火溫度在實(shí)際燃燒設(shè)備中，加熱區(qū)長(zhǎng)度是有限的，因此那些在很短的時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到著火溫度的碳粒就表現(xiàn)為容易著火在著火條件式（136）和熄火條件式（140）中可以看出，氧濃度對(duì)熄火的影響較大因?yàn)檠鯘舛鹊淖兓瘜?duì)Tf很敏感，而Tf對(duì)著火是指數(shù)的影響但是氧濃度對(duì)著火的影響不如對(duì)熄火的影響大相反，初溫T

的變化對(duì)著火過程非常敏感，因?yàn)樗鼘?duì)著火也是指數(shù)影響，而對(duì)熄火的影響程度就差些*§10-10單顆煤粒的著火分析煤與碳的主要區(qū)別之一是煤中含有揮發(fā)份當(dāng)煤被加熱時(shí)，揮發(fā)份就會(huì)釋放出來，在濃度和環(huán)境溫度合適的條件下，揮發(fā)份就會(huì)著火燃燒其次，煤中含有灰份和水分，這兩種成分在一般情況下對(duì)著火與燃燒沒有好處當(dāng)煤中含有的揮發(fā)份較高時(shí)，則著火首先由揮發(fā)份開始，然後才是碳的著火煙煤和褐煤容易著火，是因?yàn)槠鋼]發(fā)份含量較高的緣故而貧煤和無煙煤則不易著火，是因?yàn)槠鋼]發(fā)份含量較少但在某些特定條件下，有可能碳首先著火，例如煤粒極微細(xì)及加熱速率很大時(shí)，這時(shí)可能是碳首先著火*一般情況下總是揮發(fā)份首先著火，下麵我們將討論這種情況設(shè)環(huán)境溫度為，將直徑為的煤粒突然放入該環(huán)境中，建立其著火條件基本假設(shè)：Re及Bi數(shù)都很小過程為準(zhǔn)定常Le=1揮發(fā)份著火前不考慮煤粒的表面反應(yīng)不考慮輻射換熱其著火模型如下頁圖所示。即認(rèn)為著火是首先發(fā)生於靠近外邊界的薄層

r=r1-r

中，那裏溫度接近於T

，濃度也有一定值在該薄層中對(duì)流換熱相對(duì)於反應(yīng)放熱可忽略不計(jì)在r

<r

時(shí)，認(rèn)為是反應(yīng)凍結(jié)區(qū)當(dāng)(dT/dr)r=r1=0時(shí)，則達(dá)到了著火條件*煤粒著火模型T

YOX,

r1TpT

rpr

rYVGV*由於Re很小，因此可以用薄膜理論近似描述，其折算薄膜半徑為：式中r1是折算薄膜半徑；rp為煤粒半徑；Nu*是無蒸發(fā)時(shí)的努謝爾數(shù)，可按下式計(jì)算：在反應(yīng)區(qū)中能量方程可近似表示成：其中wV、QV分別是揮發(fā)份的反應(yīng)速率和反應(yīng)熱在r

>r

處，由於r1相對(duì)於（r1-r

）較大，故可用平面代替球面，則式（147）可近似為：

其中

是混合氣的導(dǎo)熱係數(shù)(147)(146)(145)(148)*設(shè)

是常數(shù)，代入（148），並利用著火條件，將式（148）從r

到r1積分得：其中Tp是煤粒溫度，由於Bi數(shù)很小，因此煤粒內(nèi)部溫度均勻一致；T

是環(huán)境溫度在r<r

時(shí)，能量方程可以近似表達(dá)為：邊界條件：又式中(

v)p

表示煤粒表面值；GV是揮發(fā)份析出速率，單位時(shí)間內(nèi)析出的揮發(fā)份量；

是混合氣體的密度；v是混合氣體的徑向速度；qV是揮發(fā)份析出所需要的熱量；cP是混合氣體的比熱(149)(150)(151)*積分式（150）得：比較（149）和（152）可得著火條件的運(yùn)算式：其中：式中k0,V、EV分別為揮發(fā)份反應(yīng)的頻率因數(shù)和活化能式（154）中近似取但是未知的，它可按下頁方法求解，即認(rèn)為著火前揮發(fā)份的消耗量不大，因此可近似取無化學(xué)反應(yīng)的濃度分佈來近似並假定反應(yīng)區(qū)中揮發(fā)份濃度變化不大(152)(153)(154)*在無化學(xué)反應(yīng)條件下，YV可用擴(kuò)散方程求得因?yàn)椋菏街蠨是擴(kuò)散係數(shù)。在r

r1之間進(jìn)行積分得：由能量方程得：積分得：當(dāng)r=r

時(shí)，T=T

，對(duì)於一般點(diǎn)燃問題，由於Ar數(shù)較大，可近似取代入式（157）得：(156)(155)(158)(157)(159)*比較式（159）和式（156）得：對(duì)於大顆粒煤的揮發(fā)份析出模型可採(cǎi)用傅維標(biāo)等人提出的通用熱解模型，即：此處，GV的單位是單位時(shí)間內(nèi)析出的揮發(fā)分量煤的品質(zhì)方程：煤粒的能量方程為：設(shè)：(160)(161)(162)(163)*則方程（163）可改寫為：由量級(jí)分析知，在方程（164）中的Q與其它項(xiàng)相比是個(gè)小量，因此近似設(shè)

Q

0，則方程（164）可簡(jiǎn)化為：式中式（165）中的ln(1+B)/B是修正斯蒂芬流對(duì)傳熱的影響

是氣體導(dǎo)熱係數(shù)；cP是氣體的比熱這樣，可由式（161）（162）（165）求出GV(t)

、

C(t)、Tp(t)將每一瞬間求出的Tp(t)代入式（153），求得另一GV(t)，當(dāng)從（153）求得的GV(t)與式（161）求得的GV(t)值相等時(shí)，即達(dá)到了著火狀態(tài)，因而求得了煤粒的著火溫度Tpi和著火時(shí)間ti如果從式（153）中求得的GV(t)的值始終大於從式（161）中求得的GV(t)值，則說明煤粒不能著火，這時(shí)只有提高T

才能著火(164)(165)*在以上的分析中，QV與qV是難以給定的兩個(gè)參數(shù)，史地克勞等人採(cǎi)用了qV=1675kJ/kg和qV=837kJ/kgqV與溫度有關(guān)，溫度越高，qV也越大史莫特認(rèn)為qV

0QV也是很難確定的，因?yàn)橐话闱闆r下?lián)]發(fā)份的成分不清楚表中給出的是幾種典型煤種的揮發(fā)份熱值褐煤含氧量較多，故其揮發(fā)份中含CO、CO2、H2O較多，其熱值較低煙煤產(chǎn)生較多的碳?xì)浠衔?，其熱值較高無煙煤、貧煤的含氧量較少，故揮發(fā)份H2O、CO、CO2量較少，因此其熱值較高*但以上提供的QV值可能不適用於所有情況，因此在進(jìn)行著火計(jì)算時(shí)必須加以修正修正的辦法是確定一個(gè)典型工況，將計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相擬合，就可得出一修正值幾種典型煤種的揮發(fā)份熱值（kJ/kg）煤種揮發(fā)份Vy(%)低熱值Qy(煤)揮發(fā)份熱值QV典型褐煤21.481204023450典型煙煤18.541810038600典型劣質(zhì)煙煤18.061352041030典型貧煤7.941884041756典型無煙煤5.602721558930TOEND*SvanteArrheniusFromNobelLectures,Chemistry1901-1921,ElsevierPublishingCompany,Amsterdam*SvanteAugustArrheniuswasbornonFebruary19,1859thesonofSvanteGustafArrheniusandCarolinaChristinaThunbergHisancestorswerefarmers;hisunclebecameProfessorofBotanyandRectoroftheAgriculturalHighSchoolatUltunanearUppsalaandlaterSecretaryofTheSwedishAcademyofAgriculture.HisfatherwasalandsurveyoremployedbytheUniversityofUppsalaandinchargeofitsestatesatVik,whereSvantewasborn.ThefamilymovedtoUppsalain1860.TheboywaseducatedattheCathedralschoolwheretherectorwasagoodphysicsteacher.FromanearlyageSvantehadshownanaptitudeforarithmeticalcalculations,andatschoolhewasgreatlyinterestedinmathematicsandphysics.In1876heenteredtheUniversityofUppsala,studyingmathematics,chemistryandphysics.Thepracticalinstructioninphysicswasnotofthebest,andin1881hewenttoStockholmtoworkunderProfessorE.EdlundattheAcademyofSciences.*Here,ArrheniusbeganbyassistingEdlundinhisworkonelectromotiveforcemeasurementsinsparkdischargesbutsoonmovedtoaninterestofhisown.Thisresultedinhisthesis(1884)Recherchessurlaconductibilitégalvaniquedesélectrolytes(Investigationsonthegalvanicconductivityofelectrolytes).Fromhisresultstheauthorconcludedthatelectrolytes,whendissolvedinwater,becometovaryingdegreessplitordissociatedintoelectricallyoppositepositiveandnegativeions.Thedegreetowhichthisdissociationoccurreddependedaboveallonthenatureofthesubstanceanditsconcentrationinthesolution-beingmoredevelopedthegreaterthedilution.Theionsweresupposedtobethecarriersoftheelectriccurrent,e.g.inelectrolysis,butalsoofthechemicalactivity.Therelationbetweentheactualnumberofionsandtheirnumberatgreatdilution(whenallthemoleculesweredissociated)gaveaquantityofspecialinterest("activityconstant").*Theideaofaconnectionbetweenelectricityandchemicalaffinity,onceadvocatedbyBerzelius,had,however,socompletelyvanishedfromthegeneralconsciousnessofscientiststhatthevalueofArrhenius'publicationwasnotwellunderstoodbythesciencefacultyatUppsala,wherethedissertationtookplace.Ontheotherhand,OttoPettersson,ProfessorofChemistryatStockholmsH?gskola,emphasizedtheoriginalityofthedissertation*,andWi.OstwaldtravelledtoUppsalatomaketheacquaintanceoftheyoungauthor.ThefundamentalimportanceofArrhenius'workwasthusmadeclear,andattheendof1884hegotadocentshipatUppsalainphysicalchemistry-thefirstinSwedeninthisnewbranchofscience.ThroughEdlund'sinfluencehewasawardedatravellingfellowshipfromtheAcademyofScienceswhichenabledhimtoworkin1886withOstwaldinRigaandwithKohlrauschinWürzburg.*TheStockholmsH?gskola(HighSchoolofStockholm)correspondedinthosedaystoasciencefacultyoftheuniversities,butitwasaprivatefoundationanddidnothavetherighttoholdexaminationsfordegreesortojudgethevalueoftheses.Itwasnotuntil1960thattheUniversityofStockholm,withitsmanyfaculties,wasestablishedbytheState.*In1887hewaswithBoltzmanninGrazandin1888heworkedwithvan'tHoffinAmsterdam.DuringtheseyearsArrheniuswasabletoprovetheinfluenceoftheelectrolyticdissociationontheosmoticpressure,theloweringofthefreezingpointandincreaseoftheboilingpointofsolutionscontainingelectrolytes.Lateronhestudieditsimportanceinconnectionwithbiologicalproblemssuchastherelationshipbetweentoxinsandantitoxins,serumtherapy,itsrolefordigestionandabsorptionaswellasforthegastricandpancreaticjuices.Theparamountimportanceoftheelectrolyticdissociationtheoryistodayuniversally