1、第十一章 異相燃燒,燃料與氧化劑處于不同的物質(zhì)形態(tài)的燃燒叫異相 燃燒（非均相燃燒）,第一節(jié) 碳的異相反應速度,碳燃燒分兩次完成,一次：,二次：,碳燃燒的五個階段, 氣相介質(zhì)向反應表面的傳遞, 氣體被反應表面吸附 表面化學反應（燃燒反應） 生成物要脫附 氣相燃燒產(chǎn)物從反應表面的排離 1. 異相反應的動力區(qū)和擴散區(qū) 設(shè)：碳燃燒為一級反應 k化學反應速度常數(shù)； Cb反應表面的反應氣體濃度； 擴散速度：,傳質(zhì)系數(shù)； C0介質(zhì)中反應氣體初始濃度 設(shè)：W=W擴,令,KZ綜合反應速度常數(shù) C0介質(zhì)中反應氣體的初始濃度或無限遠處氧濃度 討論： 若 k 則 KZk,反應速度取決于 化學動力學因素 稱為動力區(qū)。,

2、曲線屬于動力燃燒，燃燒反應速度取決于化學反應速度（擴散能力強） 如 T0T1，T0T2，T0T3 若k, 則KZ 曲線屬于擴散燃燒，稱為擴散區(qū)。燃燒反應速度取決于擴散速度（化學反應能力強）。如 擴散系數(shù)不同的情況 ，此時W與溫度關(guān)系不大 強化燃燒的措施： 動力區(qū)：TKZW 擴散區(qū)：W,傳質(zhì)擴散努賽爾準數(shù),（紊流擴散） A、n為實驗常數(shù) Re100 時，A=0.7 n=0.5,分子擴散時Nu=2 D擴散系數(shù),Re,W D,W,異相燃燒的反應速度W為單位面積、單位時間反應物質(zhì) 濃度的變化，即mol/cm2s,內(nèi)部反應,總反應速度WC=SW (mol/s), 那么S=?(反應表面積),應是內(nèi)外表面積

3、之和， 但內(nèi)外表面積的燃燒反應由于氣相濃度的變化分為內(nèi)動力區(qū)、內(nèi)擴散區(qū)、外動力區(qū)、外擴散區(qū)，所以應找到綜合反應速度常數(shù)。 以球形碳粒的穩(wěn)定燃燒過程為例計算綜合反應速度常數(shù)KZ 設(shè)：球半徑為rS (m)，外表面積為S (m2)，單位體積內(nèi)表面積為Si (m2/m3)，則碳的總反應面積為： 低溫時：k, 內(nèi)外表面氧氣濃度均為Cb，只考慮初次反應時總反應速度為：,稱為有效反應速度常數(shù) 此時的燃燒速度決定化學反應過程，擴散速度大于化學反應速度，在動力區(qū)內(nèi)燃燒。 高溫時：k，此時擴散速度決定反應速度，由于擴散速度慢，使內(nèi)表面由于氧濃度趨于零而停止反應。 此時的總?cè)紵磻俣葹椋?比較上述兩式，在任意溫度

4、下，均有 稱為有效滲入深度(m),低溫時, 高溫時,則單位面積上的反應速度為,由于Cb難于測量和計算，應采用C0代替Cb，這樣反應速度 常數(shù)必須進行修正。 反應速度式改為,或,稱為有效綜合反應速度常數(shù),C0與Cb的關(guān)系：根據(jù)氧氣擴散的平衡方程和邊界條件得,與k關(guān)系： 比較：,代入式得,擴散阻力,結(jié)論： rS k ，擴散阻力 ，反應越快，所以 采用粉煤燃燒； 當rS0時，反應處于動力區(qū)，但必須提高溫度，即T； 強化擴散，采用紊流氣流。 3.二次反應的影響 實際上碳粒的燃燒過程存在二次反應,k碳燃燒的化學反應速度常數(shù),濃度與離開表面距離的關(guān)系即碳表面無氧，只有CO2。 O2只與CO反應。,結(jié)論：溫

5、度對燃燒全過程的影響都存在，而且很明顯，它與 純擴散燃燒不同（還原反應吸熱，故TW）。,第二節(jié) 碳粒的燃燒 碳燃燒速度,k反應速度常數(shù) S-1 擴散系數(shù) S-1 C燃燒室內(nèi)氧濃度 kg/cm2 C0n，氧濃度 kg/cm2,CC0,r0球半徑,時間內(nèi)燃燒掉碳量,碳密度 dr直徑減小量,r=r0 r=0,n空氣消耗系數(shù) r00積分,Nu努賽爾準數(shù) D傳質(zhì)系數(shù),當n，,min,n或 r0,煤的燃燒過程包括： 干燥干餾分解著火燃燒 第三節(jié) 油滴燃燒 1.油滴燃燒過程 蒸發(fā) 熱解或裂化 著火燃燒 2.油滴燃盡時間 設(shè)：油滴為球形，半徑r0，則向油滴表面的傳熱量為：,式中 T1介質(zhì)溫度； T0初始油溫；

6、 給熱系數(shù)。,這部分熱量可以汽化的燃料量為：,式中 L油的蒸發(fā)潛熱 又寫成,式中,在沸點狀態(tài)下油的密度。,0r0積分,Re100, Nu=2,第十二章 火焰結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定,1.定義： 火焰：由燃燒前沿或正在燃燒著的質(zhì)點所包圍的區(qū)域叫火焰。 火炬：以射流形式噴出而形成的有規(guī)則外形的火焰。 2.分類： 按燃料與氧化劑的預混程度； 按氣體流動狀態(tài)； 按火焰中的相組成； 按火焰幾何形狀。 直流錐形火焰、旋轉(zhuǎn)式火焰、平火焰、張角接近1800的火焰 常數(shù)（已知量）,第一節(jié) 預混火焰（動力火焰）,.層流火焰 1.特點,氣流速度。,氣流的法向分速度與燃 燒正常傳播速度相等,2.燃燒傳播速度的測定 本生燈法： 設(shè)

7、錐體高度,，管口半徑r0,故,錐體火焰微分方程 假設(shè): uL=常數(shù),與r無關(guān)，,（平均速度），,常數(shù),qV流量,若 qV, uL, 平面火炬法, 矩形火焰法：, 肥皂泡法,3. 火焰的穩(wěn)定,脫火,回火, 本生燈火焰穩(wěn)定的物理過程 r=0 =0 r=r0 =max,0,設(shè)邊界層內(nèi) =kr,r=0 uL=0 r=r0 uL=常數(shù) h 回火臨界條件,可燃混合物流量, 脫火（吹火、滅火）臨界條件, 回火與滅火臨界界限,C,uL max,二. 紊流火焰 1. 火焰結(jié)構(gòu)特點, 未燃預混氣, 紊流燃燒前沿, 完全燃燒區(qū)域,火焰長度,則火焰長度為,K1、K2、K3比例常數(shù)，實驗測定； 產(chǎn)燃燒產(chǎn)物的速度。 影響

8、火焰長度的因素,； uT,。,火焰穩(wěn)定性, 部分燃燒產(chǎn)物回流, 采用旋轉(zhuǎn)氣流, 采用穩(wěn)焰器,對向噴流穩(wěn)焰,第二節(jié) 擴散火焰 特點： 燃料與氧化劑之間存在明顯界面，燃料與氧化劑從界面兩側(cè)擴散到界面，燃燒形成火焰，不存在火焰?zhèn)鞑栴}； 不存在回火、脫火的問題。 形式： 自由射流擴散火焰, 同軸射流擴散火焰, 對向射流,異相燃燒,. 層流擴散火焰,特點：空氣、煤氣均為層流，以分子擴散為主，分四個區(qū)域 過程：界面上，,，產(chǎn)物,Burke和Schuman簡化模型 設(shè)：火焰半徑為r，高度（長度）為z處的濃度為C， 氣流速度，氣體分子擴散系數(shù)為D 濃度微分方程,層流擴散火焰微分方程式,邊界條件： z=0,

9、0rR1 , C=C1 ； z=0, R2rR1 , C=C2 ； z0，r=0及r= R2 ， 。 假設(shè)： 兩氣流界面上等溫； 火焰面上n=1； 純擴散燃燒； 火焰面無厚度； 反應前后物質(zhì)克分子數(shù)相等；, 氣體內(nèi)部P常數(shù)； 氣體擴散方向與流動方向垂直； 兩氣流流速相等。,一個燃料分子完全燃燒所需的氧分子個數(shù)； J1、J01階和0階貝賽爾函數(shù)（第一類）； 貝賽爾函數(shù)的正零點； 氣流速度 氣=燃 ； C1、C2燃料和空氣的初始濃度。,火焰面方程：令火焰面上C=0，r=rf ,z=zf,式中,例如 CH4在空氣中燃燒，R2=25mm, R1=12.5mm,=0.015m/s 查表1=3.832,

10、2=7.016, 3=10.174, 4= 取n=1,rf=0 zf=C (火焰長度),結(jié)論：,與D成反比 ,與P無關(guān) C1加惰性氣體, 2. H.C.Hottel等人理論,自由射流擴散火焰,式中,火焰長度，ft ； V體積流量，ft3/s ；,時間因子，,； D擴散系數(shù)；,A,B常數(shù)； R噴口半徑，m ；,時間。 若R一定，D=常數(shù),燒嘴中一次空氣與煤氣的克分子比；,完全燃燒的化學當量比。,B與,、,有關(guān)，與氣流速度、噴嘴直徑無關(guān),煤氣流速,V L；, L,二.紊流火焰 特點 擴散為質(zhì)點的脈動； 分區(qū)不明顯，界面不清楚； 燃燒在一個區(qū)域內(nèi)完成； 沿火焰徑向 ,；,火焰長度 謝米金公式：假定化

11、學反應取決于混合過程 自由射流：,式中 L0理論空氣需要量，m3/m3；,標準狀態(tài)下空氣與煤氣密度； d0噴口直徑。,L0 L 岡瑟半經(jīng)驗公式,式中,燃料密度； R化學當量比；,平均煙氣密度。,16 64+7.52N2 16：（64+7.5228）1：17.15, 基塔耶夫公式,經(jīng)驗公式,適用于水平自由射流 K實驗常數(shù)，與燃料有關(guān)，焦爐燃氣K=1； 發(fā)生爐煤氣K=0.65。 卡贊采夫公式 對于同軸射流,0燃氣速度； 1空氣速度； Q低煤氣低發(fā)熱量。 旋流火焰長度,火焰面的穩(wěn)定 不回火，不脫火。,第四篇 燃燒方法與燃燒裝置,對燃燒裝置的要求： 1. 在規(guī)定的熱負荷條件下保證燃料合理、充分燃燒，燃

12、燒過程要穩(wěn)定； 2. 火焰應具有一定的方向，外形，剛性等； 3. 具有足夠的燃燒能力和調(diào)節(jié)范圍； 4. 便于實現(xiàn)自動測量、調(diào)節(jié)和控制； 5. 結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，堅固耐用，經(jīng)濟合理。,第十三章 氣體燃料的燃燒,1.特點： 空氣消耗系數(shù)n較小，燃燒效率高， 大，可實現(xiàn)完全燃燒； 燃燒調(diào)節(jié)范圍大，熱負荷可在1：10范圍內(nèi)調(diào)節(jié)； 燃燒速度快，火焰短，燃燒空間熱負荷大， ； 基本上無SO2和煙塵排放； 可管道運輸； 煙囪高度可降低； 單位容積燃料熱量小，kJ/m3；, 運輸、儲存有安全隱患； 火焰黑度?。?價格高，元/kJ； 2.燃燒方法 容積燃燒：傳播燃燒，爆炸燃燒； 燒嘴燃燒：連續(xù)、穩(wěn)定，火焰呈相

13、對靜止狀態(tài)，達到 動態(tài)平衡。,第一節(jié) 無焰燃燒 （預混燃燒）或（動力燃燒）,混合方式,噴射式無焰燒嘴：（噴射器）, 燃燒速度快，火焰短，熱量集中，火焰溫度 高，適用快速加熱； 燃燒熱強度高，可達5萬kw/m3； 空、煤氣比例自動調(diào)節(jié)，n穩(wěn)定，一般n=1.01.05, 1.0，；理論燃燒溫度高. 不需要風機，管道布置簡單。 需要一個調(diào)節(jié)閥，可能產(chǎn)生回火、脫火、熄火，燃燒噪聲大； 空、煤氣預熱受限制； 要求煤氣壓力高，穩(wěn)定，動力消耗大。,特點,優(yōu)點：,缺點：,2.幾種典型的噴射式燒嘴 低熱值煤氣噴射式燒嘴 適用煤氣：清洗后的高、焦爐煤氣，發(fā)生爐煤氣， Q低=37009000 kJ/m3 用煤氣作噴

14、射介質(zhì),P15000Pa 焦爐煤氣噴射式燒嘴 壓力：30000100000Pa 空、煤氣調(diào)節(jié)比大 存在回火問題, 天然氣噴射式燒嘴 調(diào)節(jié)比1：3 第二節(jié) 直焰燃燒（擴散燃燒） 1.特點 優(yōu)點： 火焰面可見，火焰有一定長度； 發(fā)熱不集中，火焰溫度分布均勻，； 不存在回火和脫火，空、煤氣預熱不受限制； 煤氣壓力可降低。 缺點： 需要較大的燃燒容積， 較?。?容易產(chǎn)生碳黑； n較大，n=1.051.2。,2.燃燒器分類 按煤氣發(fā)熱量：有高、中、低發(fā)熱量燒嘴； 按火焰長度：分長焰，短焰燒嘴； 按火焰形狀：直焰，平焰，扁焰； 按燃料種類：煤氣燒嘴,氣液體燒嘴，氣固體燒嘴。 3.燒嘴類型 套筒式： 同心射

15、流 適用于各種煤氣 空、燃氣壓力低，火焰長度可調(diào)，火焰長，混合慢。, 低壓渦流式燒嘴,混合好，適用于 高發(fā)熱量煤氣。, 平火焰燒嘴,優(yōu)點： 爐內(nèi)溫度均勻， 火焰不接觸物料， 減少氧化腐蝕， 燃燒安全，節(jié)能1030, 低NOX燒嘴,危害：,，HNO3雨,T NOX； NOX NOX； n NOX,第十四章 液體燃料的燃燒 燃料油 霧化 燃燒 第十五章 固體燃料的燃燒 層狀燃燒、粉煤燃燒、旋風燃燒、沸騰床燃燒、 煤氣化燃燒等。,第十六章 煤的綜合利用,第一節(jié) 煤的焦化 一、煤在受熱時的分解煤的干餾 煤在高溫并隔絕空氣的情況下發(fā)生分解，產(chǎn)生新的固、液、氣狀態(tài)物質(zhì)的過程叫做煤的干餾。 在隔絕空氣的情況

16、下，隨著溫度升高，煤的變化過程大致為： 100150 析出水分,150200 放出被煤吸收的CO2 200250 化合物開始分解 250300 分解過程明顯，有煤氣、焦油蒸汽及分 解水放出。 350450 強烈地分解，放出大量的含CH4 , H2 , C2H4等氣體的煤氣及焦油蒸汽。 500550 焦油生成量逐漸減至停止，膠質(zhì)體開始 凝固，生成“半膠”，完成“低溫干餾”過 程，亦稱半焦化。,5501000 繼續(xù)放出大量的煤氣，主要成分是H2,CH4,其 中焦油生成量很少，同時膠質(zhì)體開始硬化。 10001100 煤氣停止生成，得到多孔、有很大強度的焦 炭，完成“高溫干餾”過程，亦稱焦化。 二、煉

17、焦與半焦制品 1.高溫干餾 在隔絕空氣的條件下，將煤加熱到9001100以下的過程。 1000kg煤： 焦炭：730780kg/t； 焦油：2545 kg/t；,煤氣：290350 m3/t； 粗苯：0.81.1%, 氨水等 產(chǎn)品：焦炭 煉焦煤氣：優(yōu)質(zhì)煤氣 Q高（37004500Kcal/m3） （155001900kJ/m3）密度0.380.5kg/m3 化工原料 H2：50%60% CH4：20%30% 氨、氮肥 焦油（隨煤氣逸出后冷凝的產(chǎn)物） 化工原料 甲苯等多種化工產(chǎn)品 2.低溫干餾 在隔絕空氣的條件下，將煤加熱到500600 ,以下的過程。 產(chǎn)品：半焦炭 機械強度差，不能用于大高爐的

18、煉鐵。 揮發(fā)物 W Ac 1# 7 5 20 用于煤氣發(fā)生爐、小高爐 2# 5 25 用于發(fā)電、民用 半焦煤氣 發(fā)熱量高于焦爐煤（7000Kcal/m3），但 產(chǎn)量低。 （有10%左右的揮發(fā)分尚存于半焦中） CH4在50%以上，是化工原料 乙炔、 甲醇、甲醛、炭黑,焦油 低溫干餾的主要目的產(chǎn) 物，質(zhì)量優(yōu)于高溫干餾 焦油。 第二節(jié) 煤的氣化 一、氣化過程基本原理 氣化：煤在高溫并有氧與之作用的條件下，即稱之為氣化劑的化學作用過程轉(zhuǎn)換為可燃氣體的熱化學過程。 氣化過程 在煤氣發(fā)生爐中 進行氣化過程,發(fā)生爐煤氣：焦炭氣化產(chǎn)物、干餾產(chǎn)物、焦油蒸汽和水蒸氣。 V煤氣V反應 +V干餾 實際過程：各層之間無

19、明顯界限。 還原反應不一定完全。 二、氣化劑 1、空氣煤氣氧化過程的化學反應原理 氣化反應：2C+O2+3.76N2 = 2CO+3.76N2 + 58860千卡 C+O2+3.76N2 = CO2+3.76N2 + 97560千卡 2CO+O2+3.76N2 = 2CO2+3.76N2 +136440千卡 CO2+C = 2CO - 38790千卡,平衡常數(shù)： 一公斤分子碳與一公斤分子氧作用生成一公斤分子CO2和3.76公斤分子N2，假設(shè)這一公斤分子CO2中，有a部分與C發(fā)生還原反應，則將生成2a的CO，剩余的CO2為（1-a），那么最后在某一溫度T和壓力為P時，平衡系統(tǒng)的混合物數(shù)量（總量）

20、為： 3.76 + 2a + (1-a) = 4.76 + a 而CO和CO2的分壓分別為：,于是系統(tǒng)的平衡常數(shù)： 布杜阿爾 公式,在445925；1大氣壓下Kp與T的關(guān)系為： 根據(jù)計算得到溫度曲線，可見 T CO；P CO 空氣煤氣特點: 假設(shè)一種理想情況來考慮空氣煤氣。 純C空氣氣化，全部轉(zhuǎn)換為CO，得到產(chǎn)品為理想煤氣成分。 C + O2 + 3.76N2= CO2+ 3.76N2,CO2 + C = 2CO 2C + O2 + 3.76N2 = 2CO + 3.76N2 可得到如下指標： 成分 煤氣產(chǎn)量 煤氣發(fā)熱量 氣化效率,（5）剩余熱量 可見： 煤氣成分主要是CO和N2，發(fā)熱量不高（

21、9001100Kcal/m3） 煤氣出口溫度高：生成溫度達700900，氣化效率不高 (T低，Q低)。 爐膛溫度高：還原帶1180 ，氧化帶可達15001700 ，容 易造成灰渣熔融結(jié)塊。 2、水煤氣 氣化過程化學反應原理：,C+ H2O= CO+ H2 -28380Kcal C+2H2O= CO2+2H2 -17970Kcal CO+ H2O=CO2+ H2 +10410Kcal 得到H2和CO。 加熱燃料的方法： 用過熱的水蒸汽帶入熱量，水蒸汽溫度高于1100 ，顯然要求耐火材料有高耐熱性及化學穩(wěn)定性，僅用于化學工業(yè)。 以空氣和水蒸汽周期性地交替供入，空氣：燃燒放熱加熱料 層；水蒸汽：產(chǎn)生

22、水煤氣。 加熱階段 氣化階段,水煤氣特點：考慮理想水煤氣的化學反應 C+ H2O= CO+ H2 -28380Kcal 則水煤氣的成分 H2：50 CO ：50 煤氣產(chǎn)率 所消耗的C應包括為使反應進行而供給熱量的 消耗，從熱量平衡的角度，供熱所消耗的熱量為：,所以： 煤氣發(fā)熱量 氣化效率 水煤氣使用：Q低高，但成本高，很少直接用于燃燒，主要 用于化工原料。 3、蒸汽空氣混合氣化 氣化過程原理： 空氣氣化：Q低（9001100）； 煤氣出口溫度高（700900）；,氧化帶溫度高，易結(jié)渣；水煤氣生成過程復雜，成本高。 結(jié)合兩種方式的優(yōu)點，彌補其不足，采用空氣+少量蒸汽作 為氣化劑的方式：Q，成份中

23、N2 ，T出口 其最終的化學反應為： 2C + O2 + 3.76N2= 2CO+3.76N2 + 58860 Kcal/m3 C+H2O = CO+ H2 28380 Kcal/m3 水蒸汽比例： C+H2O進行的不完全； C+CO2反應不完善； 二、氣化方法,三、典型氣化裝置舉例 1、固定床轉(zhuǎn)動爐柵煤氣發(fā)生爐，應用最廣泛的氣化裝置。 1）常壓爐 轉(zhuǎn)動爐柵：松動料層，克服粒結(jié)； 連續(xù)除渣。 特點： 機械化的； 常壓的； 煤種:不粒結(jié)煤或產(chǎn)生粉結(jié)煤。,氣化指標： 產(chǎn)物：混合煤氣 原料：不粘結(jié)或弱粘結(jié)煤，塊度1060mm，均勻，比 直接燃燒要求更嚴，粉和大塊都將增加損失。,空氣消耗量： 1.72.0 m3/kg（煤） 煤氣產(chǎn)率： 2.73.0 m3/kg（煤） 氣化強度（每平方米面積每小時氣化的煤量），生產(chǎn)率的特 性指標，一般300350 kg/ m2h，強化鼓風指標可達 400600 kg/ m2h 鼓風壓力：一般100300 mmH2O（最高可達250350 mmH2O） 飽和溫度：表明水蒸氣多少的指標，與氣化帶溫度有關(guān)。當 氣化帶溫度升高時，應多給蒸汽，將有利于發(fā)熱量提 高，一般4055，強化時4560。 氣化效率：產(chǎn)生煤氣