燃烧学-6.固体燃料—煤的燃烧
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固体燃料燃烧解析
章
➢ 挥发份的燃烧
焦炭含量占55~97%，燃
➢ 焦炭的燃烧
固
烧时间占90%，发热量占 60~95%
体
燃
料
燃
烧
§9.2 固体碳粒的燃烧
第
九 气固两相燃烧反应过程
章
✓ 两相反应的特点：物质在相的分界表面上发生反应。 反应的一般步骤：
固
1. 反应分子扩散到表面
体
2. 分子在表面发生吸附作用
燃
3. 被吸附的分子在表面上进行化学反应
章
固 体
O2 ,0
* D
* D
K O2
O2 ,
gO2
* D
(
O2
,
O2,0 )
gO2
O2 ,
1 1
K O2 ,
* D
K O2
燃 料
K 1 1 1
表观速度常数
燃
* D
K O2
烧
11 1
多相燃烧反应
K
* D
K O2
阻力
§9.2 固体碳粒的燃烧
第 九 气固两相反应理论
章 固
11 1
➢多相燃烧反应阻力：
固 体
gO2
* D
(
O2
,
O2,0 )
燃
氧在碳表面处的反应的速度（单位碳粒表面、单位时间燃烧掉的
料 燃
氧量）可表示为
K O2 O2 ,0
烧
在稳定燃烧状态时，向碳粒扩散的氧量应等于碳粒燃烧所消耗的
氧量。因此Βιβλιοθήκη * D(O2
,
) O2 ,0
KO2
O2 ,0
§9.2 固体碳粒的燃烧
第 九 气固两相反应理论
《煤炭燃烧》PPT课件
（四）煤和空气的混合 具备煤和空气只是燃烧的必要条件，但还不充分。二者 必须充分接触和混合，才能保证煤完全燃烧。层燃炉的缺点 是煤和空气不能充分混合。块煤在燃烧过程中，外表面会形 成一定厚度的灰层，阻碍了空气和内层煤可燃质的接触，使 煤很难燃烧完全。另一方面，其燃烧产物（RO2、CO等）一 般因结构关系亦不能及时离开煤表面，这也阻挡周围空气与 煤继续接触，影响完全燃烧。这是层燃炉固体不完全燃烧热 损失较高的原因。解决这类问题的办法是对层燃炉加强拨火、 提高风速，促进燃烧产物的分离和煤块表面灰层的脱落。
（五）燃烧时间 足够的燃烧时间是保证煤燃尽的必要条件 之一。任何燃烧均需要有一定的时间，否则 就不能燃烧完全。实际操作中，足够的时间 往往是用足够的燃烧空间来实现的。例如煤 粉悬
第二节 煤炭燃烧方式
• 根据煤在燃烧过程中的运动状态，将其燃 烧方式分为三种：层状燃烧、悬浮燃烧和 流态化燃烧
• 当空气自下而上通过燃料层时，如果风速 不同，会出现三种不同的床层状态：（1） 固定床；（2）流态化；（3）气力输送状 态。
三）氧化剂（空气量）
一定量的煤燃烧需要一定量的空气。空气量不够， 会使有些可燃物得不到氧气而燃烧不完全。反之，过量 则造成排烟热损失增加。理论所需空气量可由化学计量 法得到。理论上，所供空气中的氧应与煤中可燃质按化 学方程式恰好完全反应。计算中取气体标准状态，认为 所有的气体都与理想气体一样。煤中可燃质分别按C、H、 S进行考虑，同时考虑N不参与燃烧，煤中O的存在使得 空气用量减少。由此计算理论所需空气量。
要保持料层流态化，关
键在于有一个适当的风
量。把布风板面积当作
空气流通面积计算出来
的风速叫做空截面气流
速度。使料层恰能开始
沸腾的空截面气流速度
燃烧理论之固体燃烧
A turnover model for carbon reactivity I. development, Combustion and Flame, 126, 2001,1421
Adel F. Sarofim
Philip Smith Eric Eddings JoAnn Lighty
Presidential Professor University of Utah Coal combustion; soot, submicro-particle Ohio State University
1.2 国内、外相关研究的近况(过去10年)
Brian S Haynes
Department of Chemical Engineering The University of Sydney Presisent of Intl Combustion Institute Fuel N; Submicro-particle; Complex combustion chemistry
1.2 固体燃烧研究的复杂性
由于上述固体燃料的类型及其应用的差异，因 此其燃烧问题也是非常复杂的，其具体特性既 有赖于燃料的自然属性，又和其应用特性有关。 例如，要详细介绍煤的燃烧就需要一整本(甚至 几本)书。 因此，我们方法是：首先介绍一些对固体燃烧 非常重要基本概念，然后，应用这些概念建立 固体碳颗粒燃烧的简单模型。
Robert Essenhigh
Fundamental Models of Coal Char Formation and Combustion, Proc. Of combustion institute, 1998
College of Engineering Brown University
第6章 可燃固体的燃烧(上课课件)
➢ 6.1.3.1 固体引燃条件和引燃时间
➢引燃条件：
HCGcr Q E LV Gcr Q l
S HC LV Gcr Q E Q l 0
❖ 如果 S<0，固体不能被引燃或只能发生闪燃； ❖ 如果 S>0，固体表面接受的热量除了能维持持续燃烧，还有多余
部分。这部分热量可以使可燃气的释放速率进一步提高，为固 体持续燃烧创造更好的条件；
❖ S=0 固体能否被引燃的临界条件。
10
➢ 对于一定厚度无限大固体，可用下式估算：
Q l
Ti 4
K
TS
T0
tHale Waihona Puke ➢ Gcr与 有如下关系：
Gcr
h c
1
3000
HC
h为火焰和固体间的对流换热系数，c为空气热容量
11
物质名称
一些高聚物的Gcr和值
Gcr g/（m2·s）
物质名称
Gcr g/（m2·s）
❖ （2）热分解温度 ✓ 可燃固体的热分解温度越低，燃点也越低，火灾危险性越大
❖ （3）自燃点 ✓ 自燃点越低的固体，越容易燃烧，因而火灾危险性越大。
❖ （4）比表面积 ✓ 相同的可燃固体，比表面积越大，火灾危险性越大。 ✓ 随着粉尘的比表面积增大，其爆炸下限降低，最小引爆能变小而 最大爆炸压力增大。
dt (A) c dT
A h (T 2T T0 )
T0
T∞
ti
c
h
ln T
T T0 T0 2Ti
15
➢（4）当物体一面受热通量为的辐射加热，另一面绝热时 假设物体吸收率为α，在时间间隔dt内，能量平衡方程可写成
A Q 'r' dt h A T T0 dt AcdT
➢引燃条件：
HCGcr Q E LV Gcr Q l
S HC LV Gcr Q E Q l 0
❖ 如果 S<0，固体不能被引燃或只能发生闪燃； ❖ 如果 S>0，固体表面接受的热量除了能维持持续燃烧，还有多余
部分。这部分热量可以使可燃气的释放速率进一步提高，为固 体持续燃烧创造更好的条件；
❖ S=0 固体能否被引燃的临界条件。
10
➢ 对于一定厚度无限大固体，可用下式估算：
Q l
Ti 4
K
TS
T0
tHale Waihona Puke ➢ Gcr与 有如下关系：
Gcr
h c
1
3000
HC
h为火焰和固体间的对流换热系数，c为空气热容量
11
物质名称
一些高聚物的Gcr和值
Gcr g/（m2·s）
物质名称
Gcr g/（m2·s）
❖ （2）热分解温度 ✓ 可燃固体的热分解温度越低，燃点也越低，火灾危险性越大
❖ （3）自燃点 ✓ 自燃点越低的固体，越容易燃烧，因而火灾危险性越大。
❖ （4）比表面积 ✓ 相同的可燃固体，比表面积越大，火灾危险性越大。 ✓ 随着粉尘的比表面积增大，其爆炸下限降低，最小引爆能变小而 最大爆炸压力增大。
dt (A) c dT
A h (T 2T T0 )
T0
T∞
ti
c
h
ln T
T T0 T0 2Ti
15
➢（4）当物体一面受热通量为的辐射加热，另一面绝热时 假设物体吸收率为α，在时间间隔dt内，能量平衡方程可写成
A Q 'r' dt h A T T0 dt AcdT
《固体燃料燃烧过程》课件
基
旋转，增强一二次风的混合及相对运动，有利于燃烧。火焰
础
粗短，易烧窑皮。
及 （e）多风道喷嘴
设
备
多
媒
体
课
件
材 料 工 多风道煤粉燃烧器的原理：如图。 程 基 础 及 设 备
多 媒 体 课 件
材
料 三风道燃烧器的特点：
工
（1）内外净风出口速较大（70~150m/s），有利于提高煤粉的燃
程 烧速度和燃烬程度；
机械通风时更大。
材
料 工
3.4.3 喷燃燃烧
程
喷燃：把块煤磨成煤粉喷入窑炉内进行悬浮燃烧。
基
础
及
设
备
多
媒
回转窑内的
体
喷燃
课
优点：
件
燃烧速度快、燃烧效率高、燃烧温度高、煤耗低、调节方便。
材
料
3.4.3.1 煤粉的制备
工
程
煤粉制备设备
球磨机
基
立式磨
础
及
设
备
多
媒
球磨机
HRM立式磨
体
比较：
课
（1）球磨的结构简单、操作可靠、对煤种的适应性好；
多
在燃料层中，发生氧化放热反应：
媒
体
C + O2 ─→ CO2 + 热量
课 件
2C + O2 ─→ 2CO +热量
2CO + O2 ─→ 2CO2 + 热量
材
料
工
直火式层燃的特点 ：
程 基
（1）燃料层薄 烟煤——100～200mm 燃料层温度高 无烟煤——60～150mm >1300℃
燃烧学第九章固体燃料的燃烧
挥发分燃烧
焦炭燃烧
§9.1 煤的燃烧过程
第 九 章 固 体 燃 料 燃 烧
煤的热解过程
当煤加热到足够高的温度时，煤先变成塑性状态， 失去棱角而使其形状变得更接近于球形，同时开始释 放挥发份。
H 2O、CO2、C2 H 6、C2 H 4、CH 4、焦油、 CO、H2
挥发份释放后留下的是一多孔的炭。热解过程中不 同的煤有着不同程度的膨胀。
§9.0 煤的热分解过程
第 九 章 固 体 燃 料 燃 烧
一般说来，煤在被加热时，其中水分首先被蒸发逸出， 然后有机质开始热分解的过程，在此过程中析出一部分被 称为挥发物的可燃气态物质，最后剩下的基本上是碳和灰 分组成的固体残物，称为焦碳。析出的挥发物如遇有一定 量的具有足够高温度的热空气，就会着火燃烧起来，并形 成明亮的火焰。如果初期析出的挥发物较多，则氧气消耗 于挥发物的燃烧而不能达到焦碳的表面。但另一方面，挥 发物的燃烧又加热了焦碳，于是在其基本燃尽后，焦碳就 开始剧烈的燃烧起来。 煤的碳化程度愈浅，挥发物含量就愈多，开始析出的 温度也愈低，因而就容易着火。挥发物着火后，焦碳的温 度也逐渐上升，在焦碳燃烧阶段，仍有少量挥发物在继续 析出，但这时它对燃烧过程已不起决定作用。
第 九 章 固 体 燃 料 燃 烧
理论和试验结果表明，挥发物和焦碳同时燃烬的论点 比较合理。当然，煤粒的热分解过程也是一个复杂的物理 化学过程，分解速度还与煤中和加热温度有关，不能一概 而论。而对于颗粒直径很小的煤粉燃烧来说，假设大部分 挥发物在燃烧过程初期很快析出和燃烬，在估算煤粒燃烧 时间时有一定的实用意义。 努塞尔（Husselt）收缩热解模型 假设图7-3是一个正处于热解状态的球型煤粒。初始 温度是 T0 ，在某一时刻t0，煤粒表面突然升温到T ，并且 颗粒表面一直保持在 T 的温度，那么由于向球形煤粒内 部导热，因而其内部各点也要升温，升温规律由下式给出：
煤的燃烧(第三组)
❖ 2.挥发分： 挥发分是判明煤炭着火特性的首要指标。挥发分含 量越高，着火越容易。根据锅炉设计要求，供煤挥 发分的值变化不宜太大，否则会影响锅炉的正常运 行。如原设计用低挥发分的煤而改烧高挥发分的煤 后，因火焰中心逼近喷燃器出口，可能因烧坏喷燃 器而停炉；若原设计用高挥发分的煤种而改烧低挥 发分的煤，则会因着火过迟使燃烧不完全，甚至造 成熄火事故。因此供煤时要尽量按原设计的挥发分 煤种或相近的煤种供应。
❖ 煤燃烧时煤中可燃物质与空气中的氧化合而 产生热能。煤中主要成分为碳、氢元素以及 两者的化合物，另有少量硫元素也参与燃烧。 其主要反应为
❖ C＋O2 = CO2 ——32750kJ/kg 放热 ❖ H2＋1/2O2 = H2O ——141694Kj/kg 放热 ❖ S＋O2 = SO2 ——9292kJ/kg 放热
二、火力发电用煤对媒质的要求
❖ 1.发热量 ❖ 2.挥发分 ❖ 3.水分 ❖ 4.灰分 ❖ 5.煤灰熔融性 ❖ 6.硫分 ❖ 7.粒度
火电厂 锅炉设备2 - 视频 - 优 酷视频 - 在线观看
❖ 1.发热量： 发热量是锅炉设计的一个重要依据。由
于电厂煤粉对煤种适应性较强，因此只要煤 的发热量与锅炉设计要求大体相符即可。
❖ 3、水分： 水分是燃烧过程中的有害物质之一，它在燃烧过程 中吸收大量的热，对燃烧的影响比灰分大得多。煤 及煤粉中适量含水也有其有利的一面。煤粉过于干 燥，磨煤机出口气粉混合物温度过高，煤粉有爆炸 的危险。一般说来，在制粉系统尾部（即排粉机前） 的气粉混合物中，水蒸气的饱和度保持在70%左右 比较适宜
❖ 6、煤的硫分： 硫是煤中有害杂质，虽对燃烧本身没有影响， 但它的含量太高，对设备的腐蚀和环境的污 染都相当严重。因此，电厂燃用煤的硫分不 能太高，一般要求最高不能超过2.5%。
煤的燃烧理论ppt课件
强迫对流条件下碳粒燃烧速率 的分析方法
• 在实际的燃烧过程中，煤焦（碳粒）往往是
处于对流的环境之中，此时，碳粒燃烧速率
的计算就无法在球对称条件下进行分析，在
自然对流条件下，球形颗粒燃煤的情形，采
用边界层近似假设及边界层厚设比颗粒半径
小得多的假设，建立方程后采用的是数值的
求解方法，在强迫对流条件下球形颗粒燃烧
2-58
Sn 19-4250 10-825
.
40
.
41
有CO空间反应时碳球燃烧速率 的计算
• 存在有二次反应时碳燃烧速率的计算是 十分复杂的，考虑到二次反应结果是CO2 被C还原成CO，而一次反应本身也会产生 CO，如果我们已能确定所产生CO的总数 量，则对燃烧产生的影响主要是这些CO 在碳球附近空间燃烧形成一个包复火焰 的影响。
.
42
- 0.11
0.2-4 0.132
- 3.016
P2O3 (%)
-
-
褐煤 6-40 4-26 1-34 0.0- 12.4- 2.8- 0.2-28 0.1- 8.3- -
0.8 52 14
1.3 32
.
63
B煤灰中痕量元素的范围（PPm
，以灰分为基础）
元素 无烟煤 Ag 1
高挥发份烟 低挥发份烟煤
• 由于挥发物能够在较低的温度下析出和燃烧，使煤粒周
围温度迅速提高，为煤焦的着火与燃烧创造了极为有利
的条件。在挥发物析出过程。使煤焦膨胀。增大了内部
孔隙及外都反应表面积。有如上述，也有利于提高煤焦
的燃烧速度。挥发物是煤中可燃物的一部分，挥发物的
燃烧也是煤的一部份的燃烧，而这一切都有利于整个燃
料燃烧速度的提高。但是，另一方面，因为挥发物在煤
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木柴
15
20
泥煤
30
40.5
褐煤
55
烟煤
57～88
66 59.6～83.5
无烟煤
96.5
95
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煤的化学组成
可燃质 惰性质
碳(C) ： 煤的主要可燃元素，燃烧时放出大量的热。
氢(H)： 煤的主要可燃元素（可燃氢 、化合氢 ）。
氧(O)： 煤中一种有害物质。和碳、氢构成氧化物 。
氮(N)： 一般不参加燃烧反应，是燃料中的惰性元素。
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烟煤 表面呈灰黑色，有光泽，质松软 一种炭化程度较高的煤； 与褐煤相比，它的挥发分较 少，密度较大，吸水性较小， 含碳量增加，氢和氧的含量 减少； 烟煤的最大特点是具有粘结 性，这是其他固体燃料所没 有的，因此它是炼焦的主要 原料，是冶金工业和动力工 业不可缺少的燃料，也是近 代化学工业的重要原料。
定义：1kg煤完全燃烧后所放出的燃烧热称为发热量， 单位千卡/千克。
用途：评价燃料质量好坏的重要指标，计算燃烧温度 和燃料消耗量时不可缺少的依据。
表示方法：
高发热量Q高：燃料完全燃烧后燃烧产物冷却到使其 中的水蒸气凝结成0℃的水时所放出的热量。
低发热量Q低：指的是燃料完全燃烧后燃烧产物中的 水蒸气冷却到20℃时放出的热量。
些焦油和气体称为挥发分。 挥发分由可燃气体混合物、二氧化碳和水组成。其中
可燃气体包括一氧化碳、氢、气态烃类和少量酚醛。 煤加热时释放出的挥发分的重量和成分取决于加热升
温速度、加热最终温度和在此温度下的持续时间。根 据升温速度不同，将热解过程分为慢速热解和快速热 解：
慢速热解：加热煤粒的升温速度小于2℃/s; 快速热解：加热煤粒的升温速度大于104℃/s； 居于慢速热解和快速热解之间的热解过程为中速热解。
2020
燃烧学－6.固体燃料—煤的燃烧
•
•
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褐煤 褐煤是泥煤经过进一步变化后 生成的，由于能将热碱水染成 褐色而得名； 与泥煤相比，密度较大，含碳 量较高，氢和氧的含量较小， 挥发分较低； 褐煤的使用性能是粘结性弱， 极易氧化和自燃，吸水性较强。 新开采出来的褐煤机械强度较 大，但在空气中极易风化和破碎； 地方性燃料。
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无烟煤 呈灰黑色，有金属光泽，燃烧时 没有煤烟，仅有很短的青蓝色火 焰，焦碳也没有粘结性。 矿物化程度最高的煤，也是年龄 最老的煤。 特点是密度大，含碳量高，挥发 分极少，组织致密而坚硬，吸水 性小，适于长途运输和长期储存。 主要缺点是受热时容易爆裂成碎 片，可燃性较差，不易着火。 由于其发热量大，灰分少，含硫量低，而且分布较 广，因此受到重视。可以用于气化，或在小高炉和 化铁炉中代替焦碳使用。
煤的可燃性：燃料中的碳与氧发生氧化反应的 速度，即燃烧速度。
煤的炭化程度越高，则反应性和可燃性就越差。
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6.2 碳的燃烧化学反应
煤的燃烧过程大致可分为5步：
干燥。100℃左右，析出水分； 热解。约300℃以后，燃料热分解析出挥发分，为气态
的碳氢化合物，同时生成焦和半焦； 着火。约500℃，挥发分首先着火，然后焦开始
从析出到基本燃尽所用时间约占煤全部燃烧时间的10%； 挥发分的燃烧过程为气-气同相化学反应，焦炭的燃烧 为气-固异相化学反应； 燃尽。焦炭继续燃烧，直到燃尽。这一过程燃烧速度 慢，燃尽时间长。
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煤的热分解
煤被加热到一定温度后，进入热分解阶段。 热分解阶段释放出焦油和气体，并形成剩余焦炭，这
温度较高时，气体分子具有较高的相对速度，能侵入石墨晶格 表面层基面间的空间内，把基面的空间距离撑大，和碳原子形 成新的键。碳和氧会形成固溶络合物，该络合物可能会由于其 他具有一定能量的氧分子碰撞而结合成CO和CO2。
温度很高时，单纯物理吸附不存在，晶体周界对氧分子的化学 吸附能力增加，吸附后形成的碳氧络合物会受热分解成为CO和 CO2气体，或被其他分子碰撞而离解，离开晶体而形成自由分 子。
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碳的晶格结构
金刚石晶格结构——对燃烧技术没有意义 石墨晶格结构：
由六角形组成的基面叠结
而成。晶体内部每个碳原子三
个价电子在基面内形成稳定化 学键，第四个价电子则分布在 基面之间的空间内，键的结合 力较弱。
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常温下，碳晶格表面和周界上能吸附气体分子，称为物理吸附。 物理吸附不能发生化学变化。
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泥煤
碳化 密度 吸水 挥发 机械 运输 氢氧 可燃 发热
程度
性 分 性能 储存 含量 性 量
低小 强高差 难 高 好 低
粘结 性
褐煤
弱
烟煤
最好
无烟煤 高 大 弱 低 好 易 低 差 高
不同种类煤的特点
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常见固体燃料可燃质情况
燃料种类 可燃质中焦炭的质量份额% 焦炭热值占总热值的份额%
硫(S) ：
有机硫 (S机) 黄铁矿硫 (S矿)
硫酸盐硫 (S盐)
可燃硫或挥发硫
灰分 (A) ：煤中所含的矿物杂质(主要是碳酸盐、粘
土矿物质、以及微量稀土元素等) 。
水分(W) ： 外部水分( 也叫做湿分或机械附着水)
内部水分
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二、煤的使用性能
煤的工业分析值
煤的工业分析内容：测定水分、灰分、挥发分 和固定碳的百分含量。
煤的工业分析方法（国家标准）：将一定重量 的煤加热到110℃，使其水分蒸发，以测出水分 的含量，再在隔绝空气的条件下加热到850℃， 并测出挥发分的含量，然后通以空气使固定碳 全部燃烧，以测出灰分和固定碳的含量。
煤的工业分析值的应用：确定煤的用途和制定 工艺制度时不可缺少的原始依据。
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煤的发热量(与炭化程度有关，含碳量87％时发热 量到最大值)
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比热、导热系数
煤的比热随炭化程度的提高而变小。与水分和 灰分含量成线性关系。 泥煤：0.33；褐煤：0.29；烟煤：0.24
煤的导热系数随炭化程度和温度的升高而增大。 煤：0.2~0.3千卡/米·小时·℃
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反应性和可燃性
煤的反应性：煤的反应能力，即燃料中的碳与 二氧化碳及水蒸气进行还原反应的速度。反应 性的好坏是用反应产物中CO的生成量和氧化 层的最高温度来表示。CO的生成量越多，氧 化层的温度越低，则反应性就越好。