燃料种类及其燃烧2.ppt

材料工程基础,主讲陈常连2010.10,团结严谨勤奋求实,,3.3.1基本概念及燃烧理论,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发光的现象。燃烧可以产生火焰，而火焰又能在适合的可燃介质中自行传播。这种火焰能自行传播的特性是燃烧反应区别于其他化学反应的最主要特征。燃烧可分为普通的燃烧和爆炸性燃烧两种类型。普通的燃烧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。一般可视为等压过程。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，火焰传播速度大，约为10004000m/s。通常是在高压、高温下进行。,1燃烧过程的基本理论,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,,一般窑炉中燃料的燃烧，属于普通的（正常的）燃烧。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。一种是可燃气体如H2、CO及CmHn等，另一种是固态碳。例如液体燃料，受热气化形成气态烃类，同时在高温缺氧处，煤气中的重碳氢化合物裂解，生成碳黑。固体燃料燃烧时，首先是挥发分逸出，随后是可燃气体和固态碳燃烧。讨论燃料的燃烧过程，可分别讨论可燃气体、固态碳两种基本可燃组分的燃烧。,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,着火浓度范围,概念气体燃料与空气混合后，体积比必须在一定的范围内，才能着火燃烧，这一范围称为着火浓度范围或着火极限。影响因素混合物温度↑，着火浓度范围↑气体燃料组成着火浓度范围随燃料组成变化而变化,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,（1）固态碳的燃烧,碳的燃烧是气-固相两相反应的物理-化学过程。氧气扩散至碳粒表面与它作用，生成CO及CO2气体再从表面扩散出来。,燃烧碳粒附近CO2、CO、O2浓度的变化,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,固态碳的燃烧机理反应机理一CO2CO2（一次反应）CO2C2CO（二次反应）反应机理二2CO22CO（一次反应）2COO22CO2（二次反应）,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,mCOnCO2,xCyO2CxOyCxOyCxOyO2,m、n与温度有关9001200℃4C3O22CO2CO21450℃以上3C2O22COCO2C的燃烧过程,反应机理三,,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,固态碳的燃烧速度,表面温度1000℃时，为扩散燃烧,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,,（1）动力燃烧当温度较低时，化学反应速度慢，而物理混合速度相对较快，燃烧速度主要决定于化学条件，即炉内温度，我们把这种燃烧称为动力燃烧，或者说燃烧于动力区。（2）扩散燃烧当温度较高，化学反应速度较快，而物理混合速度相对较小时，燃烧速度主要取决于炉内氧对燃料扩散情况，我们把这种燃烧情况叫扩散燃烧，或者说燃烧处于扩散区。（3）当炉内温度与混合情况相适应时，燃烧速度既与温度有关，又与氧对燃料的混合、扩散有关，我们把这种燃烧情况叫做过渡燃烧，或者说燃烧处于过渡区。,（2）可燃气体（H2、CO及烃类）的燃烧,可燃气体的燃烧过程是一系列链锁反应。链锁反应的产生必须要有链锁刺激物（中间活性物）的存在，如H、O及OH。它们是由于分子间的互相碰撞、气体分子在高温下的分解、或电火花的激发而产生。在氢气或一氧化碳的燃烧过程中，有氢或水汽的存在可产生刺激物，加速反应的进行。甲醛的存在，可产生O活性原子刺激物，对烃类的燃烧有利。延迟着火现象,,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,可燃气体的燃烧按链锁反应的方式进行的。H、O、OH等为连锁反应刺激物，是反应进行的必要条件生成连锁刺激物的反应如下H2→2HO2→2OHO2→OHOOH2→OHH,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,氢的燃烧,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,一氧化碳的燃烧,H和OH为链锁刺激物,连锁反应过程,总反应2COO2H→2C2OH,氢气和水气所产生的刺激物H、OH可加速一氧化碳的燃烧,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,气态烃的燃烧,CH4的连锁反应过程,总反应O活性原子为链锁反应的刺激物OCH42O2→2H2OCO2O气体燃烧特点延迟着火混合并加热到着火温度之后，要经过一定的感应期，才能迅速燃烧,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,（3）火焰传播速度,概念火焰传播燃烧焰面不断向未燃气体移动的现象称为火焰的传播（扩散）现象火焰传播速度燃烧焰面向未燃气体移动的速度或单位时间内，在火焰单位面积上所烧掉的气体体积获得稳定火焰的条件流速与火焰传播速度大小相等、方向相反影响火焰传播速度的因素混合物的组成、温度、压力、水分及燃烧管道的尺寸等。在过量空气系数α值接近于1而略小于1时，出现最大值。,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,可燃气体的含量与火焰传播速度之间的关系A、H2的火焰传播速度比甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）大的很多，因H2的导热系数远大于后者；B、存在着火焰传播的极限值；C、空气过剩系数α接近于1而略小于1时，速度最大；D、提高气体混合物的温度、增加燃烧管的尺寸、减少燃烧的热损失，均能使邻近的可燃气体较快地达到着火温度而燃烧，从而提高火焰传播的速度。E、回火与脱火,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,2燃料燃烧过程,煤的燃烧（1）单颗粒煤的燃烧,煤燃烧是煤分子和氧气之间发生的激烈的氧化反应。煤粒达到着火温度燃烧才能持续进行，而着火温度只有通过加热才能达到。煤粒的燃烧过程主要包括脱气（挥发分释放）、挥发份着火和燃烧、固定碳燃烧（残焦燃烧）三个阶段。由于固定碳的燃烧及燃尽需要更长的时间，故在燃烧过程中更为重要。,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,（2）层燃燃烧,层燃的燃烧过程,层燃把煤块放在炉篦上堆成一定厚度的煤层进行燃烧。,燃烧过程,新燃料层加入燃烧室时,开始处于燃料层表面,随后由于燃烧的进行逐渐下沉,自上而下依次进行准备、燃烧和燃烬三个阶段，完成燃烧过程。,还原层CO2C→2CO,主要与燃料粒度大小、挥发分和灰分多少及燃烧层温度高低等因素有关,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,层燃的方式,在燃料层中，发生氧化放热反应,空气过剩系数α1.31.7,助燃空气,一次空气供给焦炭燃烧的需要,二次空气供给挥发物、CO以及部分被气流扬起的细小煤粒等燃烧,,CO2─→CO2热量2CO2─→2CO热量2COO2─→2CO2热量,直火式（完全燃烧式）,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,直火式层燃的特点,（1）燃料层薄,（2）一次空气量充足占总空气量的85～90左右,（3）燃烧室空间大供挥发物及细煤粒燃烧,半煤气式,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,半煤气层燃的特点,（4）燃烧室空间小温度约10001100℃的半煤气产物去窑炉与二次空气混合后燃烧。,（1）燃料层较厚为直火式的23倍，,（2）一次空气量不足占总空气量的4070；,（3）燃料层内的温度比直火式低氧化层内约为1200℃；,半煤气的成分,CO720；H2512；CH402；N25060；CO21015；Qnet,ar25004000kj/Bm3,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,全煤气式固体燃料的气化,全煤气式层燃的特点,（1）燃料层厚度为直火式三倍以上，一次空气不足，二次空气为零，燃烧产物中可燃气体占3548；（2）将煤制成煤气，易满足窑炉内火焰的气氛和温度要求，燃烧温度较直火式、半煤气式温度高；（3）劳动条件好，环境污染少；（4）可使用劣质煤，燃料费用低。,氧化层厚度与直火式基本相同,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,,（3）喷燃燃烧,合理组织炉内气流以加速煤粉着火合理控制一次风量和一次风温合理空气过剩系数合适的一次风喷出速度加速固定碳的燃烧,把块煤磨成煤粉喷入窑炉内进行悬浮燃烧。,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,优点,燃烧速度快、燃烧效率高、燃烧温度高、煤耗低、调节方便。,回转窑内的喷燃,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,多风道喷嘴,,,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,多风道煤粉燃烧器的原理如图。,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,（1）内外净风出口速较大（70150m/s），有利于提高煤粉的燃烧速度和燃烬程度；（2）内外风的配合有利于煤粉的燃烧；火焰形状规整，有利于保护窑衬；（3）一次风量小（12～14），有利于燃烧温度的提高及余热的有效利用。（4）火焰形状调节灵活，可调幅度大，对煤质的适应性强。（5）NOx有害气体低。,三风道燃烧器的特点,直流式烧嘴的使用特点,（1）流体阻力较小，喷出的煤粉气流射程远，高温烟气的回流量也少，致使着火延迟，炉膛火焰充满度差。（2）空气喷出速度一般比旋流式烧嘴所用风速大。,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,4沸腾燃烧,沸腾燃烧是基于固体颗粒流态化技术，将其应用于碎煤燃烧的一种新型燃烧方法，它是利用空气动力作用使煤在沸腾状态下完成传热、传质和燃烧过程。,,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,沸腾燃烧的特点,（1）煤粒与空气之间能充分混合。空气过剩系数小，燃烧速度非常迅速；（2）热效率高，可达95以上；（3）燃烧温度稳定，可保持在9601050℃范围内；（4）可充分利用各种劣质燃料；（5）沸腾燃烧室结构简单、操作灵活、易于调节、自动化程度高及操作环境好；（6）空气动力消耗大，烟气中飞灰量较多；（7）操作不当时，不完全燃烧造成的热损失大；（8）煤的结焦性强时，排渣困难。,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,气体燃料的燃烧包括三个基本过程燃料与空气的混合，着火，燃烧。混合过程比着火、燃烧过程缓慢许多，混合速度和混合程度对燃烧速度和燃烧完全程度起着决定性作用。根据燃气与空气的混合方式，可将燃烧分成扩散燃烧和预混燃烧。,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,,,,,液体燃料的燃烧燃烧方法通常有蒸发燃烧和雾化燃烧两种。对容易蒸发的燃料油，例如汽油，在燃烧前燃料先气化，与空气混合后着火燃烧，这种燃烧（蒸发燃烧）接近于均相燃烧。对难于蒸发的燃料油，例如柴油和重油，一般采用雾化燃烧，在燃烧室中边雾化、边蒸发、边着火燃烧，这种燃烧属于非均相燃烧。燃料油的雾化燃烧过程雾化、蒸发、混合、着火和燃烧雾化方法压力式、气动式、旋转式、对冲式、振动式等雾化质量指标有喷雾锥角、喷雾射程、燃料的分布特性、雾化液滴细度、雾化液滴的均匀度、雾化液滴尺寸分布特性。,2.3燃烧基本理论、燃烧过程及设备,1燃烧污染与防治,温度型（热力型）NOx、燃料型NOx和快速温度型NOx。温度型NOx燃烧用空气中的N2在高温下氧化而生成的氮氧化物。燃料型NOx燃料中的氮受热分解和氧化而生成的。减小炉内过量空气系数或抑制挥发分燃烧区燃料与空气的混合，可使燃料型NOx生成量减少。快速温度型NOx发生在碳氧化合物较多的燃料燃烧火焰中，生成速度快，也是由空气中N2氧化而来，在燃煤火焰中，它只占5以下。,一、NOx的生成与控制,2.4洁净燃烧技术,,温度型NOx,燃烧温度越高，d[NOx]/dt越大,生成NOx越多，故又称为热力型NOx。在实际中，应尽量避免局部高温区的形成，以减少NOx生成量。氧浓度越高，NOx生成速度越快，NOx越多。对预混火焰α＜1时，增加α，燃烧温度随之增加，NOx生成率增加；α＞1时，氧浓度增加，但燃烧温度大大降低，故NOx生成率反而降低；α＝1时，NOx最大。,2.4洁净燃烧技术,,温度型NOx,对扩散火焰混合情况较差，NOx生成率的最大值移至α＞1的区域，且因燃烧温度较低，NOx生成率最大值降低。缩短燃料在高温区的停留时间，NOx生成反应不充分，可以减少NOx量。,2.4洁净燃烧技术,控制NOx的几种燃烧技术,1低氧燃烧低氧燃烧是在炉内总体过量空气系数α较低的工况下运行。但是，α过低，会使化学和机械不完全燃烧热增加；α过大，对燃烧也不利。2烟气再循环将部分低温烟气直接送入初始燃烧区，或与燃烧用空气相混合后送入燃烧区，由于烟气吸热和稀释了氧浓度，使燃烧速度和炉内温度降低，因而可降低温度型NOx。,2.4洁净燃烧技术,控制NOx的几种燃烧技术,3分级燃烧分级燃烧时，燃烧速度延缓，火焰温度降低，因而温度型NOx降低，并且，由于第一级为富燃区，使挥发分生成的NOx（燃料NOx）减少。4对向燃烧燃料和空气分别对向喷入炉内进行燃烧，因火焰最高温度降低，NOx降低。,2.4洁净燃烧技术,二、SOx的生成与控制,硫的氧化物SOx主要指SO2和SO3，它们是由燃料中硫在燃烧过程中与氧反应而生成。几种脱硫技术,（1）燃料在燃烧前脱硫2燃烧过程中固硫3烟气脱硫湿法脱硫、干法脱硫,2.4洁净燃烧技术,三、烟尘的生成与控制,1气体燃料碳氢化合物在空气不足的条件下受热，会热解产生碳黑，称为气相析出型烟尘。2液体燃料当雾化不良、局部地区油雾浓度大、供氧不足、炉温较低时，会生成剩余型烟尘（油灰）。重油的碳原子数多，因而烟尘较多。3固体燃料固体燃料的挥发分因缺氧燃烧不完全时，也会生成碳黑，即气相析出型烟尘。,措施1、改善燃料与空气的混合和供给充足的空气。2、保证足够的温度和停留时间。3、采用除尘装置控制粉尘污染。,2.4洁净燃烧技术,2材料生产中的燃烧新技术,一、高温低氧空气燃烧HTAC技术（HighTemperatureAirCombustion20世纪80年代末至90年初开发出的新一代燃烧技术。目前多应用于冶金工业气体或液体燃料燃烧。高温低氧燃烧是将燃料喷射到一种高温低氧的助燃剂（把燃烧产物按比例地掺入参与燃烧的高温空气中得到的）中进行的混合和燃烧。高温参与燃烧反应的空气预热温度高一般800℃，低氧气体助燃剂中氧气的浓度低一般15。当其他条件一定时，高温低氧燃烧工况取决于空气的预热温度和助燃剂中氧气的浓度。,2.4洁净燃烧技术,高温低氧燃烧技术的基本特征,①火焰体积显著扩大②火焰温度场分布均匀③环保节能效果显著④低燃烧噪音⑤高温度效率、高热回收率和高热效率,①有效地组织炉膛内的气流②燃料分级燃烧③燃用低热值燃料④炉外排烟再循环⑤尽可能采用较低的过剩系数,高温低氧燃烧技术的实现途径,2.4洁净燃烧技术,二、玻璃熔窑全氧燃烧技术Oxy-FuelFiredGlassMelting,（1）全氧燃烧技术工作原理是把空气燃料燃烧系统改变为氧气燃料燃烧系统。使用纯度≥85的氧作燃料（气或油）雾化介质。氧和燃料在氧枪内混合喷入熔窑形成燃烧火焰。又称为“燃料氧气”燃烧Oxy-FuelFired。,2.4洁净燃烧技术,传热过程比较,,（2）全氧燃烧技术基本特征,①玻璃熔窑结构改变取消了蓄热室、小炉、换火系统，如同单元窑。②玻璃熔化工艺稳定无需“传统换火工艺”，玻璃熔化稳定。③池窑熔化率提高20提高了玻璃液面的火焰温度，窑炉气氛中增高的水蒸汽浓度还可加速熔化过程。④玻璃质量提高玻璃液中的OH-量增多，玻璃液粘度、表面张力降低，澄清区气泡释放彻底。⑤喷枪布置合理燃烧器不同于小炉，外形结构尺寸小，可按照熔化温度曲线合理分布，“燃烧器”或对烧、或交叉燃烧。⑥污染物产生量降低烟气量和NOx产生量大幅度降低。预熔区的原料受高温气体传热很快形成薄壳，阻止了粉料的飞扬。,2.4洁净燃烧技术,,（3）实现全氧燃烧的关键技术,①制氧技术液态氧、真空变压吸收法（VPSA）制氧和低温氧气分离法（ICO）制氧。②高效的氧燃料喷枪的选择与设计③高碹顶技术,2.4洁净燃烧技术,Thanksforyourattention,谢谢各位,,材料科学与工程学院无机非专业,,,团结严谨勤奋求实,