燃燒理論之固體燃燒

1、固體燃燒,主要內(nèi)容,概述(中外研究情況)燃煤鍋爐(煤粉爐和循環(huán)流化床)非均相反應(yīng)(表面化學(xué)反應(yīng))碳的燃燒(單顆粒)單膜模型雙膜模型顆粒燃燒速度煤的燃燒(含熱解介紹)——CO2控制,第一講,1. 概述,在前面的學(xué)習(xí)中，我們主要介紹了氣體燃料的燃燒（第8，9，12和13章），對液體燃料也給予了一定的關(guān)注（第3和10章），其燃燒反應(yīng)最終也可以歸結(jié)為氣相組分的反應(yīng)，即液體在能夠燃燒前必須首先氣化。在這一章中，我們將介紹固體燃料的燃

2、燒。,國際燃燒會議：Heterogeneous combustion and material synthesis,固體燃料中最重要的一種是煤，最有代表性的就是以煤粉的形式在效用鍋爐中燃燒，這就是我們這一章所要討論的內(nèi)容。固體燃燒的另外一些應(yīng)用包括垃圾焚燒、金屬燃燒、混和燃料火箭發(fā)動機(jī)、木材燃燒、碳（煤焦或炭焦）的燃燒等。,1.1 固體燃料的種類,由于上述固體燃料的類型及其應(yīng)用的差

3、異，因此其燃燒問題也是非常復(fù)雜的，其具體特性既有賴于燃料的自然屬性，又和其應(yīng)用特性有關(guān)。 例如，要詳細(xì)介紹煤的燃燒就需要一整本(甚至幾本)書。 因此，我們方法是：首先介紹一些對固體燃燒非常重要基本概念，然后，應(yīng)用這些概念建立固體碳顆粒燃燒的簡單模型。,1.2 固體燃燒研究的復(fù)雜性,,1.2 國內(nèi)、外相關(guān)研究的近況(過去10年),Brian S Haynes,Department of Chemical EngineeringThe

4、 University of SydneyPresisent of Intl Combustion InstituteFuel N; Submicro-particle; Complex combustion chemistry,A turnover model for carbon reactivity I. development, Combustion and Flame, 126, 2001,1421,Adel F. Sa

5、rofimPhilip Smith Eric Eddings JoAnn Lighty,Presidential ProfessorUniversity of Utah Coal combustion; soot, submicro-particle,Robert Essenhigh,Ohio State University,Fundamental Models of Coal Char Formation and Comb

6、ustion, Proc. Of combustion institute, 1998,kinetic mechanisms of heterogeneous gas-solid reactions relevant to oxidation of coal and carbon;Particle-fluidized bed system (spouted bed);Fuel-cell,College of Engineering

7、Brown University,Joseph Calo,Princeton,heterogeneous kinetics of carbon oxidation and gasification for the development of next-generation solid fuel power technologies Combustion institute,Robert Hurt,the chemical react

8、ions of solids, particularly in relation to the fields of combustion, fuel chemistry and environmental technology Fuel _journal,Eric Suuberg,MIT,MIT,Semi-Global Intrinsic Kinetics for Char CombustionModeling, combusti

9、on and Flame, 2001, 125:1138,Reginald E. Mitchell,Stanford University (ME),Coal and biomass combustion and gasification;hydrocarbon flame chemistry and structure.,Characterization of Coal-Char and Biomass-Char Reactivit

10、ies to Oxygen," Proc. Combust. Inst. 29 519-526, 2002.,Ljubisa R. Radovic,CO/CO2 Ratio in the Products of the Carbon-Oxygen Reaction,Editor-in-Chief, CARBON journal (1998-2003),Penn State UiversityProfessor of Ener

11、gy and Geo-Environmental Engineering,Thomas H. Fletcher,Chemical Engineering Department Brigham Young University,Chris ShaddixSandia Lab,Steve F. SonPurdue,Richard YetterPenn State,M. Quinn BrewsterUIUC,Radiation he

12、at transfer, solid propellant and metal combustion,,Combustion chemistry, heterogeneous combust., materials synthesis, propellant combustion,Combustion of energetic materials, microscale combustion, nanoscale energetic c

13、omposites, combustion synthesis, and coal combustion,Oxy-fuel coalcombustion,為學(xué)治研的精益求精,Sandia 實(shí)驗(yàn)室,國內(nèi)煤燃燒領(lǐng)域中科技人員(應(yīng)用基礎(chǔ))徐旭常，岑可法，秦裕昆，范維澄馬毓義、許晉源、周力行、傅維標(biāo)……陳昌和、岳光溪、徐通模、鄭楚光……張健、何榕、姚強(qiáng) 、章明川、駱仲泱、徐明厚……,1.2 國內(nèi)相關(guān)研究的近況,2. 燃煤鍋爐,什么是鍋

14、爐?鍋爐為蒸汽輪機(jī)提供所需的蒸汽 常用鍋爐有多大?燃燒空間尺寸大概15m*20m，高度可達(dá) 50m煤粉粒徑磨至75?m 以下，由一次風(fēng)夾帶入一次反應(yīng)區(qū)（較低位置）,一次風(fēng)提供了整個風(fēng)量的百分之二十。在一次風(fēng)中，氧氣消耗于揮發(fā)份的燃燒。 二次風(fēng)通過過燒口以高速進(jìn)入，并與焦炭和來自鍋爐底部的燃燒產(chǎn)物相混和。 思考一個問題——煙煤和無煙煤，其燃燒器的布置有何區(qū)別？火焰氣體放出的熱量通過布置在燃燒區(qū)的管道傳遞給過熱蒸氣。下

15、游的燃燒氣體相對較冷，透平出來的蒸氣被再熱，供水管路被加熱，燃燒氣體被預(yù)熱。,接著爐氣被送入除塵和脫硫裝置，有時(shí)也包括脫除氮氧化物的裝置。鍋爐系統(tǒng)的很大的一個部分被污染控制系統(tǒng)所占據(jù)。,3 煤(固體)燃燒研究和教學(xué)的思考,固體燃料和廢物,燃?xì)?,,燃料電池,燃?xì)廨啓C(jī),,3.1 煤的熱解研究,單方程模型雙方程模型多方程模型熱解產(chǎn)物組分模型(熱解組分),半機(jī)理性模型——煤熱解塑性中間體、官能團(tuán)模型,通用模型——傅張通用熱解模型(熱解終

16、溫提出) Solemon熱解通用化學(xué)模型——表面蒸發(fā),碳燃燒模型的建立提供了一個認(rèn)識固體燃料燃燒固有特性的途徑，同時(shí)也同碳燃燒的問題相關(guān)聯(lián)。這一章中還包括煤及其它固體燃燒的實(shí)際應(yīng)用的簡要介紹。,3.2 本章研究的著重點(diǎn)——碳(炭)的燃燒,碳顆粒燃燒Vs.液滴燃燒——異同性,油液滴,碳顆粒,,,,表面化學(xué)反應(yīng),單膜模型,雙膜模型,,,,,,Ts,Ts,蒸發(fā)Clausius-Clapeyeron,4

17、. 非均相反應(yīng)和表面化學(xué)反應(yīng),固體燃燒的基本研究方法同我們以前所講的內(nèi)容不太相同，這里，非均相化學(xué)反應(yīng)很重要。所謂非均相反應(yīng)就是反應(yīng)過程中的物質(zhì)存在于不同的物理狀態(tài)。例如氣－液反應(yīng)，氣－固反應(yīng)等。 除了在第四章和在第九章討論碳黑氧化的時(shí)候涉及到多相反應(yīng)以外，我們以前所討論的化學(xué)反應(yīng)都可以歸結(jié)為氣相分子相碰撞的結(jié)果，即所謂均相反應(yīng)。,Gardiner將氣－固反應(yīng)的整個過程細(xì)分為以下的5個基本過程。1、反應(yīng)物分子通過對流和（或）

18、擴(kuò)散作用到達(dá)表面。2、反應(yīng)物分在在表面被吸附。3、包含被吸附分子，固體表面自身及氣相分子的多種化合作用的基元反應(yīng)步驟。4、產(chǎn)物分子在表面的解吸附。5、產(chǎn)物分子通過對流和（或）擴(kuò)散作用離開固體表面。,第一步和第五步是相似的，可以用第三章中傳質(zhì)的內(nèi)容來分析。 中間的幾步反應(yīng)比較復(fù)雜，尤其是第三步，涉及到物理化學(xué)的領(lǐng)域研究。為了相信描述這些反應(yīng)步驟，我們將根據(jù)反應(yīng)物和（或）產(chǎn)物在表面吸附的強(qiáng)弱引用三個速率方程。,首先，如果反應(yīng)物分

19、子A吸附能力較弱，那么反應(yīng)速率，R，與接近表面的A氣體的濃度成正比： 第二，如果A強(qiáng)吸附，那么反應(yīng)速率與A的氣相濃度無關(guān)，也就是：,4.1 Turns教材上提供的3個表面反應(yīng)的結(jié)論,最后，我們考慮當(dāng)反應(yīng)物A弱吸附然而產(chǎn)物分子B強(qiáng)吸附的情況。在此情況下：,這里[A]和[B]是接近固體表面的A和B的氣相濃度。等式14.1－14.3 表明氣固反應(yīng)速率的表達(dá)式同我們所熟悉的（如第四章中涉及的）同相基元反應(yīng)是不同的。一定要注意分壓、濃度和

20、質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系,,,但是， 濃度的意義——分壓？,理想氣體,,4.2 碳反應(yīng)的總包反應(yīng) Power-law,k單位：m/s,碳表面的主要產(chǎn)物是CO。通過表面擴(kuò)散出去的CO通過邊界層同向內(nèi)部擴(kuò)散的氧氣相結(jié)合，發(fā)生如下的均相的總包反應(yīng)：,,此外，非均相反應(yīng)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)將需要很多方面的內(nèi)容，因此在這里我們僅做一個簡短的介紹。作為以后學(xué)習(xí)的起點(diǎn)，建議參考化學(xué)動力學(xué)、更甚至表面吸附和化學(xué)的基本教材。,Masel R I., Principle of

21、Adsorption and Reaction on Solid Surface, 1996！UIUC (微系統(tǒng)燃燒、燃料電池) Gardiner的書，1972,光一個總包反應(yīng)，其內(nèi)在機(jī)理到底是什么？,4.3 物理吸附和化學(xué)吸附,吸附是指物質(zhì)附著于固體或液體表面上或物質(zhì)在相界面上的濃度不同于本體濃度的一種平衡現(xiàn)象。 1. 物理吸附:吸附質(zhì)與吸附劑表面間的相互作用力屬范德華力， 2. 屬于化學(xué)鍵的價(jià)鍵力，在二者之間形成吸附

22、鍵。,式中 ka 和 kd 分別為吸附和脫附速率常數(shù)。若設(shè) θ 表示表面被覆蓋的分?jǐn)?shù)，(1-θ)為未被覆蓋部分所占的分?jǐn)?shù)，則吸附速率 ra 和脫附速率 rd 分別為,4.4 Langmuir吸附等溫式,Langmuir理想吸附模型基本假設(shè)：(1)對于一定的吸附質(zhì)，吸附劑表面含有一定數(shù)目的吸附部位；(2)每個吸附部位只能束縛一個吸附質(zhì)分子(即固定的單分子層)；(3)所有部位上的相互作用能都相等（即吸附活化能為常數(shù)）；(4)假設(shè)沒有

23、離解發(fā)生。,,Langmuir-Hinshelwood分析(1)表面是理想的； (2)所有被吸附的氣體分子在表面上的吸附平衡都滿足Langmuir吸附等溫式；(3)在反應(yīng)速率的討論中對吸附過程亦可引用平衡近似和穩(wěn)態(tài)近似處理法。,4.5 碳反應(yīng)的半總包機(jī)理反應(yīng) Semi-Global Intrinsic Kinetics,推導(dǎo)過程,K2反應(yīng)特別快, K-1則可忽略，采用穩(wěn)態(tài)近似,,,第一種情況 C(O)弱吸附,,,表

24、面反應(yīng),,,,K2反應(yīng)特別慢, K-1則不可忽略，采用平衡近似,第二種情況證明，C(O)強(qiáng)吸附,第三種情況證明 假如CO強(qiáng)吸附（其實(shí)不可能）,4.6 碳表面總結(jié),(1) 將在下面利用等式14.1的形式建立碳燃燒的模型。,(2) 未來工作請參照 Brian Haynes、Robert Hurt、Tomas Flectcher研究,(1) CO2的控制已經(jīng)成為了國際上學(xué)術(shù)乃至政治討論的熱點(diǎn)，看了這篇文獻(xiàn)后Molina and Shaddix

25、，Proceeding of the Combustion Institute. 2007, 1905-1912，你能總結(jié)出煤粉在O2/CO2氣氛下和普通煤粉在空氣(O2/N2)條件下燃燒的不同點(diǎn)嗎？(2) 請列出單個顆粒被加熱的能量守恒方程, 并解釋各個參數(shù)的物理意義，你能解釋O2/CO2氣氛下和空氣(O2/N2)氣氛下煤粉顆粒加熱的溫度升高曲線變化不大的原因嗎？,作業(yè)題,Break！,5 碳顆粒的燃燒,除了為研究固體燃燒的基本性

26、質(zhì)提供一個很好的例子外 ，碳的實(shí)際上也是很有趣的。大多數(shù)的熱量是從焦炭顆粒的燃燒中輻射出去的。碳燃燒的簡化模型幫助我們認(rèn)識實(shí)際的過程，近似的在數(shù)量級上得到認(rèn)識。這些簡化模型基于圖14.2給出的總包反應(yīng)，并且通常假定其表面不受擴(kuò)散影響。依據(jù)表面物性和氣相化學(xué)的假定，有幾種不同的構(gòu)造模型的方法，分別是單膜雙膜和連續(xù)膜模型。,碳顆粒燃燒,單膜模型,雙膜模型,,,表面化學(xué)反應(yīng),,,,,Ts,Ts,表面化學(xué)反應(yīng),Ts,核心——就是火焰面的確定

27、,在單膜模型中，氣相沒有火焰面，最高溫度點(diǎn)在碳的表面。在雙膜模型中，火焰面位于距離表面一定距離處，火焰面上由產(chǎn)生的CO與O2發(fā)生反應(yīng)。在連續(xù)膜模型中，火焰區(qū)域分布在整個邊界層內(nèi)，而非集中在一個薄層中。在下面的分析中，我們將主要討論單膜和雙膜模型。,5.1 單膜模型,碳燃燒的問題與我們在第三章介紹的液滴蒸發(fā)問題的基本處理方法比較類似，只是在這里表面的化學(xué)反應(yīng)代替了蒸發(fā)。我們認(rèn)為單個碳微球的燃燒遵循以下的假定。由于同我們先前討論問題的

28、相似性，我們不再詳細(xì)描述前面所用過并解釋過的假定。,如果具體假定的含義不是很清楚，可參考前面第3章和第10章中的相應(yīng)章節(jié)。,(1) 假設(shè),1、燃燒過程為擬穩(wěn)態(tài) 。2、碳顆粒在無限大的、靜態(tài)的外界環(huán)境中燃燒。環(huán)境中只存在氧氣和氮?dú)?惰性氣體)。與其他顆粒間沒有反應(yīng)。對流的影響可忽略。3、在顆粒的表面，碳與化學(xué)當(dāng)量的氧氣反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳，也就是等式14.4， C+O2?CO2 。通常來講，選擇發(fā)生這個反應(yīng)并不是很好，因?yàn)樵谌紵郎囟认?，?/p>

29、氧化碳更容易產(chǎn)生。雖然如此，但是這個假定簡化了二氧化碳在哪里和怎樣產(chǎn)生的問題，在雙膜模型中將更加接近實(shí)際情況。,4、氣相僅由氧氣、二氧化碳和惰性氣體組成。氧氣向內(nèi)部擴(kuò)散，同從表面向外擴(kuò)散出來的二氧化碳反應(yīng)。惰性氣體形成斯蒂芬問題中的不流動邊界層（第三章）。5、氣相熱傳導(dǎo)率，k，比熱， cp ，密度與質(zhì)量擴(kuò)散率的乘積， ?D都是定值。因此我們假定Lewis數(shù)是1，也就是說 6、氣相組分不能透過

30、碳顆粒，也就是說內(nèi)部擴(kuò)散可被忽略。7、顆粒溫度均勻，以灰體形式向外界空間輻射，沒有中間介質(zhì)的參與。,圖中表明各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度隨半徑的變化情況。這里，我們可以看到，二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在表面達(dá)到最大值，而遠(yuǎn)離顆粒表面為0。相反，氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在表面處最小。以后，我們將會看到，如果氧氣消耗的化學(xué)動力學(xué)速率是非常快的，那么表面上氧氣的濃度將趨近于0。如果化學(xué)動力學(xué)速率較慢，那么在表面上就存在一定濃度的氧氣。我們假定在氣相中沒有反應(yīng)發(fā)

31、生，所有的熱量的釋放都發(fā)生在固體表面。溫度將由表面溫度的最大值Ts單調(diào)下降到遠(yuǎn)離表面的溫度T? 。,化學(xué)反應(yīng)速度慢，氧氣有積累！,(2) 問題綜述,在下面的分析中，我們的主要目的是確定可求出數(shù)值的碳的質(zhì)量燃燒速率的表達(dá)式，即求， 以及表面溫度，Ts。重要的中間變量是氧氣和二氧化碳在碳表面的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這個問題是簡單的，僅需要解組分及能量平衡方程。,(3) 總的質(zhì)量和組分守恒,三種組分質(zhì)量通量,

32、 ,之間的關(guān)系可以列于圖14.4中。在表面，碳的質(zhì)量流必須等于出去的二氧化碳和進(jìn)入的氧氣的質(zhì)量流的差值。,,、,,碳顆粒燃燒,單膜模型,雙膜模型,,,表面化學(xué)反應(yīng),,,,,Ts,Ts,表面化學(xué)反應(yīng),Ts,表面上,任一徑向位置,簡單的說，在任意的半徑位置r處，凈質(zhì)量流是二氧化碳和氧氣質(zhì)量通量的差值：由于在不同的時(shí)間（穩(wěn)態(tài)）和不同的半徑位置處，每種組分的質(zhì)量流動都是一定的（沒有氣相反應(yīng)），我們可以得到：,,因此，我們可以

33、看到，出去的質(zhì)量流率恰好像預(yù)計(jì)的那樣等于碳的燃燒速率。二氧化碳和氧氣流可以通過在表面上的化學(xué)當(dāng)量的反應(yīng)建立聯(lián)系：,在每千克碳的基礎(chǔ)上，我們可以得到這里，質(zhì)量化學(xué)當(dāng)量系數(shù)是下角標(biāo)I表示這個系數(shù)用于單膜模型中。對于雙膜模型有一個不同的化學(xué)當(dāng)量系數(shù)的值。,我們現(xiàn)在可以將氣相組分流率與碳的燃燒速率建立聯(lián)系：和,因此現(xiàn)在的問題是找到每種組分的質(zhì)量流率。為了達(dá)到這個目的，我們應(yīng)用Fick’s定律（等式3.1）來表述氧氣的守恒：,,

34、,質(zhì)量通量和質(zhì)量流率的關(guān)系為替換等式14.15a和14.15b中的值，注意流動方向的處理（向內(nèi)的流動為負(fù)，向外的流動為正），在經(jīng)過化簡等式14.16可以變?yōu)椋?應(yīng)用于等式的邊界條件是：和通過有兩個邊界條件的一階常微分方程，我們可以得到 的表達(dá)式，即得到問題的特征值。對等式14.17分離變量，并綜合利用14.18a和14.18b給出的兩個限制條件，可以得到：,因?yàn)閅O2,?被作為一個給定量，因此如果我們知道了

35、YO2,s的值，也就是碳顆粒表面的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這一問題就能夠得到解決。為了得到這個值，我們應(yīng)用表面的化學(xué)動力學(xué)模型。 YO2,s何時(shí)為0。,空氣0.233,(4) 表面化學(xué)反應(yīng)動力學(xué),我們假定同氧氣有關(guān)的反應(yīng)C+O2?CO2是一級的，允許利用等式14.1的形式。采用參考文獻(xiàn)[7]的慣例，碳的反應(yīng)率可以表示為：,,kmol/s-kg,這里[O2,s]是表面上氧氣的摩爾濃度（kmol/m3）, kc是反應(yīng)速率系數(shù)，它通常表示為Arrhe

36、nius的形式，也就是kc=Aexp[-EA/RuTs],將摩爾濃度轉(zhuǎn)化為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，,找個同學(xué)推導(dǎo)一下！,聯(lián)系碳在表面（r=rs）上的質(zhì)量燃燒率，等式14.20變?yōu)榛颍鼮榫o湊：,這里除了YO2,s外的所有化學(xué)動力學(xué)參數(shù)都被包含在因子Kkin中，應(yīng)注意Kkin的值依賴于壓力，表面溫度和碳顆粒半徑。,,從等式14.22中解出YO2,s并代入等式14.19中得到一個方程，但這個方程很難解出燃燒率 ，與其計(jì)算這樣一個結(jié)果，

37、不如采納電學(xué)上的電路分析的方法，同我們在傳熱學(xué)上用到的電路類比的方法相類似，以便更加方便地表達(dá)我們的結(jié)論。此外，這樣一種近似得到了相當(dāng)程度的物理理解。,(14.19),(14.22),,(5) 電路分析,為了得到電路分析的形式，我們需要將 的表達(dá)式形式轉(zhuǎn)化為包含所謂的電勢差或者和電阻的形式。對于等式14.22來說，通常形式是：,這里0被加上是為了表達(dá)成“電位差”的形式?！白枇Α笔腔瘜W(xué)動力學(xué)因子Kkin的倒數(shù)。等式14.23同歐姆

38、定律（ i=?V/R ）的形式是相似的，這里 是“流率變量”，或者叫電流類比。處理等式14.19需要一些計(jì)算，首先，我們重新整理對數(shù)項(xiàng)得到 ：,另外，如果我們定義一個傳遞數(shù) BO,m 等式12.24變?yōu)?這是一個同液滴蒸發(fā)（等式3.53）和燃燒（等式10.68c）的相同形式的表達(dá)式。返回到剛才這個問題，如果BO,m的值足夠小，等式14.26展開為級數(shù)的形式線性化：,在首項(xiàng)以后，也就是說因?yàn)関I=2.664 ，而

39、且YO2,s的值一定在零和YO2,? （對于空氣，其值為0.233）之間。很容易看到我們的近似（等式14.27）是合理的。因此，等式14.29的線性化的形式可以表示為,,這里， 可以表示成“電勢差”和“電阻”的形式。也就是：我們注意到Rdiff在YO2,s中出現(xiàn)的并不是一個常量，它的存在使得 和?Y是非線性的關(guān)系。,由于從化學(xué)動力學(xué)得到的燃燒率的表達(dá)式14.23式，必須與只考慮質(zhì)量傳遞的串聯(lián)電阻電路模型的結(jié)

40、果相同。圖14.5給出了電路分析得到的結(jié)果。注意到，因?yàn)槲覀冞x擇的電壓是氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而碳從低壓區(qū)流向高壓區(qū)，同實(shí)際電路恰好相反。,,現(xiàn)在，我們可以利用電路類比來得到燃燒率 ，參考圖14.5，我們可以寫出：其中,,因?yàn)镽diff包含未知量YO2,s ，在這個方法中需要迭代處理。兩者選擇其一，可以列出一個一元二次方程進(jìn)行直接求解。在下面得章節(jié)中，我們將更加深入得探討電路分析（等式14.30－14.32）。,第二講,碳燃

41、燒反應(yīng)模式,跟據(jù)最初的顆粒的溫度和大小，其中的一個阻力可以比另外一個大的多，因此，致使 僅和電阻有關(guān)。例如，讓我們假定Rkin/Rdiff<<1 。在這種情況下，可以說燃燒率是擴(kuò)散控制的。這種情況什么時(shí)候發(fā)生呢？這又意味著什么呢？利用Rkin 和 Rdiff的定義（等式14.31和14.32），和他們的比率我們可以得到：,現(xiàn)在，我們能夠看到單個的參數(shù)是怎樣影響這個量的。這一比率在幾種情況下可以變得很小。首先， k

42、c可以是非常大的，這意味著一個快速的表面反應(yīng)。,表14.1總結(jié)了我們討論的碳燃燒的限制范圍。,,例題 14.1,一個直徑250 ?m的碳顆粒在1 atm的靜止空氣(YO2,?=0.233)中燃燒，試求其燃燒速率，并確定燃燒受哪種機(jī)理控制。已知顆粒溫度為1800K，動力學(xué)速度常數(shù)kc為13.9m/s。設(shè)顆粒表面上氣體的平均分子量為30kg/kmol。質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)近似可由附錄中表D.1 CO2－N2 查得，注意溫度修正。,解,我們將運(yùn)用電

43、路分析法求 。擴(kuò)散阻力由公式14.32計(jì)算。其中，密度通過表面溫度下的理想氣體方程計(jì)算：質(zhì)量擴(kuò)散由附錄中表D.1 CO2－N2 查得，并修正到1800 K。,,假設(shè)開始時(shí)YO2,s?0 化學(xué)動力學(xué)組里由14.31算出：,從上述計(jì)算我們可以看出，Rdiff 為Rkin 的10倍多一點(diǎn)；則可以判斷，燃燒過程基本由擴(kuò)散控制。,現(xiàn)在，可以用14.30來計(jì)算 然后求解YO2,s 再計(jì)算Rdiff ，求出新的

44、,根據(jù)電路類比圖 (14.5),則：由于Rdiff 的改變小于1％，因此無需進(jìn)一步的迭代。,評述,本例題說明了如何運(yùn)用電路分析通過簡單的迭代來完成計(jì)算。我們還看到，由于不可忽略的化學(xué)動力學(xué)阻力的作用，在顆粒表面會有一定濃度的氧氣存在。需要強(qiáng)調(diào)的是：單膜模型并不能代表真正的化學(xué)反應(yīng)過程，它只是可以用最簡單的方法體現(xiàn)出化學(xué)反應(yīng)過程中關(guān)鍵因素的特性，比較適用于教學(xué)。,能量守恒,到目前為止，我們的分析中都是把表面的溫度看作一個已

45、知的參數(shù)。然而這一溫度不可能是一任意值，而是唯一的一個值，這取決于在碳表面的能量守恒。就像我們要看到的，控制表面能量平衡很大程度上依賴于燃燒速率，也就是說，能量和質(zhì)量傳遞過程是聯(lián)系在一起的。,圖14.6給出了在碳表面的各種能量流率，能量平衡方程：因?yàn)槲覀兗俣ㄈ紵^程處在穩(wěn)態(tài)，沒有熱傳導(dǎo)到微粒的內(nèi)部，因此 ：,在第十章討論的基礎(chǔ)上（等式10.55-10.60）,很容易看到等式10.34的左邊只是 ，這里?h

46、c是碳－氧氣燃燒的反應(yīng)熱（單位是），因此等式14.34變?yōu)椋?為了獲得在表面的氣相的溫度梯度的表達(dá)式，需要寫出一個包含氣相的能量平衡方程，并從中解出溫度分布。因?yàn)槲覀冊谝旱握舭l(fā)模型中用過這些，因此我們使用在第十章中得到的結(jié)果（等式10.10），只是用Ts 代替 Tboil:,,作為作業(yè)推導(dǎo)??！,其中， Z?cpg/(4?kg)，將14.36式代入14.35式，并經(jīng)過重新整理，我們可以得到最后的結(jié)果為：,注意等式14.37含有兩個未知量，

47、 和Ts。為了得到碳燃燒問題的完整的結(jié)論需要同時(shí)求解等式14.37和14.30，因?yàn)檫@兩個方程都是非線性的，因此迭代的方法可能是最接近其結(jié)論的方法。還要注意，在擴(kuò)散和化學(xué)動力學(xué)控制的中間區(qū)域，YO2,s也變成了一個未知量，這樣，等式14.21將不得不被添加到方程組中。,雙膜模型,因?yàn)樯厦嫠芯康膯文つＰ捅葘?shí)際的情況更加有意義，我們現(xiàn)在再提出一個模型，它對于深入領(lǐng)會碳燃燒中實(shí)際的化學(xué)和物理過程具有更加現(xiàn)實(shí)的意義，至少是在某些條件下。

48、特別是，雙膜模型中，碳氧化成一氧化碳而不是二氧化碳。,由于雙膜模型同單膜模型的基本思路是相同的，我們在這一章中只做簡略的討論。剩下的內(nèi)容由感興趣的讀者來完成，或者是作為課外作業(yè)。 圖14.7畫出了組分的濃度和溫度在兩個氣體膜區(qū)域的曲線：以火焰面為界，分成了內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域。,,雙膜? 單膜：CO2?O2,在雙膜模型中碳表面受到二氧化碳的撞擊，發(fā)生總包反應(yīng)14.6： C+CO2?2CO 。在表面產(chǎn)生的一氧化碳向外部擴(kuò)散并在火焰面上遇

49、到向內(nèi)部擴(kuò)散的氧氣，與之按照化學(xué)當(dāng)量的比率發(fā)生反應(yīng)?？偘磻?yīng)式C+O2?CO2假定是無限快的；因此，在火焰面上一氧化碳和氧氣都為零。,在火焰面上溫度達(dá)到峰值。除了碳表面的反應(yīng)外，圖14.7的基本構(gòu)成同我們在第十章（例如圖10.11）中處理液滴燃燒的方法是一樣的。單膜模型中的基本假設(shè)依然有效，只是在前述假設(shè)的基礎(chǔ)上做了一些修改。我們現(xiàn)在的主要任務(wù)就是找到燃燒速率 。,化學(xué)計(jì)量法,各種組分的質(zhì)量流率可以通過在微粒表面和火焰面的簡

50、單的質(zhì)量平衡方程建立聯(lián)系，參看圖14.8，這里 在表面：在火焰面：,1,3.664,4.664,4.664,3.664,2.664,3.664,或利用在表面和火焰面的化學(xué)動力學(xué)關(guān)系，所有的質(zhì)量流率都能和燃燒速率 建立聯(lián)系。:在表面：,在火焰面：其中及,因此，流量是,Break!,組分守恒,我們通過應(yīng)用Fick’s定律獲得不同的方程描述在內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域二氧化碳的分布。同樣的，認(rèn)為惰性組分為氮?dú)猓?/p>

51、這些方程如下：,1,3.664,4.664,,4.664,3.664,2.664,3.664,內(nèi)部區(qū)域 CO2邊界條件：,外部區(qū)域 CO2：邊界條件：,惰性組分 (N2)邊界條件,綜合這三個在邊界條件限制下的方程，可以得到如下的三個包含未知量 的代數(shù)方程：,根據(jù) ?Yi=1，可知使方程組閉合的其他的方程通過寫出一個包含 和 的化學(xué)動力學(xué)表達(dá)式來產(chǎn)生，這個我們將在下一章中介紹

52、。,,,封閉性,這一問題為了得到更易處理的結(jié)論，可從等式14.45－14.48中消去除了 和 外其它所有參數(shù)，也就是說 其中,表面化學(xué)動力學(xué),反應(yīng)C+CO2?2CO在二氧化碳守恒中是一級反應(yīng)，因此燃燒速率可以表達(dá)成與單膜反應(yīng)中相同的形式：其中,同Mon 和Amundson 給出的一樣。等式14.49可以寫為更簡潔的形式其中,等式14.53可以與等式14.51進(jìn)行迭代求解得到 。對于擴(kuò)散

53、控制燃燒， 是0， 能夠從等式14.53中直接解出來。為了獲得表面溫度，有必要寫出并求解在表面和火焰面的能量方程。其程序同這一章開始的時(shí)候和前面的第十章介紹的是相同的。表面溫度的確定留作練習(xí)。,例題 14.4,直徑70微米的碳顆粒在空氣中燃燒，試運(yùn)用雙膜模型估計(jì)其燃燒速度（YO2,?=0.233）。 已知表面溫度為1800K，壓力為1 atm。假設(shè)顆粒表面氣體混和物的分子摩

54、爾質(zhì)量為 30kg/kmol.,解,本題的條件與例題14.1相同，因此氣相性質(zhì)為 ?=0.2 kg/m3 ，D=1.57?10-4 m2/s.由公式14.50， C-CO2 反應(yīng)的動力學(xué)速度常數(shù)為：,燃燒速度可以由表面CO2 的濃度來表示（公式14.49 和14.51）:,同樣，公式14.53 和 14.54 也用 來表示 :,及,迭代計(jì)算上面三個公式I， II ， III求

55、 B和 ，設(shè)迭代初始值 為0，擴(kuò)散控制：,保留兩位有效數(shù)字，解為：,評述,忽略表面的化學(xué)動力學(xué)將會使燃燒速度有 16.8 %(=100%(2.22-1.9)/1.9)的誤差。表面溫度（或壓力）越低，動力學(xué)的影響就越大。 另外，隨著燃燒的進(jìn)行，顆粒直徑也將不斷減小，同樣會使得動力學(xué)因素變得重要。,顆粒燃燒時(shí)間,對于擴(kuò)散控制燃燒，很容易得到顆粒燃燒時(shí)間。其過程就是根據(jù)在第三章和第十章用到的解D2定律，這

56、里不再重述。顆粒的半徑可以被表述為時(shí)間的函數(shù)，形式如下：,這里燃燒速率KB是常量，它由下式給出在等式14.55中，令D=0，可以得到顆粒的壽命為,,根據(jù)分析所采用的是單膜還是雙膜反應(yīng)，傳遞數(shù)B選擇BO,m (公式14.25) 或 BCO2,m (公式 14.54)，表面質(zhì)量分?jǐn)?shù)置為0。注意在等式14.56中兩個密度的出現(xiàn)，這里?代表的是氣相的密度，而?C代表的是固體碳的密度。,迄今為止，我們的分析一直假定的是氣相介質(zhì)。為了進(jìn)一步

57、計(jì)算燃燒的碳表面對流的影響，可以采用第十章中的膜理論分析。對于有對流存在的擴(kuò)散控制的條件下，質(zhì)量燃燒速率由于因子Sh/2的影響而增加，這里Sh/2是Sherwood數(shù)，它與傳熱學(xué)中的在質(zhì)量傳遞中出現(xiàn)的奴塞爾數(shù)(Nusselt )起著同樣的作用。,對流環(huán)境的影響,對于Lewis數(shù)等于1的情況，Sh=Nu;因此 Nusselt數(shù)可以利用等式10.78作為合理的近似進(jìn)行求解。,例題 14.5,一個直徑70微米的碳顆粒，條件同例題14.

58、4，求擴(kuò)散控制下的燃燒壽命。設(shè)碳顆粒密度為1900 kg/m3.,解,由公式14.57可直接計(jì)算顆粒壽命。燃燒速度常數(shù)由公式14.56得：,其中，傳遞系數(shù)BCO2,m 取14.4中第一次迭代的值。則顆粒壽命為：,同時(shí)應(yīng)該注意，隨著顆粒直徑的減小，非均相的化學(xué)動力學(xué)將控制燃盡階段。在這種情況下，顆粒表面溫度就變得尤為重要，并將在很大程度上，受到燃燒器內(nèi)部輻射場的 影響。,對于煤粉直徑上限為70微米，滯留時(shí)間為幾秒鐘的煤粉爐來說，這個計(jì)算結(jié)

59、果還是比較合理的。需要注意的是：在實(shí)際的鍋爐中，YO2,? 的值并不是常數(shù)，而是隨著燃燒的進(jìn)程為不斷減小的，這種減小將增加顆粒的燃燒時(shí)間。與之相對的效果則是由于對流引起的燃燒速度的增加。,評述,6 煤的燃燒,在這一章的結(jié)尾，我們還要涉及一些煤燃燒的內(nèi)容，這一內(nèi)容有大量的文獻(xiàn)介紹它。我們這里的目的僅僅是描述煤的物理和化學(xué)屬性以及煤燃燒的一些特性。造成煤及其燃燒的描述的復(fù)雜性的主要因素是其成分的多樣性。,例如，在Pennsylvania開

60、采的無煙煤與Montana開此的煙煤在成分上就有很大的不同。煤主要是有機(jī)質(zhì)的沉積巖。但是包含很多不同類型不同比率的物質(zhì)，表14.2列出了煤的所謂的組分分析，這里，煤礦石主要成分被歸納為四類。,6.1 煤的工業(yè)和元素分析(Proximate & Ultimate),工業(yè)分析,元素分析,常用煤的基準(zhǔn)：（1）收到基(應(yīng)用基)（2）空氣干燥基（分析基) （3）干燥基 (干燥基)（4）干燥無灰基（可燃基）,（1）收到基（應(yīng)用基） ：

61、 以實(shí)際使用的煤為基準(zhǔn)而測出的煤各元素的質(zhì)量百分組成。,收到基,收到基水分Mar有兩種：外在水Mar.f和內(nèi)在水Mar.in,同種煤的組成成分是波動的，在表明煤的組成時(shí)，必須說明選用的基準(zhǔn)。,（2）空氣干燥基（分析基 ）：,空氣干燥基,（3）干燥基： 以無水的煤為基準(zhǔn)而測出的煤各元素的質(zhì)量百分組成。,干燥基,以實(shí)驗(yàn)室使用的風(fēng)干煤樣（用溫度為20℃，相對濕度為70%的空氣）為基準(zhǔn)而測出的煤各元素的質(zhì)

62、量百分組成。,（4）干燥無灰基（可燃基 ）：,干燥無灰基,以無水、無灰的煤為基準(zhǔn)而測出的煤各元素的質(zhì)量百分組成。,各種基之間的轉(zhuǎn)化例如：收到基與空氣干燥基之間的轉(zhuǎn)換。,設(shè)：已知Cad、Mar、Mad ，求 Car 。解：取100kg收到基煤為基準(zhǔn)，相當(dāng)于空氣干燥基煤為：(100–Mar.f)(kg)二者含碳質(zhì)量相等：收到基含碳質(zhì)量=空氣干燥基含碳質(zhì)量即：,,,書上表4-1,6.2 煤的種類及特點(diǎn)： 按國家標(biāo)準(zhǔn)，

63、分為三類:褐煤、煙煤、無煙煤1). 褐煤：外觀褐色，光澤黯淡。水分含量高，熱值低，密度較小，含氧量高，化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)，極易氧化和自然。常作為加壓氣化燃料，鍋爐燃料2). 煙煤：揮發(fā)份含量高、灰分及水分較少，發(fā)熱量高。 可劃分貧煤、焦煤、氣煤3). 無煙煤：揮發(fā)份含量低，燃點(diǎn)較高，燃燒時(shí)沒有粘結(jié)性。,6.3 煤的熱解--------煤燃燒初始階段,煤燃燒灰分變化,未來研究空間很大！,作業(yè),14.31

64、4.714.8(雙膜模型)14.13(單膜模型)附加作業(yè)：關(guān)于富氧燃燒傳遞數(shù)的推導(dǎo),,,,,,The Burning of Solids (Turns, 燃燒導(dǎo)論)Combustion of Nonvolatile fuels (I. Glassman, Combustion3d, chap. 9)Principles of Combustion (K. K. Kuo)高等燃燒學(xué) 岑可法、姚強(qiáng)Pulverized coal

65、 combustion & gasification (D. Smoot and P. Smith),,例題 14.3(自行復(fù)習(xí)),設(shè)，理想狀態(tài)下，擴(kuò)散控制的燃燒， (YO2,?=0.233)，分別用單膜和雙膜模型計(jì)算燃燒速度，比較其差異。,解,兩種模型燃燒速度的公式為：在理想狀態(tài)下， Bms 是唯一具有不同值的參數(shù),其中，傳遞系數(shù) BCO2,m 和 BO,m 分別由公式14.54 和14.25給出。對于擴(kuò)散控制， CO2

66、 （雙膜）和O2 （單膜）在表面的濃度為0。則有：,及燃燒速度的比為：,例題 14.2（不講）,在固體燃料的燃燒中，輻射是非常重要的因素。已知一個直徑250 ?m的碳顆粒，要保持燃燒溫度為1800 K，試在下列情況下，求氣體溫度 (i) 無輻射項(xiàng)(Ts=Tsur)，(ii) 顆粒輻射能力相當(dāng)于300 K下的黑體輻射。其它條件同例題14.1。,解,用表面能量平衡來求解兩情況下的T? 。氣體特性用1800 K下的空氣特性。

67、由于顆粒視為黑體，發(fā)射率為1，碳顆粒的燃燒熱為：,i. 不考慮輻射，可用公式14.37計(jì)算T? ：,ii. 環(huán)境溫度300 K，輻射熱損失為：0.1168W可以看出，考慮輻射的話，氣體溫度需要很高才能保證已知要求。,評述,有趣的是，我們可以發(fā)現(xiàn)，燃燒速度存在差別并不是模型本身引起的，而是跟碳顆粒表面氣化反應(yīng)的種類有關(guān)。我們可以證明，在單膜模型中，真正在表面上生成的是CO而并非CO2。本題中， vI=31.999/24.01=1