当前课程知识点:燃烧理论 > 第十一章 固体燃烧 > 11.1 概述及燃煤锅炉 > 11.1.2 燃煤锅炉
我们前面有很多煤燃烧的研究
也有这么多好的国际学者
他们的东西做的
感觉偏机理
其实对于煤燃烧的应用
到了现场
我们面临的就是锅炉
我问各位同学们
什么是锅炉
锅炉 顾名思义
锅 和家用做饭的锅
本质上没有区别
只是在我们锅炉发电时
使用的锅
做的更工业化 效率更高
家用的锅里是水
锅内通过水这种介质
吸收热量发生变化
锅炉也是一样
锅里的很多管内是
气液两相介质
然后
形成蒸汽
在蒸汽轮机中发电
炉是
把化学能转变成热能
通过一把火
然后锅使用这部分热能
来提高介质的参数
进入到
蒸汽轮机进行发电
到现场看到的锅炉
大都几十米高
大约六十多米高
它的尺寸
与我们现在研究的
一颗煤粉就有量级上的不同
一颗煤粉的粒径
是多少
大概是在75微米
这样一个量级
这么大尺寸的锅炉
里面烧的燃料是微米级尺寸的
在这里给大家一个尺度的概念
我们这边还有一个
煤粉的燃烧器
通过图可以看到
一个煤粉燃烧器
中间的这个管
是用风带着煤粉
煤粉自己无法流动
我们只有通过风夹带着煤粉
进行流动
有点像沙尘暴
但是这里是煤粉风
外面内层的是内二次风
因为煤粉的风
只有百分之四十到六十的量
不够
我们再补一下二次风
外面为什么还有一层
我们的低NOx燃烧器
我们用两种风
送的位置不一样
就会生成氮氧化物
这种污染物
我们都知道大气雾霾
一部分是一次排放的
粉尘中的细颗粒物
另外一部分就是NOx
它是通过二次转化
来生成颗粒物的
主要包含硝酸盐
还有一部分硫酸盐
因此NOx的降低
也很重要
在右边
给出了一个方程
我们在做气相燃烧时
组分方程中的
扩散速度都是针对分子的
而在我们这个网格里有很多颗粒
那我们就要对煤的热解和碳燃烧
进行建模
这个额外的工作
是在颗粒的尺度上
我们以前考虑的都是在分子的尺度上
现在我们要回到
在颗粒的尺度上
来进行描述
这是我们这节课
的一个工作
通过前面的分析
我们给大家
一个大致的概念
我们做煤燃烧的研究也好
教学也好
煤作为固体燃料
和之前的气体燃料有很大的不同
气体燃料是这样
甲烷分子
撞到
氧原子
然后通过氢和氧的结合
形成氢氧基
这里主要依靠很多基元反应
但是煤燃烧
是这样的
首先是固体
固体的尺寸比较小
大约是七十多微米
我们假设粒径为
七十五微米
它是头发直径的
三到四倍
这样粒径大小的粒子
在煤粉炉里
发生了一个怎样的过程
这个粒子的加热速率
在高温条件下
是相当高的
因为它的粒径比较小
这就是为何煤粉要磨细
清华还有
流化床的燃烧
使用的是煤块
它是毫米级的
比这个粒径要大
一到两个量级
但是
那是采取了一种比较特别的
循环流化床燃烧的模式
但是目前大部分的工业炉
还是采用煤粉燃烧这种方式
这种方式希望煤粉越细越好
这么小粒径的煤粉
在高温的环境下
它的加热速率是比较大的
我问同学们
当煤粉进入到
高温环境下
大约是八九百度
到一千度的情况下
它的加热速率大概是多少
10的4次方到
10的6次方K/s
也就是说
在几毫秒内 温度就达到了上千度
这是煤粉加热的
时间尺度
在这么大的加热速率下
有时
就会裂开
挥发分挥发出来
形成了焦炭
还有一部分形成焦油
焦油就是各种大分子的烃
有多环的芳烃
也有长链的链烃
包括饱和链烃
这些烃
进一步汽化和燃烧
有时会
汽化变成燃气
进入燃气轮机和燃烧电池发电
还有一种可能
给入充足的氧
就会产生了烟气
包含热能
加热介质
这是蒸汽轮机发电
这给我们一个启示
固体
特别是煤的燃烧
会把它分解成
Tars 和 Char
Char会发生表面反应
这是今天这节课要讲的
Tars与燃油
的燃烧
本质上是一样的
这一类的大分子芳烃
在高温下是气相的
是气体不断碰撞的燃烧
而碳表面
则不一样
它有表面反应
这是我们这节课讲的重点
我给大家总结一下
煤燃烧分为两部分
一部分是焦炭的燃烧
一部分是挥发分
即焦油的
像油一样的燃烧
那我们就知道煤
通过燃烧生成这两部分
它的第一个过程
叫做热解
英文叫Pyrolysis
也有的叫脱除挥发分
英文叫devolatilization
对于热解过程
有很多方程
包括单方程模型
对于热解过程的表述
过去我们也做了很多
工作来研究
把煤的燃料
分成两部分
这些方法包括单方程模型
随着挥发分
它表征的是
煤里向气相介质转变
的量
它随时间的变化
该方程给出了
挥发分的量
这样一个方程就可以了
但是有时发现挥发分
可以分成几类
不是所有的烃类
性质都一样
比如这一类烃
和另外一类烃
热解析出
的快慢可能不同
这时需要用双方程模型
有的认为两类还不够
那就需要用多方程模型
我觉得在历史上
清华大学的傅维标先生
做了一个很好的傅张通用热解模型
这个模型在工程上
是十分好用的
国外
有一些学者
发展了一些模型
考虑了
不同的官能团之间的
这种条件
根据煤的分子结构
做了实际与分子结构
结合的模型
这是一个机理模型
即CPD模型
Chemical
Percolation
Model
CPD Model
这是我的一个非常好的朋友
Tom Fletcher做的
有一次我曾邀请他
来清华
给我们讲了一周Lecture
内容就是以这个模型为主
如果大家以后想做煤热解模型
我推荐从这个工作开始
那么我们最后回到
本章的
研究重点
我们都知道
煤热解有焦油
挥发分这部分气相物质
还有一部分
就是进行碳燃烧
气相这一部分更接近于
油蒸发之后的燃烧
我们就不再重复
这一章的重点是研究
煤里面
碳部分的燃烧 即碳燃烧
这两部分之间的比例如何
我给大家一个表
我问同学们
你知道咱们中国
有哪些煤种吗
包括比如
山西晋城的无烟煤
无烟煤
是进化年代比较长的煤
这种煤里的挥发分
是非常少的
Char这一部分的
量特别大
为什么挥发分的量比较少
煤里的
氢比例高的物质
比较少了
而碳比例很高
的那一类物质
即焦炭的量就比较多
可以看到
无烟煤的比例
碳在
组分里面占到96.5%
热值里占到95%
因此无烟煤
基本上是碳燃烧
咱们常规使用的优质煤
即烟煤
焦炭的比例在57%到88%之间
一般大约在60%以上到90%
挥发分
只占40%到15%
比较低
我们目前
逐渐使用一些低阶的煤种
就是进化比较年轻的煤
更接近于生物质的
比如褐煤
比如咱们发现了准东煤
准东煤第一次就发现了
上百年的储量
这是相对可观的
这比石油的储量
可持续用的时间
要长
褐煤的挥发分
相对比较多
它大概有45%到55%的碳
当然还有其他的燃料
包括泥煤和木柴
就是属于呢
他们中焦炭的含量越来越低
生物质中
挥发分占的比例就会很高
我们关注的是
碳这一部分
所以我们可以看
褐煤包括它以上的煤种
基本上碳在燃烧中是主导的
包括质量
和热值两方面
我们给大家区分一下
油液滴的燃烧和碳燃烧的
的不同
请看这张图
对油液滴我们使用了
双膜模型
里面是
液滴表面
外面红色的圆圈是
火焰面
对于液滴表面
它是由Clausius–Clapeyron方程
控制的
而火焰面
它是由
前面章节中所建立的火焰面方程来控制
但是我们再看
碳颗粒的燃烧
它的不同之处在于
蒸发表面是根据
Clausius–Clapeyron方程
是第一和第二定律结合在一起
同学们
还记不记得
Clausius–Clapeyron方程
Clapeyron方程是气体状态方程
Clausius是第二定律中
在界面上的
吉布斯焓
在相变过程中
不变原理得到的方程
一定要懂得物理本质
而表面反应的碳
不可能挥发
对于一个碳表面
氧过来
撞到碳表面上
就有可能
把碳带走
这是表面化学反应
这是以上两者的本质区别
火焰面
是在碳表面附近
还是离碳表面比较远
这取决于最后是使用单膜模型
还是双膜模型
这个两者是相似的
在液体表面
和碳表面的不同
是二者区别的关键
大家可以对这一点进行思考
我们休息一下
-1.1 我们为什么要学习燃烧理论
-1.2 什么是燃烧:定义与现象
-1.3 燃烧科学发展简史
-1.4 燃烧科学的研究方法
-1.5 课程的结构
-2.1 概述
--概述
-2.2 状态参数复习
--状态参数复习
-2.3 热力学第一定律
--热力学第一定律
-2.4 反应物和生成物的混合物
--燃烧焓与热值
--例题
-2.5 绝热燃烧温度
--定压绝热燃烧温度
--定容绝热燃烧温度
-2.6 化学平衡
--第二定律的讨论
--吉布斯函数
--复杂系统(选修)
-2.7 燃烧的平衡产物
--全平衡(选修)
--水煤气反应的平衡
--压力影响
-2.8 应用
--例题
--烟气再循环
-2.9 小结
--小结
-第二章 燃烧与热化学--第二章作业
-3.1 传质概述
-3.2 传质理论基础
-3.3 传质应用实例
-3.4 小结
-第三章 传质引论--第三章作业
-4.1 概述
--概述
-4.2 总包反应与基元反应
-4.3 基元反应速率
--其他基元反应
-4.4 多步反应机理的反应速率
--净生成率
--稳态近似
--单分子反应机理
--部分平衡
-4.5 简化机理(选修)
--简化机理(选修)
-4.6 催化和非均相反应(选修)
-4.7 小结
--小结
-第四章 化学动力学--第四章作业
-5.1 概述
--概述
-5.2 H2-O2系统
--H2-O2系统
-5.3 一氧化碳的氧化
--一氧化碳的氧化
-5.4 高链烷烃的氧化
--三步机理
--八步机理
-5.5 甲烷燃烧
--复杂机理和起源
--甲烷燃烧动力学
--高温反应途径分析
--低温反应途径分析
-5.6 氮氧化物
--氮氧化物的危害
-5.7 小结
--小结
-第五章 一些重要的化学机理--第五章作业
-6.1 概述
--6.1 概述
-6.2 定压-定质量反应器
-6.3 定容-定质量反应器
-6.4 全混流反应器
-6.5 柱塞流反应器
-6.6 燃烧系统建模中的应用及小结
-第六章 反应系统化学与热分析的耦合--第六章作业
-7.1 概述和总质量守恒
-7.2 组分质量守恒
-7.3 多组分扩散(选修)
-7.4 动量守恒方程(选修)
-7.5 能量守恒方程-质量通量表达形式
-7.6 守恒标量的概念-混合物分数定义
-第七章 反应流的简化守恒方程--第七章作业
-8.1 概述及物理描述
-8.2 层流火焰分析
-8.3 影响火焰速度和火焰厚度的因素
-8.4 熄火、可燃性和点火
-8.5 火焰稳定及小结
-第八章 层流预混火焰--第八章作业
-9.1 概述
--概述
-9.2 无反应的恒定密度层流射流
--物理描述
--求解
--两个例子
-9.3 射流火焰的物理描述
-9.4 简化理论描述
--概述
--守恒标量
--状态关系式
-9.5 不同几何形状燃烧器的火焰长度
--两个例子
-9.6 碳烟的形成和分解
--碳烟的形成和分解
-9.7 对冲火焰(选修)
--对冲火焰(选修)
-9.8 小结
--小结
-第九章 层流非预混火焰--第九章作业
-10.1 概述
--概述
-10.2 液滴蒸发的简单模型
--基本假设
--气相分析
--气液界面能量平衡
--液滴寿命
-10.3 液滴燃烧的简化模型
--假设
--温度分布
--液滴表面能量守恒
--火焰面处能量守恒
--例题
--扩展到对流条件
-10.4 一维蒸发控制燃烧
--物理模型和假设
--总守恒方程
--例题
-10.5 小结
--小结
-第十章 液滴的蒸发与燃烧--第十章作业
-11.1 概述及燃煤锅炉
-11.2 非均相反应
-11.3 单颗粒碳的燃烧-单膜模型
-11.4 单颗粒碳的燃烧-双膜模型
-11.5 颗粒燃烧速度
-11.6 煤的热解及燃烧
-第十一章 固体燃烧--第十一章作业
-12.1 概述
--概述
-12.2 湍流现象与描述
--湍流的现象与描述
-12.3 湍流尺度
--湍流尺度
-12.4 湍流模型
-12.5 湍流预混火焰
--湍流火焰速度
--层流火焰折皱模式
--火焰稳定
-12.6 湍流非预混火焰
--射流火焰
--火焰长度
-12.7 湍流燃烧小结
--湍流燃烧小结
-课程总结
--课程总结