第九章　固体燃料燃烧

§9.1　煤的燃烧过程 引言 煤的结构特点 煤是由很多不同结构的含C、H、O、N、S的有机聚合物粒子和矿物杂质混合而成，各种有机聚合物粒子之间常由不同的碳氢支链连结成更大的粒子。 煤的燃烧过程： 干燥 热解及挥发分析出 挥发分燃烧 焦炭燃烧

§9.1 煤的燃烧过程 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。 §9.1　煤的燃烧过程 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。 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。

§9.1 煤的燃烧过程 煤的热解过程 加热速率对挥发份析出的速率及其成分有很大的影响； §9.1　煤的燃烧过程 煤的热解过程 加热速率对挥发份析出的速率及其成分有很大的影响； 慢速加热时大部分转化成碳，而快速加热时则得到很小，甚至无碳。 　煤粒终温对挥发分析出的最终产量影响很大： 随着热解温度的提高，挥发分产量可高达70%以上，即挥发分并不是一个确定不变的常数。 800K 38.3% 1390K 48% 1720K 60% 2170K 71%

§9.1　煤的燃烧过程 煤的燃烧过程 挥发份的燃烧 焦炭的燃烧 焦炭含量占55~97%，燃烧时间占90%，发热量占60~95%

§9.2 固体碳粒的燃烧 气固两相燃烧反应过程 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： 反应分子扩散到表面 以上步骤依次发生。整个反应过程的快慢取决于各步中最慢的一步。 反应分子扩散到表面 分子在表面发生吸附作用 被吸附的分子在表面上进行化学反应 生成物从表面解吸 生成物扩散离开表面

§9.2 固体碳粒的燃烧 气固两相反应理论 　假设碳与氧燃烧的生成物只有二氧化碳，并仿照传热学中对流换热系数α的概念引入对流扩散系数　　，则氧从周围向单位碳粒表面的扩散量可以写为 氧在碳表面处的反应的速度（单位碳粒表面、单位时间燃烧掉的氧量）可表示为 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

§9.2 固体碳粒的燃烧 气固两相反应理论 表观速度常数 多相燃烧反应阻力

§9.2 固体碳粒的燃烧 气固两相反应理论 多相燃烧反应阻力： 燃烧反应的化学阻力 氧气扩散过程中的物理阻力 　根据多相燃烧反应的化学阻力与物理阻力的对比，可将多相燃烧反应分为三类： 动力燃烧、扩散燃烧、过渡燃烧

§9.2 固体碳粒的燃烧 气固两相反应理论 动力燃烧： 当化学阻力比物理阻力大得多时，燃烧速度取决于化学反应速度，故称为动力燃烧。 　当化学阻力比物理阻力大得多时，燃烧速度取决于化学反应速度，故称为动力燃烧。 碳表面上氧气浓度接近于周围气流中氧的浓度。这种情况相当于较低温度下的燃烧情况。此时由于化学反应速度很低，从远处扩散到碳表面的氧消耗得很少，从而使得碳表面氧的浓度等于远处环境中氧的浓度 。

§9.2 固体碳粒的燃烧 气固两相反应理论 扩散燃烧： 当化学阻力比物理阻力小得多时，燃烧速度取决于氧分子扩散速度，故称为扩散燃烧 　当化学阻力比物理阻力小得多时，燃烧速度取决于氧分子扩散速度，故称为扩散燃烧 碳表面上氧气浓度接近于零。这相当于在高温下的燃烧情况。此时由于温度很高，化学反应能力已大大超过扩散能力，使所有扩散到碳表面的氧立即全部反应掉，从而导致碳表面的氧浓度为零 。

§9.2 固体碳粒的燃烧 气固两相反应理论 过渡燃烧： 　当化学阻力与物理阻力在同一数量级时，两者均不可忽略，燃烧工况处于扩散控制与动力控制之间，故称为过渡燃烧

§9.2 固体碳粒的燃烧 气固两相反应理论 温度对碳燃烧速率及碳表面氧浓度的影响 碳燃烧速率随温度的变化 碳燃烧时其表面氧浓度分布 由此可以知道，要强化碳的燃烧，应根据碳所处的燃烧状态采取相应的措施才可达到目的。在动力燃烧状态，强化燃烧主要是要提高化学反应速度（首先是温度）。在扩散燃烧状态，强化燃烧主要是要加强氧的扩散（强化混合过程）。而在过渡状态，则两者都要注意。 碳燃烧速率随温度的变化 1、动力燃烧区　 2、过渡燃烧区　3、扩散燃烧区 碳燃烧时其表面氧浓度分布 1—动力区；2，3—过渡区；3—扩散区

§9.2 固体碳粒的燃烧 气固两相反应理论 碳燃烧状态的判别准则 谢米诺夫准则： 氧的浓度比： 动力燃烧 过渡燃烧 扩散燃烧 ＞9.0 0.11~9.0 <0.11 >0.9 0.1~0.9 <0.1

§9.2 固体碳粒的燃烧 气固两相反应理论 两相反应的级数－吸附理论 在固体燃料表面，两相反应的级数0~1级。 很小 很大 一级反应 中值 一级反应 0级反应 n=0~1

§9.3 碳粒燃烧的化学反应 碳与氧的反应 碳粒燃烧的三种模型： 二氧化碳是初次反应产物的模型； 一氧化碳是初次反应产物的模型； §9.3　碳粒燃烧的化学反应 碳与氧的反应 碳粒燃烧的三种模型： 二氧化碳是初次反应产物的模型； 一氧化碳是初次反应产物的模型； 二氧化碳、一氧化碳同时是初次反应产物的模型 一般认为碳的氧反应首先生成碳氧络合物，碳氧络合物进一步反应同时产生一氧化碳和二氧化碳。写成化学式即为 第一种模型认为，在碳的氧化反应中二氧化碳是初次反应产物。而燃烧产物中的一氧化碳则为二氧化碳与炽热的碳相互作用的二次产物。 第二种模型认为，在碳的氧化反应中一氧化碳是初次反应产物。而燃烧产物中的二氧化碳则为一氧化碳与氧再次氧化生成的二次产物。

§9.3　碳粒燃烧的化学反应 碳与氧的反应 　　温度不同时，由于反应机理上的区别，生成物中一氧化碳和二氧化碳的比例也不相同。比值n/m随温度上升而增大。 　　在1300℃以下或碳表面氧的分压很低、浓度很小的情况下 氧分子溶入碳的晶体内构成固溶络合物 在1300℃以下或碳表面氧的分压很低、浓度很小的情况下，碳和氧是一级反应，反应产物的比例为1。此时，碳氧络合物在氧分子的撞击下发生离解。因此，燃烧过程的化学反应可表示成： 其可表示为 络合 离解 总的简化反应式

碳氧反应机理逐步转为由化学吸附引起，络合物不待氧分子撞击就自行热分解 §9.3　碳粒燃烧的化学反应 碳与氧的反应 　　在1600℃以上： 碳氧反应机理逐步转为由化学吸附引起，络合物不待氧分子撞击就自行热分解 络合 离解 温度高于1600℃时，由于溶入碳晶体的氧分子解吸作用增大，因此氧分子几乎不再溶于石墨晶体。。 总的简化反应式

§9.3　碳粒燃烧的化学反应 碳与二氧化碳的反应 　吸附到碳的晶体上形成络合物，然后络合物分解成　　，并解吸离开碳表面。由于　　的化学吸附活化能比氧的溶解活化能大得多，因此只有在温度很高时，这一反应才显著起来。 碳和二氧化碳的反应亦是一种碳的气化反应（或二氧化碳的还原反应），它是煤气发生炉中的主要化学反应。温度达到800℃时反应速度才比较显著

§9.3　碳粒燃烧的化学反应 碳与水蒸气的反应 与碳的气化反应十分类似，同样为吸热反应。反应级数为一级，活化能比气化反应的活化能大，约为　　　　　　　　。反应进行过程中水蒸气也是经过吸附、络合与分解一系列环节才完成水煤气的生成的。 碳和水蒸气的反应是水煤气发生炉中的主要反应。其反应如下： 由于碳与水蒸气的反应活化能很大，因此要到温度很高时反应才会以显著的速度进行。需要指出，碳与水蒸气反应的活化能比碳与二氧化碳反应的活化能大，它的反应速度也比碳与二氧化碳反应的速度大。这是因为这两个反应的快慢不仅与反应速度有关，而且与扩散速度有关。根据分子物理学，分子量愈小的气体分子，其扩散系数比分子量大的要大。所以水蒸气的扩散系数比二氧化碳为大。氢的扩散系数又远比一氧化碳为大。于是碳与水蒸气反应和碳与二氧化碳的反应比较，前一个反应中的反应物扩散到碳表面的速度比后一个反应来得迅速，反应产物扩散离开碳表面的速度比后一个反应快。因此，碳粒与水蒸气反应的速度反而比与二氧化碳反应的速度来得快了。

§9.3 碳粒燃烧的化学反应 一氧化碳的分解反应 一氧化碳的分解反应是碳的气化反应的逆反应。这个反应会导致碳的析出，因而也是一个重要问题。 §9.3　碳粒燃烧的化学反应 一氧化碳的分解反应 　一氧化碳的分解反应是碳的气化反应的逆反应。这个反应会导致碳的析出，因而也是一个重要问题。 上述反应是一放热反应。根据平衡原理知道，温度升高时平衡向左移动。因而在温度很高时，一氧化碳不会分解产生碳。温度较低时，反应速度太低，也不会析出碳。当温度在200～1000℃的范围内，一氧化碳才可以测量出的速度分解析出碳。分解反应的最大速度大约在450～600℃左右。

§9.4 多孔性碳粒的燃烧 实际上碳是一种多孔性物质，因此反应不仅在外表面进行，而且在碳的内部也进行。 木炭内部的反应表面积为57～114 §9.4　多孔性碳粒的燃烧 　　实际上碳是一种多孔性物质，因此反应不仅在外表面进行，而且在碳的内部也进行。 木炭内部的反应表面积为57～114 电极碳为70～500 无烟煤为100 这些数据表明，内部表面对反应的影响是不可忽视的。

§9.4 多孔性碳粒的燃烧 多孔性碳粒燃烧速率 若每单位体积碳粒所含内部孔隙的表面积为 ，则对半径为r的碳粒球体，其内外表面积之和为： §9.4　多孔性碳粒的燃烧 多孔性碳粒燃烧速率 　若每单位体积碳粒所含内部孔隙的表面积为　　，则对半径为r的碳粒球体，其内外表面积之和为： 当温度较低时内表面上各处的氧浓度都相同，且等于碳粒外表面的氧浓度　　　 当温度较低时，氧向碳粒孔隙内部的扩散速率远远大于碳粒孔隙内表面上的反应速率，因此内表面上各处的氧浓度都相同，且等于碳粒外表面的氧浓度 碳球的总反应速率为： 式中　　为包括了对应内表面的碳球的总反应速度常数

§9.4　多孔性碳粒的燃烧 多孔性碳粒燃烧速率 　　当碳球温度很高时，内表面上氧浓度接近于零，亦就是碳球内表面停止了碳和氧的一次反应。只有碳球外表面能和氧发生反应。于是氧在碳表面上的总反应速度就变成 当碳球温度很高时，碳和氧的反应速度很快，因此氧向碳球内部的扩散速率远远小于碳球内部化学反应的需要。这时内表面上氧浓度接近于零，亦就是碳球内表面停止了碳和氧的一次反应。只有碳球外表面能和氧发生反应。于是氧在碳表面上的总反应速度就变成 亦即，在碳球温度很高时，。

§9.4 多孔性碳粒的燃烧 多孔性碳粒燃烧速率 令： 低温时 高温时 ε称为反应的有效渗透深度 §9.4　多孔性碳粒的燃烧 多孔性碳粒燃烧速率 低温时　　　　　　　　　　　　　高温时 令： 由此可知，当燃烧温度由低温变到高温时，碳球总反应速度常数比大的那部分值将从降低到零。如果用比增大的倍数来表示则必在到零之间，或者写为，并有 ε称为反应的有效渗透深度。当温度较低，氧能完全渗入碳球内部，使内外表面各处氧浓度均为时，有效渗透深度ε=r/3。当温度很高氧完全不能渗入碳球内部，反应只能在碳球外表面进行时，有效渗透深度ε=0。因此一般情况下，总反应速度常数可以写 ε称为反应的有效渗透深度

§9.4 多孔性碳粒的燃烧 多孔性碳粒燃烧速率 总反应速度常数： 总反应速度： §9.4　多孔性碳粒的燃烧 多孔性碳粒燃烧速率 总反应速度常数： 总反应速度： 　　考虑碳粒内外扩散作用，同时又考虑了内外表面上化学反应影响的化学反应速度 因此在同时考虑了碳粒内外表面后，碳的总反应速度用氧的消耗速率表示时可以写成 式（7-12）还未考虑碳粒外部扩散的影响。在既可表示为

§9.5 二次反应对碳粒燃烧的影响 碳粒燃烧的一次反应与二次反应 §9.5　二次反应对碳粒燃烧的影响 碳粒燃烧的一次反应与二次反应 碳与氧的燃烧燃烧反应，不仅有碳和氧直接接触发生的一次反应，而且有一次反应产物和所进行的二次反应。这些反应在不同温度下以不同的方式结合，组成碳粒的燃烧过程。我们可以把碳和氧燃烧过程中发生的反应归纳为以下由个反应： 上述反应在不同温度下有着不同的反应速度，从而使碳粒的燃烧过程变得复杂。当温度低于800℃时，碳球的燃烧机理如图7-5所示。氧扩散到碳球表面，可同时生成和，即

§9.5 二次反应对碳粒燃烧的影响 二次反应对碳粒燃烧的影响 温度低于800℃时碳粒周围的燃烧情况 §9.5　二次反应对碳粒燃烧的影响 二次反应对碳粒燃烧的影响 温度低于800℃时碳粒周围的燃烧情况 当温度低于800℃时，碳球的燃烧机理如图7-5所示。氧扩散到碳球表面，可同时生成和，即

§9.5 二次反应对碳粒燃烧的影响 二次反应对碳粒燃烧的影响 温度在800~1200℃时静止碳粒燃烧情况 §9.5　二次反应对碳粒燃烧的影响 二次反应对碳粒燃烧的影响 温度在800~1200℃时静止碳粒燃烧情况 当温度低于800℃时，碳球的燃烧机理如图7-5所示。氧扩散到碳球表面，可同时生成和，即

§9.5　二次反应对碳粒燃烧的影响 二次反应对碳粒燃烧的影响 温度大于1200~1300℃时碳粒周围的燃烧情况

§9.5　二次反应对碳粒燃烧的影响 碳粒燃烧随温度变化 1、氧化反应动力区 2、氧化反应扩散区 3、还原反应动力区 4、还原反应扩散区

1-迎风面；2-背风面；3-回流区；4-火焰锋面 §9.5　二次反应对碳粒燃烧的影响 流动条件下的碳粒燃烧 碳粒表面附近的燃烧情况 1-迎风面；2-背风面；3-回流区；4-火焰锋面

§9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 碳粒燃烧速率 近似算法（稳定燃烧）： 传热与传质完全可以类比，Le=1 Stefan流不是很大时：

§9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 碳粒燃烧速率 当Stefan流的影响不可忽略时： 扩散方程： 能量方程： 　　假设没有空间气相反应，则在任何半径上的总质量流均应相等：

§9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 碳粒燃烧速率 碳的质量流就是Stefan流。

§9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 碳粒燃烧速率

§9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 碳粒燃烧速率 由能量方程亦可求得： 由阿累尼乌斯定律亦可求得：

§9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 碳粒燃烧速率

§9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 碳粒燃尽时间

§9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 碳粒燃尽时间 当燃烧为纯扩散燃烧时， 碳粒燃尽时间： 　　碳粒进行扩散燃烧时，碳粒燃尽时间与碳粒直径的平方成正比。

§9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 碳粒燃尽时间 当燃烧处于动力燃烧状态：

§9.6 扩散与动力控制的碳粒表面燃烧 碳粒燃尽时间 当燃烧处于动力燃烧状态： 　　碳粒进行动力燃烧时，碳粒燃尽时间与碳粒直径成正比。

§9.7 灰分对碳燃烧的影响 灰分对碳板燃烧过程的影响 假设： 燃烧过程是一维稳定过程； 灰分在碳板中均匀分布； 燃烧时的含灰碳板的温度为定值； 燃烧反应只在灰层和碳板的界面上进行，不考虑内部燃烧 碳燃烧时生成的（或），从碳表面解吸逸走后，残存的固态灰分往往形成一层多孔的覆盖层。这层惰性覆盖层对更里层的碳的燃烧构成了附加的扩散阻力，从而妨碍了碳的燃尽。灰层扩散阻力的大小，取决于灰层的厚度、密度等物理因素。 　　在稳定燃烧情况下，单位时间通过单位面积的氧扩散量等于碳反应的消耗量：

§9.7 灰分对碳燃烧的影响 灰分对碳板燃烧过程的影响 反应物质交换总阻力 外部扩散阻力 灰层扩散阻力 化学反应阻力

§9.7 灰分对碳燃烧的影响 灰分对碳板燃烧过程的影响 碳板的燃尽速率：

§9.7 灰分对碳燃烧的影响 灰分对球形碳粒燃烧过程的影响

§9.7 灰分对碳燃烧的影响 灰分对球形碳粒燃烧过程的影响 扩散控制 动力控制

§9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 固体燃料的燃烧方式 层燃燃烧 悬浮燃烧 沸腾燃烧

§9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 层燃燃烧 逆流式（上饲式） 顺流式（下饲式） 交叉式（前饲式） 逆流式（上饲式）　顺流式（下饲式）　交叉式（前饲式） 燃烧状态：大部分燃料在炉栅上燃烧，可燃气体及一小部分细屑燃料则在燃烧室空间内呈悬浮燃烧

§9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 层燃燃烧 固定火床燃烧过程

§9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 层燃燃烧 燃烧过程： 新燃料层：煤干燥、干馏，将水汽、挥发物等带离煤层进入炉膛空间，挥发分及CO与煤层着火燃烧； 还原层：气流中CO2与碳起还原反应，即CO2 +C─→2CO，温度越高，速度越快 氧化层：主要进行氧化反应，末端气体的温度也达到最高 冷空气进入，炉栅和灰渣被冷却，而空气则被预热

§9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 层燃燃烧 燃烧规律： 如果燃烧层稳定，氧化层的厚度几乎不随鼓风量变化 改变煤层的厚度还可以改变烟气的成分 一次空气主要是供给焦炭燃烧的需要，二次空气则是供给挥发物、CO以及部分被气流扬起的细小煤粒等燃烧的需要； 一般取空气过剩系数1.3~1.7

§9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 层燃燃烧 手烧炉的空气供需状况 Ab 进入炉内的总空气量 Cd 实际参与燃烧的有效空气量 Ef　实际需要空气量 Gh　焦炭燃烧所需空气量 手烧炉的空气供需状况

§9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 层燃燃烧 链条炉中燃烧区段分布图 1 预热干燥区 2 挥发分析出与燃烧区 3a 焦炭氧化层区 1　预热干燥区 2　挥发分析出与燃烧区 3a　焦炭氧化层区 3b　焦炭还原区 4　灰渣燃尽区 链条炉中燃烧区段分布图

§9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 层燃燃烧 链条炉原则性配风方案 尽早配风法 强风后吹法 推迟配风法

§9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 悬浮燃烧 旋涡式（旋风式） 直流式（火炬式） 特点：燃烧速度快、燃烧效率高、燃烧温度高、煤耗低、调节方便 旋涡式（旋风式） 直流式（火炬式） 燃烧状态：将磨成微粒或细粉状的燃料与空气混合后从喷燃器喷出，在炉膛空间呈悬浮状态时的一种燃烧。

§9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 悬浮燃烧 燃烧过程： 煤粉进入到炉膛受到导热、对流及辐射加热、逸出挥发分，并升温着火，形成着火区 着火后煤粉与空气强烈反应，并放出大量的热，构成燃烧区 当温度达到最大值后，燃烧过程已相当完全，反应减慢，这时放热量小于散热量，温度下降，从而进入燃尽区

§9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 悬浮燃烧 燃烧规律： （1）一、二次空气的比例要合适，考虑两个方面： （A）一次风携带煤粉喷入燃烧室或窑炉并供逸出的挥发分燃烧 （B）煤粉制备系统的设计要求及窑炉的特点。 （2）一、二次空气的温度 　　一次风的温度≤150℃，以防止煤粉发生爆炸；二次风的温度不受限制（尽量高）。 （3）控制适当的过剩空气系数 　　水泥回转窑的过剩空气系数一般为1.05~1.15。（注意：若为满足烘干机对烟气温度的要求而需掺入冷空气时，则应在煤粉基本燃烬之后的地段再掺入）。

§9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 悬浮燃烧 燃烧规律： （4）控制合适的一次风喷出速度 （5）制备细度合格、粒度均匀的煤粉 50~70µm。挥发分高的煤或质地疏松的煤，其粒度可以稍大些；无烟煤或硬质煤，粒度就要小些。煤粉细度一般控制为0.08mm方孔筛筛余8%~15%左右。 （6）保持较高的炉膛温度 （7）使用合适的煤粉烧嘴 （8）炉膛空间的大小和形状要适当 使煤粉在其中有足够的停留时间以保证其能充分燃烬。

§9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 悬浮燃烧 煤粉燃烧器： 直流煤粉燃烧器 旋流煤粉燃烧器

§9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 悬浮燃烧 1 温度 2 飞灰含碳量 3 CO2浓度 4 氧浓度 Ⅰ、着火区 Ⅱ、燃烧中心区 1　温度 2　飞灰含碳量 3　CO2浓度 4　氧浓度 Ⅰ、着火区 Ⅱ、燃烧中心区 Ⅲ、燃尽区

§9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 悬浮燃烧 旋风炉

§9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 沸腾燃烧 空气速度与煤粒存在状态： 速度低：碎煤颗粒静止在布风板上； 速度达某值：煤粒被风托起，颗粒之间的空隙加大，颗粒在一定高度内上下翻腾，煤颗粒能悬浮在空气中，受热完成干燥、预热、干馏、挥发分逸出及燃烧、焦炭的燃烧及燃烬等燃烧过程 流速过快：煤不完全燃烧。

§9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 沸腾燃烧 　　沸腾燃烧室的底部安装有布风板炉栅，块煤经锤链式破碎机破碎后，其粒度在0.5~10mm之间，碎煤经喂煤口投放到布风板炉栅上，布风板下为风室，空气由此向上吹送。

§9.8 固体燃料的燃烧方式和燃烧装置 沸腾燃烧 沸腾燃烧的特点： A、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 B、热效率高，可达95%以上 C、燃烧温度稳定，可保持在960~1050℃范围内 D、可充分利用各种劣质燃料 E、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 F、空气动力消耗大，烟气中飞灰量较多 G、操作不当时，不完全燃烧造成的热损失大 H、煤的结焦性强时，排渣困难

§9.10 水煤浆燃烧 煤浆燃料 　　煤浆燃料是煤粉与液体如水、油或甲醇混合而成的燃料。种类以煤与何种液体相混合来命名有： （1）油煤浆（COM或COD） 油与煤粉混合，可以包含＜10%的水 （2）煤油水浆（COW）和煤水油浆（CWO）：水含量大于10% （3）水煤混合燃料 煤与水的混合物，CWF－水煤燃料，CWS－水煤浆 （4）煤－甲醇－水混合物 （5）油－石油焦浆 （6）水－石油焦浆 虽然煤浆概念已产生100多年，由于油价关系未获得很大的发展，石油危机导致了对煤浆的兴趣。但在1980年以前人们的兴趣集中在油煤浆。由于油煤浆无法全部代油，因此用煤完全代油的要求将人们的注意力引到了水煤浆上。

§9.10 水煤浆燃烧 水煤浆 水煤浆是近十几年发展起来的一种新型燃料，它由煤粉、水和少量化学添加剂组成。水煤浆的用途可以代油： 　　水煤浆是近十几年发展起来的一种新型燃料，它由煤粉、水和少量化学添加剂组成。水煤浆的用途可以代油： （1）用于工业蒸汽锅炉 （2）用于电站锅炉 （3）用于各种工业窑炉 （4）用于内燃机 （5）用于燃气轮机联合循环 （6）用于煤粉锅炉的点火燃料

§9.10 水煤浆燃烧 水煤浆的种类 煤浆特征 使用方式 特点 用途 50%煤 / 50%水 管道运输 降低运输费用 旧和新设计燃煤锅炉 70%煤 / 29%水　/ 1%添加剂 直接燃用燃料 费用低于燃油、民用燃料 旧的燃油设计锅炉 60%煤 / 40%水 管道运输直接燃用 过程费用降低 超细煤浆 减小降负荷 燃油和燃气锅炉 水焦浆 降低燃料费用 船用锅炉，燃油锅炉 油焦浆 燃油锅炉 超细、超净煤浆 替代燃料 替代油 内燃机直接燃用 超净煤浆

§9.10 水煤浆燃烧 水煤浆的要求与特点 非牛顿流体，一种高浓度煤粉颗粒在水中的悬浮混合物 可以泵送与雾化喷入炉中 需有稳定的剪切应力和良好的稳定性（抵制煤粉颗粒沉积） 低粘度和很好的流变特性 雾化水煤浆时要求其颗粒容易分离 水煤浆在制造过程中进行净化处理，处理以后可除去原料煤中灰分的50%～75%和黄铁矿（硫）的40%～90%，并回收原料煤热值的90%～98%。 煤矿可以用水力开采，并把原煤的洗选和水煤浆的制造过程结合起来，水煤浆的经济性会更高。

§9.10 水煤浆燃烧 水煤浆的制作 制造水煤浆主要包括以下几个部分： 湿磨 将原料煤湿磨至需要的颗粒尺寸，一般为50~200μm。 浮选净化 含有合格煤粉的煤浆被送到浮选净化段，通过浮选工艺除去其中大部分灰分和硫分。 过滤和脱水 从浮选段出来的煤浆送至一过滤器（常用真空浓缩过滤器），把水煤浆制成相对干燥和清洁的煤饼状，以使最终的水煤浆产品达到所要求的固体浓度。 混合和储存 由浓缩过滤器出来的清洁煤浆的滤饼被送到连续搅拌的混合器，在混合器中加入化学添加剂，以满足所需要的水煤浆特性。当混合过程完成以后，水煤浆就制备好了，可以泵送去储存或直接输送到用户。

§9.10 水煤浆燃烧 水煤浆的制作

§9.10 水煤浆燃烧 水煤浆的雾化 　　水煤浆良好的雾化特性是使其稳定着火和燃烧并保证高的燃烧效率的的首要因素。雾化不好不仅会造成燃烧不稳定和燃烧损失增加，而且还会造成炉膛结渣。因此，水煤浆雾化喷嘴是关键的燃烧设备。由于水煤浆在常温下的工作粘度一般为0.3~1Pa·s，比燃料油在运行时的工作粘度大得多，所以，水煤浆多用空气或蒸汽雾化喷嘴。一个良好设计的水煤浆喷嘴应能达到以下要求： 具有良好的雾化性能，能得到尽可能细的水煤浆液滴。希望雾化炬的平均液滴直径在75μm，这样才能保证良好的燃烧。 雾化介质（压缩空气或蒸汽）和水煤浆的流量比为0.1~0.25，这样经济上才合理。 由于水煤浆中含有70%~75%的固体颗粒，因此，从结构和材料上，要使喷嘴具有防磨损的功能。采用碳化硅或陶瓷作为喷口材料，可使喷嘴的工作寿命在2000小时以上。 喷嘴不会被水煤浆堵塞，并能承受燃烧器重复启停所产生的热应力

§9.10 水煤浆燃烧 水煤浆的雾化 　　图为以烟煤为原料煤制成的水煤浆，当采用空气雾化喷嘴，空气压力为1.2×105Pa，空气和水煤浆的流量比分别为10%、20%、30%、40%和50%时，水煤浆的水分含量和雾化液滴的质量平均直径的关系。

a） T型喷嘴；b）标准Y型喷嘴；c）渐扩Y型喷嘴 §9.10 水煤浆燃烧 水煤浆的雾化 空气雾化水煤浆喷嘴 a） T型喷嘴；b）标准Y型喷嘴；c）渐扩Y型喷嘴 1-碳化硅或陶瓷管

§9.10 水煤浆燃烧 水煤浆的燃烧 实验研究和运行实践均表明，

§9.10 水煤浆燃烧 水煤浆的燃烧 　　水煤浆的燃烧过程，首先是通过喷嘴将其雾化成细滴，液滴在高温炉膛中迅速蒸发掉水分，然后就像煤粉燃烧那样，析出挥发分、着火和焦炭粒燃烧和燃尽。由于水煤浆的水分含量为25~30%，因此其燃烧的首要问题是在燃烧器根部保证稳定的着火。 　　保证水煤浆的稳定着火和燃烧，除了上述的正确设计喷嘴和保证雾化质量外，还要能在燃烧器出口火焰根部维持一个高温区，以保证水煤浆雾化炬具有很高的升温速率，以使水煤浆液滴中的水分能迅速蒸发和使挥发分析出并着火。

§9.10 水煤浆燃烧 水煤浆燃烧器 采用旋流燃烧器，通过一、二次风的合理配合，使高温烟气流至燃烧器根部，以加强对雾化炬的对流传热。 燃烧器出口采用与喷嘴雾化角相配合的具有一定扩展角和深度的扩口。扩口的结构参数用扩口的深度L和燃烧器直段出口的直径D的比值L/D来表示。扩口用耐火材料制成，其作用是保持燃烧器根部的高温，有利于高温烟气的反流并加强对雾化炬的辐射传热。 旋流燃烧器

§9.10 水煤浆燃烧 水煤浆的燃烧 水煤浆燃烧过程分三个阶段： （1）水分蒸发 （2）挥发分析出和燃烧 （3）焦炭燃烧

§9.10 水煤浆燃烧 水煤浆的燃烧特点 与一般煤粉燃烧相比，水煤浆燃烧的特点： 水煤浆中含有30%～40%的水分，在燃烧过程中首先必须有一个蒸发过程，使煤浆的着火热增加，大约是同种煤粉的66%～87%。 水煤浆以喷雾方式进入燃烧区域，为达到良好的雾化，喷嘴出口速度往往高达200～300m/s，而煤粉则以一次风混合带入，速度较低，一般为20～30m/s。 雾化过程不可能得到比原煤粉更小的液滴，在煤粉燃烧中，往往小颗粒煤粉在着火阶段起主要作用，可以迅速加热而着火，而对于煤浆，这些小颗粒都形成了较大的液滴。 水煤浆雾滴中有多个煤粉颗粒，在水分加热蒸发和挥发分析出过程中会产生二次破碎分离和结团现象，由于这种结团引起焦炭颗粒明显大于一般煤粉焦炭粒子而难于燃烧。 水煤浆雾炬本身具有很高的动量，这对燃烧室流场组织产生影响。

§9.10 水煤浆燃烧 水煤浆单滴燃烧模型 实验研究和运行实践均表明，

水煤浆群燃烧模型 　　液滴云的四种群燃烧方式： 群燃烧数：

水煤浆群燃烧模型 群燃烧三种模式： 火焰的4个区域： ①挥发分析出区 ②空气不足未燃焦炭区 ③焦炭燃烧区 ④非燃烧区

水煤浆群燃烧模型 群燃烧三种模式： 带缺氧焦碳粒子存在区的水煤浆雾群燃烧

水煤浆群燃烧模型 群燃烧三种模式： 不带缺氧焦碳粒子存在区的水煤浆雾群燃烧

颗粒挥发分析出和焦碳粒子燃烧的水煤浆雾群燃烧 水煤浆群燃烧模型 群燃烧三种模式： 颗粒挥发分析出和焦碳粒子燃烧的水煤浆雾群燃烧

§9.11 煤的气化 煤的气化 　　煤的气化是一个热化学过程，即用氧或含氧化合物（如水蒸气、二氧化碳）通过高温的煤层或焦炭层，使燃料中的有机物氧化，并转化生成含有H2、CO等可燃气体的过程。根据所用气化剂及煤气成分、热值的不同，生产的煤气可分为：空气煤气、混合煤气、水煤气以及半水煤气等 。 名称 气化剂 组成成分% 低热值 KJ/m3 用途 H2 CO CO2 N2 CH4 O2 空气煤气 空气 2.6 10 14.7 72.0 0.5 0.2 3760－4600 燃料 混合爆气 空气、水蒸气 13.5 27.5 5.5 52.8 5000－5220 水煤气 水蒸气 48.4 38.5 6.0 6.4 10000－11200 半水煤气 水蒸气、空气 40.0 30.7 8.0 14.6 8770－9610 合成氨原料气

§9.11 煤的气化 煤的气化 　　煤气的气化方法主要有两种：一种是沸腾层气化，以富氧空气和水蒸气为气化剂连续地送入粉状燃料层中，使燃料呈沸腾状态气化。这种方法气化强度高、生产能力大，但需使用氧气，而且原料适用范围狭窄（要求使用化学活性高的燃料制气），故采用这种气化方法的工厂不多。另一种是固定床气化法，它是目前国内广泛采用的一种制气方法

§9.11 煤的气化 空气煤气 干燥预热层 干馏层 还原层 氧化层 气化剂

§9.11 煤的气化 空气煤气 干燥预热层 干馏层 还原层 热值： 气化效率： 氧化层 气化剂

§9.11 煤的气化 空气煤气 影响制气过程的因素： 反应温度 (2) 燃料性质 (3) 鼓风速度 还原反应是吸热反应，升高反应温度有利于CO的生成 反应温度过高，会使灰渣熔融，结成大块，造成操作困难 反应温度一般控制在1000~1200℃之间，应低于所用燃料的灰熔点 (2) 燃料性质 气孔率 (3) 鼓风速度 煤气产量与质量

§9.11 煤的气化 水煤气 上述两个都是吸热反应，如果连续地向发生炉内通水蒸气，则将导致燃料层迅速冷却。为了能在燃烧料层中维持必要的温度必须交替地向炉内吹入空气和水蒸气。

§9.11 煤的气化 气化工艺 分类：按燃料与氧化剂经气化炉的流动方式分类 气流床 与煤粉燃烧类似 与流化床燃烧器类似 与层燃类似 气化炉 移动床 气流床 流化床 移动床 燃料规格 ＜500μm 0.5~5mm 5~50mm 燃料滞留时间 1~10s 5~50s 15~30min 气体出口温度 900~1400℃ 700~900℃ 400~500℃

§9.11 煤的气化 气流床气化炉 　　在一台气流床气化炉内，粉煤或雾化油流与氧化剂（典型的氧化剂是氧）一起汇流。气流床气化炉的主要特性是其温度非常高，且均匀（一般高于1000℃），气化炉内的燃料滞留时间非常短。

§9.11 煤的气化 气流床气化炉 图7 Prenflo ○R 气化炉 煤被磨碎至100μm并靠氮由风力输送到气化炉。气化炉结构独特，气化炉本身与合成气冷却器结合。煤、O2和蒸气一起经装在气化炉下部的燃烧器给入。合成气在1600℃的温度下产生。但它在气化炉出口借助再循环的洁净合成气淬冷，将其温度减至大约800℃。然后合成气向上流至一中心分配器管，并经蒸发器段向下流动，在大约380℃离开气化炉。在气化过程形成的熔渣在水槽内淬冷，并通过闸斗仓装置排出。

§9.11 煤的气化 流化床气化炉 　　在一个流化床内，固体（如煤、灰）悬浮在一般向上流动的气流中。在流化床气化炉内，气体流包含氧化介质（一般是空气而非O2）。流化床气化炉的重要特点（像流化床燃烧器一样）是不能让燃料灰过热，以至熔化粘接在一起。假如燃料颗粒粘在一起，则流化床的流态化作用将停滞。空气作为氧化剂的作用是保持温度低于1000℃。这表示流化床气化炉最适合用比较易反应的燃料，如生物质燃料。     流化床气化炉的优点包括能接受宽范围的固体供料，包括家庭垃圾（经预先适当处理的）和生物质，如木柴，灰份非常高的煤也是受欢迎的供料，尤其是那些灰熔点高的煤，因为其他类型的气化炉（气流床和移动床）在熔化灰形成熔渣中损失大量能。

§9.11 煤的气化 流化床气化炉 燃料在闸斗仓内加压，然后储存日仓或加料仓里，之后再螺旋给入气化炉。气化炉的底部是流化床，流化介质是空气或O2和蒸汽。气体与固体向上流至反应器，在这里再加入空气/O2和蒸汽来完成气化反应。之后将粗合成气在除尘器里除尘并冷却。在除尘器中脱除的固体回至气化炉底部。用螺旋除灰器将灰从气化炉底部排出。

§9.11 煤的气化 移动床气化炉 　　在移动动床气化炉里，氧化剂（蒸汽和O2）被吹入气化炉的底部。产生的粗燃料气通过固体燃料床向上移动，随着床底部的供料消耗，固体原料逐渐下移。因此移动床的限定特性是逆向流动。在粗燃料气流经床层时，被进来的给料冷却，而给料被干燥和脱去挥发分。因此在气化炉内上下温度显著不同，底部温度为1000℃或更高，顶部温度大约500℃。燃料在气化过程中脱除挥发分意味着输出的燃料气含有大量煤焦油成分和甲烷。故粗燃料气在出口处用水洗来除去焦油。其结果是，燃料气不需要在合成气冷却器中来高温冷却，假如燃料气来自气流反应器，它就需冷却。

§9.11 煤的气化 移动床气化炉 块煤给进气化炉顶部的闸斗仓，在进入气化炉之前增压。一个旋转的煤分配器确保煤在反应器各处均布。煤缓慢下移到气化炉。当煤下移时，由经床层向上流动的燃料气加温；煤就被不断干燥和挥去挥发分，然后气化。床层底部紧靠炉蓖的上面是气化炉最热的地方1000℃，在此处燃烧任何剩余的煤，产生的CO2与床层中的碳起反应形成CO。灰由旋转炉蓖排出并在闸斗仓中减压。蒸汽和O2被向上吹，通过炉蓖为气化过程提供氧化剂。所产生的气体在300-500℃的温度离开气化炉，利用一水淬冷进行冷却和洗涤。该气化炉由水夹套围绕，水夹套产生的蒸汽可用于工艺过程中。

§9.11 煤的气化 煤气化发电 　　气化是煤和燃料油这类传统燃料与燃气轮机间的"桥梁"。将这类燃料气化产生一种燃料气，洁净后可在燃气轮机发电厂使用。因此气化能发挥燃气轮机的长处，使其可利用任何燃料，无论是固体还是液体燃料。进一步而言，由于所产生的燃料气在燃气轮机中燃烧之前能进行洁净，去掉颗粒物、硫和氮化合物，因此以气化为基础的发电厂（GPP）的排放物要比传统电厂少得多。气化与联合循环结合（即IGCC）是唯一能接近燃用天然气系统的环境性能的以煤为基础的技术。此外，IGCC的热效率同传统的使用锅炉和蒸气轮机的燃煤电厂相比，即使不是更好，也是一样好。

§9.11 煤的气化 煤气化发电 　　在30巴压力下将粉煤和空分装置（ASU）出来的氧气一起加入气化炉。粗燃料气在气化炉中约1300℃下产生，再用水洗涤，先冷却至约200℃，去掉粉尘和诸如像NH3及氯化氢这样的化合物。然后进一步冷却，用一种溶剂洗涤，去掉像硫化氢这样的硫化合物。之后这种洁净气在燃气轮机中燃烧。煤中的灰分作为气化炉中产生的矿渣回收，从气体中脱除的硫化合物作为硫回收。从ASU产生的氮一般加入燃气轮机中的燃料气，以控制氮氧化物（NOX）排放。

§9.11 煤的气化 水煤气 ABGC是以在MBEL气化炉内煤的部分气化为基础，压力20-25巴，温度~1000℃。大约70-80%的煤转化成低热值燃料气，燃料气冷却至~400℃，然后用陶制过滤器清洁。石灰石用来脱除煤中大部分硫，成为硫化钙。气化炉内产生的燃料气在燃气轮机中燃烧，燃气轮机的废气用来在热回收蒸气发生器（HRSG）内产生蒸汽，气化炉产生的固体残渣（灰、半焦和硫化吸附剂）经减压、冷却并通到在常压操作的循环流化床燃烧器（CFBC）。在CFBC内，残余的炭被燃烧，硫化钙经氧化成为硫酸钙，硫酸钙是一种环保型物质。在CFBC内产生的热加到HRSG的蒸汽系统，所产生的蒸汽用来驱动蒸气轮机。在Stoke Orchard的试验证实气化炉处理各类煤和吸附剂的能力，在气化炉里脱硫达90%。     ABGC系统的一项评估表明，应用目前的技术，该系统将会获得44.7%的效率（更高热值基础）。