煤的著火理論圖書第七章

1、第7章 煤的著火理論 第二章中已經(jīng)詳細介紹和闡述了燃料的著火理論，這些理論主要是針對于氣體燃料的，但對于其他燃料也同樣適用。只是由于具體燃料的不同，其本身的著火特性有較大的差異。另外，加熱方式，燃料的形態(tài)及混合狀況等都將大大影響燃料的著火過程。正如上一章中第6.1節(jié)中所述，煤的結構、種類極其復雜，其燃燒方式也有很多，因此，在本章將著重對其各種著火狀況的理論和實驗研究的發(fā)展情況加以介紹。7.1煤的加熱和著火7.1.1煤在著火前的加熱不管用何種方式來燃用煤，首要的是如何將其加熱，使其達到所謂的“著火溫度”，達到最終的穩(wěn)定著火和火焰?zhèn)鞑サ难永m(xù)。加熱是通過所有的傳熱過程，即導熱、對流和輻射進行的。與對

2、流和輻射加熱相比。導熱引起的加熱可以忽略不計。而且，由于熱煙氣的回流加熱，使對流加熱往往起著主要的作用，特別是對于煤粉燃燒情況，更是如此。這里以煤粉的加熱過程分析為例：一、煤粉的對流加熱從熱煙氣傳給煤的單位面積上的熱量，可由下式給出: （7-1）式中 氣體的導熱系數(shù); 煤表面上的溫度梯度。 為廠簡化問題的求解，將煤粉顆粒的形狀簡化成球形，則煤粒表面加熱的總熱量可由式7-1)導出 （7-2）式中 、煤粒表面溫度和其周圍氣體邊界層外的流體溫度; 、煤粒的半徑和邊界層的外半徑。若取邊界層厚度為，則從式(7-2 )可得： （7-3）由于 （7-4）式中 A=4. 54為常數(shù); Re-定義于邊界層外氣體

3、相對速度的雷諾數(shù)。 這樣式(7- 3)為: （7-5）傳熱量Q可寫成對流傳熱形式: （7-6）其中，為對流放熱系數(shù)，由式(7-5)和7-6）可得： (7-7)或用努謝爾特數(shù)（）表示為: (7-8)其中，為煤粒直徑 當煤粒和四周氣體之間沒有相互作用時，Re=0，從而 另有作者認為要考慮Prandtle數(shù)的影響，就提出了不同的公式，如Acrivos等對的公式為 (7-9)式中:Pe為Peclect數(shù)，（是Prandtle數(shù))，對，Rowe等提出了下面的公式： （7-10）對于空氣：B = 0. 55,Pr=0. 71，則式(7-10)成為： （7-11）可見與式（7-8）類似。 對于在的范圍內尚無

4、可靠的數(shù)據(jù)，所以根據(jù)情況的不同用公式（7-9）或（7-10）計算。二、煤粉的輻射加熱煤粉氣流受輻射加熱是一個極復雜的過程.Essenhigh和Csaba 曾對此問題進行了詳細的分析口他們假定火焰鋒面發(fā)出的輻射來加熱煤粉射流，烽面穩(wěn)定且火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c射流速度相等，他們提出的物理圖案如圖7-1所示，煤粉氣流以u速度從燃燒器平面向火焰峰面運動，其初溫為To ，初煤粉濃度為，速度為，密度為，在運動過程中被加熱，溫度為，而周圍的介質為，忽略導熱和對流傳熱，則可以寫出： (7-12)式中 I單位時間內煤粉的單位面積上輻射所傳遞的能量； 微元煤粉層的厚度，沿著此厚度吸收了kI的能量； k吸收系數(shù)。 煤粉吸收

5、的輻射能等于將溫度為T，的煤粉顆粒以及將溫度為T:的煤粉四周的氣體(空氣)的溫度提高所需要的熱量之和，即 (7-13 )式中 C一一單位體積煤粉空氣混合物中的煤粉濃度； 煤粒的比熱； 氣體(空氣)的定壓比熱； 和分別為煤粒和煤粒周圍空氣的溫度； t時間。煤粒周圍氣體的加熱是由煤粒吸收輻射后再傳熱給氣體的，由于忽略對流，則 （7-14）氣體的吸熱為： （7-15）則 （7-16） （7-17）由于 （7-18）則式(7-12)變?yōu)椋?（7-19） （7-20）這樣式(7-13)可寫為： （7-21）以時，和時，為上、下限，積分式(7-19)有： （7-22）將式（7-22)代人(7-21)則得：

6、 （7-23）當(加熱至著火所需時間)時，和t=t，積分式（7-23）和（7-16），可得： （7-24） （7-25）其中 （7-26） （7-27） （7-28），為導溫系數(shù) （7-29）如果火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵鞒隹谔幍臍饬魉俣冉葡嗟龋?。并且時(即著火溫度)，則由式(7-24)，可得： （7-30）由于，因此可略上式大括號內的分數(shù)、從而上式簡化為： （7-31）這樣就可以得到煤粒著火前的加熱時間為： （7-32）分析上式，當對數(shù)內的值為0時，即 （7-33）應當注意的是，并不減至為零，而是減為一個最小值： （7-34）從式(7-30)和式(7-32)可知，影響火焰?zhèn)鞑ニ俣群忘c燃煤粉所需

7、的時間的主要因素為：煤粉濃度；火焰溫度；可燃混合物初溫度等。三、加熱時煤粒內部的溫度梯度上面討論的煤的加熱過程，是假定顆粒中的溫度是相同的，事實上，在顆粒受外界加熱的過程中，顆粒的中心溫度比表畫溫度低。假設具有穩(wěn)定的熱力性質，并且加熱過程開始時煤粒的初始溫度相同，在達到穩(wěn)態(tài)加熱條件后，球粒內溫度梯度可由下式表示： （7-35）在穩(wěn)態(tài)加熱條件下。煤粒表面和球心的溫度差為 （7-36）前兩式中 和在建眾穩(wěn)態(tài)加熱條件所需的時間t以后，煤粒表面和中心的溫升； 和煤粒的半徑和直徑； 進人每單位煤粒外表面積的熱流量 t時間，且 （7-37）其中:a是煤粒的導溫系數(shù)口顯然，式(7-35)只在時問大于下式所表

8、達的時間時才成立，即 （7-38）例如:對直徑為10的煤粒，其熱力特性為: =0.251 a= q= (相當于受溫度約為1650K的火焰加熱，或受比煤粒溫度高約300K的介質對流加熱時熱流值)，達到穩(wěn)態(tài)條件所要求的加熱時間為。7.1.2煤的著火及其判據(jù)煤的著火是一個特別復雜的問題，到目前為止。還無法給出恰當?shù)拿枋龊蜌w納。Essenghigh及Zhang給出有關煤的著火現(xiàn)象的評論。煤的著火特性強烈地取決于煤粒的布置方式與形態(tài)。可以區(qū)分為三種布置方式: （1）單顆煤粒; （2）煤堆與煤層; （3）煤粉云。 對于單顆煤粒來說，不產(chǎn)生顆粒的相互作用問題。這種布置方式提供了基礎資料，而目，對于非常稀疏的

9、煤粉火焰可能提供實際的了解。煤堆或煤層存在于移動床、固定床、儲煤堆及煤粉層中。煤粉云存在于煤粉燃燒器、工業(yè)鍋爐、懸浮式氣化器，煤礦的粉塵爆炸以及流化床系統(tǒng)(后者更為稠密)，這些不同形態(tài)情況下的煤的著火特性差別很大。對于煤的著火來說似乎沒有一個合適的簡單定義，一般說來著火被描述為燃料與氧化劑達到一個連續(xù)反應的過程。經(jīng)常用可見火焰來鑒別著火。然而，有時反應也能在低溫下很慢地進行，沒有可見火焰口有時著火被說成是:當一個可燃物容積中熱產(chǎn)生的速率超過熱損失速率時，則著火便發(fā)生口在凝聚相中，著火更為復雜，尤其在煤這類非均相固體中。如卜所述，由于氧在煤表面卜的作用，煤?？梢赃M行緩慢的反應，從而導致煤堆的自燃

10、。這可以從氣體火焰的存在得到證明。 在惰性的或反應的熱氣體中。當煤粒溫度增加時，煤可以在內部發(fā)生反應、軟化及揮發(fā)。在這個過程中，將釋放出氣體和焦油物，沒有可見火焰，這一過程不叫“著火”，但這一熱解的開始是一個類似于著火的過程。釋放出來的這些氣休和焦油物也能被周圍的氧化劑所點燃。這一著火過程僅僅包括氣體，或者還包括焦油物。進而，其殘余焦炭能夠由于表面反應過程而在氧中被點燃。這一反應物還可能是CO ,T4C)或H:，面且可能不存在可見火焰，但煤的反應卻在繼續(xù)進行。這一過程已在上一章中詳細描述。著火通常用這樣一個時間來表征，即在特定的一組條件下，達到某一溫度或出現(xiàn)可_見火焰，或達到燃料的一定消耗量所

11、需的時間。然而不存在惟一不變的著火時間J影響煤的著火溫度和著火時間的十分重要的變量包括:煤種、系統(tǒng)壓力、揮發(fā)分含量、氣體成分、煤粒尺寸、煤中水分含量、煤粒尺寸分布、停留時間、氣體溫度、煤的濃度或質量、表面溫度、氣體速度、礦物質百分數(shù)、磨煤后煤的老化等二控制著火過程的各種變量強烈地取決于煤粒的形態(tài)，著火溫度和著火時閱的范圍。煤的著火依然可以采用第2章中所描述的各種著火理淪來描述，如按照Semenou熱力著火理論，著火點的判別可以用臨界條件: （7-39） （7-40）來判別，所得到的熱力著火溫度為臨界著火點煤粒與周圍氣體的溫度，而在強迫著火過程中，環(huán)境溫度很高，遠高于臨界著火溫度，因此，在顆粒溫

12、度達到環(huán)境溫度時，反應已進行得相當劇烈，即，這就必然在更高的溫度點達到生成熱和散熱的平衡。這個溫度實際是溫度曲線的轉變點溫度，也就是實際強迫點火下的著火溫度。如果假定著火前質量消耗忽略不計，即為常數(shù)，則煤粒的方程為: （7-41） （7-42）其中 （7-43）則Semenov的臨界條件可以表示為: （7-44） （7-45）考慮如圖7- 2所示的煤粒溫度在著火過程中的變化規(guī)律，式(7-44)和（7-45）所示的狀況相當于圖中的曲線，可理解為一冷的煤粒投人溫度為（臨界著火點氣體溫度)的空氣中，滿足。的條件。圖7-2所示的曲線，滿足，但，相當于一冷煤粒投人溫度低于的空氣中，未能著火，最后停留在一

13、個較低水平的平衡之中。而曲線，相當于冷煤粒投人溫度高于的空氣中，即通常的熱點火工況，此時，環(huán)境溫度遠高于著火溫度，恒定，即，著火顯然將成立。一般地可定義溫度曲線的轉變點，即的點為著火點，此點的溫度為著火溫度。由此，著火條件應為: （7-46） （7-47）圖7-2 在不同氣流的溫度下，顆粒在熱氣流中的溫度隨時間變化。該轉折點實際上就是在各種具體加熱條件下煤的著火溫度。這也就是我們所設計的各種試驗方法來確定的著火溫度。我們能較容易測量到煤的著火溫度，但也必須注意到正是這一點使著火溫度隨試驗條件而差異，而且缺少可靠的可比性。因此，在使用著火溫度數(shù)據(jù)時，必須注意其試驗條件。對于煤粒，我們可在單顆粒的

14、燃燒試驗中，通過記錄煤粒的升溫歷程，就可以在曲線上找到一轉變點，從而確定著火溫度。以上對均溫、均質系統(tǒng)是有效的著火判據(jù)，但實際情況遠比上述的情況復雜，例如單顆粒煤在升溫過程中，周圍存在溫度分布與濃度分布，如果發(fā)生揮發(fā)分的均相著火，著火點的確定就不是這樣簡單地用前面的Semenov判據(jù)。在第2章中已詳細分析過在考慮反應物濃度變化時判據(jù)的變化規(guī)律。對于各種實際的研究過程，人們采用了各種不同的試驗手段，也采用不同的著火判據(jù)。下面將各種著火判據(jù)歸納如下:(1) Semennv判據(jù)這是最常用的判據(jù)，即式(7-46)和式(7-45)所確定的判據(jù)，如對煤粉群著火時的著火溫度的判別，采用的即這一方法。（2）絕

15、熱判據(jù)(Vans Hoff判據(jù))絕熱判據(jù)即對于點火時，用,即當在可燃質溫度場中的溫度梯度由于可燃物的燃燒出現(xiàn)，'當燃燒釋放的熱量在局部“積累”而無法傳出時，即為出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象，這一著火過程在第2章中也已詳細分析，在Steven的煤聯(lián)合著火模型中就采用了這一判據(jù)。(3)煤總體質量消耗率躍遷判據(jù)當煤的質量消耗率發(fā)生突變，使反應狀態(tài)由動力控制轉變?yōu)閿U散控制時，該轉變點即為著火點，該判據(jù)對于同時考慮多相反應和均相反應的著火模型時很方便，可以避免上述方法帶來的實質上的困難，如文獻所示的著火機理研究中采用了此法。（4）氣體可燃濃度判據(jù)即混合可燃氣體的濃度達到高溫混合氣體可燃濃度極限時，開始著火。從這

16、個定義看出，這個判據(jù)用于均相著火，這在上一章中已經(jīng)闡述，如章明川等的煤揮發(fā)分著火模型。(5)恒溫壁面系統(tǒng)超溫判據(jù) 即，當氣流溫度高于當?shù)乇诿鏈囟葧r，氣流將放熱給壁面，定義此點為著火點，該判據(jù)相當于，在一維著火試驗中，常用此判別方法。(6)閃光法隨著光學檢測系統(tǒng)的完善?，F(xiàn)代燃燒研究利用燃燒發(fā)光這一現(xiàn)象而采用出現(xiàn)“閃光”作為著火的判據(jù)已經(jīng)成為著火的主要判據(jù)之一。特別是在高強度高速加熱條件下的著火研究，更是必須用光學方法才可能進行精確測量，如激光點火的研究中。(7)其他判斷著火的方法除了上面幾種。還有如爆炸法，以群體發(fā)生爆炸作為著火點;還有壓力突升法，以容器內可燃物壓力突升為著火判據(jù)等等。7.2煤著

17、火的試驗研究方法7.2.1著火試驗類型如上述，著火問題的核心是著火點的確定，著火溫度的試驗方法很多，但總的可分為四大類。(1)控制顆粒試驗法該法即把煤粒掛在絲上.迅速放人加熱爐中，或把少量煤放置于熱重分析儀中燃燒。著火點的判斷有觀察火焰法和由溫度曲線求轉變點的方法，后者應用較多，重復性好，而采用火焰觀察法時，誤差較大。(2)自由運動法該法將少量煤粉投人爐中，以出現(xiàn)火焰為著火，該法由于煤粉不均勻性而使測量不準確，在前期的著火研究中，多用此方法。(3)群體爆炸法該法通常用于研究粉塵的爆炸.用電火花等點火，研究火焰的傳播也常用此法(4)連續(xù)流法該法將煤粉氣流連續(xù)通過一加熱管，測量氣流溫度比與地壁溫高

18、的點為著火點，或直接觀察火焰的形成為著火點，該方法力圖模擬實際燃燒裝置，因此所得到的數(shù)據(jù)與實際情況較接近，被認為是測著火溫度的準標準方法。大量試驗研究表明。試驗方法的不同如加熱條件、環(huán)境溫度控制、流動條件的變化，會有不同的結果，因此，人們開始認識到統(tǒng)一試驗方法的必要性。7.2.2煤著火試驗裝置的發(fā)展及評述一、發(fā)展對煤塵的著火的研究是最早的煤著火的研究，當時主要出于對安全性的考慮。100多年來，煤的著火的研究進展較慢，但所用的試驗裝置五花八門，種類十分繁多。一般來說，這種裝置為熱爐、熱滬帶點火器或者直接用火焰或熱線網(wǎng)等，圖7-3所示為一種早期的試驗裝置，煤粉塵被均勻地散布在水平管中，用適當?shù)姆椒?/p>

19、使煤粉成云霧狀(例如突然轉動)，煤粉云被一端的小火焰點燃，煤粉火焰的燃燒著火特性司由火焰沿管子傳播的距離來描述，如果火焰到達另一端則用一懸吊一端的木髓球的運動來描述。圖7-3 Vital所用裝置 這一簡一單的試驗裝置已表示了一個著火試驗裝置的三個基本要素，即：產(chǎn)生煤粉云的方法、點燃方法和燃料著火響應的鑒別。許多試驗技巧當時已很好。甚至優(yōu)于現(xiàn)在的方法，特別是在形成分散的煤粉云方面。例如一個1891年所發(fā)明的裝置，通過向水平管吹氣的方法吹出一個小樣品，再用連續(xù)火花點燃煤粉酉，這樣煤粉云可以以一定的速度流過火花。但問題是運動中的煤粉云如何影響著火過程無法清楚獲得。后來的研究者采用水平管但點火方法不同

20、，可能用火焰、電熱絲、或外加熱管等。外加熱管的一個例子就是用本生燈。另一個方法是用一個短的電爐點火。后來，爐子由水平改為立式，爐子一也加長廠，這就成為現(xiàn)在廣泛使用的標準爐，即Godbert-Greenwald（G-G）試驗爐。在這種情況下，然料著火按最小所需能量來描述。 對水平和下噴方式的一個可能的改變是川向上噴粉的方案，從裝置的底部的壓力容器中引人壓縮空氣脈沖向上送人煤粉，在頂部加一個點火塞點火，通過記錄壓力一時間曲線來描述其著火過程，這一方法目前成為標準的Hartmann試驗爐，也得到廣泛的使用Hartmann方法通過確定點火能或壓力變化來描述著火過程。另一形成煤粉云的方法是用充滿有煤粉的

21、一個環(huán)形封閉管，用風機驅動。目的是在環(huán)管中產(chǎn)生均勻的煤粉云的條件，但試驗失敗了。事實是所得到的煤粉云在所需的區(qū)域不均勻，且存在離析作用，現(xiàn)在已經(jīng)有理由確信這種方法還存在另外的問題，其中點火也是一個問題。二、評述從上面的發(fā)展可以看出，有多種不間的裝置用于燃燒著火研究，目前有二種裝置作為“標準”的試驗裝置而被廣泛使用，一種是Wheeler的水平管試驗，采用熱線圈點火，如圖7-4所示，一種是Godbert-Greewald （G-G）立式爐管式試驗裝置，如圖7-5所示:另一種是Hartrnann試驗裝置，如圖7-6所示，它們分別表示水平、下噴和上噴三種形成煤粉云的方法，圖7-7示出了一種改進的產(chǎn)生均

22、勻煤粉云的方式。由于在這些裝置中煤粉云的運動的復雜性，顆粒分布不同等原因，測k i_結果顯然有很大的不同。如圖7-8所示為兩種試驗方法的著火源溫度測量結果，發(fā)現(xiàn)相關性很差。相關竹的缺乏事實上似乎表示了試驗裝置問題的兩個不同側面，其中之一就是煤粉云形成的問題，另一個問題就是著火試驗目的。圖7-4Wheeler水平管實驗裝置圖'7-5 Godbert-Greenwald垂直爐管簡圖圖7-6 Hartmann試驗裝置圖7-6原始設計點火器簡圖 正如上述，均勻的煤粉云的產(chǎn)生是一個最重要的間題，用脈動氣力輸送同樣也有一定問題。在水平擴散，如在Wheeler試驗中，當煤粉分散得比較好。則線圈溫度就

23、下降了，因此著火時的溫度和能量消耗就顯然不明確。在下噴情況，如在G-(r試驗中，用于引射煤粉的空氣的體積與爐子的體積是相當?shù)模瑺t內的熱空氣就會被冷空氣所代替，這樣著火就與加熱這些冷;空氣的條件有關聯(lián)，甚至在冷空氣中的顆粒完·全由爐內輻射加熱著火，因此，顆粒和氣體在著火時的溫度就成為不確定。在上噴情形，即Hartmann試驗裝置中，煤粉云的條件更加多變而不確定。無法確定著火是發(fā)生在煤粉云上升、下降還是穩(wěn)定時，在局部的煤粉濃度變化很大。 圖7-8 點火試驗比較:Wheeler試驗與Godberr-Greenwald試驗點火源溫度測量變化情況三、著火試驗中存在的問題 如上所述的不確定性，圖

24、7一8所示的兩種不同試驗方法得到的結果不一致幾乎是不可避免的。另有一個可能的因素要考慮，即試驗裝置本身能影響得到的結果，這有幾種可能的影響，在點火試驗的測童過程中問題就會突出。在第2章中已經(jīng)定義了所謂的著火溫度，就是我們測量的目標，一個需要的推論是煤粉云的著火溫度和點火源溫度之間的關系。從原理上講，這個關系可以用近似理論分析方法來建立，實驗人員也知道這一差別，就用“相對著火溫度”的概念來加以區(qū)分。但是許多文獻發(fā)表時往往把“相對”兩字忽略而引起謬誤。一般典型的煤的著火溫度為500 - i o0a C，這與在工業(yè)上的實踐完全不一致，如對煙煤的磨煤機出口溫度要求控制在7a-c以下，褐煤則要用惰性的煙

25、氣作為千燥介質。這個區(qū)別實在是太大了。這個區(qū)別可以用統(tǒng)計的情況來解釋，有兩個主要的因素影響著火源的溫度，一個是煤粉云流過著火源的速度和著火源的尺寸，當然還有煤粉云濃度和顆粒尺寸。Wheeler曾對速度和穿越時間的影響作了研究，通過降低氣流的速度延長停留時間，可以減少相對著火溫度大約。點火源的尺寸的影響可以如圖'7.8所示，Wheeler方法為小點火源尺寸，G-G爐為大尺寸，這使著火溫度差別達。圖7-9示出了煤粉云的穿越時間對著火源溫度的影響，從圖中可以看出，這一曲線的變化是非常明顯的。上述的缺陷，使人們繼續(xù)尋找新的研究方法，即單顆煤粒的著火研究，使試驗因素的影響如空氣等減至最小，也不存

26、在煤粉濃度的影響。同時，還用熱爆燃理論來分析單顆粒著火的試驗結果。這表明單顆煤粒著火研究給煤的著火研究帶來了轉機。由于單顆粒著火實驗上易于實現(xiàn)，理論上易于分析解釋，所以，現(xiàn)在仍有大量研究者以單顆粒研究煤的著火間題，在現(xiàn)在所用的單顆粒著火研究裝置中，以同時記錄粒子溫度、失重的沉降爐法最普遍，并同時應用熱力著火理論，判斷著火點。但著火溫度并非物質的物性參數(shù)，畢竟與實際著火條件有關。因此，單顆粒的結論難以直接運用到工程中。因此，顆粒群的著火研究仍然不能忽視，由于熱力理論的運用，人們對顆粒群著火的研究也取得了重大進展。單顆粒與顆粒群著火的研究結果差別較大，主要是由于兩.點:一是單顆粒著火研究所預測的著

27、火溫度比顆粒群的高;二是按單顆粒所預測的著火溫度在粒徑變細時升高，與群體試驗相反。解決這兩個問題，主要借助于熱力理論與著火機理。首先，單顆粒著火機理與多顆粒是不同的，Kalied和Nettleton最早做了兩者的對比分析工作，Van Geel則進行了對比試驗，用濃度影響分析了著火溫度的差異，主要注意到了顆粒的熱平衡條件。原蘇聯(lián)學者則全面考慮了氣固兩相傳熱、傳質等情況。建立微分方程組，解決了這一問題關于第二點，Krishna和Berlads用顆粒群體的熱平衡方程.得出了與實際相符的結果。并解釋單穎粒著火情況，他們把顆粒群看成一個均勻球體。得出 (7-47)式中 r粒子半徑; R顆粒群半徑; 粒子

28、密度; D一一顆粒群密度口 對單顆粒，上式可簡化成圖7-9煤粉云霧穿越時間對點火源溫度影響7.2.3典型的煤著火試驗研究方法介紹一、單顆煤粒著火試驗研究方法如圖7-10所示，為一典型的管式沉降爐單顆粒試驗臺，這個試驗臺是浙江大學實驗室的一個典型臺架。管式爐內徑60mm,深400mm,整個爐體通過重物和滑輪，懸吊在臺板上，可上下移動此管式爐，管式爐的壁內裝電熱絲，功率為6kW，能在數(shù)分鐘之內將溫度升高到以上。壁面溫度通過埋在管式爐內壁的熱電偶測量，氣流溫度通過插人爐內的熱電偶測量，壁面溫度通過溫控儀控制。試樣懸掛在一固定不動的熱電偶上，上、下移動爐子的位置，即可將試樣放人或退出爐子。熱電偶的二端

29、掛在失重儀的鉤子上，并與平衡記錄儀相接，因此，可以記錄煤粒中心溫度的整個變化過程。失重儀為霍爾位移線圈，通過記錄感應片的不同位置而輸出一定的信號，信號經(jīng)過變送器，轉化為具有良好線性度的電壓信號。再輸入平衡記錄儀，記錄試樣的失重過程。失重過程的記錄現(xiàn)在也可用電子天平代替并將數(shù)據(jù)采集到計算機中。圖7-10。沉降爐單顆粒試驗臺 通過單顆粒著火試驗研究可以得到溫度、氣氛、顆粒大小、煤種等因素變化對著火點的影響(著火溫度、著火時間)。圖7-11所示為煤粒溫升失重曲線。圖7-11 漿滴溫升失重曲線 二、小型電加熱流化床試驗系統(tǒng)浙江大學提出一個用在小型流化床爐對煤粒著火過程的溫度響應特性來表征煤的著火特性的

30、方法。如果我們將一定量的煤粒投入已處于一平衡狀態(tài)下的高溫流化床中，煤粒著火前后的吸放熱效應將破壞流化床的熱量平衡，從而引起床溫的變化，圖7-12示出典型的流化床床溫響曲線形態(tài)。圖7-12給出的床溫響應曲線上標有三個特征假，其中之一是床溫開始回升時所對應的時間(min)，另外兩個是床溫升至最高點時所對應的時間(min )和床溫。由這個特征值定義了一個所謂著火指數(shù)FI作為特性參數(shù)，即: （7-48）式中，為煤粒投人前流化床在熱平衡狀態(tài)下的床溫（）圖7-12 煤著火過程中床溫變化著火指數(shù)具有溫度變化速率的因次，它綜合地反映了煤的著火對流化床溫度變化的影響。由式(7-48)可知，時間和越短，床溫變化（

31、）越大，F(xiàn)I值越高，說明煤的著火反應特性越好。實際相應于流化床由放熱(因投入煤粒吸熱)而降溫轉為由吸熱而升溫所需的時間，基本上與煤粒的著火孕育時間相對應，值越小，說明煤在進人流化床后的著火越迅速。而和（）則表征煤在著火后的燃燒反應強度，著火反應越強烈，則床溫達到峰值所需的時間t，也就越短。同時，由于反應放熱強度大，達到峰值時的床溫變化（）也越大。因此，著火指數(shù)比較全面地表征了煤在流化床燃燒過程中的著火特性。試驗采用的是一小型的電加熱流化床，測量系統(tǒng)如圖7-13所示。圖7-13測定裝里簡圖 其中床體是一內徑為30mm,高280mm的螺紋瓷套管，功率為1kW的電阻絲纏繞在瓷套管外部、從功率分配方面

32、，加熱主要集中在沸騰段，集中纏繞區(qū)安排在距布風板約100mm范圍內口布風板采用多孔硅酸鋁纖維板，上下由耐熱不銹鋼網(wǎng)壓緊。瓷套管與流化床外壁之間的環(huán)形區(qū)內充填硅酸鋁纖維，用以保溫。電加熱系統(tǒng)由鐵鉻鋁電阻絲、調壓器、控溫儀及NiCr-NiSi愷裝熱電偶組成，控溫所用的熱電偶測點布置在距布風板35mm處，熱電偶插人瓷套管軸心處，流化空氣用離心式風機供給，流量采用轉子流量計測定，并有一風量調節(jié)閥以使風量維持在額定值。本試驗系統(tǒng)除在電加熱部分安置一個愷裝式熱電偶用于控溫儀的輸人信號外，為測量著火引起的床層溫度變化，還從床層頂部插人一支鎳鉻一鎳硅熱電偶，該熱電偶測點距布風板40mm，該熱電偶輸出的溫度信號

33、通過臺式自動平衡記錄儀連續(xù)記錄。在一定條件下，首先進行了床溫與加熱功率的標定試驗，以找到能穩(wěn)定地維持一定床溫所需的加熱功率值。在此加熱功率下，控溫儀不投運時的床溫亦能穩(wěn)定不變，此時爐子的總散熱量將全部由電加熱來補償，也即系統(tǒng)處于動態(tài)熱平衡狀態(tài)。因此，當煤粒投人后，其床溫的變化將完全由煤的被加熱及燃燒放熱而引起，煤粒投人床層后床層溫度的變化歷程連續(xù)地記錄在臺式平衡記錄儀上，最后根據(jù)測得的溫度變化曲線確定特征值，和。再用式（7-48）求出著火指數(shù)FI。圖7-14示出了兩種典型煤的床溫動態(tài)變化曲線，可見，不同煤種其反映在流化床內的著火和燃燒特性具有顯著差異。圖7-14大同煤和興隆混煤的床溫變化曲線表

34、7-1所示為典型的十種煤的著火指數(shù)測定結果。表7-1流化床，火指數(shù)測定結果 參 數(shù)煤 種（min）（min）貴州水城0.102.3893614.55 興隆混煤0.213.3895013.95 邢臺章村0.103.409308.57 京西無煙煤0.103.389257.19 廣東陽山0.161.7592513.12 王封洗矸0.101.889179.09 王封洗中0.101.8892512.66 大同煤0.172.3096225.17 四川松藻0.102.309229.17 西山洗矸0.101.569158.80從表7-1中可以看出，在以上10個煤種中，大同煤的著火性能最優(yōu)，而京西無煙煤的著火性

35、能最差。對照煤質分析數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，大同煤是反應性較好的煙煤，而京西無煙煤反應性很差，這就是說煤種的反應性決定了其在流化床燃燒條件下的著火特性，進一步引人作為衡量煤種反應性的指標，并與實測的各煤種著火指數(shù)進行了相關分析，得出了圖7-15所示的結果。 圖7-15 著火指數(shù)與的關系可見著火指數(shù)FI隨煤種反應性指標具有相當單調的變化規(guī)律，越高的煤其流化床著火性能越佳，通常的作用主要體現(xiàn)在比著火略為超前發(fā)生的揮發(fā)分析出過程中煤種本身的物理化學變化，而灰分主要體現(xiàn)在著火后期對煤粒燃燒性能的影響，圖7-15所示的試驗結果表明了所提出的著火指數(shù)反映廠煤種的著火性能。三、煤粉氣流著火評價裝置對于煤粉氣流著火機理

36、的研究.國內外更多的是采用滴管爐系統(tǒng)來進行評價，正如前面所述，煤粉著火研究的關鍵是獲得合適的均勻的煤粉云氣流。圖7-16所示為一試驗所用滴管爐系統(tǒng)，它由加熱系統(tǒng)飛送風系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和給粉器等五個主要部分組成。加熱系統(tǒng)由試驗主爐和兩級空氣預熱爐組成，主爐是試驗裝置的核心部件、由直徑為35mm，總長為lm、有效加熱長度為0.8m的剛玉管、發(fā)熱元件硅碳管、保護用剛玉管、保溫材料及爐外壁等組成。爐內溫度最高可達1500 ,煤粉在爐內的停留時間約為0. 4s。兩級預熱爐用來加熱二次風，加熱方式為高鋁管外繞加熱絲，二次風溫可達400送風系統(tǒng)由空氣壓縮機、輸氣管道和流量計等組成，空氣經(jīng)壓縮機后分一

37、次風和二次風兩股，二次風可經(jīng)預熱爐加熱后送人主爐口一次風送入給粉器以攜帶煤粉，在主爐人日h部的混合段與二次風混合后進人爐膛。混合段是長度為130mm的圓管段，一次風和二次風均由其上端徑向進入。由張少鴻等人的研究結果推斷，由于顆粒的彌散作用，130mm的長度足以保證風粉在進人爐膛時己混合均勻。取樣系統(tǒng)安裝在主爐下部，由水冷取樣管、旬體取樣濾盒及抽氣泵等組成，水冷取樣管可在滬內上下移動以收取不同位置的固體和氣體樣，固體樣留作分析用，氣體樣送分析儀進行分析、測量，此外，還與水冷取樣管平行加裝一支熱電偶用來測量爐內燃燒溫度。控制系統(tǒng)由測溫熱電偶，控溫凋壓器和顯示儀表等組成，用于控制二次風溫、維持主爐的

38、升溫速度和預定的溫度水平。 圖7-16滴管爐系統(tǒng)示意圖 圖7-17沸騰式給粉器結構示意圖給粉器是滴管爐系統(tǒng)的關鍵部件之一，當用于高濃度煤粉氣流燃燒特性研究時所需要的給粉量比用于煤粉化學反應動力學研究時的給粉量高得多，一般在110 g/min之間，因此保持給粉器給粉的均勻性和連續(xù)性是保證試驗可靠性、高精度和重現(xiàn)性的關鍵。系統(tǒng)所使用的沸騰式給粉器結構如圖7-17所示。 給粉器分為風室和沸騰室兩部分，其間由布風板隔開。布風板采用的是120目的銅絲布門給粉日設在沸騰室的濃相區(qū)，一次風分兩股進人給粉器，一股進人風室以流化煤粉，一股由給粉日處進人沸騰室以稀釋給粉口處的煤粉濃度。在運行過程中將給粉器的三個調

39、節(jié)閥的開度周定，通過調節(jié)總一次風量來調節(jié)給粉量和給粉濃度。給粉器在運行一段時間達到白平衡后，對給粉量進行標定，所得的給粉器特性曲線如圖7-18聽示?？梢钥闯?當總一次風量在27L/mrn范圍內變化時，給粉量可以在110g/min之間連續(xù)調節(jié)。用于攜粉的風量由一次風流量和乏氣流量相減而得到，實際使用表明。給粉器的性能可以較好地滿足試驗的要求。圖7-18 給粉器特性曲線采用滴管爐研究單顆粒時，一般都是用盡可能少的空氣攜帶少量煤粉注人爐膛，由于煤粉量和空氣量極少，對爐內氣溫兒乎沒有影響，這時顆粒主要接受與爐壁等溫的氣體加熱。但是，當用于研究煤粉氣流著火特性時，氣體流量和煤粉量很大，若仍采用細管注射，

40、煤粉氣流的彌散及其與爐內氣體的混合較差，造成流動混亂和煤粉濃度分布不均，特別是在人口附近，難以接近一維層流流動。為了消除這一不利影響，本文采用連續(xù)煤粉氣流，讓一次風、二次風和煤粉充分預棍后進人爐膛。由于混合段一與爐膛幾乎等直徑，這就保證了爐膛內的煤粉氣流是均勻穩(wěn)定的一維層流，煤粉氣流接受爐膛的輻射加熱和對流加熱。 試驗時在爐膛出口附近放置一片反射鏡，利用反射鏡觀察爐內燃燒情況，在爐溫以一定的速度(約10)升高的過程中，當觀察到煤粉氣流在爐內形成明亮的火焰時，對應的爐壁溫度記為煤粉氣流的特征著火溫度，顯然這是一種相對著火溫度。圖7-19示出了典型的試驗結果，結果表明，影響煤粉著火的主要因素除了煤

41、種之外，還有煤粉濃度、煤粉細度、氧濃度等因素。圖7-19 煤粉濃度與著火溫度的關系四、群體爆炸試驗方法群體爆炸法用于粉塵的著火和爆炸，對于一般煤粉的燃燒研究也有一定價值，圖7-20示出了一個典型的用于爆炸法研究的試驗裝置，主要也是由煤粉擴散裝置，爆炸試驗用壓力容器及壓力傳感器所組成。這種裝置對于測定燃料的各種著火濃度、壓力及溫度界限特別有利，文獻G52所描述的煤粉自點火裝置及文獻652所述的壓力熱柵試驗裝置（pressuredheated-grid apparatus)都屬于這一類試驗方法。楊建軍等采用激波管煤粉點火，也屬于群體爆燃的方法，這里不再詳述。圖7-20 承壓爆燃試驗臺及系統(tǒng)簡圖五、

42、煤的激光引燃著火試驗方法用激光輻射來研究著火與燃燒和傳統(tǒng)的方法相比有兩個大的優(yōu)點:首先是輻射源可以放置在被點火對象一定距離以外，且可消除由于壁面、爐膛等輻射面或其他源的侵人而引起的不確定性，試驗系統(tǒng)也變得十分簡單。其過程的光學特性易于獲得，可以進行直接觀察和直接溫度測量;其次是大功率的能量流可以應用并集中在一個點、一片和一個小錐形體內，這提供了直接向一個特殊的著火模式輻射能量的可能性。圖7-21所示為一個典型的用于測量單顆煤粒著火的裝置，裝置由煤樣，Nd-Yag激光器、高速攝像系統(tǒng)和光電倍增管系統(tǒng)等組成，圖7 -22所示為一個用于煤粉連續(xù)流的著火的激光試驗裝置，在這個系統(tǒng)中可以改變著火過程的氣

43、氛，各種測量的方法與上述基本相同，還有一此裝置如文獻649,622,663所描述，其結構都大同小異。研究表明，在高強度燃燒時，存在高度的非線性過程，其著火在均相和非均相之間游動，_且著火特性與一般著火特性有較大區(qū)別。圖7-21 激光點火試驗臺架(單滴) 圖7-23所示為典型的光電倍增管（PMT）所記錄的純碳粒子、無煙煤粒及高揮發(fā)分煙煤的著火和燃燒特性，圖中最高的脈沖反映了激光脈沖點燃的作用時間，對碳粒和煙煤，脈沖作用時間為lms，對無煙煤為3ms，這主要是考慮樣品的有效熱導率、比熱、密度的變化而引起無煙煤粒達到熱平衡較慢。注意到三個樣品的反應時間是不同的，純碳粒大約為5080 rns，煙煤為4

44、070 ms，而無煙煤則持續(xù)只有1530 ms ,另一個不同是煙煤有兩個寬的峰值，而無煙煤和純碳只有一個峰值，這可能可以看作是煙煤著火時有兩種模式的存在，下面還將詳細闡述。圖7-22 煤粉激光點火試驗裝置圖7-23 PM'T示蹤點火和燃燒狀況六、煤粉著火距離的測量Csaba測量了當煤/空氣比變化時為保持固定不變的著火距離所必須的進入燃燒室的反應物流進日速度的變化情況。測量系統(tǒng)的幾何尺寸如圖7-24所示。 圖7-24 Cssba（1964）所用的著火燃燒室 燃燒室由一個高0. 84 m.半角的隔熱圓錐體與它相連的一個耐火磚砌的方形燃燒室組成?；鹧媲把乇３衷诰鄨A錐體進口0.6m處的平面上，

45、在著火平面處圓錐體的寬度為0.1m。圖7-24中給出廠11個溫度測點的位置。1到4點用熱電偶側量壁溫溫度，8到11點用隱絲式光學高溫計測量火焰撇度。在早期所用的錐體上，57點曾經(jīng)是裝熱電偶的位置而且得到的僅僅是壁溫讀數(shù);在以后使用的錐體上，在這些點也用隱絲式光學高溫計測量火焰溫度。相應地，火焰的有效溫度分布為811或511點讀數(shù)的時間平均值。燃料特性如表7-2 ,燃料與全部空氣流在 = 293K溫度下預混后送人圓錐體。表7-2 Cssba（1964）進行的著火試驗的燃料特性（轉引自文獻） 水分(爐前樣)3%灰分(爐前樣)13%揮發(fā)分(爐前樣)33%所需化學反應當量空氣量6.9 Nm/Kg凈熱值

46、26371 J/g粒度分布:大致符合Rosi。一Rammler特性X=104 ，指數(shù)=1.84與燃料具有相同比表面積的球體直徑56 對于固定的。.6m的著火距離，進口速度和有效火焰溫度隨煤粉濃度不同而變化，其情況如圖7-25。由于燃燒室呈錐體形狀.表述進口速度有一定的困難。這里采取的辦法是算出一個當量進口速度，這一速度是假定進日截面積為著火平面的截面積時，也即其直徑為0.1m時反應物流所應具有的速度。為了得到進日速度的預測值用以與每一個觀察值進行比較，按下列內容進行數(shù)值求解: 如圖7-25所示=523 K (Csaba未給出選定此值的依據(jù))圖7-25對0.6m的固定著火距離，進口速度與火焰溫度

47、隨煤粉濃度的變化關系 計算公式為: 式中 ; 氣體比熱; 顆粒比熱; 顆粒密度; 一一初始濃度; 初速濃度;一一著火溫度;著火時間。 按照不同煤粉濃度下所觀察到的溫度計算出的進口速度的預報值隨煤粉濃度而變化的情況也畫人了圖7-25中?？梢钥闯鲞M口速度的預測值基本上與從Csaba試驗得到的當量速度相近，但當濃度低于bg mz時，數(shù)量的一致性就很差了。采用比623K更高的著火溫度假定值將使曲線移向更低處。也許比精確的數(shù)字更重要的是這樣、一個事實，即預報值曲線和測定值曲線的總的形狀不同。Csaba討論了這種差異但并未對其原因作出任何結論，也許在理論模型中存在著一些根本性的不適當?shù)挠嬎悴襟E，也許是燃燒

48、室的幾何尺寸使得理論模型根本無法與那些試驗數(shù)據(jù)相比較。7. 3煤的著火模式上面的實驗研究的分析，特別是誤差分析等理論分析工具的應用，這對于總結和分析實驗數(shù)據(jù)、對不同實驗方法的比較等特別有意義。應該說早期的研究都認為煤的著火總是在氣相中發(fā)生，即煤粒加熱后，釋放出的揮發(fā)分與空氣中的氧混合后，在一定條件下著火，然后迅速燃盡，揮發(fā)分燃燒產(chǎn)生的熱量使殘留焦炭被加熱，達到焦炭的著火溫度后，焦炭才開始燃燒直至燃盡。直到21世紀60年代中期，Howard和Essenhigh首先從實驗中證明上述結論并不全部適用。他們對100的Pittsburgh煙煤顆粒的著火研究發(fā)現(xiàn)著火是在表面上進行，而揮發(fā)分的大量析出是在可

49、見火焰峰面后3040ms，才發(fā)生的口后來，Thomas等用高速攝影方法對氣流中的褐煤粒的著火作了仔細觀察，表明對于1000um這樣大的顆粒存在非均相著火。Bandyopadhyay和Bhaduri則采用準穩(wěn)態(tài)著火理論假設表面著火使結果和實驗更相符合而進一步證明褐煤、無煙煤和煙煤粒都有非均相著火。但Nettleton和Stirling則對暴露在震動的熱氧氣中的煤粒的著火進行了研究，他們對著火后的煤粒的結構的分析及對著火溫度與臨界溫度(相應最大揮發(fā)分析出率時的溫度)進行分析，認為這些試驗的結果是氣相均相中發(fā)生著火的。他們在后來的試驗中加人一些阻燃劑，阻燃劑顯然抑制了氣相反應，并表明阻燃劑對著火溫度沒有影響。據(jù)此，他們也開始認為可能著火發(fā)生在煤粒的表面。而Wicke在這一點上有不同的觀點，這種阻燃劑覆蓋了煤的反應活性表面而影響非均相反應動力學，這也就是說煤的表面著火機理也可能導致表面著火溫度的變化。Howard和Essenh咭h指出存在一個一定的顆粒臨界尺寸，此處火焰固定在顆粒表而上，這個事實表明對于小