生物质锅炉固定碳燃料中氧化还原反应及反应速度

2019-11-02

生物质气化锅炉然料固定碳燃烧阶段中剩余的固定碳在挥发分点燃前期被包围着,氧气不触碰碳的表面,待一段时间后,挥发分燃烧即将终结时,如果氧气触碰到炙热的碳,就可发生燃烧反应。

约翰节能生物质锅炉然料固定碳燃烧阶段的氧化还原反应。碳的燃烧,基础理论上可按以下两种反应进行,即

C+O2=CO2, ΔH=-408.177kJ/mol                (3-10)

2C+O2=2CO, ΔH=-246.034kJ/mol               (3-11)

事实上,碳和氧不是依照式上式原理进行放热反应的,上面两个公式,只是表示整个放热反应的原材料平衡和热平衡罢了。其实,在高溫下,当氧与炙热碳表面触碰时,一氧化碳与二氧化碳会同时产生,大部分按式(3-12)与式(3-13)反应,即

4C+3O2=2C02+2CO2+2CO                       (3-12)

3C+2O2=2CO+CO2                                             (3-13)

这两个反应是碳与氧燃烧过程的首次反应,碳与氧先转化为中间碳氧络合物(C304),再转变成二氧化碳、一氧化碳,即

络合: 3C+2O2=C304                                      (3-14)

离解: C3O4+C+02=2CO+2C02                 (3-15)

燃烧反应是由氧被吸咐到固体碳表面、络合、在氧原子的碰撞下离解等诸阶段串接而成的。

温度略小于1300℃时,吸咐阶段速度常数很大,此步骤可忽略不计。因此表面上的氧耗费速度(即燃烧速度)为络合和离解速度所控制,当表面上的氧浓度Cb很小时,为一级反应,反应速度取决于频率不高的氧分子碰撞而引起的离解的速度;当表面上的氧浓度Cb很大时(如纯氧中点燃),为零级反应,反应速度在于较慢的络合速度。

温度大于1400℃时,碳氧络合物(C304)在氧原子碰撞前,自热分解,这种热分解是零级反应,反应式为

C3O4=2CO+CO2                                 (3-16)

这时吸咐最艰难,且是一个与表面氧浓度成正比的一级反应,即碳与氧的反应原理是由化学吸咐所引起的。随着温度T上升,吸咐速度变快。

约翰节能生物质锅炉然料固定碳燃烧阶段的氧化反应,碳的燃烧所产生的一氧化碳量的多少,由温度的高低和空气需求量多少决定,900-1200℃时主要按式(3-12)进行反应,在1450℃以上时,则主要按式(3-13)反应。


 

约翰节能生物质锅炉氧化还原反应中碳和二氧化碳的反应。碳与氧燃烧过程的首次反应所产生的 二氧化碳、一氧化碳又可能与碳和氧再次发生化学反应。它们是碳的异相气化反应,反应式为

C + CO2 = 2CO,  ΔH = +162.142kJ/mol (3-17 )

以及在气相中进行的燃烧反应,反应式为

2CO + O2 →2CO2 ,  ΔH = -570.320kJ/mol ( 3-18 )

式(3-12)、式(3-13)、式(3-17)和式(3-18) 这4个反应在燃烧过程中同时交差和平行进行着。其中碳和二氧化碳的反应,又称气化反应或二氧化碳的还原反应,是一个吸热反应。在这个反应的进程中,二氧化碳也是首先要吸咐到碳的结晶上,形成络合物,随后络合物分解,最后再让二氧化碳吸逸走。 络合物的分解可能是自动进行的,也可能是在二氧化碳分子的碰撞下进行的。

当温度略大于700℃时,最薄弱环节的是碳氧络合物的自主转化,此反应是零级反应:当温度超过950℃时,最薄弱环节的阶段是碳氧络合物受二氧化碳高能分子结构的碰撞下的转化,所以这个反应就转换为一级反应。

约翰节能生物质燃料锅炉。温度更高时,最薄弱环节的又变为化学吸咐,反应仍为一級。比如所述生物燃料气化中,碳和二氧化碳的反应为主要反应。在低温下(800℃以下),反应速度基本上等于零,活化能很大,而且仅当温度超出800℃之后反应速度才很明显,并且需到温度很高时,它的反应速度常数才超出碳的氧化还原反应的速度常数。



我们知道,飞灰黏结是生物质燃料燃烧的常见问题,约翰节能高温气化锅炉的飞灰粘结处理原理:

燃料在燃烧时,产生的燃料油滴在氧化之前,与炽热壁面接触,发生液相裂化和高温分解,易结焦。飞灰和油滴的混合物与换热管壁接触,会降低换热管束的换热效率。当混合气体进入较高的温度场和足够容积的二燃室,会让燃料油滴充分氧化燃烧,使飞灰不再携带燃料油滴,从而避免粘附在换热管壁。

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