焦炭和煤粉的燃烧

5.1.3　煤、焦炭和煤粉的燃烧

1.煤燃烧过程的四个阶段

固体燃料的燃烧过程，可以分为四个阶段：

（1）预热干燥阶段　煤受热升温后，煤中水分蒸发出来。这个阶段中，燃料不但不能释放出热量，而且还要吸收热量。

（2）挥发分析出并着火阶段　煤中所含的高分子碳氢化合物吸热而升温到一定程度会发生分解，析出一种混合可燃气体，即挥发分。挥发分一旦析出，会马上着火。

（3）燃烧阶段　包括挥发分和焦炭的燃烧。挥发分燃烧后，放出大量的热量，为焦炭燃烧提供温度条件。焦炭燃烧阶段需要大量的氧气以满足燃烧的需要，这样就能放出大量热量，使温度急剧上升，以保证燃料燃烧反应所需要的温度条件。

（4）燃尽阶段　这个阶段主要是残余焦炭的最后燃尽，成为灰渣。因为残余的焦炭常被灰分和烟气所包围，空气很难与之接触，故燃尽阶段的燃烧反应进行得十分缓慢，容易造成不完全燃烧损失。

实际燃烧过程中，以上各个阶段是稍有交错地进行的，将燃烧过程分为上述四个阶段主要是为了分析问题方便。例如在燃烧阶段，仍不断有挥发分析出，只是析出数量逐渐减少。同时，灰渣也开始形成了。

要使燃烧完全，必须实现迅速而稳定的着火，保证燃烧过程的良好开端。只有这样，燃烧和燃尽阶段才可能进行。只要燃烧及燃尽过程顺利进行，就可以释放大量热量，维持着火燃烧所需要的高温条件，又为着火提供必要的热源。所以着火和燃尽是相辅相成的。但着火是前提，燃尽是目的。

2.碳的燃烧反应

碳是煤的主要成分，碳的燃烧放热量较大，约占燃煤总放热量的60%～95%。又由于焦炭的燃烧是多相燃烧，其着火、燃烧和燃尽都比较困难。在创造热力条件上，焦炭的燃烧过程对煤的连续稳定燃烧具有重要的意义。研究煤粒的燃烧应首先分析碳的燃烧过程。

碳的燃烧与气化的化学反应通常为：

（1）一次反应，在一定温度下，碳和氧的化学反应可能有两种：

（2）二次反应，一次反应的生成物CO₂、CO与初始参加反应的物质——碳和氧再次发生反应，其反应方程式为

上述反应式（a）、（b）、（c）是多相反应，最后的反应式（d）是均相反应。在连续的反应过程中，一次反应和二次反应同时存在，生成同样的生成物CO₂和CO。

（3）C及CO₂与空气中的水蒸气产生附从反应，其反应方程式为

可以看出，碳的燃烧和气化的反应过程是很复杂的。

尽管各国学者在碳的燃烧和气化方面进行了很多研究工作，但对于碳燃烧的最基本的反应，即一次反应的生成物是什么及其对二次反应有什么影响等，至今还未完全认识清楚。由于各自的试验研究条件和分析方法的差异。对于一次反应，目前存在三种理论：

①氧和碳反应，首先生成CO₂，而CO则是CO₂与碳进行二次反应生成的。

②氧和碳反应，首先生成CO，因为CO很不稳定，它在碳表面生成后，便在附近氧的作用下，被氧化成CO₂，因此CO₂是二次反应的生成物。

③氧和碳反应，首先生成不稳定的中间络合物——碳氧化合物C_xO_y，其反应式为

生成中间络合物后，反应继续进行，但反应如何进行，又有两种说法：

a.络合物分解，同时生成CO和CO₂，其反应式为

比值n/m随温度的上升而增大，例如：

温度低于120℃时，为

温度低于160℃时，为

b.络合物先分解成CO₂，然后CO₂再与碳生成CO，即

目前，多数学者倾向于第三种理论，即一次反应首先生成中间络合物，然后再分解成CO和CO₂。

3.碳的多相燃烧特点

碳的燃烧反应是多相燃烧反应，即物质在相的分界表面上发生反应。这个相界面可以是物体外部表面，也可以是物体内部表面（内部表面的存在，是由于物质本身有缝隙）。内部表面是外部表面的延续，内外部表面间没有明显的边界，但内部表面为物体内部比较狭小的缝隙通道表面，不易与氧接触。当反应温度很高、固体燃料的反应性能很强，亦即燃烧反应的速度很快时，燃烧反应主要在物体的外表面上进行。

多相燃烧中，由于燃料与氧化剂的相态不同，在碳表面上发生的多相反应由下列几个连续的阶段组成：

（1）参与燃烧反应的气体分子（氧）向碳粒表面的转移与扩散；

（2）气体分子（氧）被吸附在碳粒表面上；

（3）被吸附的气体分子（氧）在碳表面上发生化学反应生成燃烧产物；

（4）燃烧产物从碳表面上解吸附；

（5）燃烧产物离开碳表面，扩散到周围环境中。

燃烧反应的这五个阶段是连续进行的，其中任何一个环节都会影响全局。因此，反应过程中最慢的那个阶段，决定了燃烧反应的速度。

在上述五个阶段中，吸附阶段②和解吸附阶段④进行得最快，燃烧产物离开碳表面、扩散出去的阶段⑤也较快，比较慢的是氧向碳粒表面的转移扩散阶段①和氧在碳表面发生化学反应的阶段③这两个阶段。因此，碳的多相燃烧速度既决定于氧向碳粒表面的转移扩散速度，也决定于氧与碳粒的化学反应速度，而且最终决定于其中速度最慢的一个。

4.多相燃烧反应的燃烧区域

根据燃烧条件的不同，可以将多相燃烧分成动力燃烧区域、扩散燃烧区域和过渡燃烧区域等三种燃烧区域（工况）。

由于煤中含有挥发分，因此煤的燃烧反应既有多相燃烧，也有均相燃烧。为简单起见，以碳粒的多相燃烧为例加以说明。

（1）如果将碳粒的燃烧反应当作一级反应，而且认为反应在碳粒外表面进行，即不考虑内部表面的反应。当燃烧反应的温度不高时，化学反应速度不快，此时氧的供应速度远大于化学反应中氧的消耗速度，亦即扩散能力远大于化学反应能力。这时燃烧工况所处区域称为动力燃烧区域。在动力燃烧区域中，燃烧反应速度决定于化学反应速度，可以认为与扩散速度无关。根据阿累尼乌斯定律，反应速度常数k取决于温度，它随燃烧过程温度的升高而增大得很快。因此，在动力燃烧区域，反应速度W将随温度T的升高而按指数关系急剧地增大。动力燃烧区域发生在低温区，在此区域内，提升温度是强化燃烧反应的有效措施。

（2）如果影响燃烧过程进行速度的主要因素是扩散，也就是说，此时燃烧反应的温度已经很高，化学反应能力远大于扩散能力，这时的燃烧区域称为扩散燃烧区域。因为扩散速度常数基本上不随温度变化，所以燃烧反应速度将基本上不随温度升高而加快。在扩散燃烧区域，氧气扩散到碳表面的能力不象在动力燃烧区域那样强。在燃烧过程中，煤粒与空气混合和扰动得越不好，氧气扩散系数越小，进入扩散燃烧区域的浓度越低，燃烧反应的速度越小。

在扩散燃烧区域，通过加强通风、减小碳粒直径等都可使扩散速度系数增大，从而达到强化燃烧的目的。

在动力燃烧与扩散燃烧区域之间的区域称为过渡燃烧区域。该区域中，氧的扩散速度和碳粒的化学反应速度较为接近，燃烧反应速度同时取决于化学反应速度和扩散速度，两者的作用都不能忽略。要强化这个区域的燃烧，需要同时提高温度和强化碳粒与氧的扰动混合。

5.煤与煤粉的燃烧特点

（1）煤的燃烧特点

煤是一种多孔性物质，它受热后产生的水蒸气和挥发分会向煤粒表面四周的空间扩散，同时会向煤粒的内部孔隙扩散。

从煤粒表面向四周扩散的水蒸气和挥发分与向煤粒表面扩散的周围介质（包括氧及惰性气体氮等）形成两股互相扩散的气流，结果是在距煤粒表面某一距离处，亦即化学计量关系区域内，可燃气体将燃尽，此处的过量空气系数接近于1，如图5.9所示。由此可见，煤粒周围的可燃气体及氧有复杂的浓度场，而且由于在碳粒表面上的化学反应有一次、二次反应及其他反应，所以浓度场也可能改变，情况变得更加复杂。

图5.9　煤粒周围的浓度场和温度场

煤的内部孔隙很小，但水分和挥发分析出后形成的焦炭会有较大的内部孔隙反应表面，其内部反应的影响不能忽视。在一定的温度条件下，焦炭的燃烧和气化反应主要在碳粒外部表面进行。但随着反应气体向碳粒的孔隙内部渗透，反应过程还会扩散到碳粒的内部表面，但在外部不同的燃烧区域情况是不同的。在外部动力燃烧区域，由于温度不高，扩散速度大于化学反应速度，因此属于动力燃烧区域。此时碳表面的氧浓度较大，接近于周围介质的氧浓度，氧很容易扩散到碳粒孔隙中去，使反应不但在外部表面，而且也在内部孔隙表面进行，这有利于加快燃烧速度。而在外部扩散燃烧区域，温度已很高，属于扩散燃烧区域。此时，碳外部表面的氧浓度已接近于零，氧不大可能渗透到孔隙中去，就不可能有内部反应。

煤粒中有矿物杂质，在燃烧过程会生成灰，灰会附在碳粒表面形成灰层包裹着碳粒。这个灰层会妨碍氧向碳粒表面的扩散，或者使碳粒的外部反应表面减少，因而使燃烧速度受到影响，碳的燃尽发生困难。

（2）煤粉的燃烧特点

煤粉的燃烧除具有煤粒和碳粒的燃烧特点外，还有其它一些特点。

煤粉炉燃用煤粉的颗粒一般为30～100μm，炉膛温度又很高，因此煤粉在炉膛中的加热速度可以达到（0.5～1）×10⁴℃/s，仅以0.1～0.2s的时间就迅速达到1500℃的温度水平。在这样快速加热的条件下，其燃烧过程就与煤粒燃烧不同。细小的煤粉快速加热时，挥发分析出，着火和碳的着火燃烧几乎是同时的，甚至可能是极小的煤粒首先着火燃烧，然后才是挥发分的热分解析出和着火燃烧。

有学者认为，煤中挥发分的析出过程不仅决定于煤粒的大小，而且还决定于加热速度以及煤粒表面焦炭层的结实程度，等等。