多相燃燒

碳的燃燒反應是多相燃燒反應,即物質在相的分界表面上發生反應。這個相界面可以是物體外部表面,也可以是物體內部表面(內部表面的存在,是由於物質本身有縫隙)。內部表面是外部表面的延續,內外部表面間沒有明顯的邊界,但內部表面為物體內部比較狹小的縫隙通道表面,不易與氧接觸。

簡介

碳的燃燒反應是多相燃燒反應,即物質在相的分界表面上發生反應。這個相界面可以是物體外部表面,也可以是物體內部表面(內部表面的存在,是由於物質本身有縫隙)。內部表面是外部表面的延續,內外部表面間沒有明顯的邊界,但內部表面為物體內部比較狹小的縫隙通道表面,不易與氧接觸。當反應溫度很高、固體燃料的反應性能很強,亦即燃燒反應的速度很快時,燃燒反應主要在物體的外表面上進行。

多相燃燒特點

多相燃燒中,由於燃料與氧化劑的相態不同,在碳表面上發生的多相反應由下列幾個連續的階段組成:

(1)參與燃燒反應的氣體分子(氧)向碳粒表面的轉移與擴散;

(2)氣體分子(氫)被吸附存碳粒表面上;

(3)被吸附的氣體分子(氧)在碳表面上發生化學反應生成燃燒產物;

(4)燃燒產物從碳表面上解吸附;

(5)燃燒產物離開碳表面,擴散到周圍環境中。

燃燒反應的這五個階段是連續進行的,其中任何一個環節都會影響全局。因此,反應過程中最慢的那個階段,決定了燃燒反應的速度。在上述五個階段中,吸附階段(2)和解吸附階段(4)進行得最快,燃燒產物離開碳表面、擴散出去的階段(5)也較快,比較慢的是氧向碳粒表面的轉移擴散階段(1)和氧在碳表面發生化學反應的階段(3)這兩個階段。因此,碳的多相燃燒速度既決定於氧向碳粒表面的轉移擴散速度,也決定於氧與碳粒的化學反應速度,而且最終決定於其中速度最慢的一個。

多相燃燒反應的燃燒區域

根據燃燒條件的不同,可以將多相燃燒分成動力燃燒區域、擴散燃燒區域和過渡燃燒區域等三種燃燒區域(工況)。由於煤中含有揮發分,因此煤的燃燒反應既有多相燃燒,也有均相燃燒。為簡單起見,以碳粒的多相燃燒為例加以說明。

(1)如果將碳粒的燃燒反應當作一級反應,而且認為反應在碳粒外表面進行,即不考慮內部表面的反應。當燃燒反應的溫度不高時,化學反應速度不快,此時氧的供應速度遠大於化學反應中氧的消耗速度,亦即擴散能力遠大於化學反應能力。這時燃燒工況所處區域稱為動力燃燒區域。在動力燃燒區域中,燃燒反應速度決定於化學反應速度,可以認為與擴散速度無關。根據阿累尼烏斯定律,反應速度常數k取決於溫度,它隨燃燒過程溫度的升高而增大得很快。因此,在動力燃燒區域,反應速度W將隨溫度T的升高而按指數關係急劇地增大。動力燃燒區域發生在低溫區,在此區域內,提升溫度是強化燃燒反應的有效措施。

(2)如果影響燃燒過程進行速度的主要因素是擴散,也就是說,此時燃燒反應的溫度已經很高,化學反應能力遠大於擴散能力,這時的燃燒區域稱為擴散燃燒區域。因為擴散速度常數基本上不隨溫度變化,所以燃燒反應速度將基本上不隨溫度升高而加快。在擴散燃燒區域,氧氣擴散到碳表面的能力不像在動力燃燒區域那樣強。在燃燒過程中,煤粒與空氣混合和擾動得越不好,氧氣擴散係數越小,進入擴散燃燒區域的濃度越低,燃燒反應的速度越小。

在擴散燃燒區域,通過加強通風、減小碳粒直徑等都可使擴散速度係數增大,從而達到強化燃燒的目的。在動力燃燒與擴散燃燒區域之間的區域稱為過渡燃燒區域。該區域中,氧的擴散速度和碳粒的化學反應速度較為接近,燃燒反應速度同時取決於化學反應速度和擴散速度,兩者的作用都不能忽略。要強化這個區域的燃燒,需要同時提高溫度和強化碳粒與氧的擾動混合。

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