[科普中国]-多相燃烧

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。1

简介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。1

多相燃烧特点多相燃烧中，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(氢)被吸附存碳粒表面上；

（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。1

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。1

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

(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。1

(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像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。1

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。1

本词条内容贡献者为:

郑国忠 - 副教授 - 华北电力大学