（一）煤粉燃烧的三个阶段

煤粉随同空气以射流的形式经喷燃器喷入炉膛，在悬浮状态下燃烧形成煤粉火炬，从燃烧器出口至炉膛出口，煤粉的燃烧过程大致可分为以下三个阶段。

1.着火前的准备阶段

煤粉气流喷入炉内至着火这一阶段为着火前的准备阶段。着火前的准备阶段是吸热阶段。在此阶段内，煤粉气流被烟气不断加热，温度逐渐升高。煤粉受热后，首先是水分蒸发，接着干燥的煤粉进行热分解并析出挥发分。挥发分析出的数量和成分取决于煤的特性、加热温度和速度。着火前煤粉只发生缓慢氧化，氧浓度和飞灰含碳量的变化不大。一般认为，从煤粉中析出的挥发分先着火燃烧。挥发分燃烧放出的热量又加热炭粒，炭粒温度迅速升高，当炭粒加热至一定温度并有氧补充到炭粒表面时，炭粒着火燃烧。

2.燃烧阶段

煤粉着火以后进入燃烧阶段。燃烧阶段是一个强烈的放热阶段。煤粉颗粒的着火燃烧，首先从局部开始，然后迅速扩展到整个表面。煤粉气流一旦着火燃烧，可燃质与氧发生高速的燃烧化学反应，放出大量的热量，放热量大于周围水冷壁的吸热量，烟气温度迅速升高达到最大值，氧浓度及飞灰含碳量则急剧下降。

3.燃尽阶段

燃尽阶段是燃烧过程的继续。煤粉经过燃烧后，炭粒变小，表面形成灰壳，大部分可燃物已经燃尽，只剩少量未燃尽炭继续燃烧。在燃尽阶段中，氧浓度相应减少，气流的扰动减弱，燃烧速度明显下降。燃烧放热量小于水冷壁吸热量，烟温逐渐降低，因此燃尽阶段占整个燃烧阶段的时间最长。

对应于煤粉燃烧的三个阶段，煤粉气流喷入炉膛后，从燃烧器出口至炉膛出口，沿火炬行程可分为三个区域，即着火区、燃烧区与燃尽区。其中着火区很短，燃烧区也不长，而燃尽区却比较长。煤粉火炬的工况曲线如图56所示。图中曲线表明，随着煤粉燃烧过程的进行，沿着煤粉火炬行程，烟气中飞灰含碳量Cfh逐渐减少，氧浓度逐渐下降，而燃烧产物RO2气体的浓度却逐渐上升。这些参数在燃烧最剧烈的燃烧区变化最快，在着火区和燃尽区变化较慢。烟气温度变化是在着火区和燃烧区上升，在燃尽区中烟气温度下降。

图56　煤粉火炬的工况曲线

ϑ—烟气温度；Cfh—飞灰含碳量；RO2—烟气中RO2气体浓度；O2—烟气中氧浓度

（二）炭粒的燃烧

煤粉燃烧的关键是其中炭粒的燃烧。这是因为：①焦炭中的碳是大多数固体燃料可燃质的主要成分；②焦炭的燃烧过程是整个燃烧过程中最长的阶段，在很大程度上它能决定整个粒子的燃烧时间；③焦炭中碳燃烧的放热量占煤发热量的40%（泥煤）～95%（无烟煤），它的发展对其他阶段的进行有着决定性的影响。因此，煤粉的整个燃烧过程中，关键在于组织好焦炭中碳的燃烧。(www.daowen.com)

炭粒的燃烧机理是比较复杂的，炭粒与氧之间的燃烧属于多相燃烧，其反应是在炭粒表面进行的。周围环境中的氧不断向炽热炭粒表面扩散，在其表面进行燃烧，其反应式为

反应式（521）和式（522）称为一次反应。其反应生成的二氧化碳和一氧化碳既可通过炭粒周围的气体介质向外扩散出去，又可向炭粒表面扩散，CO向外扩散时遇氧燃烧生成CO2；CO2向炭粒扩散时。在高温下与碳进行气化反应生成CO，即

反应式（523）和式（524）称为二次反应。

锅炉燃烧设备中，煤粉炉内的煤粉处于悬浮状态。空气流与煤粉粒子间的相对速度很小，可认为焦炭粒子是处在静止气流中进行燃烧的。而在旋风炉和流化床锅炉中，煤粉在燃烧过程中还受到气流的强烈冲刷。当炭粒在静止的空气中燃烧时，在不同的温度下，上述这些反应以不同的方式组合成炭粒的燃烧过程。

当温度低于1200℃时，按下列反应式进行燃烧反应：

此时，由于温度较低，在炭粒表面生成的二氧化碳不能与炭粒进行式（523）所示的气化反应。而一氧化碳从炭粒表而向外扩散途中与氧相遇而产生燃烧。只有与一氧化碳燃烧后剩余的氧才能扩散到炭粒表面。炭粒表面生成的二氧化碳和一氧化碳燃烧后生成的二氧化碳一起向周围环境扩散。炭粒表面周围氧浓度和燃烧产物浓度变化如图57（a）所示。

图57　炭粒表面燃烧过程

（a）温度低于1200℃；（b）温度高于1200℃

当温度高于1200℃时。炭粒的燃烧开始转向如下反应：

此时，由于温度升高加速了炭粒表面的反应，生成更多的一氧化碳。同时，气化反应也因温度升高使反应速度显著提高。一氧化碳在向外扩散途中遇到远处扩散来的氧而燃烧，并将氧全部耗尽。反应生成的二氧化碳同时向炭粒表面和周围环境两个方向扩散。炭粒表面周围氧浓度和燃烧产物浓度的变化如图57（b）所示。

应该指出，炭粒的实际燃烧过程是在更为复杂的情况下进行的。除上述温度会影响反应进程外，其他因素，如整个过程是否等温，炭粒的几何形状和结构以及炭粒周围气流性质等，也会对反应进程有一定影响。因此为强化燃烧过程，必须根据如前所述的三个燃烧阶段的特点和要求，采取不同的方式和措施。