燃烧学 第七章 固体燃料的燃烧
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– 温度很高时，单纯物理吸附不存在，晶体周界对氧分子的 化学吸附能力增加，吸附后形成的碳氧络合物会受热分解 成为CO和CO2气体，或被其他分子碰撞而离解，离开晶 体而形成自由分子。
三、碳与氧的反应理论
• 对于碳和氧的一次反应产物，有三种观点：
– 二氧化碳学说 • 碳的氧化产物中CO2是初次产物，燃烧中的CO是CO2与C相互
d dvak0avavex pR ET
上式可描述中等温度时的热解过程，称为一步反应模型， 由Badzioch提出。 T——热解温度； av——在时间t内析出的挥发分的质量； av∞——从煤粒中析出的挥发分的最大质量。
三、煤的热解反应动力学模型
• Stickler提出了两个平行反应方程模型，假定煤粉颗粒在快
燃料层时裂解或热分解
二次挥发物 CO2、CO、C2H6、CH4、 H2O、液体+二次焦油
三次挥发物
半焦
慢速 离解
饱和和不饱和H2和 气态碳氢化合物 焦炭
三、煤的热解反应动力学模型
• 煤的热解过程及其复杂，因而建立热解反应动力学模型
来描述煤粒热解的动力学过程，并进而计算挥发物的析 出速率也是一个十分复杂的问题。
kzs≈ ad，Cs →ad
Gsc= ad C∞
反应温度很高时，化学反应能力很强，碳的燃烧速度取
决于氧气扩散速度；
称为扩散控制燃烧，又称扩散燃烧区。
–k<<ad Gsc= k C∞
扩散能力强，化学反应能力差；
温度较低时，碳燃烧速度取决于化学动力学因素；
称为动力控制燃烧，又称动力燃烧区。
三、反应控制区
2H2+O2=2H2O CO+H2O=CO2+H2
• 上述反应过程中哪些是主要的，取决于温度、压力以及气体
成分等燃烧过程的具体条件。
二、碳的晶格结构
石墨的晶格结构：六 角形组成的几面叠结 而成。晶体内部每个 碳原子三个价电子在 几面内形成稳定化学 键，第四个价电子则 分布在基面之间的空 间内，键的结合力较 弱。
为挥发分。
• 挥发分由可燃气体混合物、二氧化碳和水组成。其中可燃气体包括一
氧化碳、氢、气态烃类和少量酚醛。
• 煤加热时释放出的挥发分的重量和成分取决于加热升温速度、加热最
终温度和在此温度下的持续时间。根据升温速度不同，将热解过程分 为慢速热解和快速热解： – 慢速热解：加热煤粒的升温速度小于2℃/s; – 快速热解：加热煤粒的升温速度大于104℃/s； – 居于慢速热解和快速热解之间的热解过程为中速热解。
– 高能氧分子份额增多了，但同时已溶解的氧分子的解脱 作用也加大了；
– 碳和氧的一次反应通过晶体边界的棱和顶角的化学吸附 完成；
– 高温下氧分子撞击碳表面的频率增大，但此时化学反应 取决于较慢的化学吸附速度，与氧分子浓度和撞击频率 无关。属于零级反应。
– 化学吸附形成络合物：
3C+2O2 = C3O4 – 高温下自行热分解
• 先不考虑扩散的因素，假定碳表面上吸附了氧的面积份额
为q，即：
q
吸附了气体分子的表面积
固体的总表面积
在吸附了氧的碳表面积上，已不能再吸附新的氧分子了，
而只能解析氧和碳的反应产物。解析速度和q 成正比：
vj = k-1q
解析速度常数
由于剩余部分没有吸附氧，因而表面附近的氧分子就会吸
附上去，其吸附速度和(1-q )及表面上的氧的浓度成正比
此这一反应只有在温度很高时才能显著起来。
– T<400℃，仅存在物理吸附，没有任何化学反应； – T>400℃，CO2的固溶络合和化学吸附络合开始显著； – T>700℃，零级反应。最为薄弱环节为碳氧络合物如何自我分解。 – T>950℃，一级反应。最为薄弱环节为碳氧络合物受CO2撞击分解 – 温度更高，一级反应。最为薄弱环节为化学吸附过程
– k = ad Gsc= kzs C∞
燃烧速度介于动力燃烧区和扩散燃烧区之间 称为过渡燃烧区
四、谢苗诺夫准则
• 定义：Sm= ad / k
二、挥发分的析出
• 煤的热解过程
快速 玻璃化
此时孔隙中充满 液态热解产物
孔隙中液态热解产物 沸腾，释放出气泡
慢速热解，温度水平为400~600℃
初次挥发物 焦油、CO2、CO、C2、 C6H6、CH4、H2O
半焦 孔隙加大
快速热解，温度水平为2000 ℃
初次挥发物
中速
初次挥发物扩散通过煤粒内部孔隙或
7.5碳燃烧反应的控制
一、碳燃烧反应的速度
• 推导碳燃烧速度
• 碳燃烧速度：碳在单位时间、单位表面积上燃烧的质量。 • 先考察碳燃烧时氧量的平衡
– 碳燃烧反应的氧量
ws0 = kCs – 周围扩散到碳表面的氧量
氧扩散到碳表面的 扩散速度常数
vO2 = ad (C∞-Cs )
– 平衡状态， ws0 = vO2
反应；
• 2CO = C+CO2 • 该反应为放热反应，是气化反应的逆反应； • 在温度降低时，会引起析碳；对于冶金炉、合成氨装置和
燃油炉，这是一个重要问题。
• 温度很高时，不能发生岐化反应；温度很低时，反应速度
太低，也不能析碳，仅在200~1000℃的温度范围内，才可 能析碳。
• 岐化反应的最大速度出现在温度为400~600℃范围内。
从析出到基本燃尽所用时间约占煤全部燃烧时间的10%； 挥发分的燃烧过程为气-气同相化学反应，焦炭的燃烧 为气-固异相化学反应； – 燃尽。焦炭继续燃烧，直到燃尽。这一过程燃烧速度 慢，燃尽时间长。
7.2 煤的热解
一、概述
• 煤被加热到一定温度后，进入热分解阶段。 • 热分解阶段释放出焦油和气体，并形成剩余焦炭，这些焦油和气体称
即：
kCs = ad (C∞-Cs )
Cs
ad k ad
C
二、推导碳燃烧速度
• 于是
ws0 kkadad Ck11a1d C
碳的燃烧速度：
Gsc
ws0
1 1 1
C
k ad
碳与氧的化学计量比
折算反应速度常数：
k zs
1
1
1
k ad
Gsc= kzs C∞
三、反应控制区
• 对上述结果进行讨论
–k>>ad，1/k→0
主要作用；在高温时，第二个方程将起主要作用。
7.3碳燃烧的异相反应理论
一、碳燃烧的异相反应理论
• 根据Lanmuir的异相反应理论：
– 碳和氧的异相反应是氧分子溶入碳的晶格结构的表面部 分，由于化学吸附络合在碳晶格的界面上。在碳表面上 的吸附层只有单分子的厚度，该吸附层首先形成碳氧络 合物，然后由于热分解或其他分子的碰撞而分开，这称 为解析。解析形成的反应产物扩散到空间，剩下的碳表 面再度吸附氧气。
• 一次反应和二次反应同时交叉平行进行着，构成碳燃烧过程的基本化
学反应。
一、碳燃烧的化学反应机理
• 当碳表面有水蒸气存在时，还可能进一步进行以下的反应：
C+H2O=CO+H2 C+2H2O=CO2+2H2 3C+4H2O=4H2+2CO+CO2 C+2H2=CH4
• 在靠近碳表面的气体层中，还可能发生下列反应：
3C+2O2 = C3O4 – 由于温度不高，络合物热离解的可能性不大而处于稳
定状态，一旦有能量较高的氧分子撞击此部分时，将 发生以下离解反应：
C3O4+C+O2 = 2CO2+2CO – 简化方程式可写成：
4C+3O2 = 2CO2+2CO
四、 碳和氧反应的络合物理论
• 温度在1600℃以上时，碳和氧的反应机理
二、碳的晶格结构
– 常温下，碳晶格表面和周界上能吸附气体分子，称为物理 吸附。物理吸附不能发生化学变化。
– 温度较高时，气体分子具有较高的相对速度，能侵入石墨 晶格表面层基面间的空间内，把基面的空间距离撑大，和 碳原子形成新的键。碳和氧会形成固溶络合物，该络合物 可能会由于其他具有一定能量的氧分子碰撞而结合成CO 和CO2。
吸附速度常数
vs = k1 Cs (1-q )
碳表面上的氧浓度
二、碳燃烧的异相反应理论
• 如果吸附和解析之间达到平
衡，此时碳表面上吸附了的
q k1C s C s
k1C s k1 C s B
氧的面积份额q 将不再变化， 从而可求出q ：
B k1 k1
由于碳和氧的反应只能在吸附了氧的那部分碳表面上发生，
六、碳和水的反应
C+H2O = CO+H2
• 吸热反应，反应级数一般认为是一级反应； • C与H2O的反应速度约比C与O2的反应速度快3倍； • 水蒸汽也是经过吸附、络合与解析等一系列中间环节而引
起的，起决定性环节是中间络合物的生成和分离。
七、岐化反应
• 定义：反应物因原子不均匀分配而转化成两种不同产物的
ac——原煤中干燥无灰基挥发分含量 av1、av2——两个反应所析出的挥发分的质量
ah1、ah2——两个反应所析出的焦炭的质量
三、煤的热解反应动力学模型
• Stickler给出：
– E1=74106J/mol；E2=252464J/mol； – k01=3.7×105s-1；k02=1.46×1013s-1； – 由于E2>E1，k02>k01，所以在低温时，第一个方程将起
在碳的吸附表面上进行的。
• 研究表明，碳燃烧释放热量的主要化学反应使碳和氧的直接反应，也
称为一次反应。
C+O2=CO2+409 MJ 2C+O2=2CO+245 MJ
• 一次反应生成的CO和CO2通过周围的介质扩散出去，能够重新被碳表
面从气体介质中吸附，在一定Βιβλιοθήκη Baidu件下发生二次反应。
CO+O2=2CO2+571 MJ C+CO2=2CO-162 MJ
C3O4 = 2CO+CO2 – 简化方程式可写成：
3C+2O2 = 2CO+CO2
五、碳和二氧化碳的反应
C+CO2 =2CO
• 该反应为一吸热反应，是煤气发生炉中进行的主要化学反
应。
• CO2首先要吸附到碳的晶体上，形成络合物，然后络合物
分解成CO，解析离开碳表面。
• 由于CO2的化学吸附活化能比氧的溶解活化能大得多，因
作用形成的二次反应产物。
– 一氧化碳学说 • 碳与氧反应的初次产物是CO，CO再与氧化合生成CO2。
– 目前普遍接受的第三种观点 • 碳与氧首先生成碳氧络合物，络合物再生成CO和CO2。
四、碳和氧反应的络合物理论
• 温度在1300℃以下时，碳和氧的反应机理
– 物理吸附为主，反应过程为一级反应； – 氧分子落入碳晶格内生成络合物。
燃烧学
第7章
固体燃料的燃烧
7.1概述
一、固体燃料燃烧的特点
• 煤的燃烧过程大致可分为5步：
– 干燥。100℃左右，析出水分； – 热解。约300℃以后，燃料热分解析出挥发分，为气态
的碳氢化合物，同时生成焦和半焦； – 着火。约500℃，挥发分首先着火，然后焦开始着火； – 燃烧。挥发分燃烧，焦炭燃烧。挥发分燃烧速度快，
速热解下由两个平行反应控制
k1 C
挥发a1分av1+剩余1-a焦1 炭ah1
dac
d
k1 k2 ac
k2 挥发分av2+剩余焦炭ah2
a2
1-a2
dav
d
a1k1 a2k2 ac
k1
k 01 exp
E1 RT
a1、a2——挥发分在两个反应中所占当量百分数
k2
k 02
exp
E2 RT
一、碳燃烧的异相反应理论
• 整个碳表面上的气固异相反应可分为以下步骤：
– 氧必须扩散到碳表面； – 扩散到碳表面的氧被表面吸附； – 吸附在碳表面上的氧在表面进行反应，形成反应物； – 反应物从表面解析； – 解析的产物必须从碳表面扩散出去。
• 整个碳表面上的反应速度取决于上述步骤中最慢的一个。
二、碳燃烧的异相反应理论
kC sn,0n1
低于800℃阶段，吸附能力强，碳表面氧浓度高，属于零级反应 温度高于1200℃阶段，碳表面处氧浓度很低，属于一级反应 在800~1200 ℃之间的阶段，一般为分数级反应 实际应用中，为简化，可将碳氧反应作为一级反应来处理
7.4碳燃烧的化学反应机理
一、碳燃烧的化学反应机理
• 碳燃烧是一个气固间的异相化学反应过程，此时碳和氧之间的反应是
– B<<Cs 此时，v=k’[Cs/(Cs+B)]=k’ 说明：
化学反应速度和碳表面处氧浓度无关，也称为零级反应
碳表面吸附能力很强，使碳表面的吸附几乎达到饱和，但同时解 析能力很弱
二、碳燃烧的异相反应理论
–B≈Cs
此时，只有部分固体表面被氧吸附，碳表面处氧的浓度
为中等，因此：
vk' Cs Bcs
因此q 越大，碳和氧的反应速率也越大，反应速率v和q 成
正比：
vk'qk' Cs
BCs
二、碳燃烧的异相反应理论
• 上式可能存在三种情况：
– B>>Cs 此时，v=Cs k’/B=kCs 说明：
k=k’/B
一级反应，化学反应速度和碳表面氧浓度一次方成正比
碳表面处氧浓度很低，吸附了氧的碳表面积很小，吸附能力很弱
三、碳与氧的反应理论
• 对于碳和氧的一次反应产物，有三种观点：
– 二氧化碳学说 • 碳的氧化产物中CO2是初次产物，燃烧中的CO是CO2与C相互
d dvak0avavex pR ET
上式可描述中等温度时的热解过程，称为一步反应模型， 由Badzioch提出。 T——热解温度； av——在时间t内析出的挥发分的质量； av∞——从煤粒中析出的挥发分的最大质量。
三、煤的热解反应动力学模型
• Stickler提出了两个平行反应方程模型，假定煤粉颗粒在快
燃料层时裂解或热分解
二次挥发物 CO2、CO、C2H6、CH4、 H2O、液体+二次焦油
三次挥发物
半焦
慢速 离解
饱和和不饱和H2和 气态碳氢化合物 焦炭
三、煤的热解反应动力学模型
• 煤的热解过程及其复杂，因而建立热解反应动力学模型
来描述煤粒热解的动力学过程，并进而计算挥发物的析 出速率也是一个十分复杂的问题。
kzs≈ ad，Cs →ad
Gsc= ad C∞
反应温度很高时，化学反应能力很强，碳的燃烧速度取
决于氧气扩散速度；
称为扩散控制燃烧，又称扩散燃烧区。
–k<<ad Gsc= k C∞
扩散能力强，化学反应能力差；
温度较低时，碳燃烧速度取决于化学动力学因素；
称为动力控制燃烧，又称动力燃烧区。
三、反应控制区
2H2+O2=2H2O CO+H2O=CO2+H2
• 上述反应过程中哪些是主要的，取决于温度、压力以及气体
成分等燃烧过程的具体条件。
二、碳的晶格结构
石墨的晶格结构：六 角形组成的几面叠结 而成。晶体内部每个 碳原子三个价电子在 几面内形成稳定化学 键，第四个价电子则 分布在基面之间的空 间内，键的结合力较 弱。
为挥发分。
• 挥发分由可燃气体混合物、二氧化碳和水组成。其中可燃气体包括一
氧化碳、氢、气态烃类和少量酚醛。
• 煤加热时释放出的挥发分的重量和成分取决于加热升温速度、加热最
终温度和在此温度下的持续时间。根据升温速度不同，将热解过程分 为慢速热解和快速热解： – 慢速热解：加热煤粒的升温速度小于2℃/s; – 快速热解：加热煤粒的升温速度大于104℃/s； – 居于慢速热解和快速热解之间的热解过程为中速热解。
– 高能氧分子份额增多了，但同时已溶解的氧分子的解脱 作用也加大了；
– 碳和氧的一次反应通过晶体边界的棱和顶角的化学吸附 完成；
– 高温下氧分子撞击碳表面的频率增大，但此时化学反应 取决于较慢的化学吸附速度，与氧分子浓度和撞击频率 无关。属于零级反应。
– 化学吸附形成络合物：
3C+2O2 = C3O4 – 高温下自行热分解
• 先不考虑扩散的因素，假定碳表面上吸附了氧的面积份额
为q，即：
q
吸附了气体分子的表面积
固体的总表面积
在吸附了氧的碳表面积上，已不能再吸附新的氧分子了，
而只能解析氧和碳的反应产物。解析速度和q 成正比：
vj = k-1q
解析速度常数
由于剩余部分没有吸附氧，因而表面附近的氧分子就会吸
附上去，其吸附速度和(1-q )及表面上的氧的浓度成正比
此这一反应只有在温度很高时才能显著起来。
– T<400℃，仅存在物理吸附，没有任何化学反应； – T>400℃，CO2的固溶络合和化学吸附络合开始显著； – T>700℃，零级反应。最为薄弱环节为碳氧络合物如何自我分解。 – T>950℃，一级反应。最为薄弱环节为碳氧络合物受CO2撞击分解 – 温度更高，一级反应。最为薄弱环节为化学吸附过程
– k = ad Gsc= kzs C∞
燃烧速度介于动力燃烧区和扩散燃烧区之间 称为过渡燃烧区
四、谢苗诺夫准则
• 定义：Sm= ad / k
二、挥发分的析出
• 煤的热解过程
快速 玻璃化
此时孔隙中充满 液态热解产物
孔隙中液态热解产物 沸腾，释放出气泡
慢速热解，温度水平为400~600℃
初次挥发物 焦油、CO2、CO、C2、 C6H6、CH4、H2O
半焦 孔隙加大
快速热解，温度水平为2000 ℃
初次挥发物
中速
初次挥发物扩散通过煤粒内部孔隙或
7.5碳燃烧反应的控制
一、碳燃烧反应的速度
• 推导碳燃烧速度
• 碳燃烧速度：碳在单位时间、单位表面积上燃烧的质量。 • 先考察碳燃烧时氧量的平衡
– 碳燃烧反应的氧量
ws0 = kCs – 周围扩散到碳表面的氧量
氧扩散到碳表面的 扩散速度常数
vO2 = ad (C∞-Cs )
– 平衡状态， ws0 = vO2
反应；
• 2CO = C+CO2 • 该反应为放热反应，是气化反应的逆反应； • 在温度降低时，会引起析碳；对于冶金炉、合成氨装置和
燃油炉，这是一个重要问题。
• 温度很高时，不能发生岐化反应；温度很低时，反应速度
太低，也不能析碳，仅在200~1000℃的温度范围内，才可 能析碳。
• 岐化反应的最大速度出现在温度为400~600℃范围内。
从析出到基本燃尽所用时间约占煤全部燃烧时间的10%； 挥发分的燃烧过程为气-气同相化学反应，焦炭的燃烧 为气-固异相化学反应； – 燃尽。焦炭继续燃烧，直到燃尽。这一过程燃烧速度 慢，燃尽时间长。
7.2 煤的热解
一、概述
• 煤被加热到一定温度后，进入热分解阶段。 • 热分解阶段释放出焦油和气体，并形成剩余焦炭，这些焦油和气体称
即：
kCs = ad (C∞-Cs )
Cs
ad k ad
C
二、推导碳燃烧速度
• 于是
ws0 kkadad Ck11a1d C
碳的燃烧速度：
Gsc
ws0
1 1 1
C
k ad
碳与氧的化学计量比
折算反应速度常数：
k zs
1
1
1
k ad
Gsc= kzs C∞
三、反应控制区
• 对上述结果进行讨论
–k>>ad，1/k→0
主要作用；在高温时，第二个方程将起主要作用。
7.3碳燃烧的异相反应理论
一、碳燃烧的异相反应理论
• 根据Lanmuir的异相反应理论：
– 碳和氧的异相反应是氧分子溶入碳的晶格结构的表面部 分，由于化学吸附络合在碳晶格的界面上。在碳表面上 的吸附层只有单分子的厚度，该吸附层首先形成碳氧络 合物，然后由于热分解或其他分子的碰撞而分开，这称 为解析。解析形成的反应产物扩散到空间，剩下的碳表 面再度吸附氧气。
• 一次反应和二次反应同时交叉平行进行着，构成碳燃烧过程的基本化
学反应。
一、碳燃烧的化学反应机理
• 当碳表面有水蒸气存在时，还可能进一步进行以下的反应：
C+H2O=CO+H2 C+2H2O=CO2+2H2 3C+4H2O=4H2+2CO+CO2 C+2H2=CH4
• 在靠近碳表面的气体层中，还可能发生下列反应：
3C+2O2 = C3O4 – 由于温度不高，络合物热离解的可能性不大而处于稳
定状态，一旦有能量较高的氧分子撞击此部分时，将 发生以下离解反应：
C3O4+C+O2 = 2CO2+2CO – 简化方程式可写成：
4C+3O2 = 2CO2+2CO
四、 碳和氧反应的络合物理论
• 温度在1600℃以上时，碳和氧的反应机理
二、碳的晶格结构
– 常温下，碳晶格表面和周界上能吸附气体分子，称为物理 吸附。物理吸附不能发生化学变化。
– 温度较高时，气体分子具有较高的相对速度，能侵入石墨 晶格表面层基面间的空间内，把基面的空间距离撑大，和 碳原子形成新的键。碳和氧会形成固溶络合物，该络合物 可能会由于其他具有一定能量的氧分子碰撞而结合成CO 和CO2。
吸附速度常数
vs = k1 Cs (1-q )
碳表面上的氧浓度
二、碳燃烧的异相反应理论
• 如果吸附和解析之间达到平
衡，此时碳表面上吸附了的
q k1C s C s
k1C s k1 C s B
氧的面积份额q 将不再变化， 从而可求出q ：
B k1 k1
由于碳和氧的反应只能在吸附了氧的那部分碳表面上发生，
六、碳和水的反应
C+H2O = CO+H2
• 吸热反应，反应级数一般认为是一级反应； • C与H2O的反应速度约比C与O2的反应速度快3倍； • 水蒸汽也是经过吸附、络合与解析等一系列中间环节而引
起的，起决定性环节是中间络合物的生成和分离。
七、岐化反应
• 定义：反应物因原子不均匀分配而转化成两种不同产物的
ac——原煤中干燥无灰基挥发分含量 av1、av2——两个反应所析出的挥发分的质量
ah1、ah2——两个反应所析出的焦炭的质量
三、煤的热解反应动力学模型
• Stickler给出：
– E1=74106J/mol；E2=252464J/mol； – k01=3.7×105s-1；k02=1.46×1013s-1； – 由于E2>E1，k02>k01，所以在低温时，第一个方程将起
在碳的吸附表面上进行的。
• 研究表明，碳燃烧释放热量的主要化学反应使碳和氧的直接反应，也
称为一次反应。
C+O2=CO2+409 MJ 2C+O2=2CO+245 MJ
• 一次反应生成的CO和CO2通过周围的介质扩散出去，能够重新被碳表
面从气体介质中吸附，在一定Βιβλιοθήκη Baidu件下发生二次反应。
CO+O2=2CO2+571 MJ C+CO2=2CO-162 MJ
C3O4 = 2CO+CO2 – 简化方程式可写成：
3C+2O2 = 2CO+CO2
五、碳和二氧化碳的反应
C+CO2 =2CO
• 该反应为一吸热反应，是煤气发生炉中进行的主要化学反
应。
• CO2首先要吸附到碳的晶体上，形成络合物，然后络合物
分解成CO，解析离开碳表面。
• 由于CO2的化学吸附活化能比氧的溶解活化能大得多，因
作用形成的二次反应产物。
– 一氧化碳学说 • 碳与氧反应的初次产物是CO，CO再与氧化合生成CO2。
– 目前普遍接受的第三种观点 • 碳与氧首先生成碳氧络合物，络合物再生成CO和CO2。
四、碳和氧反应的络合物理论
• 温度在1300℃以下时，碳和氧的反应机理
– 物理吸附为主，反应过程为一级反应； – 氧分子落入碳晶格内生成络合物。
燃烧学
第7章
固体燃料的燃烧
7.1概述
一、固体燃料燃烧的特点
• 煤的燃烧过程大致可分为5步：
– 干燥。100℃左右，析出水分； – 热解。约300℃以后，燃料热分解析出挥发分，为气态
的碳氢化合物，同时生成焦和半焦； – 着火。约500℃，挥发分首先着火，然后焦开始着火； – 燃烧。挥发分燃烧，焦炭燃烧。挥发分燃烧速度快，
速热解下由两个平行反应控制
k1 C
挥发a1分av1+剩余1-a焦1 炭ah1
dac
d
k1 k2 ac
k2 挥发分av2+剩余焦炭ah2
a2
1-a2
dav
d
a1k1 a2k2 ac
k1
k 01 exp
E1 RT
a1、a2——挥发分在两个反应中所占当量百分数
k2
k 02
exp
E2 RT
一、碳燃烧的异相反应理论
• 整个碳表面上的气固异相反应可分为以下步骤：
– 氧必须扩散到碳表面； – 扩散到碳表面的氧被表面吸附； – 吸附在碳表面上的氧在表面进行反应，形成反应物； – 反应物从表面解析； – 解析的产物必须从碳表面扩散出去。
• 整个碳表面上的反应速度取决于上述步骤中最慢的一个。
二、碳燃烧的异相反应理论
kC sn,0n1
低于800℃阶段，吸附能力强，碳表面氧浓度高，属于零级反应 温度高于1200℃阶段，碳表面处氧浓度很低，属于一级反应 在800~1200 ℃之间的阶段，一般为分数级反应 实际应用中，为简化，可将碳氧反应作为一级反应来处理
7.4碳燃烧的化学反应机理
一、碳燃烧的化学反应机理
• 碳燃烧是一个气固间的异相化学反应过程，此时碳和氧之间的反应是
– B<<Cs 此时，v=k’[Cs/(Cs+B)]=k’ 说明：
化学反应速度和碳表面处氧浓度无关，也称为零级反应
碳表面吸附能力很强，使碳表面的吸附几乎达到饱和，但同时解 析能力很弱
二、碳燃烧的异相反应理论
–B≈Cs
此时，只有部分固体表面被氧吸附，碳表面处氧的浓度
为中等，因此：
vk' Cs Bcs
因此q 越大，碳和氧的反应速率也越大，反应速率v和q 成
正比：
vk'qk' Cs
BCs
二、碳燃烧的异相反应理论
• 上式可能存在三种情况：
– B>>Cs 此时，v=Cs k’/B=kCs 说明：
k=k’/B
一级反应，化学反应速度和碳表面氧浓度一次方成正比
碳表面处氧浓度很低，吸附了氧的碳表面积很小，吸附能力很弱