燃煤颗粒物排放量占颗粒物排放总量的25%左右,已成为影响大气环境的最主要污染物。目前,仍无基于燃烧过程的颗粒物减排技术,且相应的基础研究也较少。为此,本文针对煤焦燃烧过程中超微米级颗粒物的主要形成机理,即煤焦破碎及矿物质聚合开展研究。煤焦复杂的孔隙对其燃烧破碎及颗粒物的形成有直接的影响。为了从微观层面研究上述过程,本文建立三维逾渗模型,通过逐层移除被占座模拟外部扩散控制区进行的燃烧反应,并通过记录燃烧过程中矿物质重新分配及聚合情况以模拟灰形成。研究结果显示,孔隙率的增加会加快反应速率并加剧煤焦破碎;生成颗粒物粒径向较小尺寸方向移动;灰质量分布趋势与相关实验研究中颗粒物粒径分布趋势相同,均呈现出双峰性;模型中初始矿物质体积分数并不影响破碎情况。在不同的燃烧温度下,煤焦的燃烧模式不同。本研究通过变更燃烧点的选取方式改进扩散控制区模型,使燃烧反应可以在煤焦内外表面同时进行,以模拟动力控制区的燃烧反应。结果表明,初始孔隙率的增加也会加快反应并加剧破碎,与扩散控制区不同的是内表面发生反应使焦炭破碎程度更加剧烈,导致不同孔隙率下分离灰个数均大于扩散控制区,产生的小尺寸灰颗粒更多且质量分布均匀、粒径集中。为了模拟锅炉中煤粉所处的过渡控制燃烧区,在动力控制区模型基础上定义扩散深度概念,来表征不同温度下外扩散速率与煤焦消耗的平衡程度,以控制反应气体进入煤焦内部的深度。结果显示,随着扩散深度减小反应从动力控制区向扩散控制区过渡,破碎程度减弱,分离灰个数增加,终灰尺寸减小、数量增加。与动力控制区比较可知扩散深度能限制煤焦破碎及灰质量分布,实现过渡控制区的部分内表面反应,模拟反应气体不能扩散进入煤焦内芯的实际情况。由本文研究结果可知,提高燃烧过程中反应温度使煤焦燃烧在接近扩散控制区中进行,可以减弱煤焦破碎现象、减少超微米级颗粒物数量并增加颗粒物尺寸,便于燃烧后颗粒物的捕集,为减少燃煤颗粒物对环境的影响提供理论依据。