燃?xì)馊紵椒?mdash;—部分預(yù)混式燃燒

1、燃?xì)馊紵椒ú糠诸A(yù)混式燃燒 燃?xì)馊紵龝r(shí)，一次空氣過(guò)剩系數(shù)在01之間，預(yù)先混入了一部分燃燒所需空氣，這種燃燒方法稱為部分預(yù)混式燃燒或大氣式燃燒。一、部分預(yù)混層流火焰產(chǎn)生部分預(yù)混層流火焰的典型裝置就是本生燈。如圖346，燃?xì)鈴谋旧鸁粝虏啃】趪姵?，井引射入一次空氣，在管?nèi)預(yù)先混合，預(yù)混后的氣體自燈口噴出燃燒，產(chǎn)生圓錐形的火焰，周圍大氣亦供給部分空氣，稱為二次空氣，通過(guò)擴(kuò)散與一次空氣未燃盡的燃?xì)饣旌先紵＿@樣，在正常燃燒時(shí)形成兩個(gè)穩(wěn)定的火焰面：內(nèi)火焰面，即由燃?xì)馀c一次空氣預(yù)混合后燃燒而產(chǎn)生。為圓錐形，呈藍(lán)綠色，強(qiáng)而有力，溫度亦商，為部分預(yù)混火焰，也稱為藍(lán)色錐體；外火焰面，是二次空氣與一次空氣未燃盡的燃

2、氣進(jìn)行的擴(kuò)散混合燃燒，其形狀也近似圓錐形，呈黃色，軟弱無(wú)力，溫度較低，這是擴(kuò)散火焰。藍(lán)色的預(yù)混火焰錐體出現(xiàn)是有條件的。若燃?xì)饪諝饣旌衔锏臐舛却笥谥饾舛壬舷?，火焰就不可能向中心傳播，藍(lán)色錐體就不會(huì)出現(xiàn)，而成為擴(kuò)散式燃燒。若混合物中燃?xì)獾臐舛鹊陀谥饾舛认孪?，則該混合氣根本不可能燃燒。氫氣燃燒火焰出現(xiàn)藍(lán)色錐體的一次空氣系數(shù)范圍相當(dāng)大，而甲烷和其它碳?xì)浠衔锏娜紵鹧娉霈F(xiàn)藍(lán)色錐體的一次空氣系數(shù)范圍則相當(dāng)窄。藍(lán)色錐體的實(shí)際形狀，如圖355，可用管道中氣流速度的分布和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓瘉?lái)解釋。層流時(shí)，沿管道截面上氣體的流速按拋物線分布，噴口中心氣流速度最大，至管壁處降為零。靜止的藍(lán)色錐體焰面說(shuō)明了錐面

3、上各點(diǎn)的正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣萻n(其方向指向錐體內(nèi)部)與該點(diǎn)氣流的法向分速度vn相平衡，也即對(duì)于預(yù)混火焰錐面上的每一點(diǎn)都存在以下關(guān)系式，通常稱為米赫爾松余弦定律：sn=vn=vcos (55)式中 預(yù)混氣流方向與焰面上該點(diǎn)法線方向之間的夾角。余弦定律表明了層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c迎面來(lái)的氣流速度在火焰穩(wěn)定情況下的平衡關(guān)系，火焰雖有向內(nèi)傳播的趨勢(shì)，但仍能穩(wěn)定在該點(diǎn)。另一方面，藍(lán)色錐體焰面上各點(diǎn)，還有一個(gè)氣流切向分速度，使該處的質(zhì)點(diǎn)要向上移動(dòng)。因此、在焰面上必須不斷進(jìn)行下面質(zhì)點(diǎn)對(duì)上面質(zhì)點(diǎn)的點(diǎn)火，也就是說(shuō)，需要一個(gè)底部點(diǎn)火源。為了說(shuō)明什么是最下部的點(diǎn)火源，需要分析一下根部的情況。在火焰根部，靠近壁面處氣流速度

4、逐漸減小，至管壁處降至零，但火焰并不會(huì)傳到燃燒器里去，因?yàn)樵撎幍幕鹧鎮(zhèn)鲌?bào)速度因管壁散熱也減小了。在圖355中的點(diǎn)1處，火焰?zhèn)鞑ニ俣刃∮跉饬魉俣龋磗nv。在離燃燒器出口處某一距離的點(diǎn)2處，氣流速度變化不多，火焰?zhèn)鞑ニ俣葏s因管壁散熱影響明顯減小而增加，故snv。這樣，在點(diǎn)1和點(diǎn)2之間，勢(shì)必存在一個(gè)sn=v的點(diǎn)3，在點(diǎn)3上，焰面的法線方向和預(yù)混氣流方向一致；即夾角=0。這就是說(shuō)，在燃燒器出口的周邊上，存在一個(gè)穩(wěn)定的水平焰面，它就是燃燒器底部預(yù)混氣流的點(diǎn)火源，稱之為“點(diǎn)火環(huán)”。藍(lán)色錐體的高度，也與火焰?zhèn)鞑ニ俣群涂扇蓟旌蠚饬魉俣扔嘘P(guān)。如圖356，設(shè)錐體高度為h,噴管出口半徑為r，在錐休表面取一微元面，

5、它在高度上的投影為dh，在徑向上的投影為dr。圖3-5-5 藍(lán)色錐體表面的速度分布圖3-5-6 藍(lán)色錐體形狀這就是藍(lán)色錐體形狀的微分方程式。為了求錐體高度h，可將該微分方程式積分。但由于沿r方向，v和sn都是變化的，要求積分很困難。簡(jiǎn)單的處理方法是，假設(shè)錐體為正錐體；錐體底面半徑與噴管出口半徑相等；sn為常數(shù)，不隨r變化。這時(shí)cos也為常數(shù)，即為斷面上的氣流平均速度，設(shè)可燃混合氣體積流量為qv,。解方程(56)得上式表明，影響火焰高度的因素是r、 、q和sn。當(dāng)可燃混合氣成分和噴管出口尺寸一定時(shí)，平均流速或體積流量增加，都將使火焰高度增加；而火焰?zhèn)鞑ニ俣燃哟?，其高度減小：當(dāng)噴管尺寸和可燃混合氣

6、流量發(fā)生改變時(shí)，出口半徑加大，火焰高度增加。由錐體高度近似公式(357)，就可以推導(dǎo)出動(dòng)力法測(cè)定火焰正常傳播速度的公式(346)，即：二、部分預(yù)混層流火焰的穩(wěn)定如前所述，火焰穩(wěn)定的必要條件就是火焰?zhèn)鞑ニ俣萻n與新鮮可燃混合氣的流速。的相對(duì)平衡。對(duì)于預(yù)混層流火焰，為了維持火焰穩(wěn)定，火焰錐面上各點(diǎn)的sn和v必須滿足“余弦定律”，而火焰錐根部必須具備有“點(diǎn)火環(huán)”作為一固定點(diǎn)火源。然而，點(diǎn)火環(huán)存在是有條件的，只有燃燒器在一定范圍內(nèi)工作時(shí)才能產(chǎn)生。如果燃燒強(qiáng)度不斷加大，由于v=sn的點(diǎn)更加靠近管口，點(diǎn)火環(huán)就逐漸變窄。最后點(diǎn)火環(huán)消失，火焰脫離燃燒器出口，在一定距離以外燃燒，發(fā)生離焰。若氣流速度再度增大，火

7、焰就被吹熄了，稱為脫火。如果進(jìn)入燃燒器的燃?xì)饬髁坎粩鄿p少，即氣流速度不斷減小，藍(lán)色錐體越來(lái)越低，最后由于氣流速度小于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，火焰將縮進(jìn)燃燒器，出現(xiàn)回火。脫火和回火現(xiàn)象都是不允許的，因?yàn)樗鼈兌紩?huì)引起不完全燃燒，產(chǎn)生一氧化碳等有毒氣體。對(duì)爐膛來(lái)說(shuō)，脫火和回火引起熄火后，形成爆炸性氣體，容易發(fā)生事故。因此，研究火焰的穩(wěn)定性，對(duì)防止脫火和回火具有十分重要的意義。對(duì)于某一定組成的燃?xì)饪諝饣旌衔?，在燃燒時(shí)必定存在一個(gè)火焰穩(wěn)定的速度上限，氣流速度達(dá)到此上限值便產(chǎn)生脫火現(xiàn)象，該上限稱為脫火速度極限；另一方面，燃?xì)饪諝饣旌衔镞€存在一個(gè)火焰穩(wěn)定的速度下限，氣流速度低于下限值便產(chǎn)生回火現(xiàn)象，該下限稱為同火速度

8、極限。只有當(dāng)燃?xì)饪諝饣旌衔锏乃俣仍诿摶饦O限和回火極限之間時(shí)，火焰才能穩(wěn)定。在圖357是按試驗(yàn)資料繪出的天然氣空氣混合物燃燒時(shí)的穩(wěn)定范圍。從圖中可以看出混合物的組成對(duì)脫火和回火極限影響很大。隨著一次空氣系數(shù)的增加，混合物的脫火極限逐漸減小。這是因?yàn)槿細(xì)鉂舛雀邥r(shí)，點(diǎn)火環(huán)處有較多的燃?xì)庀蛲鈹U(kuò)散，與大氣中擴(kuò)散而來(lái)的二次空氣混合而燃燒，能形成一個(gè)較有力的點(diǎn)火環(huán)。反之，若混合物中空氣較多，從火孔出來(lái)的燃?xì)廨^少，二次空氣將進(jìn)一步稀釋混合物，使點(diǎn)火環(huán)的能力削弱，所以脫火速度也下降。燃燒器出口直徑越大，氣流向周圍的相對(duì)散熱越少，火焰?zhèn)鞑ニ俣染驮酱?，脫火極限就越高?；鼗饦O限隨混合物組成變化的情況與火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€

9、相象。在其它條件相同時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱?，回火極限速度也越大。燃燒器出口直徑較小時(shí)，管壁相對(duì)散熱作用增大，回火可能性減小。為了防止回火，最好采用小直徑的火孔。當(dāng)火孔直徑小于極限孔徑時(shí)，便不會(huì)發(fā)生回火現(xiàn)象。圖357還繪出了光焰區(qū)。當(dāng)一次空氣系數(shù)較小時(shí)，由于碳?xì)浠衔锏臒岱纸?，形成碳粒和煤煙，?huì)引起不完全燃燒和污染。所以，部分預(yù)混式燃燒的一次空氣系數(shù)不宜太小。圖957 天然氣和空氣的燃燒穩(wěn)定范圍1一火焰曲線；2脫火曲線；3一回火曲線；4火焰區(qū)；5脫火區(qū)；6一回火區(qū)脫火和回火曲線的位置，取決于燃?xì)獾男再|(zhì)。燃?xì)獾幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣仍酱?，此兩曲線的位置就越高。所以火焰?zhèn)鞑ニ俣容^大的焦?fàn)t煤氣容易回火，而火焰?zhèn)鞑?/p>

10、速度較小的天然氣則容易脫火。火焰穩(wěn)定性還受到周圍空氣組成的影響。有時(shí)周圍大氣中氧化劑被惰性氣體污染，脫火和回火曲線的位置就會(huì)發(fā)生變化。由于空氣中含氧量較正常為少，使燃燒速度降低，從而增加了脫火的可能性。此外，火焰周圍空氣的流動(dòng)也會(huì)影響火焰的穩(wěn)定性，這種影響有時(shí)是很大的，它取決于周圍氣流的速度和氣流與火焰之間的角度。鑒于燃燒穩(wěn)定性在燃燒理論和技術(shù)中的重大意義，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。國(guó)際上，對(duì)于燃?xì)馊紵€(wěn)定理論較為系統(tǒng)的研究始于19世紀(jì)40年代，劉易斯和馮埃爾柏的邊界速度梯度理論代表了這一階段的主要成果。它第一次從理論上系統(tǒng)地分析了本生預(yù)混火焰回火和脫火等現(xiàn)象。在50年代，繼續(xù)進(jìn)行了大量

11、的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)驗(yàn)證和發(fā)展了邊界速度梯度理論。圖358為靠近燃燒器火孔壁面的可燃混合氣速度和燃燒速度變化示意圖。決定火焰是否穩(wěn)定的區(qū)域是緊靠噴管(或火孔)邊緣的區(qū)域，該區(qū)域禰為火焰穩(wěn)定區(qū)，即使對(duì)于燃燒速度很慢的甲烷空氣混合物來(lái)說(shuō)，其寬度也只有l(wèi)mm左右。由于這個(gè)寬度比噴口管徑小得多，所以該區(qū)域內(nèi)的氣流速度變化可看成線性變化，即v=gx式中 x離噴口內(nèi)壁的徑向距離；g氣流速度隨x的變化率，稱為邊界速度梯度，因假定空氣流速度為線性變化，故g為常數(shù)；v離噴口內(nèi)壁距離。處的氣流速度。設(shè)在該氣流中，有一本生內(nèi)焰焰面存在，如圖359所示。實(shí)驗(yàn)證明，在本生火焰中，除了火焰頂端和底部以外，在大部分焰面上的燃燒速度

12、是相同的。在火焰頂端，由于溫度和活化中心對(duì)燃燒反應(yīng)的有利影響，燃燒速度較大。在火焰底部，由于管壁的冷卻作用，燃燒速度逐漸減小。當(dāng)離火孔內(nèi)壁的徑向距離小于某一極限距離，燃燒速度降低為零，這一距離稱為熄火距離。圖3-5-8 層流氣流中的火焰穩(wěn)定示意圖圖3-5-9 本生火焰內(nèi)焰的燃燒速度變化曲線發(fā)生回火和脫火的機(jī)理可用圖3510所示曲線來(lái)闡述。圖中(a)直線1、2、3分別表示邊界速度梯度g不同時(shí)，氣流速度隨離孔壁距離變化的曲線。s表示火孔邊緣燃燒速度的變化曲線。如前所述，火焰穩(wěn)定區(qū)是在離孔壁很近的火孔邊緣地帶。圖3-5-10 闡明回火的脫火機(jī)理的示意圖(a)回火機(jī)理；(b)脫火機(jī)理；(c)火焰狀況當(dāng)

13、速度曲線為直線1時(shí)，曲線s與直線1相割，這說(shuō)明在火焰底部的某些部位燃燒速度大于氣流速度，發(fā)生回火。當(dāng)提高邊界速度梯度，使速度曲線變?yōu)橹本€2時(shí)，曲線s與直線2相切。在切點(diǎn)處的氣流速度等于燃燒速度，因此焰面底部可以在這點(diǎn)穩(wěn)定。這時(shí)的邊界速度梯度就是防止回火所需的最低邊界速度梯度，也即回火極限邊界速度梯度gf。當(dāng)繼續(xù)提高邊界速度梯度，使速度曲線為直線3時(shí)，曲線s與直線3不再有交點(diǎn)，這說(shuō)明火焰任何一點(diǎn)的氣流速度均大于燃燒速度。這時(shí)火焰就被氣流推離火孔。圖(b)中直線2和曲線sa相當(dāng)于圖(a)中的直線2和曲線s，也即回火極限工況。這時(shí)火焰底部的位置為圖(c)中的位置a。當(dāng)提高邊界速度梯度而使速度曲線為3

14、時(shí)，由于3上每一點(diǎn)都vsa,所以火焰底部被推離到位置b。在位置b，火焰底部離開(kāi)火孔的距離增大，火孔壁面對(duì)火焰底部的冷卻作用減弱。同時(shí)，在氣流邊界層可燃混合物與空氣的相互擴(kuò)散增強(qiáng)，使邊界層附近可燃混個(gè)物的次空氣系數(shù)增加，燃燒速度增大。因此，圖(b)中的sa向氣流邊界移動(dòng)到sr。因?yàn)閟b與直線3相切，所以焰面底部能夠在位置b重新穩(wěn)定。同樣，當(dāng)速度梯度繼續(xù)增大，使速度成為4線時(shí)，焰面繼續(xù)被推離到位置c，由于壁面冷卻作用進(jìn)一步減弱和稀釋作用的影響，燃燒速度繼續(xù)增大，曲線由sr移動(dòng)到sc。當(dāng)曲線sc與直線4相切時(shí)，火焰底部就能夠在位置c重新穩(wěn)定。當(dāng)邊界速度梯度再繼續(xù)增大，使速度曲線變?yōu)橹本€5時(shí)，火焰又進(jìn)

15、一步被推離火孔。這時(shí)由于可燃混合物與空氣的相互擴(kuò)散過(guò)程，使得氣流邊界層附近的可燃混合物被空氣過(guò)分稀釋，導(dǎo)致該處的燃燒速度下降，使燃燒速度曲線sc不是繼續(xù)向左推移，而是反過(guò)來(lái)向右推移到sd。這時(shí)直線5與曲線sd再也找不到切點(diǎn)，即在火焰底部任何一點(diǎn)上的氣流速度都大于燃燒速度，于是火焰就被無(wú)限制推離火孔，產(chǎn)生脫火。顯然，直線4和曲線sc所代表的工況，即為防止脫火的極限工況，這時(shí)的邊界速度梯度gb即為脫火極限邊界速度梯度。當(dāng)可燃混合物在空氣中燃燒時(shí)，可燃混合物中的燃?xì)鉂舛仍酱?，脫火極限邊界速度梯度也越大。這是因?yàn)檫@種可燃混合物與空氣相互擴(kuò)散時(shí)，在開(kāi)始階段能形成燃燒速度增大的氣流邊界層。然而，當(dāng)燃?xì)鉂舛?/p>

16、大的可燃混合物不是在空氣中而是在惰性氣體中燃燒時(shí)，脫火極限邊界速度梯度就比較小。劉易斯和馮埃爾柏認(rèn)為，回火與脫火邊界極限速度梯度gf、gb是可燃混合物本身的特性。因此他們認(rèn)為，只要提出邊界速度梯度理論時(shí)所作的幾條假設(shè)符合實(shí)際情況，那么gf、gb就應(yīng)與火孔孔徑、孔深和孔型無(wú)關(guān)。這樣，對(duì)于每一種可燃混合物就可以用一個(gè)gf和一個(gè)gb來(lái)表示在不同火孔中的燃燒穩(wěn)定性。從以上分析可以認(rèn)為，脫火和回火的極限決定于靠近氣流周邊處的氣流速度線的斜率，或者說(shuō)取決于周邊速度梯度?；鼗饡r(shí)的周邊速度梯度可由下式確定：(dvdr)rr=(dsdr)rr (58)式中 r某點(diǎn)離管中心的距離；r管子半徑。在層流情況下，管道中

17、的速度場(chǎng)呈拋物線形，并可用下式表達(dá)：v=vmax(1-r2r2)而vmax=2 (此處 為平均氣流速度)。若將氣體流量qv引入，則它與速度之間存在以下關(guān)系：當(dāng)燃?xì)饨M成一定時(shí)，為一定值，故也可確定。從式(59)可知回火極限流量與r3成正比，當(dāng)燃燒器口徑放大時(shí)，回火極限流量也增加。式(59)還可寫(xiě)成表明，一定組成的燃?xì)?，其回火極限速度與燃燒器出口直徑成正比，口徑越大，回火極限速度越高。周邊速度梯度理論雖然針對(duì)層流狀態(tài)導(dǎo)出，但在某些親流狀態(tài)下也能適用。三、部分預(yù)混紊流火焰在工業(yè)窯爐中，往往需要很大的燃燒熱強(qiáng)度，這只有采用紊流燃燒才能達(dá)到。從直觀來(lái)看，紊流預(yù)混火焰較層流預(yù)混火焰有明顯不同，諸如：焰面由

18、光滑變?yōu)榘櫱?，輪廓模糊，可?jiàn)厚度增加。事實(shí)卜紊流火焰厚度遠(yuǎn)較層流為大，往往可達(dá)數(shù)毫米，火焰長(zhǎng)度明顯地縮短，而且頂部變圓，火焰亮度十分高，以致燃燒速度明顯地提高，可達(dá)到層流預(yù)混火焰的數(shù)倍至數(shù)十倍。當(dāng)紊動(dòng)加強(qiáng)時(shí)，焰面將強(qiáng)烈擾動(dòng)，氣體質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)焰面分散成許多燃燒的氣體微團(tuán)，它們隨著可燃混合物和燃燒產(chǎn)物的流動(dòng)而不斷飛散，最后完全燃盡。這時(shí)，焰面變?yōu)橛稍S多燃燒中心所組成的燃燒層，燃燒表面積大大增加，燃燒過(guò)程大為強(qiáng)化。對(duì)自由空間預(yù)混式紊流火焰進(jìn)行研究以后，可以把紊流火焰分為三個(gè)區(qū)。如圖3511它們是：圖3-5-11 紊流火焰的結(jié)構(gòu)焰核區(qū)1燃?xì)饪諝饣旌衔锷形袋c(diǎn)著的冷區(qū)；焰面區(qū)2著火與燃燒區(qū)，大約90的燃?xì)庠谶@里燃燒；燃盡區(qū)3在這里完成全部燃燒過(guò)程，這個(gè)區(qū)的邊界是看不見(jiàn)的，要根據(jù)氣體分析來(lái)確定。根據(jù)以上火焰結(jié)構(gòu)，紊流火焰的長(zhǎng)度可由下