第二節(jié)--熱力燃燒的原理

1、第二節(jié) 熱力燃燒的原理 熱力燃燒一般用于處理廢氣中含可燃組分濃度較低的情況。它和直接燃燒的區(qū)別就在于直接燃燒的廢氣由于本身含有較高濃度的可燃組分，它可以直接在空氣中燃燒。熱力燃燒則不同，廢氣中可燃組分的濃度很低，燃燒過程中所放出的熱量不足以滿足燃燒過程所需的熱量。因此，廢氣本身不能作為燃料，只能作為輔助燃料燃燒過程中的助燃氣體，在輔助燃料燃燒的過程中，將廢氣中的可燃組分銷毀。與直接燃燒相比，熱力燃燒所需要的溫度一般較低，通常為540820。 一、熱力燃燒的基本理論 (一)火焰?zhèn)鞑ダ碚?#160;在熱力燃燒過程中，一般認為，只有燃燒室的溫度維持在760820，駐留時

2、間為05s時，有機物的燃燒才能比較完全。而達到這個溫度范圍是依靠火焰?zhèn)鞑ミ^程來實現(xiàn)的。火焰?zhèn)鞑サ睦碚摲譃閮纱箢悺?#160;1熱傳播理論這類理論認為：火焰?zhèn)鞑ナ且揽咳紵龝r所放出的熱量加熱周圍的氣體，使其達到燃燒所需要的溫度而實現(xiàn)的。因此，能否實現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ブ饕c三個方面的因素有關(guān)：混合氣體中的含氧量；混合氣體中含有可燃組分的濃度；輔助燃料燃燒過程中所放出的熱量。當燃燒過程中放出的熱量不足以使周圍的氣體達到燃燒所需要的溫度，火焰自然不能向外傳播；當助燃廢氣中的含氧量不足，燃燒過程難以進行，火焰也不能傳播出去。例如：丙烷氣體在空氣當中很容易燃燒，但在氧和氮各占12和88的氣體中，丙烷燃燒非常困難。此

3、外，混合氣體中可燃組分的濃度與火焰能否傳播有著緊密的聯(lián)系。濃度過低，燃燒過程不能實現(xiàn)；濃度過高時，由于沒有足夠的氧而使得廢氣不能在正常的著火溫度下產(chǎn)生燃燒反應(yīng)，因而火焰也得不到傳播。人們將這種能夠維持火焰?zhèn)鞑サ臐舛确秶Q為爆炸極限。使用燃燒法處理各種有機廢氣的過程中，爆炸極限的范圍是至關(guān)重要的。 2自由基連鎖反應(yīng)理論該種理論認為：在燃燒室中，火焰之所以能夠進行很快的氧化反應(yīng)，就是因為火焰中存在著大量活性很大的自由基。由于自由基是具有不飽和價的自由原子或原子團，極易同其他的原子或自由基發(fā)生連續(xù)的連鎖反應(yīng)，而使得火焰得以傳播。推薦精選1970年西里和鮑曼提出甲烷燃燒反應(yīng)的歷程如下。推薦精

4、選從以上的這個歷程中可以看出，由于火焰的存在，使得自由基大量產(chǎn)生，所產(chǎn)生的自由基加速了廢氣中可燃組分的銷毀速度。在以上的這些自由基中，是一個很重要的自由基，它主要靠水分在火焰中解離而產(chǎn)生。在熱力燃燒的過程中，的速度往往很慢，但如在混合氣體中存在著OH，則其反應(yīng)為的速度遠遠大于前一個反應(yīng)，從而使得對人體危害嚴重的CO很快銷毀了。 (二)混合氣體的爆炸極限 燃燒本身是伴有光和熱產(chǎn)生的劇烈的氧化反應(yīng)，為了使這種氧化反應(yīng)能夠在燃燒室的每一點進行徹底，混合氣體中可燃組分的濃度必須在一定的濃度范圍之內(nèi)，以形成火焰，維持燃燒，在一個有限的空間內(nèi)形成氣體爆炸。將這一濃度范圍的下限稱為爆炸下

5、限、上限稱為爆炸上限。表161列出了有機蒸氣與空氣混合在20、101325Pa下的爆炸極限范圍。爆炸極限本身并不是一個定值，它與混合氣體的溫度、壓力及濕度有關(guān)。此外，還與混合氣體的流速、設(shè)備的形狀有關(guān)。對于幾種有機蒸氣與空氣混合的爆炸極限，可按下式進行計算： (161)推薦精選式中 ai混合氣體中組分i的含量，； Ai混合氣體中組分i的爆炸極限。 推薦精選 熱力燃燒，一般指利用燃燒輔助燃料所產(chǎn)生的火焰提高混合氣體的溫度，將廢氣中的可燃組分氧化或銷毀。因此，產(chǎn)生火焰不是目的，而是一種提供熱量的手段。在這種手段下，只要能夠保證合適的溫度，廢氣中的可燃組分就會得到銷毀。此外，在熱

6、力燃燒過程中廢氣主要走兩路，一路作為輔助燃料燃燒時的助燃氣體。另一路作為與高溫燃氣混合的旁通廢氣，混合以后的氣體溫度要達到能使可燃組分銷毀的溫度。在整個燃燒室中，熱量不僅來自于輔助燃料的燃燒，在銷毀可燃組分的過程中也會產(chǎn)生熱量。一般而言，對于大多數(shù)的碳氫化合物，每1爆炸下限(LEL)在燃燒時放出的熱量可以使溫度升高153。因此，這部分熱量也是不容忽視的。在一般的熱力燃燒的工程中，為防止燃燒過程中的爆炸和回火，廢氣中可燃組分的含量應(yīng)控制在25LEL以下。表162列出了部分可燃氣體在爆炸下限時的熱值。  (三)熱力燃燒機理 熱力燃燒的機理大致可以分為以下三個步驟。(1

7、)輔助燃料的燃燒提高熱量；(2)廢氣與高溫燃氣混合達到反應(yīng)溫度；(3)廢氣中可燃組分氧化反應(yīng)保證廢氣于反應(yīng)溫度時所需要的駐留時間。具體的流程如圖161所示。推薦精選 圖161 熱力燃燒流程 然而，在整個熱力燃燒的過程中，是否用廢氣作為助燃氣體，要視廢氣中的含氧量的多少而定，當廢氣中的含氧量足夠燃燒過程中的需氧量時，可以使部分廢氣作為助燃氣體；當不夠時，則應(yīng)以空氣作為助燃氣體，廢氣全部旁通。此外，輔助燃料用量的多少與廢氣的初始溫度有很大關(guān)系。如廢氣的初溫低，消耗的輔助燃料就多；初溫較高，消耗的輔助燃料就少。因此，在工程設(shè)計中，利用燃燒過程中產(chǎn)生的預(yù)熱廢氣可以節(jié)約大量的輔助燃料

8、。圖162就是這一思想很好的體現(xiàn)。 推薦精選圖162 帶能量(熱量)回收裝置的熱燃燒爐 低溫廢氣在熱回收換熱器中得到預(yù)熱，然后進入燃燒室與高溫燃氣混合燃燒，燃燒完畢之后從燃燒室流出進入換熱器，對其他的低溫廢氣預(yù)熱，最后從煙道排出。 (四)熱力燃燒的“三T”條件 “三T”條件指的是反應(yīng)溫度(Reaction Temperature)、駐留時間(Residential Time)、湍流混合(Turbulence Mix)。掌握“三T”條件對于熱力燃燒的過程是至關(guān)重要的。 1反應(yīng)溫度對熱力燃燒的影響這里所指的反應(yīng)溫度并不是反應(yīng)可以進行的溫度，而是反應(yīng)

9、速度可達到要求時的溫度。換句話講，就是在一定的區(qū)域內(nèi)，可燃組分的銷毀達到設(shè)計要求所需要的溫度。這就要求反應(yīng)的速度足夠快。提高溫度，反應(yīng)就會加速。例如，一個充分混合的系統(tǒng)在推薦精選9822時也許能在03s內(nèi)完成某一反應(yīng)過程，而在7044時，則可能要3s時間才能完成同一反應(yīng)。 2駐留時間對熱力燃燒的影響任何化學(xué)反應(yīng)(燃燒也是一種化學(xué)反應(yīng))都要經(jīng)歷一定的時間，可燃組分的銷毀也是一樣。盡管反應(yīng)絕不會達到100的完全程度，但如果反應(yīng)時間充分，那么不完全反應(yīng)程度是微不足道的。這個時間是指反應(yīng)物以某種形式進行混合后在一定溫度下所維持的時間。就燃燒反應(yīng)時間而言，其變化范圍在小于110s至幾秒之間，因

10、反應(yīng)溫度和反應(yīng)物混合程度而異。從圖163可以看出，當反應(yīng)溫度為6489時，駐留時間為0001s，銷毀率為10；駐留時間01s時，銷毀率一下子上升到88。由此可見，駐留時間對熱力燃燒的效果影響很大。 推薦精選圖163 溫度和時間對可燃組分氧化速率的影響 3湍流混合對于熱力燃燒的影響任何一種化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)能夠發(fā)生的前提條件是反應(yīng)的分子間首先要發(fā)生碰撞。不能發(fā)生碰撞的分子之間自然不會發(fā)生反應(yīng)。湍流混合的目的，實際上就是要增大可燃組分的分子與氧分子或自由基的碰撞機會，使其處于分子接觸的水平，以保證所要求的銷毀率。否則，即使有足夠的反應(yīng)溫度和駐留時間，但由于沒有足夠的碰撞機會，照樣不

11、會達到預(yù)期的銷毀率。這一點，從反應(yīng)速率常數(shù)與分子碰撞系數(shù)的關(guān)系式中也可以看出： (162) 式中 K反反應(yīng)速度常數(shù)；K碰分子碰撞系數(shù)；K質(zhì)傳質(zhì)系數(shù)。當K碰增加時，K反也會增加，從而使得反應(yīng)速率增加?！叭齌”條件之間是具有內(nèi)在聯(lián)系的，改變其中的任何一個條件，其他兩項都可以得到相應(yīng)的改變。如提高反應(yīng)溫度，使得反應(yīng)速度加快，就可以適當?shù)亟档婉v留時間和湍流強度。然而，在這“三T”條件中，延長駐留時間會使設(shè)備體積增大；提高反應(yīng)溫度會使輔助燃料的消耗增加。因此，最經(jīng)濟的方法就是改善湍流混合情況，以增大分子接觸的機會。這就需要在設(shè)計燃燒室的時候充分注意其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。 二、熱力燃燒爐的結(jié)構(gòu) 

12、;圖164為熱力燃燒典型的工業(yè)裝置。從圖中可以看出，一個熱力燃燒裝置主要由兩部分組成：燃燒器，其作用是燃燒輔助燃料以產(chǎn)生高溫燃氣；燃燒室，其作用是保證廢氣和高溫燃氣充分混合并反應(yīng)的空間。針對不同的要求和火焰燃燒的情況，燃燒器和燃燒室有各種不同的結(jié)構(gòu)。 推薦精選圖164 熱燃燒裝置 (一)配焰式燃燒系統(tǒng) 圖165為配焰式燃燒器系統(tǒng)，其工藝特點是：燃燒器將火焰配布成為許多布點成線的小火焰，廢氣從火焰周圍流過去，迅速達到湍流混合。因此可以看出，該種燃燒有火焰分散、混合程度高、燃燒凈化效率高等特點。但當廢氣貧氧，廢氣中含有易沉積的油焦或顆粒物。輔助燃料為油料時，這種系統(tǒng)都

13、不適用。 推薦精選圖165 配焰燃燒器系統(tǒng) 1配焰式燃燒器根據(jù)燃燒結(jié)構(gòu)的不同，該種形式的燃燒器又可分為火焰成線式燃燒器(見圖166)、多燒嘴式燃燒器(見圖167)和格柵式燃燒器(見圖168)。 圖166 火焰成線式的燃燒器(帶側(cè)擋板) 推薦精選圖167 多燒嘴式燃燒器系統(tǒng) 圖168 格柵式燃燒器 火焰成線式燃燒器的輔助燃料氣從下部管子引入，作為助燃氣體的廢氣從V形板側(cè)面的小孔引入，旁通廢氣從V形板與側(cè)擋板間的縫隙引入。這就是該種燃燒器的特點。當壓力降為392266Pa(40mmH2O)時，該種燃燒器形成的火焰短而穩(wěn)定，湍流混合程度較好

14、。多燒嘴式燃燒器的輔助燃料氣從后面引入，廢氣分為兩路，助燃氣體和旁通氣體的量通過調(diào)節(jié)d的大小來控制。該種燃燒器的助燃較好，與火焰成線式相比，不易熄火。但湍流混合不夠理想。因此，在燃燒室中應(yīng)增設(shè)擋板或其他措施，提高混合程度。推薦精選格柵式燃燒器的輔助燃料氣從底部分配管引入，廢氣從下部引入，該種燃燒器湍流混合較好，適用于廢氣流量較為穩(wěn)定的情況。但如壓力調(diào)節(jié)不當，會發(fā)生熄火情況。 2配焰式燃燒室針對配焰式燃燒器的結(jié)構(gòu)，其燃燒室要注意解決以下的問題。(1)燃燒器的安裝位置 為保證溫度分布均勻，反應(yīng)完全，燃燒器應(yīng)安置在斷面流速盡可能分布均勻的端處，而不要放置在渦流地帶。(2)燃燒室截面積 為保

15、證足夠的湍流程度，應(yīng)滿足：矩形截面時：圓形截面時：式中 Q標總體積流量； D當當量直徑； D直徑； A截面積。(3)燃燒室內(nèi)設(shè)置擋板 由于燃燒室的邊壁效應(yīng)或燃燒器的結(jié)構(gòu)形式，都有可能產(chǎn)生局部混合不好，為避免這種現(xiàn)象，應(yīng)在火焰沖擊范圍以外裝設(shè)擋板，以提高湍流混合的程度。表163反映了有無擋板之間的差別。 推薦精選 (二)離焰式燃燒系統(tǒng) 圖169是一個離焰式燃燒系統(tǒng)裝置示意。這種燃燒系統(tǒng)的特點是高溫燃氣與廢氣的混合是分離開的，而不像配焰系統(tǒng)那樣將火焰與廢氣一起分成許多小股。所以，就混合效果來講，不如配焰系統(tǒng)。但是離焰式燃燒器又具有以下優(yōu)點：由于火焰較長，不易熄火，輔助燃料既可以使用燃料油，又可使用燃料氣(見圖1610)，燃料氣與助燃氣體的流速可調(diào)幅度大，工作壓力范圍寬。 推薦精選圖169 使用離焰燃燒器的燃燒爐 圖1610 油氣兩用燃燒器 因此，在克服離焰式燃燒系統(tǒng)混合問題上，出現(xiàn)許多方法。(1)在圖1611中，燃燒過程中火焰噴射產(chǎn)生的抽力將廢氣引