燃燒理論第六講燃燒方法

1、第六章第六章燃氣燃燒方法燃氣燃燒方法燃氣燃燒的動力區(qū)和擴散區(qū)燃氣燃燒的動力區(qū)和擴散區(qū)p燃料燃燒所需要的全部時間通常由兩部分合成，即氧化劑和燃料之間發(fā)生物理性接觸所需要的時間ph和進行化學(xué)反應(yīng)所需要的時間ch。亦即=ph+chp對氣體燃料來說，phch，則實際上ch。這時，稱燃燒過程在動力區(qū)進行。p反之，如果phch，則ph。稱燃燒過程在擴散區(qū)進行。p顯然，當(dāng)燃燒過程在動力區(qū)進行時，燃燒速度將受化學(xué)動力學(xué)因素的控制，例如反應(yīng)物的活化能、溫度和壓力等。若燃燒過程在擴散區(qū)進行，則燃燒速度將取決于流體動力學(xué)的一些因素，例如氣流速度和氣體流動過程中所遇到的物體的尺寸、形狀等。p在中間區(qū)，phch。情況較

2、為復(fù)雜。p為此，將燃燒分為擴散燃燒和預(yù)混（部分預(yù)混和全預(yù)混）燃燒。一、擴散式燃燒一、擴散式燃燒p燃氣中不含氧化劑(即=0)，則燃燒所需的氧氣將依靠擴散作用從周圍大氣獲得。這種燃燒方式稱為擴散式燃燒。 p在層流狀態(tài)下，擴散燃燒依靠分子擴散作用使周圍氧氣進入燃燒區(qū)，在湍流狀態(tài)下，則依靠湍流擴散作用來獲得燃燒所需的氧氣。由于分子擴散進行得比較緩慢，因此層流擴散燃燒的速度取決于氧的擴散速度。燃燒的化學(xué)反應(yīng)進行得很快，因此火焰焰面厚度很小。p在焰面上正好等于1，而不可能大于或小于1。內(nèi)側(cè)為燃氣和燃燒產(chǎn)物相互擴散的區(qū)域，外側(cè)為空氣和燃燒產(chǎn)物相互擴散的區(qū)域。p擴散火焰的形狀為圓錐形。這是因為前期混合需要時間

3、，使焰面拉長。后期不斷燃燒，純?nèi)細獾捏w積越來越小。 層流擴散火焰結(jié)構(gòu)1外側(cè)混合區(qū)；2內(nèi)側(cè)混合區(qū)；Cg燃氣濃度；Ccp燃燒產(chǎn)物濃度；CO2氧氣濃度層流擴散火焰的相似p利用相似關(guān)系來討論層流擴散火焰的基本規(guī)律 p管l和管2兩個相似的擴散燃燒裝置 ，燃氣和空氣之間的擴散率(即單位時間從空氣中擴散到燃氣中去的氧氣量)應(yīng)當(dāng)與濃度梯度成正比： ddCMDFr式中 D擴散系數(shù)； F垂直于擴散方向兩股氣流的接觸面積 dC/dr徑向濃度梯度。 2dLD111222Fd LFd L1212ddddCdrCdr11112112222122MDd LdD LMDd LdD L兩種情況下的擴散率之比應(yīng)當(dāng)?shù)扔谌細饬髁恐?/p>

4、 氣流速度增加時擴散火焰長度和燃燒工況的變化 1火焰長度終端曲線；2層流火焰終端曲線p層流擴散火焰的長度與氣流速度成正比，而在湍流區(qū)火焰長度與氣流速度無關(guān)。p在燃氣湍流自由射流中，軸線上的燃氣濃度Cg與射流出口處的原始濃度C1之比 p在鋒面上燃氣濃度和空氣濃度之比應(yīng)近似地等于化學(xué)當(dāng)量比l：n，由此可得湍流擴散火焰長度lfg10.700.29CasCr式中 s距出口的軸向距離； a湍流結(jié)構(gòu)系數(shù)； r射流噴口的半徑。 g1g1CCCnf0.70 10.29rlna二、擴散火焰中的多相過程二、擴散火焰中的多相過程p碳氫化合物進行擴散燃燒時，可能出現(xiàn)兩個不同的區(qū)域：一個是真正的擴散火焰，它是一個很薄的

5、反應(yīng)層；另一個是光焰區(qū)，其中有固體碳粒燃燒。 p在火焰內(nèi)存在一個只有燃氣沒有氧氣的高溫地帶，是燃氣進行熱分解的區(qū)域。分解區(qū)內(nèi)發(fā)生著碳氫化合物的脫氫過程和碳原子的積聚過程。最后生成相當(dāng)多的固體碳粒，像霧一般分散在氣體中。這些碳粒接觸到氧氣，便出現(xiàn)固體和氣體之間的燃燒過程，呈現(xiàn)出明亮的淡黃色的光焰，如果碳粒來不及燃盡而被燃燒產(chǎn)物帶走，就形成所謂煤煙。p碳粒燃燒經(jīng)歷吸附反應(yīng)解析的過程 2xyxy21COC O2C OCO+ COxymn 不同壓力下乙炔在空氣中的擴散火焰1擴散火焰；2光焰區(qū) 層流擴散火焰中氣體濃度和溫度的變化p燃氣火焰的輻射燃氣火焰的輻射p在民用燃氣設(shè)備上，由于燃燒空間有限，燃燒溫度

6、不高，光焰的出現(xiàn)容易形成黑煙。但在各種工業(yè)爐窯、鍋爐等熱工設(shè)備上，卻需要利用燃料燃燒時火焰的輻射傳熱。p不發(fā)光的透明火焰的輻射，主要是高溫氣體的輻射。對于黃色、光亮而不透明的光焰來說，火焰內(nèi)的游離碳粒子產(chǎn)生的固體輻射占有很大的比例。因此，兩種不同火焰的輻射機理是不同的。p燃氣火焰一般來說是不發(fā)光的透明火焰，即使擴散火焰也是弱的光焰。透明火焰主要靠煙氣中的CO2、水蒸氣等在高溫下的輻射。由于氣體輻射僅在特定的窄波段內(nèi)進行，與具有連續(xù)發(fā)射光譜的發(fā)光固體顆粒相比，燃氣火焰的輻射能力是很弱的。p為了增加燃氣火焰的輻射能力，曾有人試驗過在氣體燃料中加入一些液體燃料的燃燒方法。圖示為國際火焰基金會的研究結(jié)

7、果。 加入重油對輻射率的影響A重油100% B重油40% C重油20%D重油10% E重油0%三、部分預(yù)混層流火焰三、部分預(yù)混層流火焰p1855年本生創(chuàng)造出一種燃燒器，燃燒前預(yù)先混入一部分燃燒所需空氣，火焰變得清潔，燃燒得以強化。習(xí)慣上又稱大氣式燃燒。p本生火焰由內(nèi)錐體和外錐體組成。在內(nèi)錐表面火焰向內(nèi)傳播，而未燃的燃氣空氣混合物則不斷地從錐內(nèi)向外流出。在氣流的法向分速度等于法向火焰?zhèn)鞑ニ俣戎幈愠霈F(xiàn)一個穩(wěn)定的焰面。在內(nèi)錐焰面上僅僅進行部分燃燒過程。所得的中間產(chǎn)物穿過內(nèi)錐焰面，在其外部形成擴散火焰。p一次空氣系數(shù)大，則外錐小，碳氫化合物在反應(yīng)區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)化為含氧的醛、乙醇等，反之則可能在高溫下分解，形

8、成碳粒，成為發(fā)光的擴散火焰。本生燃燒器示意圖藍色錐體表面上的速度分析p層流時，沿管道橫截面上氣體的速度按拋物線分布。截面上任一點的氣流法向分速度均等于法向火焰?zhèn)鞑ニ俣龋驶鹧婺芊€(wěn)定在該點。另一方面，該點還有一個切向分速度，在焰面上不斷進行著下面質(zhì)點對上面質(zhì)點的點火。p在火焰根部，靠近壁面處氣流速度逐漸減小，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫蚬鼙谏嵋矞p小了?？梢钥隙?，必定存在一個=S的點，而且沒有分速度。這就是說，在燃燒器出口的周邊上，存在一個穩(wěn)定的水平焰面，它是空氣-燃氣混合物的點火源，又稱點火環(huán)。四、部分預(yù)混層流火焰的穩(wěn)定四、部分預(yù)混層流火焰的穩(wěn)定p如果燃燒強度不斷加大，點火環(huán)就逐漸變?nèi)?，直至消失，火焰脫離燃

9、燒器出口，在一定距離以外燃燒，稱為離焰。若氣流速度再增大，火焰就被吹熄，稱為脫火。一次空氣系數(shù)越大，混合物的脫火極限越小。燃燒器出口直徑越大，氣流向周圍的散熱越少，火焰?zhèn)鞑ニ俣染驮酱?，脫火極限就越高。 p如果進入燃燒器的燃氣流量不斷減小，內(nèi)錐越來越低，最后由于氣流速度小于火焰?zhèn)鞑ニ俣龋鹧鎸⒖s進燃燒器，稱為回火?；鼗饦O限與火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€相似。在其他條件相同時，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱螅鼗饦O限速度也越大。燃燒器出口直徑較小時，管壁散熱作用增大，回火可能性減小。為了防止回火，最好采用小直徑的燃燒孔。當(dāng)燃燒孔直徑小于極限孔徑時，便不會發(fā)生回火現(xiàn)象。p當(dāng)一次空氣系數(shù)較小時，由于碳氫化合物的熱分解，形成碳粒

10、和煤煙，會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。天然氣和空氣的燃燒穩(wěn)定范圍1一光焰曲線；2脫火曲線 3回火曲線；4光焰區(qū)；5一脫火區(qū)6一回火區(qū)p周邊速度梯度理論周邊速度梯度理論p在燃燒器出口的周邊處，火焰?zhèn)鞑ニ俣群蜌饬魉俣榷际窃谧兓摹饬魉俣忍荻?、 2 、3分別為產(chǎn)生回火；產(chǎn)生回火的極限位置；火焰穩(wěn)定三種情況。p第三種情況，氣流速度大于燃燒速度，火焰底部被推離，火孔壁面對火焰底部的冷卻作用減弱，燃燒速度增大，焰面底部能夠重新穩(wěn)定。 p當(dāng)周邊速度梯度再繼續(xù)增大，使火焰進一步被推離火孔。這時由于可燃混合物物與空氣的相互擴散過強，使得氣流邊界層附近的可燃混合物被空氣過

11、分稀釋，導(dǎo)致該處的燃燒速度下降。這時在火焰底部任何一點上的氣流速度都大于燃燒速度，于是火焰就被無限制推離火孔,產(chǎn)生脫火。 回火和脫火的圖解(a)燃燒器出口以內(nèi)的情況；(b)燃燒器出口以上的情況；(c)焰面位置1回火；2回火極限；3火焰穩(wěn)定；4脫火極限；5脫火A、B、C當(dāng)焰面在ABC三個位置時的燃燒速度曲線p火焰拉伸理論火焰拉伸理論p60年代后期呂特對火焰底部離火孔端面的距離d進行了分析。發(fā)現(xiàn)有時氣流速度增加到出現(xiàn)脫火，d并無顯著增加，有時氣流速度并未增加，d卻有所增加。為此提出火焰拉伸理論代替周邊速度梯度理論來解釋脫火現(xiàn)象。p當(dāng)未燃氣體具有速度梯度時，則從某單位面積焰面?zhèn)鹘o未燃氣體的熱量并不全

12、部返回到該單位面積焰面，而是有一部分熱量從低流速區(qū)向高流速區(qū)轉(zhuǎn)移。這樣，低流速區(qū)的火焰溫度就降低，該區(qū)的燃燒速度也相應(yīng)降低。而且，某一段火焰的氣流速度梯度越大，這一段火焰低流速區(qū)的火焰溫度也降得越多，熄火作用也越厲害。這顯然是一種可能導(dǎo)致脫火的機理。 p與這種影響大小有關(guān)的因素是度量預(yù)熱區(qū)厚度的參數(shù)ph(ph=/Sncp)。對于一定的速度梯度來說，ph越大，則在ph這段距離中氣流速度的增值也越大，熄火作用也越厲害。此外，對于同樣的和ph而言，某一段火焰本身的氣流速度越大，速度的增值d對于的影響就越小，其熄火影響也越小。因此可以認(rèn)為，由于速度梯度而引起的熄火影響與、ph成正比，與成反比。p無因次

13、數(shù)K稱為卡洛維茲(Karlovitz)拉伸系數(shù)。 K值越大，速度梯度的熄火作用越厲害。當(dāng)K值達到極限時，一個自動加速的熄火過程就開始，并最后導(dǎo)致一部分火焰的熄滅。 phddKrp當(dāng)火焰在具有速度梯度的運動氣流中傳播時，火焰成構(gòu)成凸向氣流的曲面，因此面向未燃氣體的焰面面積就大于面向已燃氣體的焰面面積。亦即，當(dāng)焰面向未燃氣體傳播時，其面積被拉伸。對于曲面火焰而言，焰面每單位面積所需加熱的未燃氣體體積比平面火焰的大，因而火焰溫度會降低。焰面面積被拉伸得越多，火焰溫度就會降得越低，甚至導(dǎo)致火焰的熄滅。K的極限值就代表火焰尚能適應(yīng)的最大面積增值。 p脫火是由于火焰穩(wěn)定區(qū)的K值達到極限值Kb，導(dǎo)致火焰熄滅

14、而引起的。p對于某一種燃氣-空氣混合物來說，不論其濃度比例、溫度、壓力和火孔孔徑如何變化，Kb應(yīng)大致為定值。 bb2pngKcS式中g(shù)b脫火極限速度梯度 Kb隨F的變化式中F 燃氣相對濃度 ;k系數(shù)。無外焰時，k取零；有外焰時，k取1。p周邊速度梯度的增加既引起火焰拉伸，又引起周圍空氣對可燃混合物的稀釋?；鹧胬烀摶鹄碚搹娬{(diào)了前者，而周邊速度梯度理論則強調(diào)了后者。 6.4b0.23 11KFk輔助火焰作點火源1火孔；2小孔；3環(huán)形縫隙五、部分預(yù)混湍流火焰的穩(wěn)定五、部分預(yù)混湍流火焰的穩(wěn)定p預(yù)混湍流火焰工作的穩(wěn)定區(qū)可能全部消失，或者變得很窄，要使燃燒器正常工作只有采用人工的穩(wěn)焰方法。p可改變氣流速

15、度，用流體動力學(xué)方法進行穩(wěn)焰；也可改變火焰?zhèn)鞑ニ俣?，用熱力學(xué)和化學(xué)方法進行穩(wěn)焰。p最常用的方法是在燃燒器出口處設(shè)置一個點火源。點火源可以是連續(xù)作用的人工點火裝置，也可以使熾熱的燃燒產(chǎn)物流回火焰根部而形成點火源。p熱煙氣的回流往往通過在燃氣-空氣混合物的氣流中設(shè)置鈍體火焰穩(wěn)定器來實現(xiàn)。p鈍體穩(wěn)焰原理以簡化熱理論為例來分析火焰穩(wěn)定的條件在回流區(qū)內(nèi)燃氣燃燒產(chǎn)生的熱量為 這些熱量使回流區(qū)氣體溫度從T1 升高到T鈍體穩(wěn)焰的物理模型n2w0w wexp4EQk Cd l HRT2wwwp14QdcTT假定回流與主流氣體的定壓容積比熱相當(dāng)，則由混合區(qū)內(nèi)混合的情況又可寫出以上各式中 C回流區(qū)內(nèi)反應(yīng)物濃度；n化

16、學(xué)反應(yīng)級數(shù)； H燃氣熱值； dw回流區(qū)直徑； lw回流區(qū)長度；w回流區(qū)內(nèi)的平均回流速度；cp 氣體定壓容積比熱；T離開回流區(qū)時的溫度； Tl流入回流區(qū)時的溫度。x回流氣體與主流氣體的比例。 p0pp 11c Txc Tx c T101TTx TTn0w1wpERTxk C l HeTTc 1wERTnAepl1ERTnAepdEnRTWp e2WSpE2n-2RTSpe合并各式，消去Qw與T后得到考慮到濃度和密度與壓力成正比，回流區(qū)速度與主氣流速度也成比例，上式可簡化成 還可以用火焰?zhèn)鞑ニ俣萐來代替 ERTe得脫火的臨界條件:當(dāng)氣體流速比式中數(shù)值大時，發(fā)生脫火。當(dāng)氣流速度小于對應(yīng)數(shù)值時，不會發(fā)

17、生脫火，即火焰保持穩(wěn)定。 2A Spd鈍體穩(wěn)焰器的脫火曲線 六、完全預(yù)混式燃燒六、完全預(yù)混式燃燒p進行完全預(yù)混式燃燒的條件是：第一、燃氣和空氣在著火前預(yù)先按化學(xué)當(dāng)量比混合均勻；第二、設(shè)置專門的火道(或燃燒室)，使燃燒區(qū)內(nèi)保持穩(wěn)定的高溫。p燃氣-空氣混合物到達燃燒區(qū)后能在瞬時間燃燒完畢?；鹧婧芏躺踔量床灰?，所以又稱無焰燃燒。p完全預(yù)混可燃物的燃燒速度很快，但火焰穩(wěn)定性較差。p工業(yè)上的完全預(yù)混式燃燒器，常常用一個緊接的火道來穩(wěn)焰。來自燃燒器的燃氣-空氣混合物進入火道，在火道中形成火焰 。由于引射作用，在火焰的根部吸入炙熱的煙氣，形成煙氣回流區(qū)，是一個穩(wěn)定的點火源。 火道中火焰的穩(wěn)定p還有一種小孔式

18、火道。孔口直徑小于臨界孔徑，燃燒在接近多孔板外表面附近進行。p多孔陶瓷板上進行的完全預(yù)混燃燒使其表面呈現(xiàn)一片紅色，燃燒產(chǎn)生的熱量有40以上以輻射熱形式散發(fā)出來，又稱為燃氣紅外線輻射板。p此外還有一種水冷小火孔的形式，通過循環(huán)水的不斷冷卻，保持火孔為低溫狀態(tài)，同時火孔流速較小，使混合氣體能在離火孔一定距離穩(wěn)定燃燒。這種燃燒器的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍很小，最好是在額定工況下運行，否則很容易熄火。 天然氣和空氣在多孔陶瓷板上燃燒時的溫度變化曲線七、燃燒過程的強化七、燃燒過程的強化為了滿足加熱工藝的需要，或者為了提高燃燒設(shè)備的效能，很多時候需要強化燃燒過程。燃燒設(shè)備運行的強度通常可用面積熱強度和容積熱強度來表示

19、。p面積熱強度是指燃燒室(或火道)單位面積上在單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量。p容積熱強度是指燃燒室(或火道)單位容積內(nèi)單位時間所產(chǎn)生的熱量。面積熱強度直接與可燃氣體混合物的初速度成正比，它表示可燃混合物進行燃燒反應(yīng)的速度。容積熱強度則與燃燒室的長度有關(guān)，它表示燃燒設(shè)備的緊湊程度。隨著燃燒過程的強化，有可能導(dǎo)致燃燒產(chǎn)物中有害物（主要是NOx）濃度的增加，以及燃燒噪音的增大。fQqFvQqVp燃燒過程強化的途徑燃燒過程強化的途徑強化燃燒過程主要從提高溫度和加強氣流混合等方面來考慮。采用不同的燃燒方式是實現(xiàn)強化燃燒的首選，對于需要強化燃燒的場所，應(yīng)盡量采用預(yù)混燃燒方式，一次空氣系數(shù)越大，燃燒強度越大。對于

20、燃燒方式一定的燃燒設(shè)備，實用的強化燃燒的主要途徑有以下幾方面（主要用于工業(yè)燃燒設(shè)備）。 (一)預(yù)熱燃氣和空氣，可以提高火焰?zhèn)鞑ニ俣龋黾臃磻?yīng)區(qū)內(nèi)的反應(yīng)速度，提高燃燒溫度，從而增加燃燒強度。(二)加強紊動，能增加大氣式和擴散式燃燒燃燒強度。(三)煙氣再循環(huán) ，可提高反應(yīng)區(qū)的溫度，從而增加燃燒強度。 (四)應(yīng)用旋轉(zhuǎn)氣流，能大大改善混合過程。 p民用燃燒設(shè)備普遍采用低壓引射大氣式燃燒器，燃燒設(shè)備相對簡單，上述方法往往難以實現(xiàn)，最常用的強化途徑是提高火孔熱強度或火孔出口流速。低壓引射大氣式燃燒器所能獲得的火孔熱強度受到燃氣壓力的制約，因此在民用燃氣設(shè)備上應(yīng)用較多的方法，一是在條件許可的情況下采用中壓引射，二