精選燃燒理論第六講燃燒方法講義

（優(yōu)選）燃燒理論第六講燃燒方法當(dāng)前1頁，總共31頁。燃?xì)馊紵膭恿^(qū)和擴(kuò)散區(qū)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τph和進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所需要的時間τch。亦即τ=τph+τch對氣體燃料來說，τph?τch，則實(shí)際上τ≈τch。這時，稱燃燒過程在動力區(qū)進(jìn)行。反之，如果τph?τch，則τ≈τph。稱燃燒過程在擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行。顯然，當(dāng)燃燒過程在動力區(qū)進(jìn)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(kuò)散區(qū)進(jìn)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。在中間區(qū)，τph≈τch。情況較為復(fù)雜。為此，將燃燒分為擴(kuò)散燃燒和預(yù)混（部分預(yù)混和全預(yù)混）燃燒。當(dāng)前2頁，總共31頁。一、擴(kuò)散式燃燒燃?xì)庵胁缓趸瘎?即α′=0)，則燃燒所需的氧氣將依靠擴(kuò)散作用從周圍大氣獲得。這種燃燒方式稱為擴(kuò)散式燃燒。在層流狀態(tài)下，擴(kuò)散燃燒依靠分子擴(kuò)散作用使周圍氧氣進(jìn)入燃燒區(qū)，在湍流狀態(tài)下，則依靠湍流擴(kuò)散作用來獲得燃燒所需的氧氣。由于分子擴(kuò)散進(jìn)行得比較緩慢，因此層流擴(kuò)散燃燒的速度取決于氧的擴(kuò)散速度。燃燒的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得很快，因此火焰焰面厚度很小。在焰面上α正好等于1，而不可能大于或小于1。內(nèi)側(cè)為燃?xì)夂腿紵a(chǎn)物相互擴(kuò)散的區(qū)域，外側(cè)為空氣和燃燒產(chǎn)物相互擴(kuò)散的區(qū)域。擴(kuò)散火焰的形狀為圓錐形。這是因?yàn)榍捌诨旌闲枰獣r間，使焰面拉長。后期不斷燃燒，純?nèi)細(xì)獾捏w積越來越小。

當(dāng)前3頁，總共31頁。層流擴(kuò)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?xì)鉂舛?；Ccp—燃燒產(chǎn)物濃度；CO2—氧氣濃度層流擴(kuò)散火焰的相似當(dāng)前4頁，總共31頁。利用相似關(guān)系來討論層流擴(kuò)散火焰的基本規(guī)律管l和管2兩個相似的擴(kuò)散燃燒裝置，燃?xì)夂涂諝庵g的擴(kuò)散率(即單位時間從空氣中擴(kuò)散到燃?xì)庵腥サ难鯕饬?應(yīng)當(dāng)與濃度梯度成正比：式中D——擴(kuò)散系數(shù)；

F——垂直于擴(kuò)散方向兩股氣流的接觸面積

dC/dr——徑向濃度梯度。

兩種情況下的擴(kuò)散率之比應(yīng)當(dāng)?shù)扔谌細(xì)饬髁恐犬?dāng)前5頁，總共31頁。氣流速度增加時擴(kuò)散火焰長度和燃燒工況的變化

1—火焰長度終端曲線；2—層流火焰終端曲線當(dāng)前6頁，總共31頁。層流擴(kuò)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)。在燃?xì)馔牧髯杂缮淞髦?，軸線上的燃?xì)鉂舛菴g與射流出口處的原始濃度C1之比

在鋒面上燃?xì)鉂舛群涂諝鉂舛戎葢?yīng)近似地等于化學(xué)當(dāng)量比l：n，由此可得湍流擴(kuò)散火焰長度lf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。當(dāng)前7頁，總共31頁。二、擴(kuò)散火焰中的多相過程碳?xì)浠衔镞M(jìn)行擴(kuò)散燃燒時，可能出現(xiàn)兩個不同的區(qū)域：一個是真正的擴(kuò)散火焰，它是一個很薄的反應(yīng)層；另一個是光焰區(qū)，其中有固體碳粒燃燒。在火焰內(nèi)存在一個只有燃?xì)鉀]有氧氣的高溫地帶，是燃?xì)膺M(jìn)行熱分解的區(qū)域。分解區(qū)內(nèi)發(fā)生著碳?xì)浠衔锏拿摎溥^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。碳粒燃燒經(jīng)歷吸附——反應(yīng)——解析的過程

當(dāng)前8頁，總共31頁。不同壓力下乙炔在空氣中的擴(kuò)散火焰1—擴(kuò)散火焰；2—光焰區(qū)層流擴(kuò)散火焰中氣體濃度和溫度的變化當(dāng)前9頁，總共31頁。燃?xì)饣鹧娴妮椛湓诿裼萌細(xì)庠O(shè)備上，由于燃燒空間有限，燃燒溫度不高，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。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(jī)理是不同的。燃?xì)饣鹧嬉话銇碚f是不發(fā)光的透明火焰，即使擴(kuò)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(jìn)行，與具有連續(xù)發(fā)射光譜的發(fā)光固體顆粒相比，燃?xì)饣鹧娴妮椛淠芰κ呛苋醯?。為了增加燃?xì)饣鹧娴妮椛淠芰?，曾有人試?yàn)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)果。當(dāng)前10頁，總共31頁。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%當(dāng)前11頁，總共31頁。三、部分預(yù)混層流火焰1855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(qiáng)化。習(xí)慣上又稱大氣式燃燒。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?xì)狻諝饣旌衔飫t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(jìn)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(kuò)散火焰。一次空氣系數(shù)大，則外錐小，碳?xì)浠衔镌诜磻?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，形成碳粒，成為發(fā)光的擴(kuò)散火焰。本生燃燒器示意圖當(dāng)前12頁，總共31頁。藍(lán)色錐體表面上的速度分析層流時，沿管道橫截面上氣體的速度按拋物線分布。截面上任一點(diǎn)的氣流法向分速度均等于法向火焰?zhèn)鞑ニ俣?，故火焰能穩(wěn)定在該點(diǎn)。另一方面，該點(diǎn)還有一個切向分速度，在焰面上不斷進(jìn)行著下面質(zhì)點(diǎn)對上面質(zhì)點(diǎn)的點(diǎn)火。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。可以肯定，必定存在一個υ=S的點(diǎn)，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?xì)饣旌衔锏狞c(diǎn)火源，又稱點(diǎn)火環(huán)。當(dāng)前13頁，總共31頁。四、部分預(yù)混層流火焰的穩(wěn)定如果燃燒強(qiáng)度不斷加大，點(diǎn)火環(huán)就逐漸變?nèi)酰敝料?，火焰脫離燃燒器出口，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。如果進(jìn)入燃燒器的燃?xì)饬髁坎粩鄿p小，內(nèi)錐越來越低，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，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?，回火極限速度也越大。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。當(dāng)一次空氣系數(shù)較小時，由于碳?xì)浠衔锏臒岱纸?，形成碳粒和煤煙，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。當(dāng)前14頁，總共31頁。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)當(dāng)前15頁，總共31頁。周邊速度梯度理論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?。氣流速度梯?、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。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。當(dāng)周邊速度梯度再繼續(xù)增大，使火焰進(jìn)一步被推離火孔。這時由于可燃混合物物與空氣的相互擴(kuò)散過強(qiáng)，使得氣流邊界層附近的可燃混合物被空氣過分稀釋，導(dǎo)致該處的燃燒速度下降。這時在火焰底部任何一點(diǎn)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。當(dāng)前16頁，總共31頁?；鼗鸷兔摶鸬膱D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當(dāng)前17頁，總共31頁?；鹧胬炖碚?0年代后期呂特對火焰底部離火孔端面的距離d進(jìn)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。當(dāng)未燃?xì)怏w具有速度梯度時，則從某單位面積焰面?zhèn)鹘o未燃?xì)怏w的熱量并不全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(jī)理。

當(dāng)前18頁，總共31頁。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)δph(δph=λ/Snρcp)。對于一定的速度梯度來說，δph越大，則在δph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δph而言，某一段火焰本身的氣流速度υ越大，速度的增值dυ對于υ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、δph成正比，與υ成反比。無因次數(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(dá)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。當(dāng)前19頁，總共31頁。當(dāng)火焰在具有速度梯度的運(yùn)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?xì)怏w的焰面面積就大于面向已燃?xì)怏w的焰面面積。亦即，當(dāng)焰面向未燃?xì)怏w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?xì)怏w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。脫火是由于火焰穩(wěn)定區(qū)的K值達(dá)到極限值Kb，導(dǎo)致火焰熄滅而引起的。對于某一種燃?xì)?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。式中g(shù)b—脫火極限速度梯度當(dāng)前20頁，總共31頁。

Kb隨F的變化式中F—燃?xì)庀鄬舛?k—系數(shù)。無外焰時，k取零；有外焰時，k取1。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?qiáng)調(diào)了前者，而周邊速度梯度理論則強(qiáng)調(diào)了后者。當(dāng)前21頁，總共31頁。輔助火焰作點(diǎn)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?？筛淖儦饬魉俣?，用流體動力學(xué)方法進(jìn)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(jìn)行穩(wěn)焰。最常用的方法是在燃燒器出口處設(shè)置一個點(diǎn)火源。點(diǎn)火源可以是連續(xù)作用的人工點(diǎn)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(diǎn)火源。熱煙氣的回流往往通過在燃?xì)?空氣混合物的氣流中設(shè)置鈍體火焰穩(wěn)定器來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前22頁，總共31頁。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?xì)馊紵a(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——化學(xué)反應(yīng)級數(shù)；H——燃?xì)鉄嶂担籨w——回流區(qū)直徑；lw——回流區(qū)長度；υw——回流區(qū)內(nèi)的平均回流速度；cp

——?dú)怏w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。

當(dāng)前23頁，總共31頁。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

當(dāng)前24頁，總共31頁。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)生脫火，即火焰保持穩(wěn)定。

鈍體穩(wěn)焰器的脫火曲線當(dāng)前25頁，總共31頁。六、完全預(yù)混式燃燒進(jìn)行完全預(yù)混式燃燒的條件是：

第一、燃?xì)夂涂諝庠谥鹎邦A(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。燃?xì)?空氣混合物到達(dá)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。完全預(yù)混可燃物的燃燒速度很快，但火焰穩(wěn)定性較差。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?xì)?空氣混合物進(jìn)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(diǎn)火源?；鸬乐谢鹧娴姆€(wěn)定當(dāng)前26頁，總共31頁。還有一種小孔式火道?？卓谥睆叫∮谂R界孔徑，燃燒在接近多孔板外表面附近進(jìn)行。多孔陶瓷板上進(jìn)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?xì)饧t外線輻射板。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(yùn)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當(dāng)前27頁，總共31頁。七、燃燒過程的強(qiáng)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(qiáng)化燃燒過程。燃燒設(shè)備運(yùn)行的強(qiáng)度通?？捎妹娣e熱強(qiáng)度和容積熱強(qiáng)度來表示。面積熱強(qiáng)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。容積熱強(qiáng)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(qiáng)度直接與可燃?xì)怏w混合物的初速度成正比，它表示可燃混合物進(jìn)行燃燒反應(yīng)的速度。容積熱強(qiáng)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(qiáng)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。當(dāng)前28頁，總共31頁。燃燒過程強(qiáng)化的途徑 強(qiáng)化燃燒過程主要從提高溫度和加強(qiáng)氣流混合等方面來考慮。采用不同的燃燒方式是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化燃燒的首選，對于需要強(qiáng)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(qiáng)度越大。 對于燃燒方式一定的燃燒設(shè)備，實(shí)用的強(qiáng)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?xì)夂涂諝猓梢蕴岣呋鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?，增加反?yīng)區(qū)內(nèi)的反應(yīng)