燃烧理论第六讲燃烧方法

可改变气流速度，用流体动力学方法进 行稳焰；也可改变火焰传播速度，用热 力学和化学方法进行稳焰。
最常用的方法是在燃烧器出口处设置一
个点火源。点火源可以是连续作用的人
工点火装置，也可以使炽热的燃烧产物 辅助火焰作点火源
流回火焰根部而形成点火源。
1—火孔；2—小孔；3—环形缝隙
热烟气的回流往往通过在燃气-空气混合
有外焰时，k取1。
周边速度梯度的增加既 引起火焰拉伸，又引起 周围空气对可燃混合物 的稀释。火焰拉伸脱火 理论强调了前者，而周 边速度梯度理论则强调 了后者。
Kb随F的变化
五、部分预混湍流火焰的稳定
预混湍流火焰工作的稳定区可能全部消 失，或者变得很窄，要使燃烧器正常工 作只有采用人工的稳焰方法。
能导致脱火的机理。
与这种影响大小有关的因素是度量预热区厚度的参数
δph(δph=λ/Snρcp)。对于一定的速度梯度来说，δph越大， 则在δph这段距离中气流速度的增值也越大，熄火作用也 越厉害。此外，对于同样的和δph而言，某一段火焰本身 的气流速度υ越大，速度的增值dυ对于υ的影响就越小，
1—火焰长度终端曲线；2—层流火焰终端曲线
层流扩散火焰的长度与气流速度成正比，而在湍流区火焰 长度与气流速度无关。
在燃气湍流自由射流中，轴线上的燃气浓度Cg与射流出口
处的原始浓度C1之比
Cg 0.70 C1 as 0.29
r
式中 s——距出口的轴向距离； a——湍流结构系数； r——射流喷口的半径。
层流扩散火焰的相似
利用相似关系来讨论层流扩散火焰的基本规律
管l和管2两个相似的扩散燃烧装置 ，燃气和空气之间的扩 散率(即单位时间从空气中扩散到燃气中去的氧气量)应当 与浓度梯度成正比：
M DF dC dr
F1 d1L1 F2 d2 L2
式中 D——扩散系数；
F——垂直于扩散方向两股气流的接触面积
T1 T0 xT T1
合并各式，消去Qw与T后得到
T1
T

xk0C
n
lw

He
E RT
w cp
考虑到浓度和密度与压力成正比，回流 区速度与主气流速度也成比例，上式可
一个υ=S的点，而且没有分速度。
这就是说，在燃烧器出口的周边上， 蓝色锥体表面上的速度分析 存在一个稳定的水平焰面，它是空 气-燃气混合物的点火源，又称点 火环。
四、部分预混层流火焰的稳定
如果燃烧强度不断加大，点火环就逐渐变弱，直至消失， 火焰脱离燃烧器出口，在一定距离以外燃烧，称为离焰。 若气流速度再增大，火焰就被吹熄，称为脱火。一次空气 系数越大，混合物的脱火极限越小。燃烧器出口直径越大， 气流向周围的散热越少，火焰传播速度就越大，脱火极限 就越高。
物的气流中设置钝体火焰稳定器来实现。
钝体稳焰原理
以简化热理论为例来分析火焰稳定的条件 在回流区内燃气燃烧产生的热量为
Qw

k0C n

4
dw2 lw H
exp


E RT

这些热量使回流区气体温度从T1 升高到T
Qw
w

4
d
2 w
cp
T
T1
钝体稳焰的物理模型
假定回流与主流气体的定压容积比热相当，
则由混合区内混合的情况又可写出
cpT0 xcpT 1 xcpT1
以上各式中 C——回流区内反应物浓度；n——化学反应级数； H——燃气热值； dw——回流区直径； lw——回流区长度；υw——回流区内的平均回流速度；cp —— 气体定压容积比热；T——离开回流区时的温度； Tl——流入回流区时的温度。x— —回流气体与主流气体的比例。
在锋面上燃气浓度和空气浓度之比应近似地等于化学当量 比l：n，由此可得湍流扩散火焰长度lf
Cg 1 C1 Cg n
lf

r a
0.701 n 0.29
二、扩散火焰中的多相过程
碳氢化合物进行扩散燃烧时，可能出现两个不同的区域： 一个是真正的扩散火焰，它是一个很薄的反应层；另一个 是光焰区，其中有固体碳粒燃烧。
在火焰内存在一个只有燃气没有氧气的高温地带，是燃气 进行热分解的区域。分解区内发生着碳氢化合物的脱氢过 程和碳原子的积聚过程。最后生成相当多的固体碳粒，像 雾一般分散在气体中。这些碳粒接触到氧气，便出现固体 和气体之间的燃烧过程，呈现出明亮的淡黄色的光焰，如 果碳粒来不及燃尽而被燃烧产物带走，就形成所谓煤烟。
其熄火影响也越小。因此可以认为，由于速度梯度而引起
的熄火影响与、δph成正比，与υ成反比。
K ph d dr
无因次数K称为卡洛维兹(Karlovitz)拉伸系数。 K值越大， 速度梯度的熄火作用越厉害。当K值达到极限时，一个自 动加速的熄火过程就开始，并最后导致一部分火焰的熄灭。
当火焰在具有速度梯度的运动气流中传播时，火焰成构成 凸向气流的曲面，因此面向未燃气体的焰面面积就大于面 向已燃气体的焰面面积。亦即，当焰面向未燃气体传播时， 其面积被拉伸。对于曲面火焰而言，焰面每单位面积所需 加热的未燃气体体积比平面火焰的大，因而火焰温度会降 低。焰面面积被拉伸得越多，火焰温度就会降得越低，甚 至导致火焰的熄灭。K的极限值就代表火焰尚能适应的最 大面积增值。
回火和脱火的图解
(a)燃烧器出口以内的情况；(b)燃烧器出口以上的情况；(c)焰面位置 1—回火；2—回火极限；3—火焰稳定；4—脱火极限；5—脱火 A、B、C—当焰面在ABC三个位置时的燃烧速度曲线
火焰拉伸理论
60年代后期吕特对火焰底部离火孔端面的距离d进行了分 析。发现有时气流速度增加到出现脱火，d并无显著增加， 有时气流速度并未增加，d却有所增加。为此提出火焰拉
dC/dr——径向浓度梯度。
dC
dr 1 d2
dC dr 2
d1
M1 D1 d1L1 d2 D1L1 M 2 D2 d2 L2 d1 D2L2
两种情况下的扩散率之比应当等 于燃气流量之比
L d2
D
气流速度增加时扩散火焰长度和燃烧工况的变化
显然，当燃烧过程在动力区进行时，燃烧速度将受化学动 力学因素的控制，例如反应物的活化能、温度和压力等。 若燃烧过程在扩散区进行，则燃烧速度将取决于流体动力 学的一些因素，例如气流速度和气体流动过程中所遇到的 物体的尺寸、形状等。
在中间区，τph≈τch。情况较为复杂。
为此，将燃烧分为扩散燃烧和预混（部分预混和全预混） 燃烧。
碳粒燃烧经历吸附——反应——解析的过程
1 xC 2 yO2 CxOy CxOy mCO+nCO2
不同压力下乙炔在空气中 的扩散火焰
1—扩散火焰；2—光焰区
层流扩散火焰中气体浓度和 温度的变化
燃气火焰的辐射
在民用燃气设备上，由于燃烧空间有限，燃烧温度不高， 光焰的出现容易形成黑烟。但在各种工业炉窑、锅炉等热 工设备上，却需要利用燃料燃烧时火焰的辐射传热。
本生火焰由内锥体和外锥体组成。在 内锥表面火焰向内传播，而未燃的燃 气—空气混合物则不断地从锥内向外 流出。在气流的法向分速度等于法向 火焰传播速度之处便出现一个稳定的 焰面。在内锥焰面上仅仅进行部分燃 烧过程。所得的中间产物穿过内锥焰 面，在其外部形成扩散火焰。
一次空气系数大，则外锥小，碳氢化 合物在反应区内转化为含氧的醛、乙 醇等，反之则可能在高温下分解，形 成碳粒，成为发光的扩散火焰。
不发光的透明火焰的辐射，主要是高温气体的辐射。对于 黄色、光亮而不透明的光焰来说，火焰内的游离碳粒子产 生的固体辐射占有很大的比例。因此，两种不同火焰的辐 射机理是不同的。
燃气火焰一般来说是不发光的透明火焰，即使扩散火焰也 是高弱温的下光的焰辐。射透。明由火于焰气主体要辐靠射烟仅气在中特的定的CO窄2、波水段蒸内气进等行在， 与具有连续发射光谱的发光固体颗粒相比，燃气火焰的辐 射能力是很弱的。
为了增加燃气火焰的辐射能力，曾有人试验过在气体燃料 中加入一些液体燃料的燃烧方法。图示为国际火焰基金会 的研究结果。
加入重油对辐射率的影响
A—重油100% B—重油40% C—重油20% D—重油10% E—重油0%
三、部分预混层流火焰
1855年本生创造出一种燃烧器，燃烧 前预先混入一部分燃烧所需空气，火 焰变得清洁，燃烧得以强化。习惯上 又称大气式燃烧。
在焰面上α正好等于1，而不可能大于或小于1。内侧为燃
气和燃烧产物相互扩散的区域，外侧为空气和燃烧产物相 互扩散的区域。
扩散火焰的形状为圆锥形。这是因为前期混合需要时间， 使焰面拉长。后期不断燃烧，纯燃气的体积越来越小。

层流扩散火焰结构
1—外侧混合区；2—内侧混合区；Cg—燃气 浓度；Ccp—燃烧产物浓度；CO2—氧气浓度
一、扩散式燃烧
燃气中不含氧化剂(即α′=0)，则燃烧所需的氧气将依靠
扩散作用从周围大气获得。这种燃烧方式称为扩散式燃烧。
在层流状态下，扩散燃烧依靠分子扩散作用使周围氧气进 入燃烧区，在湍流状态下，则依靠湍流扩散作用来获得燃 烧所需的氧气。由于分子扩散进行得比较缓慢，因此层流 扩散燃烧的速度取决于氧的扩散速度。燃烧的化学反应进 行得很快，因此火焰焰面厚度很小。
第六章
燃气燃烧方法
燃气燃烧的动力区和扩散区
燃料燃烧所需要的全部时间通常由两部分合成，即氧化剂
和反燃应料所之需间要发的生时物间理τ性ch。接亦触即所τ需=要τ的ph时+τ间cτh ph和进行化学 对称气燃体烧燃过料程来在说动，力区τ进ph≪行τ。ch，则实际上τ≈τch。这时， 反进之行，。如果τph≫τch，则τ≈τph。称燃烧过程在扩散区
如果进入燃烧器的燃气流量不断减小，内锥越来越低，最 后由于气流速度小于火焰传播速度，火焰将缩进燃烧器， 称为回火。回火极限与火焰传播速度曲线相似。在其他条 件相同时，火焰传播速度越大，回火极限速度也越大。燃 烧器出口直径较小时，管壁散热作用增大，回火可能性减 小。为了防止回火，最好采用小直径的燃烧孔。当燃烧孔 直径小于极限孔径时，便不会发生回火现象。