热力燃烧的原理

热力燃烧一般用于处理废气中含可燃组分浓度较低的情况。它和直接燃烧的区别就在于直接燃烧的废气由于本身含有较高浓度的可燃组分，它可以直接在空气中燃烧。热力燃烧则不同，废气中可燃组分的浓度很低，燃烧过程中所放出的热量不足以满足燃烧过程所需的热量。因此，废气本身不能作为燃料，只能作为辅助燃料燃烧过程中的助燃气体，在辅助燃料燃烧的过程中，将废气中的可燃组分销毁。与直接燃烧相比，热力燃烧所需要的温度一般较低，通常为540～820℃。

一、热力燃烧的基本理论

(一)火焰传播理论

在热力燃烧过程中，一般认为，只有燃烧室的温度维持在760～820℃，驻留时间为0．5s时，有机物的燃烧才能比较完全。而达到这个温度范围是依靠火焰传播过程来实现的。火焰传播的理论分为两大类。

1．热传播理论

这类理论认为：火焰传播是依靠燃烧时所放出的热量加热周围的气体，使其达到燃烧所需要的温度而实现的。

因此，能否实现火焰传播主要与三个方面的因素有关：①混合气体中的含氧量；②混合气体中含有可燃组分的浓度；③辅助燃料燃烧过程中所放出的热量。当燃烧过程中放出的热量不足以使周围的气体达到燃烧所需要的温度，火焰自然不能向外传播；当助燃废气中的含氧量不足，燃烧过程难以进行，火焰也不能传播出去。例如：丙烷气体在空气当中很容易燃烧，但在氧和氮各占12％和88％的气体中，丙烷燃烧非常困难。此外，混合气体中可燃组分的浓度与火焰能否传播有着紧密的联系。浓度过低，燃烧过程不能实现；浓度过高时，由于没有足够的氧而使得废气不能在正常的着火温度下产生燃烧反应，因而火焰也得不到传播。人们将这种能够维持火焰传播的浓度范围称为爆炸极限。使用燃烧法处理各种有机废气的过程中，爆炸极限的范围是至关重要的。

2．自由基连锁反应理论

该种理论认为：在燃烧室中，火焰之所以能够进行很快的氧化反应，就是因为火焰中存在着大量活性很大的自由基。由于自由基是具有不饱和价的自由原子或原子团，极易同其他的原子或自由基发生连续的连锁反应，而使得火焰得以传播。

1970年西里和鲍曼提出甲烷燃烧反应的历程如下。

从以上的这个历程中可以看出，由于火焰的存在，使得自由基大量产生，所产生的自由基加速了废气中可燃组分的销毁速度。在以上的这些自由基中，是一个很重要的自由基，它主要靠水分在火焰中解离而产生。在热力燃烧的过程中，的速度往往很慢，但如在混合气体中存在着OH，则其反应为的速度远远大于前一个反应，从而使得对人体危害严重的CO很快销毁了。

(二)混合气体的爆炸极限

燃烧本身是伴有光和热产生的剧烈的氧化反应，为了使这种氧化反应能够在燃烧室的每一点进行彻底，混合气体中可燃组分的浓度必须在一定的浓度范围之内，以形成火焰，维持燃烧，在一个有限的空间内形成气体爆炸。将这一浓度范围的下限称为爆炸下限、上限称为爆炸上限。表16—1列出了有机蒸气与空气混合在20℃、101325Pa下的爆炸极限范围。爆炸极限本身并不是一个定值，它与混合气体的温度、压力及湿度有关。此外，还与混合气体的流速、设备的形状有关。对于几种有机蒸气与空气混合的爆炸极限，可按下式进行计算：

(16—1)

式中 ai——混合气体中组分i的含量，％；

Ai——混合气体中组分i的爆炸极限。

热力燃烧，一般指利用燃烧辅助燃料所产生的火焰提高混合气体的温度，将废气中的可燃组分氧化或销毁。因此，产生火焰不是目的，而是一种提供热量的手段。在这种手段下，只要能够保证合适的温度，废气中的可燃组分就会得到销毁。此外，在热力燃烧过程中废气主要走两路，一路作为辅助燃料燃烧时的助燃气体。另一路作为与高温燃气混合的旁通废气，混合以后的气体温度要达到能使可燃组分销毁的温度。在整个燃烧室中，热量不仅来自于辅助燃料的燃烧，在销毁可燃组分的过程中也会产生热量。一般而言，对于大多数的碳氢化合物，每1％爆炸下限(LEL)在燃烧时放出的热量可以使温度升高15．3℃。因此，这部分热量也是不容忽视的。

在一般的热力燃烧的工程中，为防止燃烧过程中的爆炸和回火，废气中可燃组分的含量应控制在25％LEL以下。

表16—2列出了部分可燃气体在爆炸下限时的热值。

(三)热力燃烧机理

热力燃烧的机理大致可以分为以下三个步骤。

(1)辅助燃料的燃烧——提高热量；

(2)废气与高温燃气混合——达到反应温度；

(3)废气中可燃组分氧化反应——保证废气于反应温度时所需要的驻留时间。

具体的流程如图16－1所示。

图16－1 热力燃烧流程

然而，在整个热力燃烧的过程中，是否用废气作为助燃气体，要视废气中的含氧量的多少而定，当废气中的含氧量足够燃烧过程中的需氧量时，可以使部分废气作为助燃气体；当不够时，则应以空气作为助燃气体，废气全部旁通。此外，辅助燃料用量的多少与废气的初始温度有很大关系。如废气的初温低，消耗的辅助燃料就多；初温较高，消耗的辅助燃料就少。因此，在工程设计中，利用燃烧过程中产生的预热废气可以节约大量的辅助燃料。图16—2就是这一思想很好的体现。

图16—2 带能量(热量)回收装置的热燃烧炉

低温废气在热回收换热器中得到预热，然后进入燃烧室与高温燃气混合燃烧，燃烧完毕之后从燃烧室流出进入换热器，对其他的低温废气预热，最后从烟道排出。

(四)热力燃烧的“三T”条件

“三T”条件指的是反应温度(Reaction Temperature)、驻留时间(Residential Time)、湍流混合(Turbulence Mix)。掌握“三T”条件对于热力燃烧的过程是至关重要的。

1．反应温度对热力燃烧的影响

这里所指的反应温度并不是反应可以进行的温度，而是反应速度可达到要求时的温度。换句话讲，就是在一定的区域内，可燃组分的销毁达到设计要求所需要的温度。这就要求反应的速度足够快。提高温度，反应就会加速。例如，一个充分混合的系统在982．2℃时也许能在0．3s内完成某一反应过程，而在704．4℃时，则可能要3s时间才能完成同一反应。

2．驻留时间对热力燃烧的影响

任何化学反应(燃烧也是一种化学反应)都要经历一定的时间，可燃组分的销毁也是一样。尽管反应绝不会达到100％的完全程度，但如果反应时间充分，那么不完全反应程度是微不足道的。这个时间是指反应物以某种形式进行混合后在一定温度下所维持的时间。就燃烧反应时间而言，其变化范围在小于1／10s至几秒之间，因反应温度和反应物混合程度而异。从图16－3可以看出，当反应温度为648．9℃时，驻留时间为0．001s，销毁率为10％；驻留时间0．1s时，销毁率一下子上升到88％。由此可见，驻留时间对热力燃烧的效果影响很大。

图16－3 温度和时间对可燃组分氧化速率的影响

3．湍流混合对于热力燃烧的影响

任何一种化学反应，反应能够发生的前提条件是反应的分子间首先要发生碰撞。不能发生碰撞的分子之间自然不会发生反应。湍流混合的目的，实际上就是要增大可燃组分的分子与氧分子或自由基的碰撞机会，使其处于分子接触的水平，以保证所要求的销毁率。否则，即使有足够的反应温度和驻留时间，但由于没有足够的碰撞机会，照样不会达到预期的销毁率。这一点，从反应速率常数与分子碰撞系数的关系式中也可以看出：

(16—2)

式中 K反——反应速度常数；

K碰——分子碰撞系数；

K质——传质系数。

当K碰增加时，K反也会增加，从而使得反应速率增加。

“三T”条件之间是具有内在联系的，改变其中的任何一个条件，其他两项都可以得到相应的改变。如提高反应温度，使得反应速度加快，就可以适当地降低驻留时间和湍流强度。然而，在这“三T”条件中，延长驻留时间会使设备体积增大；提高反应温度会使辅助燃料的消耗增加。因此，最经济的方法就是改善湍流混合情况，以增大分子接触的机会。这就需要在设计燃烧室的时候充分注意其内部的结构。

二、热力燃烧炉的结构

图16—4为热力燃烧典型的工业装置。从图中可以看出，一个热力燃烧装置主要由两部分组成：燃烧器，其作用是燃烧辅助燃料以产生高温燃气；燃烧室，其作用是保证废气和高温燃气充分混合并反应的空间。针对不同的要求和火焰燃烧的情况，燃烧器和燃烧室有各种不同的结构。

图16－4 热燃烧装置

(一)配焰式燃烧系统

图16—5为配焰式燃烧器系统，其工艺特点是：燃烧器将火焰配布成为许多布点成线的小火焰，废气从火焰周围流过去，迅速达到湍流混合。因此可以看出，该种燃烧有火焰分散、混合程度高、燃烧净化效率高等特点。但当废气贫氧，废气中含有易沉积的油焦或颗粒物。辅助燃料为油料时，这种系统都不适用。

图16－5 配焰燃烧器系统

1．配焰式燃烧器

根据燃烧结构的不同，该种形式的燃烧器又可分为火焰成线式燃烧器(见图16—6)、多烧嘴式燃烧器(见图16—7)和格栅式燃烧器(见图16—8)。

图16－6 火焰成线式的燃烧器(带侧挡板)

图16－7 多烧嘴式燃烧器系统

图16－8 格栅式燃烧器

火焰成线式燃烧器的辅助燃料气从下部管子引入，作为助燃气体的废气从V形板侧面的小孔引入，旁通废气从V形板与侧挡板间的缝隙引入。这就是该种燃烧器的特点。当压力降为392．266Pa(40mmH2O)时，该种燃烧器形成的火焰短而稳定，湍流混合程度较好。

多烧嘴式燃烧器的辅助燃料气从后面引入，废气分为两路，助燃气体和旁通气体的量通过调节d的大小来控制。该种燃烧器的助燃较好，与火焰成线式相比，不易熄火。但湍流混合不够理想。因此，在燃烧室中应增设挡板或其他措施，提高混合程度。

格栅式燃烧器的辅助燃料气从底部分配管引入，废气从下部引入，该种燃烧器湍流混合较好，适用于废气流量较为稳定的情况。但如压力调节不当，会发生熄火情况。

2．配焰式燃烧室

针对配焰式燃烧器的结构，其燃烧室要注意解决以下的问题。

(1)燃烧器的安装位置为保证温度分布均匀，反应完全，燃烧器应安置在断面流速尽可能分布均匀的端处，而不要放置在涡流地带。

(2)燃烧室截面积为保证足够的湍流程度，应满足：

矩形截面时：

圆形截面时：

式中 Q标——总体积流量；

D当——当量直径；

D——直径；

A——截面积。

(3)燃烧室内设置挡板由于燃烧室的边壁效应或燃烧器的结构形式，都有可能产生局部混合不好，为避免这种现象，应在火焰冲击范围以外装设挡板，以提高湍流混合的程度。

表16—3反映了有无挡板之间的差别。

(二)离焰式燃烧系统

图16—9是一个离焰式燃烧系统装置示意。这种燃烧系统的特点是高温燃气与废气的混合是分离开的，而不像配焰系统那样将火焰与废气一起分成许多小股。所以，就混合效果来讲，不如配焰系统。但是离焰式燃烧器又具有以下优点：由于火焰较长，不易熄火，辅助燃料既可以使用燃料油，又可使用燃料气(见图16—10)，燃料气与助燃气体的流速可调幅度大，工作压力范围宽。

图16－9 使用离焰燃烧器的燃烧炉

图16－10 油气两用燃烧器

因此，在克服离焰式燃烧系统混合问题上，出现许多方法。

(1)在图16—11中，燃烧过程中火焰喷射产生的抽力将废气引入，然后在联管处充分混合，克服了混合速度慢的问题。

图16－11 轴向火焰的喷射混合

(2)让废气与火焰径向进入燃烧室，增强横向混合速度，利用这一点改善混合情况。

(3)在燃烧室内设置挡板(见图16—12)增加湍流强度，提高混合速度。但要注意正确放置挡板。否则不仅不能改善混合情况，还会造成死角，恶化混合情况，降低燃烧室的有效体积，减少驻留时间。

图16－12 燃烧室内挡板的设置