燃气基础知识 第七章 燃气燃烧与装置

实际空气需要量
V 实际供给的空气量与理论空气需要量之比称为过剩空气系数，即 V0
在工业设备中，一般控制在1.05～1.20；在民用燃具中一般控制在1.3～1.8。
在燃烧过程中，正确选择和控制值的大小是十分重要的，过小或过大 都会导致不良后果：过小会导致不完全燃烧，造成能源的浪费和对环 境的污染；过大则使烟气体积增大，炉膛温度与烟气温度降低，导致 换热设备换热效率的降低与排烟热损失的增大，造成能源的浪费。因 此，先进的燃烧设备应在保证完全燃烧的前提下，尽量使值趋近于1。
(3)可燃混合物初始温度
随可燃混合物初始温度的升高，燃烧温度增加，带来化学反应速率 增加，从而使Sn显著增大。
(4)可燃混合物的压力
碳氢化合物-空气混合物的Sn随压力的增大而减小。
(5)添加剂
在可燃气体混合物中加入添加气可以增大或减小火焰传播速度。
影响火焰传播浓度极限(爆炸极限)的因素主要有以下 几个方面：
大气式燃烧器示意图 1－调风板；2－一次空气口；3－引射器喉部；4－喷嘴；5－火孔
大气式燃烧器的特点及应用范围
大气式燃烧器比自然引风扩散式燃烧器火焰短、火力强、燃烧温 度高。可以燃烧各种性质的燃气，燃烧比较完全，燃烧效率比较 高。可燃用低压燃气。由于空气依靠燃气引射吸入，所以不需要 送风设备。与鼓风扩散式燃烧器相比，节省动力，调节方便。并 且引射式燃烧器具有自动调节特性，当燃烧器热负荷在一定范围 变动时，一次空气系数能自行稳定在设计值。与全预混燃烧器相 比，大气式燃烧器热负荷调节范围宽，适应性强，可以满足较多 工艺的需要。 大气式燃烧器的火焰稳定性不及扩散式燃烧器，且不适应正压炉 膛。由于只预混了燃烧所需的部分空气，而不是全部空气，故火 孔热强度、燃烧温度虽比自然引风扩散式燃烧器高，但仍受限制， 仍不能满足某些工艺的要求。当热负荷较大时，多火孔燃烧器的 机构比较笨重。 多火孔大气式燃烧器应用非常广泛，在家庭及公用事业中的燃气 用具如家用燃气灶、热水器、沸水器及食堂灶上用得最多，在小 型锅炉及工业炉上也有应用。单火孔大气式燃烧器在中小型锅炉 及某些工业炉上也广泛应用。
(1)燃气在纯氧中着火燃烧时，火焰传播浓度极限范围扩大。
(2)提高燃气-空气混合物温度，火焰传播浓度极限范围扩大。 (3)提高燃气-空气混合物压力，火焰传播浓度极限范围扩大。 (4)燃气中加入惰性气体时，火焰传播浓度极限范围缩小。 (5)含尘量、含水蒸气量以及容器形状和壁面材料等因素，有时 也会影响火焰传播浓度极限。例如，在氢气-空气混合物中引 入金属微粒，能使火焰传播浓度极限范围扩大，并能降低其 着火温度。
3 燃气消耗量为： 3.1 m /h 3 38MJ/m 1000000 33kW 2 火孔总面积Fp 110 mm 0.3kW / mm 2
每个火孔的面积为f p

4
d
2

4
1.82 2.5mm 2
110mm 2 火孔个数为n 44个 2 2.5mm 3.1106 火孔出口速度 p 7.8m / s 110 3600 qp 0.3 或： p 103 103 7.8m / s Hl 38
点火能与电极间距的关系曲线
熄火距离随天然气-空气混合物组成的变化
城市燃气与天然气最小点火能的比较
燃气燃烧的火焰传播
燃烧的基本条件：燃气与空气（氧气）按一定比例 混合，引火源或点火能，燃烧空间，反应时间。 火焰的传播方式
正常的火焰传播
爆 爆 炸 燃
影响火焰传播速度Sn的因素
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。反之，燃烧器 出口直径越大，气流向外的散热就越小， 火焰传播速度就越大，脱火极限就越高。 当一次空气系数较小时，由于碳氢化合 物的热分解，形成碳粒和煤烟，会引起 不完全燃烧和污染。因此，部分预混式 燃烧的一次空气系数’不宜过小。火 焰传播速度与气流出口速度的大小决定 了火焰是否稳定。燃气的火焰传播速度 越大，脱火和回火曲线的位置就越高。 所以火焰传播速度较大的人工燃气容易 回火，而火焰传播速度较小的天然气则 容易脱火。 火焰稳定性还受周围空气组成的影响。 天然气和空气的燃烧稳定范围 如周围大气被惰性气体污染，由于空气 1－光焰曲线；2－脱火曲线；3－回火曲线； 中氧含量较正常少，使混合气体的燃烧 4－光焰区；5－脱火区；6－回火区 速度降低，从而脱火的可能性就增加了。 火焰周围空气的流动对火焰的稳定有不 利的影响。这种影响的强弱取决于周围 气流的速度和气流与火焰之间的角度。
应用范围：主要用于各种工业炉及锅炉中。
部分预混式燃烧
0＜’＜1，当预先混入一部分燃烧所需的空气后，火 焰就变得清洁，燃烧得以强化，火焰温度也提高了。 离焰：火焰脱离燃烧器出口，在一定距离以外燃烧。 脱火：若气流速度再增大，火焰将被吹熄，称为脱火。 回火：如果混合气流速度不断减小，蓝色锥体越来越低，最 终由于气流速度小于火焰传播速度，火焰将缩进燃烧器向内 传播，称为回火。
完全预混式燃烧
由于预先混合均匀，所以完全预混式燃烧能在较小的过剩空 气系数下（通常＝1.05～1.10）实现完全燃烧，因此燃烧 温度可以很高，可燃混合气一到达燃烧区就能在瞬间燃烧完 毕，燃烧火焰极短且不发光，常常看不到，故也称为无焰燃 烧。
完全预混火焰的传播速度很快，火焰稳定性较差，很容易发 生回火。采用小火孔，增大火孔壁对火焰的散热，从而降低 火焰传播速度，是防止发生回火的有效措施。小火孔燃烧器 在热负荷不是很大的民用燃具上有着广泛的应用。但对于热 强度很大的工业燃烧器，大量的小火孔会大大地增加燃烧器 头部尺寸，就变得不合适了。可以采用水冷却燃烧器头部的 方式来加强对火焰的散热，从而降低火焰传播速度。工业上 的完全预混式燃烧器，常常用一个紧接的火道来稳焰。
解：
CH 4 2O2 CO2 2H2O
C2 H4 3O2 2CO2 2H2O
理论氧气量=2 95%+3 5%=2.05m3 /m3
理论空气需要量V0 =2.05/0.21=9.76m3 /m3
理论烟气量Vf0 (1 2) 95% (2 2) 5% V0 79% 10.76m3 / m3
燃气的着火与点火
当放电电极间隙内的可燃混合物的浓度、温度 和压力一定时，若要形成初始火焰中心，放电能量 必须达到一最小值。这个必要的最小放电能量称为 最小点火能Emin。
当电极间距小到无论多大的火花能量都不能使 可燃混合物点燃时，这个最小距离就称之为熄火距 离dq。最小点火能Emin及熄火距离dq的最小值一般 都在靠近化学计量混合比之处
燃烧过程的强化
预热燃气和空气 加强气流紊动
燃气燃烧方法与燃烧器 扩散式燃烧
扩散式燃烧容易产生煤烟，燃烧温度也相当低
扩散式燃烧器
自然引风式：依靠自然抽力，扩散供给空气，多 用于民用，常简称为扩散式燃烧器。 强制鼓风式：依靠鼓风机供给空气，多用于工业， 常简称为鼓风式燃烧器。
涡卷式扩散燃烧器
d Fp
自然引风扩散式燃烧器的设计计算
Q 火孔总面积 F p q p
式中 Fp —火孔总面积（mm2）；Q—燃烧器热负荷（kW）;
q p —火孔热强度（kW/mm2）
火孔数目
n
Fp

4
2 dp
式中 d p —火孔直径mm
火孔出口速度 v p
qp Hl
106
H l —燃气低热值（kJ/m3） 式中 v p —火孔出口速度（m/s ）；
第七章 燃气燃烧与装置
燃气的燃烧计算
燃烧及燃烧反应计量方程式
n n Cm H n (m )O2 mCO 2 H 2O H 4 2
燃烧所需空气量
理论空气需要量
理论空气需要量是指按燃烧反应计量方程式，1m3（或kg）燃气完全燃烧 所需的空气量，是燃气完全燃烧所需的最小空气量。
(1)可燃混合物的性质
包括可燃混合物的导热系数及分子结构等。通常可燃混合物的导热 系数越大，其Sn也越大。从分子结构上看，越是不饱和的碳氢化合物， Sn越大。其一般规律是：(Snmax)炔烃＞(Snmax)烯烃＞(Snmax)烷烃。
(2)燃气浓度
所有可燃混合物的Sn随燃气浓度的变化均呈倒U形，最大值出现在 燃气含量比化学计量比略高处。
自然引风扩散式燃烧器的特点及应用范围
优点：结构简单，制造方便，具有燃烧稳定，不会回火且点火容 易，调节方便等优点。另外，还可利用低压燃气，并且不需要 鼓风，无动力消耗。 缺点：燃烧热强度低，火焰长，需要较大的燃烧室。容易产生不 完全燃烧，甚至冒黑烟。为使燃烧完全，必须供给较多的过剩 空气。由于过剩空气系数较大，燃烧温度低，排烟热损失大。 应用范围：自然引风扩散式燃烧器主要适用于温度要求不高，但 要求温度均匀、火焰稳定的场合，如用于沸水器、热水器、纺 织业和食品业中的加热及在小型采暖锅炉中用作点火器。有些 工业窑炉要求火焰具有一定亮度或某种保护性气氛时，也可采 用自然引风扩散式燃烧器。由于它结构简单、操作方便，也常 用于临时性加热设备。
鼓风扩散式燃烧器 中心供气蜗壳式旋流燃烧器 1－调风板手柄；2－观火孔；3－蜗壳；4－圆柱形空气通道； 5－燃气分配管；6－火道
鼓风扩散式燃烧器的特点及应用范围
优点：与自然引风扩散式燃烧器相比，鼓风式燃烧器燃烧热 强度大，火焰长短可调节。与热负荷相同的引射式燃烧器相 比，其结构紧凑，体形轻巧，占地面积小。特别是当热负荷 较大时，此优点更为突出。另外，鼓风式燃烧器要求燃气压 力低，热负荷调节范围大，能适应正压炉膛，容易实现粉煤 -燃气或油-燃气联合燃烧。还可以采用预热空气或燃气，预 热温度甚至可接近燃气着火温度，因此可以极大地提高燃烧 温度，这对高温工业炉来说是非常必要的。 缺点：鼓风式燃烧器需要鼓风，耗费电能。燃烧室容积热强 度通常比完全预混燃烧器小，火焰较长，因此需要较大的燃 烧室容积。另外，鼓风式燃烧器本身不具备燃气与空气成比 例变化的自动调节特性，需配置自动比例调节装置。