燃气课件-第五章

即

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ch
(physics chemical)
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不同情况下，影响燃烧速度的因素不同 1. 在动力区：主要影响因素为化学反应速度，如活化能、
T、P、浓度等。
2. 在扩散区：主要影响因素为燃气与空气的混合速度，如 气流速度等。
3. 在中间区：主要影响因素为化学反应速度和混合速度 二、层流扩散火焰的结构 1.扩散式燃烧：燃气中不含氧化剂，燃烧所需的氧气将依靠扩 散作用从周围大气中获得，这种燃烧方式称为扩散式燃烧。 2. 主要特点： ① 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，但由于分子扩散缓慢，因此层流扩散燃烧的速度取 决于氧的扩散速度；同时由于化学反应快，火焰厚度很小。
1)
'
，然后进行燃烧。
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'
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④ 含CmHn较多的燃气，外锥体可能出现两种情况： ⅰ. 预混空气量较多时 ( 0 . 4 ) , CmHn在反应区内转化为含氧的醛、 乙醇等。外锥火焰可能是透明，不发光的。 ' ⅱ. 较小时, CmHn高温分解，形成碳粒，外锥火焰就会成为发光火 焰。 ⑤ 如果燃气—空气混合物中燃气浓度大于着火浓度上限，形成的火焰 将是发散形火焰，不会出现蓝色内锥体，而成为扩散燃烧；如果混 合物中燃气浓度低于着火浓度下限，则不会出现燃烧。 ⑥ 当S＜ν时，(S表示火焰传播速度,表示气流速度)在燃烧器出口的周 边上，存在一个稳定的水平焰面区间，此处S=ν(火焰传播机理中曾 讲到:对于流动气体，当S=ν时，是稳定燃烧的条件之一)。它是空 气—燃气混合物的点火源，又称点火环。点火环使层流大气火焰根 部得到稳定。
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四、扩散火焰中的多相过程 1. 碳氢化合物CmHn进行扩散燃烧时，可能2个不同区域： ① 真正的扩散火焰，外观为从喷口垂直向上伸展的一个很薄 的反应层。 ② 光焰区:有固定碳粒燃烧，变为多相燃烧，外观为有亮点。
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
1—燃烧器；2—火焰；3—火道
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(2). 用小孔(即在一块版面上钻有 许多小孔，如多孔陶瓷板) 或火道
在面板上钻有许多小孔，当孔 口直径小于临界孔径时，火焰就不 会回入孔眼以内，燃烧在接近多孔 板外表面附近进行。 即使然气-空气混合物在通过 孔板前，混合物的温度很低，但经 过陶瓷板的孔眼时混合物得到预热， 温度约为1150℃。预热至高温的燃 气-空气混合物的燃烧反应进行的 十分迅速，在离多孔陶瓷板外表面 很近的距离L1内可以全部完成。 因此，具有无焰的特性。
天然气和空气在多孔陶瓷板上 燃烧时的温度变化曲线
L0为小孔式火道长度。
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第四节 燃烧过程的强化与完善
一、两个热强度 1. 面积热强度：指燃烧室(或火道)单位面积上在单位时间内 所发出的热量。
qf Q F
(kJ/m2· h)
式中：Q—放热量
qf与燃气混合物初速度成正比，表示可燃混合物燃烧反应 的速度。 2. 容积热强度:单位体积，单位时间内所发出的热量。
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气流速度增加时扩散火焰长度和燃烧工况的变化 1—火焰长度终端曲线；2—层流火焰终端曲线
长度相应缩短，在紊流区火焰长度与气流速度无关。在整个火炬内 进行着混合，预热和化学反应,火焰形状和长度完全取决于燃气和空 气的流向和流动特性。 ◆当混合速度大大超过化学反应速度时，燃烧开始在动力区进行， 火焰开始丧失稳定性，如果继续强化燃烧,会发生火焰间断现象，甚 至完全脱离喷口。
即单位时间从空气中扩散到燃气中的氧量)。
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3.扩散火焰的形状为圆锥形
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射流本身有一等速核心区，而且轴 线速度最大。射流沿火焰轴线方向 流动中，燃气要穿过较厚的内侧混 合区（燃烧产物+燃气）才能与氧 碰面,故需要一段时间,而在这段时 间内燃气将流过一定距离,使焰面 拉长。燃气在向前流动的过程中不 断燃烧,纯燃气的体积越来越少,最 后在中心线上全部燃烬,所以火焰 末端变尖而整个火焰面成圆锥形。 当燃气流量继续增加时,燃气流速 增加,而氧的扩散速度未变,故火焰 长度不断增加,火焰表面积不断增 大 。
当压力升高时,由于碳粒增多,光焰区伸长,使火焰高度突然增加好几倍。
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① 燃气中的H2、CO稳定性好，高温下不会发生分解反应。
② CmHn热稳定性差，而且分子量越大的CmHn热稳定性越差。
③ CmHn在高温下发生脱氢过程和碳原子的积聚过程，生成一定 数量的固体碳粒，碳粒燃烧时呈明亮的淡黄色光焰。 ④ 如果碳粒来不及燃尽，被燃烧产物带走，就形成煤烟。在高 温火焰区，固体碳粒的燃烧在扩散区进行(因为氧的扩散主要是分 子扩散)。通常碳粒来不及在高温区烧完，随气流流入火焰尾部低 温区,燃烧由扩散区转为动力区(温度低造成)，此后，碳粒的燃烧 可能完全中断，未燃尽的碳粒冷却后便形成碳黑，沉积在加热表 面或管壁上。
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② 火焰焰面为圆锥形，焰面以内为燃气，焰面以外为空气，
焰面处α=1，燃烧产物浓度最大。
③ 火焰长度与气流速度成正比，对同一种燃气和同一燃烧 器，气流速度越大，火焰越长。 ④ 燃气流量一定时，火焰长度与气流速度无关，仅与气体 的扩散系数成反比。扩散系数越大，火焰越短。(扩散系数
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层流燃烧方式只适用于小型设备，大型设备必须采 用紊流燃烧方式。 ◆ 特点:
① 火焰明显缩短，顶部较圆。
② 焰面皱曲，火焰厚度增加，火焰总表面积↑。 ③ 紊流尺度大时，火焰面扰动强烈,焰面变为由许多 燃烧中心所组成的一个燃烧层。燃烧层厚度取决于质点燃尽 所需时间。
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二、部分预混层流火焰的几个现象 1. 离焰：当燃烧强度增大时，由于S=ν的区间靠近喷口，点 火环逐渐变窄，最后点火环消失，火焰脱离喷口，在一定 距离以外燃烧，称为离焰。 2. 脱火：如果气流速度再增大，火焰就被吹灭，称为脱火。 3. 回火：如果燃气流量不断减小，即流速不断减小，内锥体 越来越低，最后由于气流速度小于S，火焰将缩进喷口，称 为回火。
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④紊流火焰可分为三个区： ●焰核区：混合物尚未点着的冷区。焰核 区长度取决于火焰传播过程（流速，火焰 传播速度，出流半径） ●着火和燃烧区：约90%的燃气燃烧。厚 度取决于火焰紊流特性和混合物性质，用 强化燃烧的办法难以缩小火焰厚度 ●燃尽区：完成全部燃烧。燃尽区厚度主 要取决于混合物动力特性及气流速度(停 留时间)，速度越大，燃尽区厚度越长。 ●要缩小火焰尺寸，主要方法是减小冷核 长度，可用减小喷口直径，减小点火周边 长度的方法实现。例如，用一钝体放在气 流轴线上作为补充的点火源，以减小气流 周边点火长度。
燃气种类不同，火焰传播速度不同。炼焦煤气的S大， 易引起回火；天然气的S小，易引起脱火。 周围介质氧含量低时，燃烧速度降低，增加了脱火的可 能性。 周围介质流速大，易脱火。 周围介质流动方向与火焰有较大夹角，易引起脱火。
⑤ 燃气性质

⑥ 周围空气组成及流动

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三、部分预混紊流火焰
图1 用辅助火焰作点火源 1—燃烧器火孔；2—小孔；3—环形缝隙
图2 各种形状的钝体稳焰器
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第三节 完全预混式燃烧
1. 完全预混式燃烧又称为无焰燃烧： 火焰很短，甚至看不见。 2. 进行完全预混式燃烧的条件： ① 燃气和空气点火前预先按化学当量比混合均匀。 ② 设置专门的火道，使燃烧区内保持稳定的高温。 3. 特点:
qv Q V
(kJ/m3· h)
qv与燃烧室长度有关，表示燃烧设备的紧凑程度。
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二、燃烧过程强化的途径
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燃烧速度取决于混合速度和化学反应速度。化学反应速度又 与燃气性质、氧化剂性质、可燃混合物浓度、温度、P等有关，通 常助燃氧气来自空气，燃烧又在大气压下进行，故强化燃烧主要 措施应从提高温度T和强化气流混合等方面考虑。 强化途径有: 1.预热燃气和空气 预热燃气和空气，可提高火焰传播速度S，提高反应速度， 提高燃烧温度，进而增加燃烧强度。具体可利用烟气余热来预热 空气。 2.加强紊动
◆研究表明(国际火焰研究基金会)，燃料中的碳:氢重量比 (R=C/H)增加，火焰辐射率呈直线增加。所以燃气中添加液 体燃料，可提高火焰辐射能力。液体燃料种类对火焰辐射有 很大影响。
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六、小结 扩散式燃烧容易产生煤烟，燃烧温度也相当 低，污染受热面和环境，热强度不能满足生 产需要。
4. 脱火和回火危害：
① 引起不完全燃烧，产生CO等有毒气体。 ② 引起熄火后容易产生爆炸。
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5. 影响火焰稳定性的因素:
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③ 火焰传播速度S S越大，回火极限速度也越大。
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④ 喷口直径

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直径越小，管壁散热作用增大，回火可能性减小。
① 火道的qv很高，较小(通常=1.05—1.10)，燃烧温度 高。
② 燃烧速度快，火焰稳定性较差。
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4. 火道装置: (1). 右图为用一个紧接的火道来稳焰。 来自燃烧器1的燃气-空气混合物进入 火道3，在火道中形成火焰2。由于引射作 用，在火焰的根部吸入炽热的烟气，形成 烟气回流区，形成一个稳定的火源。 如果火道有足够的长度，则火焰将充 满火道的断面，燃烧稳定，但火道较短时， 火焰仅占火道的一部分，可能会吸入来自 周围的冷空气使燃烧中断。 如果火道的壁面未达到炽热状态，也 将增加烟气向周围介质的热损失，使烟气 温度降低而失去点燃混合物的能力。因此， 必须对燃烧室采取良好的保温措施。 火道中火焰的稳定图