燃气基础知识 第七章 燃气燃烧与装置

理论烟气量（ 1时）
V f VRO2 VH 2O VN2
Vf
0
0
0
0
—理论烟气量（m3/m3）。 —三原子气体体积（m3/m3）；
0
VRO2
V H 2O
— 理论烟气中水蒸气的体积（m3/m3）；
VN 2
0
— 理论烟气中氮气的体积（m3/m3）
某天然气成分CH4=95%，C2H4=5%，计算其完全 燃烧时的理论空气需要量和理论烟气生成量。
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
2Biblioteka Baidu

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
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
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
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。
例：做一直管式燃气燃烧器设计，当燃气低 热值为Hl=38MJ/m3，燃烧器热负荷为 Q=33kW，取火孔热强度qp=0.3kW/mm2，火 孔直径dp=1.8mm，试计算：燃烧器每小时的 燃气消耗量是多少m3/h？火孔个数是多少？ 燃气火孔出口速度是多少m/s？
例：做一直管式燃气燃烧器设计，当燃气低热值为Hl=38MJ/m3，燃烧器 热负荷为Q=33kW，取火孔热强度qp=0.3kW/mm2，火孔直径dp=1.8mm， 试计算：燃烧器每小时的燃气消耗量是多少m3/h？火孔个数是多少？燃 气火孔出口速度是多少m/s？ 解： 33kW 1000 3600
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。
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
(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。
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 ）；
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。
(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。
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。
(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：
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。
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。
板式完全预混式燃烧器 1－引射管；2－钢管；3－气流分配室；4－火道；5－隔热层
完全预混式燃烧器的特点及应用范围
完全预混式燃烧器火焰短、燃烧热强度大，因而可缩小燃烧 室体积。燃烧温度高，容易满足高温工艺要求。过剩空气少 （＝1.05～1.10），用于工业炉直接加热工件，不会引起 工件过分氧化。设有火道，容易燃烧低热值燃气。完全预混 式燃烧器燃烧完全，化学不完全燃烧较少，节约能源。另外， 可以采用引射器引射空气，不需鼓风，节省动力。 完全预混式燃烧器火焰稳定性差，尤其是发生回火的可能性 大，因此调节范围较小。为保证燃烧稳定，要求燃气热值及 密度要稳定。为防止回火，头部结构比较复杂和笨重。由于 燃气与空气全预混，火孔出口流量明显增大，因而噪声大， 特别是高负荷时更是如此。 主要应用于工业加热装置上。
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。
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。