第四章 燃气燃烧方法
燃气燃烧理论基础
1点：Sn＜V 点 ＜ 2点：Sn＞V 点 ＞ 3点：Sn = V 火焰面稳定 点 点火环
第四章
燃气燃烧方法
（二）部分预混层流火焰的稳定 （比较气流速度和火焰传播速度） 部分预混层流火焰的稳定 比较气流速度和火焰传播 传播速
离焰：气流速度快，点火环变窄而消失， 离焰：气流速度快，点火环变窄而消失，火焰脱离燃烧器出口 脱火：气流速度进一步加大，大于火焰传播速度 火焰传播速度， 脱火：气流速度进一步加大，大于火焰传播速度，火焰被吹熄 回火：气流速度减到小于火焰传播速度 火焰传播速度， 回火：气流速度减到小于火焰传播速度，火焰缩进燃烧器 燃气的火焰传播速度Sn越大， 燃气的火焰传播速度 越大， 越大 脱火曲线和回火曲线位置高， 脱火曲线和回火曲线位置高， 不易脱火而易回火，如人工气。 不易脱火而易回火，如人工气。 天然气则相反， 天然气则相反， Sn 小，易脱火 不易回火 。 2— 脱火曲线 (气流速度上限 气流速度上限) 气流速度上限 4— 回火曲线 (气流速度下限 气流速度下限) 气流速度下限 1— 光焰曲线，α过小时 由于 光焰曲线， 过小时 过小时,由于 碳氢化合物热分解， 碳氢化合物热分解，形成 碳粒和煤烟， 碳粒和煤烟，燃烧不完全
第三章 燃气燃烧的火焰传播
单一燃气的爆炸极限
燃气名称 氢 一氧化碳 甲烷 乙炔 乙烯 乙烷 丙烯 丙烷 丁烯 正丁烷 异丁烷 爆炸下限 % 4.0 12.5 5.0 2.5 2.7 2.9 2.0 2.1 1.6 1.5 1.8
（常温，20℃) 常温， ℃ 爆炸上限 % 75.9 74.2 15.0 80.0 34.0 13.0 11.7 9.5 10.0 8.5 8.5
四、理论烟气量和实际烟气量
第一章 燃气燃烧计算基础
安全课件第4章可燃气体燃烧
93南京金陵石化炼油厂汽10.21火灾 94辽宁阜新艺苑11.27特大火灾
94新疆克拉玛依友谊馆12.8特大火灾
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2.防止形成爆炸性混合气体
管道、设备严格密封，设置监测装置 通风良好 惰气保护
V 21 O V O
21 O Vx O O / V
（3）湍流缩短混合时间，提高了燃烧速率。
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（三）、湍流火焰传播速度（ST） 1. 影响因素；Re；P；T
1.燃烧释放能量使周围气体压力升高，形成“燃气活塞”
2. “燃气活塞”压缩未燃气体，使其温度升高，燃烧产生一 系列“压缩波”，且压缩波的传播速度大于燃烧速度。
3. 经过一定时间，后面的压缩波赶上前面的压缩波，二 者叠加形成“激波” 4. “激波”的高压高温作用，使正常火焰面前方一定距离 的处首先着火，后与正常火焰合二为一，形成“爆轰”
Vx
惰气需要量
O
临界氧含量
O/
惰气中的氧含量
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对乙烷用氮气保护，氧含量临界值为11%，设备内原有空气 100m3，求 ：
1.纯氮气需要量？ 2.若加入氮气中含有6%的氧气，则需要该种氮气量为多少？
解 ( 1 ) ： V x 2 O O 1 V 2 1 1 1 1 1 1 0 9.9 0 0
爆轰前期距离约为管径的2-4倍
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二. 爆轰的特点
1. 速度快—超音速，约2000m/s
2. 波速与混气比例有关 3.压力很高，约15~20个大气压，拐弯处会形成反射增压现 象
三. 爆轰的破坏作用
1. 泻压装置失效 2. 易造成设备爆裂。
燃气燃烧方法(正式)
编订：__________________单位：__________________时间：__________________燃气燃烧方法(正式)Standardize The Management Mechanism To Make The Personnel In The Organization Operate According To The Established Standards And Reach The Expected Level.Word格式 / 完整 / 可编辑文件编号：KG-AO-6024-92 燃气燃烧方法(正式)使用备注：本文档可用在日常工作场景，通过对管理机制、管理原则、管理方法以及管理机构进行设置固定的规范，从而使得组织内人员按照既定标准、规范的要求进行操作，使日常工作或活动达到预期的水平。
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燃烧方法，是燃烧装置热工性能最直接和最重要的影响因素之一。
燃气燃烧在不同物态燃料中是一种最理想的燃烧方式，一般是将燃气通过燃烧器喷向空气中进行。
根据燃气与空气在燃烧前的混合情况，可将燃气燃烧方法分为三种：1．扩散式燃烧法将燃气、空气分别从相邻的喷口喷出，或者燃气直接喷人空气中，两者在接触面上边混合边燃烧，也称有焰燃烧法。
2．完全预混式燃烧法按一定比例将燃气、空气均匀混合，再经燃烧器喷口喷出，进行燃烧。
由于预先均匀混合，可燃混合气一到达燃烧区就能在瞬间燃烧完毕，燃烧火焰很短，甚至看不见火焰，故电称为无焰燃烧法。
3．部分预混式燃烧法在燃气中预先混入部分空气(通常，一次空气系数α′=0．45～0．75)，然后经燃烧器喷入空气中燃烧，也称为半无焰燃烧法。
从本质上看燃气的燃烧过程，与其它种类燃料一样，也包括以下三个阶段：(1)燃气与空气的混合，属物理过程，需要消耗一定的能量和时间；(2)混合气的加热和达到着火，也屑物理过程，依靠可燃混合气本身燃烧反应产生的热量来预热；(3)完成燃烧化学反应，属化学过程，反应速度受化学动力学因素控制。
燃气燃烧方法
编号：SM-ZD-19906 燃气燃烧方法Through the process agreement to achieve a unified action policy for different people, so as to coordinate action, reduce blindness, and make the work orderly.编制：____________________审核：____________________批准：____________________本文档下载后可任意修改燃气燃烧方法简介：该规程资料适用于公司或组织通过合理化地制定计划，达成上下级或不同的人员之间形成统一的行动方针，明确执行目标，工作内容，执行方式，执行进度，从而使整体计划目标统一，行动协调，过程有条不紊。
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燃烧方法，是燃烧装置热工性能最直接和最重要的影响因素之一。
燃气燃烧在不同物态燃料中是一种最理想的燃烧方式，一般是将燃气通过燃烧器喷向空气中进行。
根据燃气与空气在燃烧前的混合情况，可将燃气燃烧方法分为三种：1．扩散式燃烧法将燃气、空气分别从相邻的喷口喷出，或者燃气直接喷人空气中，两者在接触面上边混合边燃烧，也称有焰燃烧法。
2．完全预混式燃烧法按一定比例将燃气、空气均匀混合，再经燃烧器喷口喷出，进行燃烧。
由于预先均匀混合，可燃混合气一到达燃烧区就能在瞬间燃烧完毕，燃烧火焰很短，甚至看不见火焰，故电称为无焰燃烧法。
3．部分预混式燃烧法在燃气中预先混入部分空气(通常，一次空气系数α′=0．45～0．75)，然后经燃烧器喷入空气中燃烧，也称为半无焰燃烧法。
从本质上看燃气的燃烧过程，与其它种类燃料一样，也包括以下三个阶段：(1)燃气与空气的混合，属物理过程，需要消耗一定的能量和时间；(2)混合气的加热和达到着火，也屑物理过程，依靠可燃混合气本身燃烧反应产生的热量来预热；(3)完成燃烧化学反应，属化学过程，反应速度受化学动力学因素控制。
第四章 燃气燃烧的火焰传播火焰的传播方式法向火焰传播速度的测
混合气体爆炸
❖ 可燃气体或蒸汽与空气按一定比例均匀 混合，而后点燃，因为气体扩散过程在燃烧 以前已经完成，燃烧速率将只取决于化学反 应速率。
爆燃
❖ 可燃气体与空气的混合物由火源点燃， 火焰立即从火源处以不断扩大的同心球的形 式自动扩展到混合物存在的全部空间，这种 以热传导方式自动在空间传播的燃烧现象称 为爆燃。
糙表面； ❖ 明显噪音。
层流和紊流火焰前锋示意图
紊流火焰燃烧速度增加的原因
❖ 1）紊流脉动使火焰变形，火焰表面积增加，增加 了反应区。
❖ 2 ）紊流脉动增加了热量和活性中心的传递速度， 反应速率加快，从而增大实际燃烧速度。
❖ 3）紊流脉动加快了已燃气和未燃气的混合，缩短 混合时间，提高燃烧速度。
第二节 火焰传播速度及测定
❖ 燃气作正常燃烧时，这种静止的可燃气体焰 面的移动过程就是火焰的传播过程，也称燃烧 过程；焰面移动的速度叫燃烧速度，又称火焰 传播速度。垂直于燃烧焰面的火焰传播速度称 为法向火焰传播速度。
火焰传播速度的测定方法：
困难一：不容易获得一个稳定的平面火焰 困难二：确定火焰前沿
第五节 火焰传播浓度极限
一、火焰传播浓度极限的概念
❖ 能使火焰继续不断传播所必需的最低燃气浓度，称 为火焰传播浓度下限(或低限)；能使火焰继续不断 传播所必需的最高燃气浓度，称为火焰传播浓度上 限(或高限)。上限和下限之间就是火焰传播浓度极 限范围，火焰传播浓度极限又称着火浓度极限。
二、影响火焰传播浓度极限的因素
一种称为静力法； 一种称为动力法。
静力法
让可燃混合气体在管子里点燃。根据从 一端燃烧到另一端的长度及时间，可以计 算出燃烧速度。这种测量方法叫静力法。
❖ (一)管子法
燃气燃烧方法——扩散式燃烧
燃气燃烧方法——扩散式燃烧
燃气燃烧时，一次空气过剩系数α′=0，燃烧所需的氧全部依靠扩散作用从周围大气中获得，这种燃烧方法称为扩散式燃烧。
燃烧火焰，通常指有比较规则外形的、正在进行燃烧反应的高温混合物所围成的一个区域，其中包含正在燃烧的物质和燃烧刚生成的物质。
可以按不同的特征对火焰进行分类。
扩散式燃烧所产生的火焰为扩散火焰。
按燃气与空气供入的方式，扩散火焰可分为；
(1)自由射流扩散火焰产生于燃气从喷燃器向太空间的静止空气中喷出后形成的燃气射流中，如图3—5—1(a)所示。
(2)同轴流扩散火焰产生于燃气从喷管以与空气流同一轴线喷出的燃气、空气平行气流中，如图3—5—1(b)所示。
这时燃气射流是喷向有限空间的燃烧室，亦称为受限射流扩散火焰。
(3)逆向喷流扩散火焰产生于与空气气流逆向喷出的燃气射流中，如图3—5—1(c)所示。
燃气燃烧方法部分预混式燃烧
燃气燃烧方法部分预混式燃烧燃气燃烧时，一次空气过剩系数a‘在0〜1之间，预先混入了一部分燃烧所需空气，这种燃烧方法称为部分预混式燃烧或大气式燃烧。
一、部分预混层流火焰产生部分预混层流火焰的典型装置就是本生灯。
如图3—4—6，燃气从本生灯下部小口喷出，井引射入一次空气，在管内预先混合，预混后的气体自灯口喷出燃烧，产生圆锥形的火焰，周围大气亦供给部分空气，称为二次空气，通过扩散与一次空气未燃尽的燃气混合燃烧。
这样，在正常燃烧时形成两个稳定的火焰面：内火焰面，即由燃气与一次空气预混合后燃烧而产生。
为圆锥形，呈蓝绿色，强而有力，温度亦商，为部分预混火焰，也称为蓝色锥体；外火焰面，是二次空气与一次空气未燃尽的燃气进行的扩散混合燃烧，其形状也近似圆锥形，呈黄色，软弱无力，温度较低，这是扩散火焰。
蓝色的预混火焰锥体出现是有条件的。
若燃气／空气混合物的浓度大于着火浓度上限，火焰就不可能向中心传播，蓝色锥体就不会出现，而成为扩散式燃烧。
若混合物中燃气的浓度低于着火浓度下限，则该混合气根本不可能燃烧。
氢气燃烧火焰出现蓝色锥体的一次空气系数范围相当大，而甲烷和其它碳氢化合物的燃烧火焰出现蓝色锥体的一次空气系数范围则相当窄。
蓝色锥体的实际形状，如图3—5—5，可用管道中气流速度的分布和火焰传播速度的变化来解释。
层流时，沿管道截面上气体的流速按抛物线分布，喷口中心气流速度最大，至管壁处降为零。
静止的蓝色锥体焰面说明了锥面上各点的正常火焰传播速度sn（其方向指向锥体内部）与该点气流的法向分速度vn相平衡，也即对于预混火焰锥面上的每一点都存在以下关系式，通常称为米赫尔松余弦定律：sn二vn二vcos® (5 —5)式中®——预混气流方向与焰面上该点法线方向之间的夹角。
余弦定律表明了层流火焰传播速度与迎面来的气流速度在火焰稳定情况下的平衡关系，火焰虽有向内传播的趋势，但仍能稳定在该点。
另一方面，蓝色锥体焰面上各点，还有一个气流切向分速度，使该处的质点要向上移动。
燃气燃烧方法
燃气燃烧方法
燃烧方法，是燃烧装置热工性能最直接和最重要的影响因素之一。
燃气燃烧在不同物态燃料中是一种最理想的燃烧方式，一般是将燃气通过燃烧器喷向空气中进行。
根据燃气与空气在燃烧前的混合情况，可将燃气燃烧方法分为三种：
1．扩散式燃烧法
将燃气、空气分别从相邻的喷口喷出，或者燃气直接喷人空气中，两者在接触面上边混合边燃烧，也称有焰燃烧法。
2．完全预混式燃烧法
按一定比例将燃气、空气均匀混合，再经燃烧器喷口喷出，进行燃烧。
由于预先均匀混合，可燃混合气一到达燃烧区就能在瞬间燃烧完毕，燃烧火焰很短，甚至看不见火焰，故电称为无焰燃烧法。
3．部分预混式燃烧法
在燃气中预先混入部分空气(通常，一次空气系数α′=0．45～0．75)，然后经燃烧器喷入空气中燃烧，也称为半无焰燃烧法。
从本质上看燃气的燃烧过程，与其它种类燃料一样，也包括以下三个阶段：
(1)燃气与空气的混合，属物理过程，需要消耗一定的能量和时间；
(2)混合气的加热和达到着火，也屑物理过程，依靠可燃混合气本身燃烧反应产生的热量来预热；
(3)完成燃烧化学反应，属化学过程，反应速度受化学动力学因素控制。
所以，燃气燃烧过程所需的时间，包括氧化剂与燃气混合预热所需的时间τph和进行化学反应所需的时间τch,即：
τ=τPh+τch
按燃烧阶段所需时间不同，也可区别出以上不同类型的燃烧方法。
如果τph远大于τch，则τ≈τph，燃烧在扩散区进行，物理因素是影响燃烧全过程的主要因素：反之，τph远小于τch，则τ≈τch燃烧在动力区进行，化学动力学因素是影响燃烧全过程的主要因素；若τph≈τch。
燃烧在中间区进行。
燃气燃烧原理
燃气燃烧原理燃气燃烧是一种常见的燃烧方式，它在工业生产、家庭生活中都有着广泛的应用。
燃气燃烧的原理是指将燃气与空气混合后在一定条件下点燃，产生高温高压气体，从而释放能量。
本文将介绍燃气燃烧的原理及其相关知识。
首先，燃气燃烧的基本原理是燃气与空气的混合燃烧。
燃气是一种易燃气体，例如天然气、液化石油气等，它们通常是无色无味的。
而空气是由氧气、氮气和少量其他气体组成的，其中氧气是燃烧的必需物质。
当燃气与空气以一定的比例混合后，只要有点燃的条件，就会发生燃烧反应。
其次，燃气燃烧的条件包括燃料、氧气和点火三个基本要素。
燃料即燃气，它提供能量；氧气是燃烧的氧化剂，它与燃料发生化学反应；点火则是引发燃烧反应的条件，可以通过火花、高温等方式实现。
只有这三个条件同时满足，燃气燃烧才能正常进行。
再者，燃气燃烧的过程是一个复杂的热力学过程。
当燃气与空气混合后，点燃引发燃烧反应，燃料开始燃烧释放能量，产生高温高压气体。
这些气体在燃烧室内膨胀，驱动活塞运动，从而实现动力输出。
同时，燃烧过程中会产生大量热能，需要通过散热系统进行散热，以保证设备的正常运行。
最后，燃气燃烧的应用十分广泛，涉及到工业生产、交通运输、家庭生活等各个领域。
在工业生产中，燃气燃烧被广泛应用于发电、热处理、燃料燃烧等方面；在交通运输中，燃气燃烧被应用于汽车、火车、飞机等交通工具的动力系统；在家庭生活中，燃气燃烧被应用于燃气灶具、热水器等家用设备中。
总之，燃气燃烧是一种重要的能量转化方式，它通过燃烧燃料释放能量，驱动设备运行，满足人们生产生活的需求。
了解燃气燃烧的原理对于提高能源利用效率、保障设备安全运行具有重要意义。
希望本文能够帮助读者更加深入地了解燃气燃烧原理，为相关领域的工作者和爱好者提供参考。
第4章_气体燃料燃烧
• 引入x＝0处的温度梯度, 则
λ(
dT ) = c p ρ 0v0 (T − T0 ) dx
dT ) x =0 = c p ρ 0v0 (TB − T0 ) dx
λ(
λ 1 Tr − TB v0 = c p ρ 0 δ TB − T0
一维层流燃烧室中气体工质 的温度和燃料浓度变化
• 假定在单位时间内流入燃烧区的可燃混合气完全在该 区域内进行燃烧反应，则可得
vL ∝ p m
m——刘易斯压力指数， m＝n/2－1； n ——燃烧反应级数 (1) 当vL< 0.50 m/s，n < 2，m < 0，vL 随着p 的升高而减小； (2) 当0.50 m/s < vL< 1.00 m/s，n =2，m = 0，vL 与p 的变化无关； (3) 当vL >1.00 m/s，n > 2， m > 0，vL随着p 的升高而增大。
• 预热区能量方程(略去靠近反应区的少量反应)
d dT dT (λ ) − c p ρ 0v0 =0 dx dx dx
边界条件：
在x =-∞处 T =T0
在x = 0处 T =Tb
dT =0 dx dT dT = ( ) x =0 dx dx
• 求解，得
(λ dT ) x =0 = c p ρ0 v0 (Tb − T0 ) dx
一、火焰正常传播速度的理论求解及分析
1. 用于简化近似分析的热理论 －∞< x≤0 为可燃混合气预热区 0≤x≤δ 为可燃混合气燃烧区 (δ为燃烧区的宽度) δ≤x<＋∞ 为燃烧产物区
一维层流燃烧室中气体工质的温度和燃料浓度变化
(1) 可燃混合气在开始着火之前的温度变化规律 • 描述一维层流燃烧室系统中具有化学反应时 的导热微分方程式
第 4 章 1 可燃气体燃烧
P
9
前式结论代入可得：
hP h cpTP cpT Q
整理可得：
1 1 1 c pTP c pT Q pP p 2 P
1 1 1 c p (TP T ) pP p Q 2 P
5
p∞,u∞ ρ∞,h∞ T∞
燃 烧 区
Pp,up ρp,hp T∞
h*
热量（焓）方程：
hP hP c p TP T h h c p T T
hP
hP hP h* Q
代入能量方程可得：
, hP h c pTP c pT Q
火焰前沿（前锋、波前） 一层一层的混合气依次着火，薄薄的化学反应区开始由点燃的 地方向未燃混合气传播，它使已燃区与未燃区之间形成了明显
的分界线，称这层薄薄的化学反应发光区为火焰前沿（锋面）
实验证明，火焰前沿的厚度是很薄的，只有十分之几毫米甚至 百分之几毫米，分析问题中可将其看作一 “几何面” （锋面）
11
1/ρ
此外，由瑞利方程
P
2
p P p 2 2 2 2 m 2 u P uP 1 1
1 1 p P p 还可得： u 2 P
1 1 1 u 2 pP p / P
预混气中火焰的传播分为两种形式
缓燃（正常火焰传播） 爆震（爆轰）
缓燃（正常火焰传播）
火焰传播机理：依靠导热和分子扩散使未燃混合气温度升高，并进 入反应区而引起化学反应，导致火焰传播 传播速度一般不大于1～3m/s
第四章 燃气燃烧的火焰传播火焰的传播方式法向火焰传播速度的测
静力法
让可燃混合气体在管子里点燃。根据从 一端燃烧到另一端的长度及时间，可以计 算出燃烧速度。这种测量方法叫静力法。
❖ (一)管子法
静力法中最直观的方法是常用的管子法，所用仪 器如图所示
❖ 管中充满可燃混合物，一端封闭，另一端与装有惰 性气体的容器4相连。
❖ 测定Sn时，打开阀门2，并用火花点火器3点燃混合 物。
混合气体爆炸
❖ 可燃气体或蒸汽与空气按一定比例均匀 混合，而后点燃，因为气体扩散过程在燃烧 以前已经完成，燃烧速率将只取决于化学反 应速率。
爆燃
❖ 可燃气体与空气的混合物由火源点燃， 火焰立即从火源处以不断扩大的同心球的形 式自动扩展到混合物存在的全部空间，这种 以热传导方式自动在空间传播的燃烧现象称 为爆燃。
表4-1 燃气与空气混合物的最大燃烧速度
(二)皂泡法
❖ 将可燃混合气注入皂泡中，再点燃中心部分的 混合气，不同时间间隔出现半径不同的球状焰。 用光学方法测量皂泡起始半径R0和膨胀后的半径 RB，以及相应焰面之间的时间间隔，即可计算得 火焰传播速度。
（4－15）
(三)球形炸弹法
❖ 球弹中可燃混合气点燃后火焰扩散时其内部压力 逐步升高。根据记录的压力变化和球状焰面的尺寸， 可算得火焰传播速度。
第四章 燃气燃烧的火焰传播
火焰的传播方式 法向火焰传播速度的测定 法向火焰传播速度的影响因素 火焰传播浓度极限概念和影响因素 紊流火焰的传播特点
火焰的传播的概念
❖ 焰面不断向未燃气体方向移动，使每层气体都相继 经历加热、着火和燃烧的过程，从而把燃烧扩展到 整个混合气体中去，这种现象称为火焰的传播。
（2）激光测速法
激光测速的基本原理是利用光学多普勒效应， 当一束激光照射到流体中跟随一起运动的微粒上时， 激光被运动着的微粒所散射，散射光的频率和入射 光的频率相比较，就会产生一个与微粒运动速度成 正比的频率偏移。如果测得频率偏移，就可换算成 速度。因为微粒速度与流体速度相同，所以即可得 到流场中某一测点的流速。
燃气燃烧方法—完全预混式燃烧
燃气燃烧方法—完全预混式燃烧在燃烧之前，将燃气与空气按α′≥1预先混合，然后通过燃烧器喷嘴喷出进行燃烧，这种燃烧方法就称为完全预混式燃烧或无焰式燃烧。
这时，燃烧过程的快慢，完全取决于化学反应的速度。
实际上，因为燃气与空气不再需要混合，可燃混合气一到达燃烧区就能瞬间燃烧完毕。
完全预混燃烧的主要特点有：(1)因为空气和燃气是预先混合，所以空气过剩系数可以小一些，一般为1．02～1．05；(2)燃烧速度快。
容积热强度Qv比有焰燃烧时要大l00～1000倍之多；(3)燃烧高温区比较集中。
而且由于所用的过剩空气量少，所以燃烧温度也比有焰燃烧要高；(4)由于燃烧速度快，燃气中碳氢化合物来不及分解，火焰中的游离碳粒比较少，所以火焰的黑度比有焰燃烧时小，火焰辐射能力较弱；(5)因为燃气与空气要预先混合，所以它们的预热温度不能太高。
原则上不能高于可燃混合气体的着火温度，实际上一般都控制在350～500℃以下；(6)为了防止脱火和发生回火爆炸，烧嘴的燃烧能力不能太大。
进行完全预混燃烧的条件除在燃烧前将一定比例的燃气与空气均匀混合外，还需设置专门的火道或网格等以保持燃烧区稳定的高温。
完全顶混式燃烧的燃烧速度很快，但火焰稳定性较差。
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。
图3—5—12所示为火道中火焰的稳定。
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，是一个稳定的点火源。
如果火道有足够的长度，则火焰将充满火道的断面，燃烧就稳定。
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。
另外，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。
完全预混式燃烧过程的热强度与火道有特别大的关系。
正确设计的火道不仅提高了燃烧稳定性，增加了燃烧强度，而且高温火道对快速燃尽也起了特别大的作用。
燃气燃烧方法-完全预混式燃烧
编号：SY-AQ-01554( 安全管理)单位：_____________________审批：_____________________日期：_____________________WORD文档/ A4打印/ 可编辑燃气燃烧方法-完全预混式燃烧Gas combustion method complete premixed combustion燃气燃烧方法-完全预混式燃烧导语：进行安全管理的目的是预防、消灭事故，防止或消除事故伤害，保护劳动者的安全与健康。
在安全管理的四项主要内容中，虽然都是为了达到安全管理的目的，但是对生产因素状态的控制，与安全管理目的关系更直接，显得更为突出。
在燃烧之前，将燃气与空气按α′≥1预先混合，然后通过燃烧器喷嘴喷出进行燃烧，这种燃烧方法就称为完全预混式燃烧或无焰式燃烧。
这时，燃烧过程的快慢，完全取决于化学反应的速度。
实际上，因为燃气与空气不再需要混合，可燃混合气一到达燃烧区就能瞬间燃烧完毕。
完全预混燃烧的主要特点有：(1)因为空气和燃气是预先混合，所以空气过剩系数可以小一些，一般为1．02～1．05；(2)燃烧速度快。
容积热强度Qv比有焰燃烧时要大l00～1000倍之多；(3)燃烧高温区比较集中。
而且由于所用的过剩空气量少，所以燃烧温度也比有焰燃烧要高；(4)由于燃烧速度快，燃气中碳氢化合物来不及分解，火焰中的游离碳粒比较少，所以火焰的黑度比有焰燃烧时小，火焰辐射能力较弱；(5)因为燃气与空气要预先混合，所以它们的预热温度不能太高。
原则上不能高于可燃混合气体的着火温度，实际上一般都控制在350～500℃以下；(6)为了防止脱火和发生回火爆炸，烧嘴的燃烧能力不能太大。
进行完全预混燃烧的条件除在燃烧前将一定比例的燃气与空气均匀混合外，还需设置专门的火道或网格等以保持燃烧区稳定的高温。
完全顶混式燃烧的燃烧速度很快，但火焰稳定性较差。
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。
燃气燃烧与应用_chap4
Benson火焰的特点
• 直径略大于管口直径，根部较平
近管口处的未燃气体向外扩散，火焰根部不 与管口衔接——火焰外凸；
• 顶部较平
顶点附近散热损失小，活化中心集中，火焰 传播速度大，向未燃气体溯进——顶部变圆。
• 只有圆锥中部比较真实地代表了混合气
参数下的层流火焰面。
等压的。
计算：
按照皂泡的膨胀率(火焰空间所占体积的变化)
3 R0 R0 Sn u p R R 2t B B
3
起始时的皂泡半径 结束时的皂泡半径
问题与解决
皂泡的扩张速度
• 皂泡溶液蒸发，导致气体混合物变湿。 • 对CO，问题尤甚；
•含净化剂的甘油无水皂泡
本生火焰法
难以实现
目前采用的实验方法
1. 焰面不能严格垂直于气流，但焰面必 须是平面； 2. 焰面不是平面，而有很小的曲率，但 气流方向必须与焰面垂直。
静力法（动态火焰法）
• 焰面在静止的可燃混合物中运动；
火焰核法；皂泡法；管子法；
动力法(静态火焰法)
• 焰面静止；可燃混合物以层流状态与火焰 传播方向做相反运动。
将火焰分为预热区和反应区，其交界处的温度为Ti
在预热区中忽略化学反应
0 Snc p
dT d dT dx dx dx
在反应区中忽略自身的能量变化
d dT Q 0 dx dx
从T0~Ti积分
0 Sn c p Ti T0
Sn……
但是，直径越大，气流紊动越强烈，焰 面弯曲越大，二者相差越大……
随着管子直径减小，散热的影响增大，可见 火焰传播速度减小。当小到某一值时，管子 的散热使火焰无法传播。此时的直径称做 “临界直径”——dc 在工程上，dc可用来防止回火 H2: dc=0.9mm; CH4: dc=3.5mm; 焦炉气： dc=2mm
燃气的燃烧方式分类
燃气的燃烧方式分类燃气的燃烧方式通常有三种:扩散式燃烧、部分预混式燃烧和完全预混式燃烧。
一、扩散式燃烧燃气与空气不预先混合，即一次空气系数α=0，燃气从火孔流出进行燃烧，燃烧所需要的空气，完全依靠扩散作用从周围大气中获取，这种燃烧方式称为扩散燃烧。
例如，燃气从钢管的渗漏孔外泄时的燃烧，就属于这种形式.扩散燃烧的火焰长而无力，它像蜡烛燃烧那样分成三层火焰，中心的火焰较暗，这是还未达到着火温度的可燃气流;中间一层发光明亮，这一层是碳氢化合物受热分解成的碳和氢，游离碳在高温下灼热发光;最外层是可燃气体扩散在空气中燃烧所形成的。
从外形上看，扩散式燃烧的火焰拉得较长，且为黄色，但仍会看到下部的外表有一层薄薄的蓝色，这是周围空气无法进入火焰内部的结果 (“进入”是指空气与燃气混合)，这种扩散式燃烧通常用在工业上生产化工原料 (炭黑)，也普遍用于点火火源。
由于扩散燃烧是通过空气的扩散作用而进行的，其混合速度慢，所以火焰温度较低，常会发生不完全燃烧。
液化石油气不宜采用这种燃烧方式，原因是燃烧需要的空气量较多。
扩散式燃烧器是按层流扩散的原理来设计的。
燃烧所需要的空气量，常用加大过剩空气系数的方式来提供。
但采用过剩空气系数加大办法会使燃烧温度下降，燃烧情况恶化，热强度较低。
如采取适当的强制送风措施，则可加大气流扰动，对提高热强度，减少火焰长度有作用。
二、部分预混式燃烧如果燃气与所需的空气预先进行部分混合，即0<αꞌ<1，然后让混合气体从火孔流出，则一经点燃，就有部分燃气靠一次空气首先燃烧起来，形成火焰的焰心，又称内锥。
内锥中间为预热区，内锥表面叫焰面。
其余的燃气与燃烧产物混合在一起，并与周围的空气进行扩散转移，再将燃烧进行完毕，这时所混合的空气称为二次空气，形成的火焰俗称外锥。
由于火孔内气体压力比周围空气压力大，燃气流出后即向外膨胀，因此，内锥底部直径比火孔直径略大一些。
这种燃烧所形成的火焰结构常称为本生火焰。
燃气燃烧方法扩散式燃烧
燃气燃烧方法扩散式燃烧燃气燃烧方法，是指利用空气中氧气与燃气反应产生火焰的过程。
在不同的工业和家庭应用中，燃气的供应、混合、点火等环节都有所不同，因此，各种燃气燃烧方法，适用于不同的场合。
其中，扩散式燃烧是一种常见的方法，本文将详细介绍其原理及应用。
扩散式燃烧原理扩散式燃烧是通过将燃气从一个小孔喷射出来，并在空气中逐渐扩散，形成火焰。
具体来说，扩散式燃烧的步骤包括：1.燃气混合：将燃气与空气以一定的比例混合，使其能够燃烧。
在燃气燃烧器中，通常使用混合器完成这一步骤。
2.喷射：将混合后的燃气通过喷嘴喷射出来。
喷嘴是一个细小的管道，在其出口处形成了一个小孔，以便燃气能够逐渐扩散。
3.扩散：喷嘴喷出的燃气将在空气中逐渐扩散，直到形成火焰。
4.燃烧：在扩散的过程中，燃气与空气混合，达到可燃的状态，然后点燃生成火焰。
扩散式燃烧的原理非常简单，但是其应用范围广泛，燃气热水器、燃气灶具等家庭用品中都使用了这种燃烧方法。
扩散式燃烧的特点扩散式燃烧具有以下几个特点：1.燃气的喷射速度较慢，热释放速度也相对较低，因此火焰温度较低。
这种燃烧方式适用于一些需要较低温度的场合，例如家庭燃气热水器。
2.燃气的流量和空气的混合比例容易控制，因此燃气的燃烧效率较高。
3.火焰较为稳定，不易出现燃烧不完全或烟气排放问题。
4.较为安全，因为燃气喷射速度较慢，不易发生高温油花、火花等现象，降低了火灾的风险。
综上所述，扩散式燃烧非常适用于家庭和工业场合中，不需要高温的、燃烧效率要求较高的情况。
扩散式燃烧的应用扩散式燃烧广泛应用于燃气设备、燃气灶具、燃气热水器等领域。
以下是一些常见的应用：燃气热水器燃气热水器是一种家庭用品，其内部有一只燃气燃烧器，用于加热水。
燃气热水器通常采用扩散式燃烧，将燃气和空气混合后喷射出来，然后在燃烧室内扩散，形成火焰，加热水。
燃气灶具燃气灶具也是一种常见的家庭用品，用于烹饪食物。
与燃气热水器类似，燃气灶具也采用扩散式燃烧。
燃气燃烧方法部分预混式燃烧
燃气燃烧方法部分预混式燃烧燃气燃烧方法中的一种重要类型是预混式燃烧。
预混式燃烧是指燃气和空气在燃烧前事先混合，形成稀薄的可燃气体混合物，然后进行燃烧。
这种燃烧方法具有许多优点，如高燃烧效率、低排放、可控制的燃烧过程等。
以下将详细介绍预混式燃烧的原理、优点以及应用领域。
预混式燃烧的原理是将燃气和空气在燃烧器内先行混合，形成可燃气体混合物，再经过点火点燃。
预混式燃烧的燃气与空气的混合比例可以通过燃气和空气进气量的控制来调节，从而获得适宜的混合比例。
混合气体在燃烧时能够快速燃烧，因为可燃气体和氧气的接触面积更大，同时混合气体的温度和压力也更高。
预混式燃烧的燃焰较小，且燃烧速度较快。
预混式燃烧具有许多优点。
首先，预混式燃烧能够提高燃烧效率。
由于燃气和空气事先混合，使得燃料更充分地与氧气接触，燃烧更完全，从而提高能量利用率。
其次，预混式燃烧可以实现低排放。
由于燃料更充分地燃烧，燃烧产生的废气中的污染物减少，从而减少了废气的排放。
此外，预混式燃烧还具有燃烧温度和燃焰形状可控制的优点，通过调节燃气和空气的混合比例，可以实现燃烧的稳定和控制。
预混式燃烧方法在许多领域得到广泛应用。
首先，它在工业领域中被广泛应用于燃烧炉和锅炉等热能设备中。
预混式燃烧能够提高燃烧效率，减少能源消耗，从而降低能源成本。
其次，预混式燃烧也在家用燃气炉具中得到应用，如燃气灶和燃气热水器等。
这些炉具采用预混式燃烧能够提供高效、环保的烹饪和供暖体验。
此外，预混式燃烧还应用于柴油机、燃气轮机等内燃机中，提高其燃烧效率，并减少尾气排放。
总之，预混式燃烧是燃气燃烧方法的一种重要类型，具有高燃烧效率、低排放、可控制的燃烧过程等优点。
它在工业和家用以及交通领域等多个领域得到广泛应用。
预混式燃烧的发展有助于提高能源利用率，减少环境污染，为可持续发展做出贡献。
第四章 气体燃料的燃烧(1)
学习重点
1. 燃烧装置的一般要求 2. 燃气燃烧方法分类，燃气燃烧过程 3. 层流和紊流扩散火焰，层流和紊流预混火焰特点 4. 典型的有焰和无焰燃烧器，特点、组成 5. 气体燃料置换的概念
§1 气体燃料的燃烧特点
一、对于燃烧装置的一般要求 1. 热负荷（输入功率）； 2. 工艺要求：温度，火焰方向、外型和刚性，气氛，均匀性； 3. 运行要求：安全可靠，燃烧稳定，自动控制，调节性能好，经久耐用，
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三、预混气体燃烧器的构成
• 1、预混燃烧器：
• 混合室－－－混合 • 烧头－－－组织燃烧 • 强制送风预混燃烧器：需风机系统
2、大气式引射燃烧器
• 1)燃气喷嘴 常做成收缩形，以增大燃气的喷射速度，将燃气的压力能尽量多 地转变为动能，提高引射一次空气的能力。
• 2)吸气收缩段其作用是减小空气进入时的阻力损失，一般做成流线型或锥型
§2 无焰燃烧（预混燃烧，动力燃烧）
• （4）预混气体燃烧时火焰的稳定范围
A） 燃气在混合气体中的浓度是影响火焰稳定范围的基本因素
• 燃气浓度增大，火焰 的稳定范围加宽。即 使气流速度在很大的 范围内变化，火焰仍 不会被吹脱。
• 回火界限呈倒U字形， 燃料较浓或较稀都不 容易回火，
• 燃料与空气的混合越 接近化学当量比，就 越容易回火，原因是 此时的火焰传播速度 增大
• （1）火焰的绝对速度 • 气流速度与火焰传播速度的之差值
u SL
• 火焰面将向混合气来流方向传播
u SL ：火焰面将被气体吹向下游 u＝SL ：火焰面在一定位置稳定
利用此可进行火焰稳定
§2 无焰燃烧（预混燃烧，动力燃烧）
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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
第三节 完全预混式燃烧
2、冷却法防止回火
•冷却火孔以降低火孔出口的火焰传播速度，从而防止回火。
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
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。
五、火焰辐射
◆ 燃气火焰辐射有两种情况：
①、不发光的透明火焰的辐射，主要为高温气体的辐射，如 CO2、H2O。
②、黄色、光亮而不透明的光焰辐射，其中火焰内的游离碳 粒子产生的固体辐射占很大比例。气体辐射仅在窄波段进 行，辐射能力弱，而发光固体颗粒辐射具有连续发射光谱 能力，辐射能力强。
四、紊流预混火焰的稳定
◆ 采用人工的稳焰方法，出发点仍为改变气流速度以及改 变传播速度。
◆常用方法：在喷口处设置一个点火源。
1. 连续作用的人工点火装置，如炽热物体，辅助火焰。如图 1 2.使炽热的燃烧产物流回火焰根部形成点火源，如采用火焰稳定器:圆棒、
V型棒、锥体、平盘、鼓形盘等。如图2
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
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。(扩散系数即
单位时间从空气中扩散到燃气中的氧量)。
即 ph ch (physics chemical)
➢ 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
◆3、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。
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，有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（固相、气相燃 烧），外观为有亮点。
B、必须对燃烧室采取良好的保温措施。
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。
火道中火焰的稳定图
1—燃烧器；2—火焰；3—火道
第三节 完全预混式燃烧
➢ (2). 用小孔式火道 (即在一块版面上钻有许多小孔，如 多孔陶瓷板)
在面板上钻有许多小孔，当孔 口直径小于临界孔径（1.2~1.4mm） 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。
D、当燃气流量继续增加时,燃气流速增加,
层流扩散火焰的结构
而氧的扩散速度未变,故火焰长度不断增 1—外侧混合区（燃烧产物+空气）；
加,火焰表面积不断增大。
2—内侧混合区（燃烧产物+燃气）；
Cg—燃气浓度；Ccp—燃烧产物浓度； CO2—氧气浓度
三、火焰由层流向紊流的过渡
1—火焰长度终端曲线 2—层流火焰终端曲线
第五章 燃气燃烧方法
➢ 第一节 扩散式燃烧 ➢ 第二节 部分预混式燃烧 ➢ 第三节 完全预混式燃烧 ➢ 第四节 燃烧过程的强化与完善
燃烧的分类
根据燃气与空气在燃烧前的混合情况，燃气的燃烧分为: •扩散式燃烧 •预混式燃烧（部分预混式燃烧和完全预混式燃烧）
第一节 扩散式燃烧
第一节 扩散式燃烧
一、燃烧的动力区和扩散区、过渡区(也叫中间区) ➢ 燃气燃烧所需时间包括燃气—氧化剂的混合时间+化学反 应所需时间。
一、部分预混层流火焰 1. 部分预混式燃烧也称为大气式燃烧，即往燃气中预先加
入一部分空气 (0 ' 1) ，然后进行燃烧。
2. 特点: ① 、 火焰为不发光的清洁火焰，火焰温度高。 ② 、火焰由内焰和外焰组成。 内焰为不发光的蓝色火焰，由预混空气和部分可燃成分
燃烧形成，其余部分按扩散方式在外焰燃烧。 ③ 、预混空气量越少，外锥体就越大。
1—扩散火焰； 2—光焰区
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。
四、扩散火焰中的多相过程
2. 原因
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)。
第二节 部分预混式燃烧
第二节 部分预混式燃烧
5. 影响火焰稳定性的因素:
③ 火焰传播速度S S越大，回火极限速度也越大。
第二节 部分预混式燃烧
④ 喷口直径 ➢ 直径越小，管壁散热作用增大，回火可能性减小。
⑤ 燃气性质 ➢ 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。
① 全部或部分气流沿切向进入主通道。 ② 在轴向管道中设置导向叶片,使气流旋转。 ③ 采用旋转的机械装置,如转动叶片或转动管子等,使
通过其中的气流旋转。
第四节 燃烧过程的强化与完善
三、燃烧污染控制
SO燃3等气。燃烧后会产生有害物质如CO2，CO，NOX，SO2和 1. NOX的生成机理:
图2 各种形状的钝体稳焰器
三、部分预混紊流火焰
第三节 完全预混式燃烧
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: ① 火道的qv很高，较小(通常=1.05—1.10)，燃烧温度
所发出的热量。
Q qf 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。
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。
第四节 燃烧过程的强化与完善
二、燃烧过程强化的途径：
◆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。
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。
第二节 部分预混式燃烧
◆1、当气流速度增加至某一
临界值时,气体流动状态由层
流转为紊流,火焰顶点开始跳
动
。
◆2、若气流速度再增加,则火焰本身开始扰动,扩散过程由分子扩散转为紊流扩 散(即混合时间变短)，燃烧过程得到强化，火焰长度相应缩短，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。
⑥ 周围空气组成及流动 ➢ 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。
三、部分预混紊流火焰
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
二、层流扩散火焰
3.层流扩散火焰的形状为圆锥形
A、射流本身有一等速核心区，而且轴线 速度最大。 B、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。
C、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。
第二节 部分预混式燃烧
1、预混的氧与燃气在内焰进行反应，形成不发光的淡蓝色火焰。 2、预混的空气量小于燃烧所需的全部空气量，因此在蓝色锥体上 仅仅进行一部分燃烧过程。剩余的燃气在内焰面外部，按扩散方式 与空气混合而燃烧。
第二节 部分预混式燃烧
④ 含CmHn较多的燃气，外锥体可能出现两种情况： 1、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。 2、 ' 较小时, CmHn高温分解，形成碳粒，外锥火焰就会成为发光火 焰。
高。 ② 燃烧速度快，火焰稳定性较差。
第三节 完全预混式燃烧
4. 火道装置: ➢ (1). 用一个紧接喷口的火道来稳焰。
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。
稳焰的原理： 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。
注意事项：
A、火道够长。保证回流烟气形成稳定点火源。
●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。