第四章 燃气燃烧方法

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。
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。
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。
◆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。
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。
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)。
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
3. 烟气再循环 将部分高温烟气引向燃烧器与混合物混合，可提高反应区 温度，增加燃烧强度。
第四节 燃烧过程的强化与完善
4. 应用旋转气流 喷出气流能产生回流区，从内、外两侧加大卷吸高温烟 气的量，进而增加燃烧强度。 方法:
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：
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
第二节 部分预混式燃烧
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。 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。
燃烧热量40%以热辐射散发， 也叫燃气红外线辐射板。
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
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。
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
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。
三、部分预混紊流火焰
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
◆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
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。
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。
二、层流扩散火焰
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
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)。
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。
第二节 部分预混式燃烧
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。 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。
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
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。
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
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:
●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。
紊流火焰的结构
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。
三、部分预混紊流火焰
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）；
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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
◆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。