(完整word版)天津城建大学燃气燃烧应用重点

实验证明：球体临界温度与下列变量有关：球体尺寸、球体催化特性、与介质的相对速度、可燃混合物的热力和化学动力特性；
实验证明：热球直径越小或相对气流速度越高时，临界点火温度也越高；扁平火焰温度场随时间的变化成成正态分布，厚度小于某一临界尺寸时，温度场不断衰减，最终火焰熄灭；
小火焰引发点火的可能性取决于特性参数：可燃混合物组成、点火火焰与混合物之间的接触时间、火焰的尺寸和温度，以及混合强烈程度。

实验证明：扁平点火火焰的临界厚度是火焰稳定传播时焰面厚度的两倍
同向平行气流中射流的扩张角、轴心速度的衰减，射流核心区的长度等都与射流速度和外围平行气流速度的速度梯度有关；必须确定混合过程与喷嘴结构系数（孔口形状、尺寸等）及流体动力参数的关系；射流以一定角度相交，经过相互撞击和混合后，形成一股合成的汇合流,最初其垂直截面上射流尺寸有压扁现象，待互撞射流混合后，总射流又以一定扩张角继续流动。

在水平截面上则可发现射流变得很宽。

射流交角越大，水平截面上射流变得越宽；相交射流截面变形后，其边界比自由射流的边界宽；交角越大，射流变形越大，混合也越强烈，能量撞击损失越大，射流衰减越快，射程越短；变形最大的区域是在相交区附近，离这区域一定距离后，射流不再变形，而只是沿途扩展；当交角一定时，随着动量比M的增大，则汇合流变形越大，混合越强烈；当M一定时，交角越大，主变形率越大，过渡段越长。

当M=1时，出现最大变形率。

3. 旋转射流产生方法
（1）使全部气流或一部分气流切向进入
（2）设置导流叶片
（3）采用旋转的机械装置
①对速度场的影响
旋流数S增加---轴向速度衰减加快，射流扩展角增大；射流轴向反压梯度极大；卷吸量增加，射流速度衰减和浓度衰减快；回流区的长度和宽度都增加。

第四章燃气燃烧的火焰传播
，要保持火焰稳定，必须满足火焰传播速度等于气流速度的余弦即法向分速度的条件，
★火焰层厚度：与导温系数成正比，与火焰传播速度成反比
层流火焰传播速度Sn与导温系数a的平方根成正比，与化学反应时间的平方根成反比。

Sn为常数
测定
火焰传播的理论只能是提供火焰传播速度的定性的结果, 而火焰传播速度必须通过实验来确定。

火焰传播速度与管径的关系很大
管径较小:散热明显，火焰传播速度较小；管径较大:散热影响较小，火焰传播速度上升管径越大，焰面越弯曲，测量值偏离Sn
★管子法（静力法）的优点：直观性强缺点：测定值受管径的影响很大。

本生灯法（动力法）的特点：各处的Sn不一致如果测平均值非常简单，但要精确测量并不简单。

•紊流火焰传播速度明显大于层流原因：（1）紊流脉动使火焰变形，火焰面积增加；（2）紊流脉动增加了热量和活性中心的传播速度；（3）紊流脉动加快了已燃气体和未燃气体的混合，缩短混合时间，提高燃烧速度
第五章燃气燃烧方法
•火焰锥顶与喷口之间的距离称为火焰长度或火焰高度。

•对于层流扩散火焰，其火焰高度与燃气流量（气流速度）成正比，当燃气流量不变时，与速度无关，而仅与气体的扩散系数成反比。

层流扩散火焰向紊流扩散火焰的过渡
扩散过程由分子扩散转变为紊流扩散，燃气与空气的混合加剧、燃烧过程得到强化，燃烧速度加快，因此火焰的长度便相应缩短。

随着气流扰动程度的加剧，火焰开始丧失稳定性，如果继续强化燃烧，火焰发生间断，甚至完全脱离喷口。

部分预混层流火焰
•由内焰和外焰构成。

•一次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。

一次空气系数越小，外锥就越大。

•内焰的出现是有条
件的。

•若可燃气体混合物中燃气的浓度大于着火浓度上限，火焰不可能向中心传播，内焰就不会出现，而成为扩散式燃烧。

•当一次空气量不足时，由于碳氢化合物在高温下分解，形成扩散火焰就成为发光火焰；•当一次空气量较多时（’＞0.4），碳氢化合物在反应区内转化为含氧的醛、乙醇等，扩散火焰可能是透明而不发光的。

•层流时，沿管道横截面上气体的速度按抛物线分布。

喷口中心气流速度最大，至管壁处降为零。

•在火焰根部，靠近壁面处气流速度逐渐减小至零，但火焰并不会传到燃烧器里去，因为该处的火焰传播速度因管壁散热也减小了。

•火焰面上任一点的气流法向分速度均等于法向火焰传播速度。

另一方面，该点还有一个切相分速度，使该处的质点向上移动。

因此，在焰面上不断进行着下面质点对上面质点的点火。

•离开管口，气流速度会逐渐变小；而越靠近管口，则管口壁的散热作用越明显，从而使火焰传播速度降低。

点火环使层流部分预混火焰根部得以稳定。

随着一次空气系数的增加，混合物的脱火极限逐渐减小。

•为了使火焰稳定，应当在局部地区保持气流速度和火焰传播速度的平衡。

可以从改变气流的速度着手，用流体力学的方法进行稳焰；也可以从改变火焰传播速度着手，用热力学或化学的方法进行稳焰
为了防止回火，必须尽可能使气流的速度场均匀，以保证在最低负荷下各点的气流速度都大于火焰传播速度。

1、小火孔防止回火
利用火焰不能传播的熄火距离的原理阻止火焰回火
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。

3、火道防止脱火
•火道底部的高温回流区作为点火源，使火焰能稳定燃烧
•甲烷燃烧的化学计量比9.5%。

•甲烷的火焰传播浓度极限5%~15%。

25火焰的脱火、回火和光焰
(1)脱火: 燃烧强度增加，气体出口速度增大，若其大于火焰传播速度时，点火环变窄，最后点火环消失，火焰在气流下游一定距离处燃烧，称作离焰。

若气流在增加，火焰熄灭，此现象称作脱火。

脱火的危害：造成不完全燃烧，产生一氧化碳，浪费能源，其次易造成爆炸事故。

（2)回火: 燃烧强度降低，气体出口速度变小，若其小于火焰传播速度时，火焰缩入火孔内燃烧，此现象称作回火。

回火的危害：燃具不能正常工作,易烧毁燃烧设备。

(3)光焰: 一次空气系数α减少到使燃气中的碳氢化合物析碳形成光焰的现象，称作光焰。

光焰的危害：造成不完全燃烧，有烟炱生成，污染炊具。

第六章扩散式燃烧器
(
某些工业炉对燃烧器还可提出以下要求：第一、严格按要求的燃烧方式进行燃烧并建立起炉膛中需要的氧化性、还原性或中性气氛。

第二、火焰特性符合工艺要求。

第三、燃烧器上配备必要的自动调节和自动安全装置。

第七章大气式燃烧器(选判分析)
1.引射器的作用（1）以高能量的燃气引射低能量的空气，并使两者混合均匀；（2）在引射器的末端形成所需要的静压，以克服头部阻力损失，使火孔处气流出口速度达到必要数值；3）输送一定量的燃气，保证燃烧器达到额定热负荷。

①喷嘴作用：输送燃气，并将燃气势能转变为动能以引射空气。

喷嘴结构形式分：固定喷嘴和可调喷嘴两种。

固定喷嘴特点：加工简单，造价低廉,只适用于一种燃气
吸气收缩管作用：减少空气进入时的阻力
混合管的作用：使气体的速度场、浓度场趋于均匀。

扩压管的作用把气体的动压变成静压，另外使燃气-空气进一步混合。

头部的作用：将燃气—空气混合物均匀地分配到各个火孔上，以实现稳定和完全燃烧。

2.头部的要求：（1）各个火孔压力相同，保证火焰同高；（2）能很好地组织二次空气均匀流畅通过各个火孔；3）头部容积不宜过大，避免熄火噪音。

3.头部的形式：（1）多火孔头部：①圆火孔--加工简单，广泛应用。

②方火孔--特点：制造复杂，与二次空气的接触面积比圆火孔大，适用于液化石油气和天然气。

③条形火孔---特点: 在热负荷相同时,条形火孔所占据的面积比圆火孔和方火孔少。

但是，二次空气与火焰接触面小，易出现黄焰。

适用于燃气量大、加热面积较小的地方。

④带稳焰火孔的火孔---由主火孔和辅助火孔组成，辅助火孔起稳焰作用。

（2）单火孔头部—火焰与二次空气对的接触面积比多火孔小，因此火焰长，为防止回火，火孔出口速度应比多火孔大。

火孔深度---增加孔深可使脱火极限增加，回火极限降低。

但是气流阻力增大，不利于一次空气的吸入。

火孔间距---火孔间距主要考虑因素: 为了防止产生黄焰,保证二次空气的供给,孔距不宜过小为了保证火焰
能自动传递,孔距不宜过大
火孔排数 --火孔排数最好不超过两排; 2.特殊情况下,布置两排以上火孔时,每增加一排,一次空气系数增加5%-7%。

3.两排或两排以上的火孔应叉排。

火孔倾角---火孔倾角越小，火焰趋向水平，火焰与二次空气的接触充分，燃烧性能好，烟气中CO含量低，热效率下降。

火焰高度：1、内锥高度：实验证明:内锥高度主要取决于燃气性质、一次空气系数、火孔尺寸、火孔热强度，与火孔间距和深度无关。

(二)外锥高度实验证明:外锥高度主要取决于燃气性质、火孔尺寸、火孔热强度，火孔排数及火孔间距有关。

引射器的分类：
按工质压力分类：低压引射器（P<20000Pa)；高(中)压压引射器（P>20000Pa)
按被引射气体的吸入速度分类：常压吸气引射器（第二类引射器)、负压吸气引射器（第一类引射器)
燃烧器的引射能力只与燃烧器的结构有关，而与燃烧器的工作状况无关，即引射系数不随燃烧器热负荷的变化而变化。

第八章完全预混式燃烧器
3.按头部结构分：（1）无火道头部结构（2）有火道头部结构（3）用金属或陶瓷稳焰器做成的头部结构（4）
其他种类完全预混式燃烧器
喷头是保证燃烧工作稳定、防止回火的重要部件。

喷头采用空气和水冷却。

第十章燃气互换性
(一)城市燃气互换性城市供应的主要气源是城市基准气。

实际供给的燃气的成分不可能一成不变，尤其当城市燃气负荷达到高峰时，需要补充一些与基准气的性质不同的燃气。

这种代替基准气的燃气被称为置换气。

当置换气代替基准气时，“如果燃烧器 (应该是燃具)不加任何调整而能保证城市各种燃具正常工作，则表示置换气对基准气而言有互换性”。

互换性具有不可逆性。

燃气的互换性还决定于燃具燃烧器以及其它部件的性能
燃具的适应性：燃具对燃气成分变化的适应能力。

“通用”燃具的概念是从燃具的设计和构造上采取措施，以适应性质极不相同的各种燃气。

研究燃气互换性和燃具适应性意义：最大限度地从扩大使用各种气源的角度对燃气生产部门和燃具制造部门提出了要求。

在考虑燃气互换性时，主要应考虑在民用燃具上能够互换
华白数是最早用以判定燃气互换性的指标，它的出发点是燃气互换后保持燃烧器热负荷不变，
39华白数：是在互换性问题产生初期（基准期和置换气物化性质差别不大，燃烧特性较为接近）所使用的一个互换性判定指数。

影响热负荷的因素：是喷嘴直径、流量系数、燃气的热值、密度与额定压力，分属燃烧器结构参数与燃气参数。

华白数是早期使用的一个互换性判定指数，两种气体互换时，华白数W的变化量范围为±5%~10%。

备注:H的取值，一般按高热值计算。

广义华白数用于额定压力在燃气置换时变化场合.
当喷嘴前压力不变时，热负荷Q与燃气热值H成正比。

当燃气的热值、相对密度、和喷嘴前压力相同改变时，燃烧器热负荷与广义的华白数成正比。

结论：一次空气系数α’与华白数W成反比。

结论：如果两种燃气具有相同的华白数W，则在互换时能使燃具保持相同的热负荷Q和一次空气系数。

如果置换气的华白数比基准气大，则热负荷Q↑增大→一次空气系数↓减小。

燃烧势
对于互换性研究来说，最主要的因素是燃气性质和一次空气系数，这两者在很大程度上决定了燃烧速度。

不同族的燃气是不能完全互换的。

同一族的两种燃气则有可能完全互换。

◆城市燃气分类及分类原因？
分类：天然气、人工燃气、液化石油气。

按燃烧特性分类原因：城市燃气的种类增多，组分也有很大差异，从而引起燃烧特性的变化；每一种燃具是按某一特定组分设计、制造、和调整的，燃具能够使适应燃气组分在一定范围内变化，但总有限度；受燃具限制，为了使燃气输配企业和燃具制造厂都有一个共同遵守的准则，必须将已有燃气按其有关燃烧特性进行分类。

◆燃具互换性问题的产生原因及前提与适应性的区别（分析）
随着制气能力的提高，国家能源战略的调整，气源种类增多，即使都是天然气组分和燃烧特性上也存在很大的区别。

(1)长期气源改变(2)应急气源
与适应性的区别：燃气互换性-----燃气品质；燃具适应性 -----燃气具
◆分析散热强度对着火的影响
L——产热曲线；M——散热曲线；
交点1，温度较低；若系统温度升高，散热大于产热，回到1点；若系统温度降低，产热大于散热，温度重又升高到1点。

点1是稳定的平衡状态——缓慢氧化，熄火状态。

交点2，温度较高；若系统温度升高，产热会进一步大于产热，离开2点，温度进一步升高；若系统温度降低，散热会小于产热，温度进一步下降，离开2点。

点2是不稳定的平衡状态
着火点是发热曲线与散热曲线的相切点
◆22影响火焰传播速度的因素（重点）:
层流火焰传播速度影响因素分析
燃料/氧配比的影响--最大火焰传播速度是发生在化学计量比条件下。

在化学计量比时或者燃料稍富的混气中，火焰传播速度达到最大。

一般认为，火焰温度最高的混合物其火焰速度也最大
燃料性质的影响--导温系数增加，火焰传播速度增大；活化能减少，火焰传播速度增大；对饱和烃，火焰速度与n无关，但对不饱和烃，火焰速度随n增多而减小；燃料分子量增加，火焰传播范围变小。

压力的影响—其他参数不变，压力升高，火焰传播速度减小。

混合气初始温度的影响—T0 可以大大促进化学反应速度，因而增大S1值；火焰温度对Sn起决定作用。

添加剂的影响： --惰性添加剂：降低火焰传播速度，缩小可燃界限，如CO2、N2等。

反应添加剂：加速链反应过程而使火焰传播速度迅速增加，如氢。

◆ 4.旋转射流的基本特性（与自由射流差异、强化燃烧原因）
1）增加切向分速度，径向分速度较直流射流时大；
2.径向和轴向上都建立了压力梯度。

强旋转射流内部形成回流区；
3）内外回流区的存在对着火稳定性有影响；
4）旋转射流的扩展角大；
5）射程小
6）速度沿程衰减块
旋转射流的无因次特性——旋流数：旋流数s不仅反映了射流的旋转强弱，表示射流动力相似的相似准则。

◆在q p-a′图判定燃气互换性（分析）
燃气性质变化引起工作点飘移
华白数W 增大，火孔热强度q p增大,一次空气系数a’减小，工作点向左上方飘移
华白数W减小，火孔热强度q p减小，一次空气系数a’增大，工作点向右下方飘移
只有当运行点落在特性曲线范围内时，燃具运行工况才认为是满意的，燃气性质变化后，燃气燃烧特性与华白数同时改变，工作点与极限曲线都变化，变动后的工作点处在新的特性曲线范围内，才能互换。

燃烧稳定性是由4个指标确定的，即离焰、回火、黄焰与一氧化碳极限，它们在火孔热强度—一次空气系数坐标系上的曲线称为燃气燃烧特性曲线，燃烧器的运行点在这四条曲线所围区域内即稳定燃烧
同一种燃气在不同的燃具上作出的特性曲线也是不同的，这是因为火孔大小、排列、材料等因素对特性曲线有影响。

只要两种燃具的基本型式相同，那么不同燃气在这两种燃具上所作出的特性曲线的相对位置仍能保持不变。

特性曲线的这一性质甚为重要。

◆部分预混层流火焰的稳定的影响因素
（1）一次空气系数的影响a′↑,v脱火↓a′↑,v回火先↑后↓
（2）燃烧器直径的影响
d↑,v脱火↑，v回火↑
（3）燃气性质的影响
燃气的火焰传播速度大，易回火，速度慢易脱火。

（4）周围空气质量与流动状况的影响。

周围大气中氧化剂被惰性气体污染，由于空气中含氧量较少，使燃烧速度降低，增加了脱火的可能性。

•火孔直径对脱火和回火极限影响较大。

•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。

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;
29燃烧过程强化的途径：(一)预热燃气和空气--可以提高火焰传播速度，增加反应区内的反应速度，提高燃烧温度，从而增加燃烧强度。

(二)加强紊动---能增加大气式和扩散式燃烧燃烧强度。

(三)烟气再循环--可提高反应区的温度，从而增加燃烧强度。

(四)应用旋转气流--能大大改善混合过程。

●30减少氮氧化物生成量的措施：
减少氮氧化物的主要途径：降低火焰温度、减少过剩空气系数
强化方法
（1）分段燃烧：空气分燃烧器、燃烧室上方两部分送入
（2）烟气再循环：低温烟气与燃烧用空气在燃烧器前混合
（3）设计新型燃烧器
低NO燃烧器设计原则（1）减少气体在高温点火区和稳焰区的停留时间（2）降低主燃烧区的温度（3）让温度较低的烟气和炽热的燃烧产物尽快混合（4）将炉膛温度维持在一个适当的水平上。

（4）采用催化燃烧
影响燃具燃烧特性的因素主要是： 1.燃气的热值H--燃气的热值H直接影响到燃具的热负荷Q。

2.火焰传播速度Sn --火焰传播速度Sn直接影响燃具燃烧器的火焰稳定特性和火焰的长度。

3.燃气的相对密度s -- 燃气的相对密度s直接影响到燃气的体积流量Lg和燃具的热负荷Q。

4.一次空气系数--直接影响燃具燃烧器的燃烧特性、火焰稳定特性和火焰的结构形态等。

不同燃气的火孔热强度对火焰的影响P113：
影响火焰传播浓度极限的因素（看）
1.在纯氧中燃烧，浓度极限范围扩大；
2.提高可燃混合物的温度，浓度极限范围扩大；
3.提高可燃混合物的压力，浓度极限范围扩大；
4.可燃混合物中加入惰性气体，浓度极限范围缩小；
5.可燃混合物含尘量、含水量以及容器形状和材料均会影响浓度极限范围。

33自然引风式扩散燃烧器特点和应用范围
1.优点（1）燃烧稳定，不回火，运行可靠；（2）结构简单，制造方便；（3）操作简单，易点火
（4）可以利用低压燃气（5）不需要鼓风设备。

2.缺点（1）燃烧强度低，火焰长，燃烧室大；（2）容易产生不完全燃烧；（3）过剩空气系数大，燃烧温度低。

3.应用范围：要求温度不高，但是温度分布均匀、火焰稳定的场合。

34鼓风式燃烧器的特点和应用范围1.优点（1）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；（2）热负荷调节范围大，调节系数一般大于5；（3）可以预热空气或预热燃气；（4）要求燃气压力较低；（5）容易实现煤粉—燃气、油—燃气联合燃烧。

2.缺点（1）需要鼓风，耗费电能；（2）燃烧室容积热强度通常比完全预混燃小，火焰较长，因此需要较大的燃烧室容积（3）不具备燃气与空气成比例变化的自动性，最好能配置自动比例调节装置。

3.应用范围：主要用于各种工业炉及锅炉中。

37大气式燃烧器的特点及应用范围
（一）大气式燃烧器的优点1.与自然引风式扩散燃烧器比较，其火力强，火焰短，燃烧温度高；2.可以燃烧不同性质的燃气，燃烧较完全，烟气中一氧化碳含量较少；3.可用于低压燃气，不用鼓风；4.适应性强，可满足多种工艺需要。

（二）大气式燃烧器的缺点1.火孔热强度、燃烧温度仍受限制，不能满足某些工艺的要求；2.当热负荷较大时，结构较笨重。

（三）大气式燃烧器的应用范围家用燃气用具、小型工业锅炉及工业炉。

38完全预混式燃烧器的特点及应用范围
（一）完全预混式燃烧器的优点1.燃烧完全;2.燃烧温度高，能满足高温工艺要求；3.过剩空气少，可用于直接加热金属，不会引起工件过分氧化；4.火道式的燃烧容积热强度大，燃烧室小、紧凑；5.容易使用低热值燃气；6.不需鼓风设备，节约电能。

（二）完全预混式式燃烧器的缺点1.容易或回火,调节范围小,头部结构笨重；2.要求燃气的质量恒定;3.热负荷大的燃烧器,结构笨重;4.噪音大。

（三）完全预混式燃烧器的应用范围工业加热装置。