第四章第四章燃气燃烧方法燃气燃烧方法 燃气燃烧方法燃气燃烧方法p燃料燃烧所需要的全部时间通常由两部分合成，即氧化剂和燃料之间发生物理性接触所需要的时间τph和进行化学反应所需要的时间τch亦即τ=τph+τchp对气体燃料来说，τph≪τch，则实际上τ≈τch这时，称燃烧过程在动力区进行p反之，如果τph≫τch，则τ≈τph称燃烧过程在扩散区进行p显然，当燃烧过程在动力区进行时，燃烧速度将受化学动力学因素的控制，例如反应物的活化能、温度和压力等若燃烧过程在扩散区进行，则燃烧速度将取决于流体动力学的一些因素，例如气流速度和气体流动过程中所遇到的物体的尺寸、形状等p在中间区，τph≈τch情况较为复杂p为此，将燃烧分为扩散燃烧和预混（部分预混和全预混）燃烧 第一节第一节扩散式燃烧扩散式燃烧 一、扩散火焰的结构一、扩散火焰的结构p燃气中不含氧化剂(即α′=0)，则燃烧所需的氧气将依靠扩散作用从周围大气获得这种燃烧方式称为扩散式燃烧 p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，在紊流状态下，则依靠紊流扩散作用来获得燃烧所需的氧气由于分子扩散进行得比较缓慢，因此层流扩散燃烧的速度取决于氧的扩散速度。
燃烧的化学反应进行得很快，因此火焰焰面厚度很小p在焰面上α正好等于1，而不可能大于或小于1内侧为燃气和燃烧产物相互扩散的区域，外侧为空气和燃烧产物相互扩散的区域p扩散火焰的形状为圆锥形这是因为前期混合需要时间，使焰面拉长后期不断燃烧，纯燃气的体积越来越小 图4-1 层流扩散火焰结构1—外侧混合区；2—内侧混合区；Cg—燃气浓度；Ccp—燃烧产物浓度；CO2—氧气浓度图4-2 层流扩散火焰的相似 一、扩散火焰的结构一、扩散火焰的结构(层流层流)p利用相似关系来讨论层流扩散火焰的基本规律 p管l和管2两个相似的扩散燃烧装置 ，燃气和空气之间的扩散率(即单位时间从空气中扩散到燃气中去的氧气量)应当与浓度梯度成正比： 式中 D——扩散系数； F——垂直于扩散方向两股气流的接触面积 dC/dr——径向浓度梯度 两种情况下的扩散率之比应当等于燃气流量之比 图4-3 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 一、扩散火焰的结构（紊流）一、扩散火焰的结构（紊流）p层流扩散火焰的长度与气流速度成正比，而在紊流区火焰长度与气流速度无关。
p在燃气紊流自由射流中，轴线上的燃气浓度Cg与射流出口处的原始浓度C1之比 p在锋面上燃气浓度和空气浓度之比应近似地等于化学当量比l：n，由此可得紊流扩散火焰长度lf式中 s——距出口的轴向距离； a——紊流结构系数； r——射流喷口的半径 二、扩散火焰中的多相过程二、扩散火焰中的多相过程p碳氢化合物进行扩散燃烧时，可能出现两个不同的区域：一个是真正的扩散火焰，它是一个很薄的反应层；另一个是光焰区，其中有固体碳粒燃烧 p在火焰内存在一个只有燃气没有氧气的高温地带，是燃气进行热分解的区域分解区内发生着碳氢化合物的脱氢过程和碳原子的积聚过程最后生成相当多的固体碳粒，像雾一般分散在气体中这些碳粒接触到氧气，便出现固体和气体之间的燃烧过程，呈现出明亮的淡黄色的光焰，如果碳粒来不及燃尽而被燃烧产物带走，就形成所谓煤烟p碳粒燃烧经历吸附——反应——解析的过程 图4-4 不同压力下乙炔在空气中的扩散火焰1—扩散火焰；2—光焰区图4-5 层流扩散火焰中气体浓度和温度的变化 燃气火焰的辐射燃气火焰的辐射p在民用燃气设备上，由于燃烧空间有限，燃烧温度不高，光焰的出现容易形成黑烟。
但在各种工业炉窑、锅炉等热工设备上，却需要利用燃料燃烧时火焰的辐射传热p不发光的透明火焰的辐射，主要是高温气体的辐射对于黄色、光亮而不透明的光焰来说，火焰内的游离碳粒子产生的固体辐射占有很大的比例因此，两种不同火焰的辐射机理是不同的p燃气火焰一般来说是不发光的透明火焰，即使扩散火焰也是弱的光焰透明火焰主要靠烟气中的CO2、水蒸气等在高温下的辐射由于气体辐射仅在特定的窄波段内进行，与具有连续发射光谱的发光固体颗粒相比，燃气火焰的辐射能力是很弱的p为了增加燃气火焰的辐射能力，曾有人试验过在气体燃料中加入一些液体燃料的燃烧方法图4-6所示为国际火焰基金会的研究结果 图4-6 加入重油对辐射率的影响A—重油100% B—重油40% C—重油20%D—重油10% E—重油0% 第二节第二节预混式燃烧预混式燃烧 一、部分预混层流火焰一、部分预混层流火焰p1855年本生创造出一种燃烧器，燃烧前预先混入一部分燃烧所需空气，火焰变得清洁，燃烧得以强化习惯上又称大气式燃烧p本生火焰由内锥体和外锥体组成在内锥表面火焰向内传播，而未燃的燃气—空气混合物则不断地从锥内向外流出在气流的法向分速度等于法向火焰传播速度之处便出现一个稳定的焰面。
在内锥焰面上仅仅进行部分燃烧过程所得的中间产物穿过内锥焰面，在其外部形成扩散火焰p一次空气系数大，则外锥小，碳氢化合物在反应区内转化为含氧的醛、乙醇等，反之则可能在高温下分解，形成碳粒，成为发光的扩散火焰图4-6 本生燃烧器示意图 图4-7 蓝色锥体表面上的速度分析一、部分预混层流火焰一、部分预混层流火焰p层流时，沿管道横截面上气体的速度按抛物线分布截面上任一点的气流法向分速度均等于法向火焰传播速度，故火焰能稳定在该点另一方面，该点还有一个切向分速度，在焰面上不断进行着下面质点对上面质点的点火p在火焰根部，靠近壁面处气流速度逐渐减小，火焰传播速度因管壁散热也减小了可以肯定，必定存在一个υ=S的点，而且没有分速度这就是说，在燃烧器出口的周边上，存在一个稳定的水平焰面，它是空气-燃气混合物的点火源，又称点火环 二、部分预混层流火焰的稳定二、部分预混层流火焰的稳定p如果燃烧强度不断加大，点火环就逐渐变弱，直至消失，火焰脱离燃烧器出口，在一定距离以外燃烧，称为离焰若气流速度再增大，火焰就被吹熄，称为脱火一次空气系数越大，混合物的脱火极限越小燃烧器出口直径越大，气流向周围的散热越少，火焰传播速度就越大，脱火极限就越高。
p如果进入燃烧器的燃气流量不断减小，内锥越来越低，最后由于气流速度小于火焰传播速度，火焰将缩进燃烧器，称为回火回火极限与火焰传播速度曲线相似在其他条件相同时，火焰传播速度越大，回火极限速度也越大燃烧器出口直径较小时，管壁散热作用增大，回火可能性减小为了防止回火，最好采用小直径的燃烧孔当燃烧孔直径小于极限孔径时，便不会发生回火现象p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所以，部分预混式燃烧的一次空气系数不宜太小 图4-8 天然气和空气的燃烧稳定范围1一光焰曲线；2—脱火曲线 3—回火曲线；4—光焰区；5一脱火区6一回火区 二、部分预混层流火焰的稳定二、部分预混层流火焰的稳定p周边速度梯度理论周边速度梯度理论p在燃烧器出口的周边处，火焰传播速度和气流速度都是在变化的气流速度梯度1、 2 、3分别为产生回火；产生回火的极限位置；火焰稳定三种情况p第三种情况，气流速度大于燃烧速度，火焰底部被推离，火孔壁面对火焰底部的冷却作用减弱，燃烧速度增大，焰面底部能够重新稳定 p当周边速度梯度再继续增大，使火焰进一步被推离火孔这时由于可燃混合物物与空气的相互扩散过强，使得气流边界层附近的可燃混合物被空气过分稀释，导致该处的燃烧速度下降。
这时在火焰底部任何一点上的气流速度都大于燃烧速度，于是火焰就被无限制推离火孔,产生脱火 图4-9 回火和脱火的图解(a)燃烧器出口以内的情况；(b)燃烧器出口以上的情况；(c)焰面位置1—回火；2—回火极限；3—火焰稳定；4—脱火极限；5—脱火A、B、C—当焰面在ABC三个位置时的燃烧速度曲线 二、部分预混层流火焰的稳定二、部分预混层流火焰的稳定p火焰拉伸理论火焰拉伸理论p60年代后期吕特对火焰底部离火孔端面的距离d进行了分析发现有时气流速度增加到出现脱火，d并无显著增加，有时气流速度并未增加，d却有所增加为此提出火焰拉伸理论代替周边速度梯度理论来解释脱火现象p当未燃气体具有速度梯度时，则从某单位面积焰面传给未燃气体的热量并不全部返回到该单位面积焰面，而是有一部分热量从低流速区向高流速区转移这样，低流速区的火焰温度就降低，该区的燃烧速度也相应降低而且，某一段火焰的气流速度梯度越大，这一段火焰低流速区的火焰温度也降得越多，熄火作用也越厉害这显然是一种可能导致脱火的机理 二、部分预混层流火焰的稳定二、部分预混层流火焰的稳定p与这种影响大小有关的因素是度量预热区厚度的参数δph(δph=λ/Snρcp)。
对于一定的速度梯度来说，δph越大，则在δph这段距离中气流速度的增值也越大，熄火作用也越厉害此外，对于同样的和δph而言，某一段火焰本身的气流速度υ越大，速度的增值dυ对于υ的影响就越小，其熄火影响也越小因此可以认为，由于速度梯度而引起的熄火影响与、δph成正比，与υ成反比p无因次数K称为卡洛维兹(Karlovitz)拉伸系数 K值越大，速度梯度的熄火作用越厉害当K值达到极限时，一个自动加速的熄火过程就开始，并最后导致一部分火焰的熄灭 二、部分预混层流火焰的稳定二、部分预混层流火焰的稳定p当火焰在具有速度梯度的运动气流中传播时，火焰成构成凸向气流的曲面，因此面向未燃气体的焰面面积就大于面向已燃气体的焰面面积亦即，当焰面向未燃气体传播时，其面积被拉伸对于曲面火焰而言，焰面每单位面积所需加热的未燃气体体积比平面火焰的大，因而火焰温度会降低焰面面积被拉伸得越多，火焰温度就会降得越低，甚至导致火焰的熄灭K的极限值就代表火焰尚能适应的最大面积增值 p脱火是由于火焰稳定区的K值达到极限值Kb，导致火焰熄灭而引起的p对于某一种燃气-空气混合物来说，不论其浓度比例、温度、压力和火孔孔径如何变化，Kb应大致为定值。
式中gb—脱火极限速度梯度 图4-11 Kb随F的变化二、部分预混层流火焰的稳定二、部分预混层流火焰的稳定式中F —燃气相对浓度 ;k—系数无外焰时，k取零；有外焰时，k取1p周边速度梯度的增加既引起火焰拉伸，又引起周围空气对可燃混合物的稀释火焰拉伸脱火理论强调了前者，而周边速度梯度理论则强调了后者 图4-12 辅助火焰作点火源1—火孔；2—小孔；3—环形缝隙三、部分预混紊流火焰的稳定三、部分预混紊流火焰的稳定p预混紊流火焰工作的稳定区可能全部消失，或者变得很窄，要使燃烧器正常工作只有采用人工的稳焰方法p可改变气流速度，用流体动力学方法进行稳焰；也可改变火焰传播速度，用热力学和化学方法进行稳焰p最常用的方法是在燃烧器出口处设置一个点火源点火源可以是连续作用的人工点火装置，也可以使炽热的燃烧产物流回火焰根部而形成点火源p热烟气的回流往往通过在燃气-空气混合物的气流中设置钝体火焰稳定器来实现 三、部分预混紊流火焰的稳定三、部分预混紊流火焰的稳定p以简化热理论为例来分析火焰稳定的条件 图4-15 钝体稳焰的物理模型得脱火的临界条件 式中 C——回流区内反应物浓度；n——化学反应级数； H——燃气热值； dw——回流区直径； lw——回流区长度；υw——回流区内的平均回流速度；T——离开回流区时气体的温度； Tl——流入回流区时气体的温度。
x——回流气体与主流气体的比例 第三节第三节完全预混式燃烧完全预混式燃烧 完全预混式燃烧完全预混式燃烧p进行完全预混式燃烧的条件是：第一、燃气和空气在着火前预先按化学当量比混合均匀；第二、设置专门的火道(或燃烧室)，使燃烧区内保持稳定的高温p燃气-空气混合物到达燃烧区后能在瞬时间燃烧完毕火焰很短甚至看不见，所以又称无焰燃烧p完全预混可燃物的燃烧速度很快，但火焰稳定性较差p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，在火焰的根部吸入炙热的烟气，形成烟气回流区，是一个稳定的点火源 图4-17 火道中火焰的稳定 完全预混式燃烧完全预混式燃烧p还有一种小孔式火道孔口直径小于临界孔径，燃烧在接近多孔板外表面附近进行p多孔陶瓷板上进行的完全预混燃烧使其表面呈现一片红色，燃烧产生的热量有40％以上以辐射热形式散发出来，又称为燃气红外线辐射板p此外还有一种水冷小火孔的形式，通过循环水的不断冷却，保持火孔为低温状态，同时火孔流速较小，使混合气体能在离火孔一定距离稳定燃烧这种燃烧器的负荷调节范围很小，最好是在额定工况下运行，否则很容易熄火。
图4-19 天然气和空气在多孔陶瓷板上燃烧时的温度变化曲线 第四节第四节燃烧过程的强化与完善燃烧过程的强化与完善 燃烧过程的强化与完善燃烧过程的强化与完善p为了满足加热工艺的需要，或者为了提高燃烧设备的效能，很多时候需要强化燃烧过程燃烧设备运行的强度通常可用面积热强度和容积热强度来表示p面积热强度是指燃烧室(或火道)单位面积上在单位时间内所产生的热量p容积热强度是指燃烧室(或火道)单位容积内单位时间所产生的热量p面积热强度直接与可燃气体混合物的初速度成正比，它表示可燃混合物进行燃烧反应的速度容积热强度则与燃烧室的长度有关，它表示燃烧设备的紧凑程度p随着燃烧过程的强化，有可能导致燃烧产物中有害物浓度的增加，以及燃烧噪音的增大 一、燃烧过程强化的途径一、燃烧过程强化的途径p强化燃烧过程主要从提高温度和加强气流混合等方面来考虑采用不同的燃烧方式是实现强化燃烧的首选，对于需要强化燃烧的场所，应尽量采用预混燃烧方式，一次空气系数越大，燃烧强度越大p对于燃烧方式一定的燃烧设备，实用的强化燃烧的主要途径有以下几方面（主要用于工业燃烧设备） (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 一、燃烧过程强化的途径一、燃烧过程强化的途径p民用燃烧设备普遍采用低压引射大气式燃烧器，燃烧设备相对简单，上述方法往往难以实现，最常用的强化途径是提高火孔热强度或火孔出口流速低压引射大气式燃烧器所能获得的火孔热强度受到燃气压力的制约，因此在民用燃气设备上应用较多的方法，一是在条件许可的情况下采用中压引射，二是采用鼓风的形式提高被引射空气的压力，从而获得较高的火孔热强度p随着火孔热强度的提高，必然导致火孔流速超出火焰稳定范围产生脱火，这就需要根据燃烧设备的具体情况以及加工工艺采用不同的稳焰火孔形式 二、减少氮氧化物的发生二、减少氮氧化物的发生p烟气中CO、NOx和SO2(SO3)对人的危害最大正常条件下，气体燃料是经过脱硫净化的，只要燃烧完全，CO的含量也是很小的，因此如何减少氮氧化物的发生量，就成为一个比较突出的问题大气中的氮氧化物对人类及其生存的自然环境有很大的影响，主要体现在对人类健康、对作物生长及对全球大气环境的影响一)氮氧化物的生成机理p一般把NOx的生成分成热力NOx(T-NOx)、快速NOx(P-NOx)和燃料NOx(F-NOx)。
热力NOx是指燃烧用空气中的N2在高温下氧化而生成的氮氧化物快速型NOx的生成机理是指碳氢系燃料在过剩空气系数小于1的情况下，在火焰面内急剧生成大量的NOx燃料NOx的生成取决于燃料中的含氮化合物，城市燃气中一般不含燃料氮，所以不必考虑燃料NOx 二、减少氮氧化物的发生二、减少氮氧化物的发生p燃烧过程中排放出来的氮氧化物主要是一氧化氮，以后再氧化成二氧化氮pNO的生成在很大程度上依赖于温度，特别是主燃烧区的温度同时NO的生成速度与氧的浓度有关 p过剩空气系数对NO的排出量有很大的影响 ，在燃烧过程中应当严格控制 图4-22 不同预热温度下NO排出量与过剩空气系数的关系 二、减少氮氧化物的发生二、减少氮氧化物的发生( (二二) )减少氮氧化物生成量的措施减少氮氧化物生成量的措施p减少氮氧化物生成的主要途径是降低火焰温度(或减少烟气在高温区停留的时间)和减少过剩空气量降低NOx发生量的燃烧设计原则应当是：（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 l区是点火和稳焰区2区是主燃烧区。
3区是混合区，高温烟气和炉内烟气在该区域混合4区为炉膛区，该区内烟气的浓度及温度比较均匀大部分NOx是在主燃烧区2和其后的混合区3内形成的 二、减少氮氧化物的发生二、减少氮氧化物的发生p在实际工程上采取的措施有以下几方面：1．采用催化燃烧：采用催化剂可以使燃烧反应的温度下降，从而减少甚至有可能完全消除NOx的产生 2．分段燃烧： 降低了火焰温度的峰值和平均值，可以使NOx的发生量减少80％左右3．烟气再循环：将低温烟气同燃烧用的空气在燃烧器入口以前相混合，从而降低炉膛温度减少烟气中NOx的含量4．浓淡燃烧器：一种广泛应用于民用燃烧设备的低NOx燃烧器，将过剩空气系数大于1的淡燃烧器和过剩空气系数小于1的浓燃烧器组合在一起，经过一次燃烧后过剩的燃气和空气再进行二次燃烧由于浓燃烧器和淡燃烧器都避开了NOx高浓度区域，因而可有效降低NOx可看作是分段燃烧的另一种形式 三、燃烧装置噪声的控制三、燃烧装置噪声的控制（一）噪声的来源（一）噪声的来源1．风机噪声：包括空气动力性噪声和机械性噪声空气动力性噪声是由周期性的排气噪声(即气流旋转噪声)和涡流噪声两部分组成机械性噪声，主要是传动以及冲击噪声与摩擦噪声。
2．气流噪声：紊流时由于速度和压力的脉动，产生了噪声图4-25 产生灭火噪声的两种情况 3．火焰噪声：火焰噪声来源于气流的紊动和局部地区组分不均匀其中包括一种回火噪声，有两种产生灭火噪声的情况 4．燃烧振荡：由单一频率组成的大噪声，在一定条件下就形成共振 三、燃烧装置噪声的控制三、燃烧装置噪声的控制(二)噪声的消除和控制1．控制声源(1)提高风机装配精度，消除不平衡性 (2)改变喷嘴形状减少噪声的产生 (3)减少单个燃烧器热负荷可以减少噪声 (4)消除灭火噪声的最有效方法就是选择较小的火孔尺寸 2．控制噪声的传播p对已产生的噪声采取吸声、消声、隔声和阻尼等措施来降低和控制噪声的传播p近年来，发现燃烧噪声主要是来源于燃烧最强烈的燃烧室用吸声材料包围燃烧室，吸收燃烧产生的噪声，使其不再放大，噪声就显著降低了 图4-21 喷嘴形状与噪声的关系 图4-22 燃烧噪声的吸声装置1—燃烧器头部 2—火道 3—吸声材料 4—空气通道管套筒 5—燃烧室 四、控制二氧化碳排放四、控制二氧化碳排放p温室效应气体带来的后果：地表温度升高，海平面升高，改变降水规律p对策和措施 ：1．尽量使用排放系数小的燃料：使用天然气时污染物排放系数最少。
使用电能时，由于火力发电的一次能源利用率低，其污染物的排放系数高达燃煤、燃油时的3倍2．开发新能源取代矿物燃料的燃烧3、保护森林：森林植被的光合作用可以吸收大量二氧化碳，对全球气候起着重要的调节作用4、固碳技术：将烟气中的二氧化碳固化回收 思考题p层流火焰高度与气流速度之间是什么关系，受哪些因素影响p分析扩散燃烧产生光焰的原因及光焰的利弊p分析发生脱火、回火、黄焰的原因p火焰拉伸理论是在周边速度梯度理论的基础上发展而来的，是对周边速度梯度理论的完善，这是否意味着不再需要周边速度梯度理论了p阐述紊流预混火焰的稳焰方法的基本原理p试比较扩散火焰、部分预混火焰、完全预混火焰的特点为何民用燃气具广泛采用部分预混火焰p总结强化燃烧的基本方法及原理p简述燃气燃烧产物中有害物的种类及生成原因。