燃氣燃燒方法——部分預混式燃燒

1、燃氣燃燒方法部分預混式燃燒 燃氣燃燒時，一次空氣過剩系數在01之間，預先混入了一部分燃燒所需空氣，這種燃燒方法稱為部分預混式燃燒或大氣式燃燒。一、部分預混層流火焰產生部分預混層流火焰的典型裝置就是本生燈。如圖346，燃氣從本生燈下部小口噴出，井引射入一次空氣，在管內預先混合，預混后的氣體自燈口噴出燃燒，產生圓錐形的火焰，周圍大氣亦供給部分空氣，稱為二次空氣，通過擴散與一次空氣未燃盡的燃氣混合燃燒。這樣，在正常燃燒時形成兩個穩(wěn)定的火焰面：內火焰面，即由燃氣與一次空氣預混合后燃燒而產生。為圓錐形，呈藍綠色，強而有力，溫度亦商，為部分預混火焰，也稱為藍色錐體；外火焰面，是二次空氣與一次空氣未燃盡的燃

2、氣進行的擴散混合燃燒，其形狀也近似圓錐形，呈黃色，軟弱無力，溫度較低，這是擴散火焰。藍色的預混火焰錐體出現是有條件的。若燃氣空氣混合物的濃度大于著火濃度上限，火焰就不可能向中心傳播，藍色錐體就不會出現，而成為擴散式燃燒。若混合物中燃氣的濃度低于著火濃度下限，則該混合氣根本不可能燃燒。氫氣燃燒火焰出現藍色錐體的一次空氣系數范圍相當大，而甲烷和其它碳氫化合物的燃燒火焰出現藍色錐體的一次空氣系數范圍則相當窄。藍色錐體的實際形狀，如圖355，可用管道中氣流速度的分布和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓瘉斫忉尅恿鲿r，沿管道截面上氣體的流速按拋物線分布，噴口中心氣流速度最大，至管壁處降為零。靜止的藍色錐體焰面說明了錐面

3、上各點的正常火焰?zhèn)鞑ニ俣萻n(其方向指向錐體內部)與該點氣流的法向分速度vn相平衡，也即對于預混火焰錐面上的每一點都存在以下關系式，通常稱為米赫爾松余弦定律：sn=vn=vcos (55)式中 預混氣流方向與焰面上該點法線方向之間的夾角。余弦定律表明了層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c迎面來的氣流速度在火焰穩(wěn)定情況下的平衡關系，火焰雖有向內傳播的趨勢，但仍能穩(wěn)定在該點。另一方面，藍色錐體焰面上各點，還有一個氣流切向分速度，使該處的質點要向上移動。因此、在焰面上必須不斷進行下面質點對上面質點的點火，也就是說，需要一個底部點火源。為了說明什么是最下部的點火源，需要分析一下根部的情況。在火焰根部，靠近壁面處氣流速度

4、逐漸減小，至管壁處降至零，但火焰并不會傳到燃燒器里去，因為該處的火焰?zhèn)鲌笏俣纫蚬鼙谏嵋矞p小了。在圖355中的點1處，火焰?zhèn)鞑ニ俣刃∮跉饬魉俣?，即snv。在離燃燒器出口處某一距離的點2處，氣流速度變化不多，火焰?zhèn)鞑ニ俣葏s因管壁散熱影響明顯減小而增加，故snv。這樣，在點1和點2之間，勢必存在一個sn=v的點3，在點3上，焰面的法線方向和預混氣流方向一致；即夾角=0。這就是說，在燃燒器出口的周邊上，存在一個穩(wěn)定的水平焰面，它就是燃燒器底部預混氣流的點火源，稱之為“點火環(huán)”。藍色錐體的高度，也與火焰?zhèn)鞑ニ俣群涂扇蓟旌蠚饬魉俣扔嘘P。如圖356，設錐體高度為h,噴管出口半徑為r，在錐休表面取一微元面，

5、它在高度上的投影為dh，在徑向上的投影為dr。圖3-5-5 藍色錐體表面的速度分布圖3-5-6 藍色錐體形狀這就是藍色錐體形狀的微分方程式。為了求錐體高度h，可將該微分方程式積分。但由于沿r方向，v和sn都是變化的，要求積分很困難。簡單的處理方法是，假設錐體為正錐體；錐體底面半徑與噴管出口半徑相等；sn為常數，不隨r變化。這時cos也為常數，即為斷面上的氣流平均速度，設可燃混合氣體積流量為qv,。解方程(56)得上式表明，影響火焰高度的因素是r、 、q和sn。當可燃混合氣成分和噴管出口尺寸一定時，平均流速或體積流量增加，都將使火焰高度增加；而火焰?zhèn)鞑ニ俣燃哟?，其高度減小：當噴管尺寸和可燃混合氣

6、流量發(fā)生改變時，出口半徑加大，火焰高度增加。由錐體高度近似公式(357)，就可以推導出動力法測定火焰正常傳播速度的公式(346)，即：二、部分預混層流火焰的穩(wěn)定如前所述，火焰穩(wěn)定的必要條件就是火焰?zhèn)鞑ニ俣萻n與新鮮可燃混合氣的流速。的相對平衡。對于預混層流火焰，為了維持火焰穩(wěn)定，火焰錐面上各點的sn和v必須滿足“余弦定律”，而火焰錐根部必須具備有“點火環(huán)”作為一固定點火源。然而，點火環(huán)存在是有條件的，只有燃燒器在一定范圍內工作時才能產生。如果燃燒強度不斷加大，由于v=sn的點更加靠近管口，點火環(huán)就逐漸變窄。最后點火環(huán)消失，火焰脫離燃燒器出口，在一定距離以外燃燒，發(fā)生離焰。若氣流速度再度增大，火

7、焰就被吹熄了，稱為脫火。如果進入燃燒器的燃氣流量不斷減少，即氣流速度不斷減小，藍色錐體越來越低，最后由于氣流速度小于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，火焰將縮進燃燒器，出現回火。脫火和回火現象都是不允許的，因為它們都會引起不完全燃燒，產生一氧化碳等有毒氣體。對爐膛來說，脫火和回火引起熄火后，形成爆炸性氣體，容易發(fā)生事故。因此，研究火焰的穩(wěn)定性，對防止脫火和回火具有十分重要的意義。對于某一定組成的燃氣空氣混合物，在燃燒時必定存在一個火焰穩(wěn)定的速度上限，氣流速度達到此上限值便產生脫火現象，該上限稱為脫火速度極限；另一方面，燃氣空氣混合物還存在一個火焰穩(wěn)定的速度下限，氣流速度低于下限值便產生回火現象，該下限稱為同火速度

8、極限。只有當燃氣空氣混合物的速度在脫火極限和回火極限之間時，火焰才能穩(wěn)定。在圖357是按試驗資料繪出的天然氣空氣混合物燃燒時的穩(wěn)定范圍。從圖中可以看出混合物的組成對脫火和回火極限影響很大。隨著一次空氣系數的增加，混合物的脫火極限逐漸減小。這是因為燃氣濃度高時，點火環(huán)處有較多的燃氣向外擴散，與大氣中擴散而來的二次空氣混合而燃燒，能形成一個較有力的點火環(huán)。反之，若混合物中空氣較多，從火孔出來的燃氣較少，二次空氣將進一步稀釋混合物，使點火環(huán)的能力削弱，所以脫火速度也下降。燃燒器出口直徑越大，氣流向周圍的相對散熱越少，火焰?zhèn)鞑ニ俣染驮酱?，脫火極限就越高。回火極限隨混合物組成變化的情況與火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€

9、相象。在其它條件相同時，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱?，回火極限速度也越大。燃燒器出口直徑較小時，管壁相對散熱作用增大，回火可能性減小。為了防止回火，最好采用小直徑的火孔。當火孔直徑小于極限孔徑時，便不會發(fā)生回火現象。圖357還繪出了光焰區(qū)。當一次空氣系數較小時，由于碳氫化合物的熱分解，形成碳粒和煤煙，會引起不完全燃燒和污染。所以，部分預混式燃燒的一次空氣系數不宜太小。圖957 天然氣和空氣的燃燒穩(wěn)定范圍1一火焰曲線；2脫火曲線；3一回火曲線；4火焰區(qū)；5脫火區(qū)；6一回火區(qū)脫火和回火曲線的位置，取決于燃氣的性質。燃氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱?，此兩曲線的位置就越高。所以火焰?zhèn)鞑ニ俣容^大的焦爐煤氣容易回火，而火焰?zhèn)鞑?/p>

10、速度較小的天然氣則容易脫火?；鹧娣€(wěn)定性還受到周圍空氣組成的影響。有時周圍大氣中氧化劑被惰性氣體污染，脫火和回火曲線的位置就會發(fā)生變化。由于空氣中含氧量較正常為少，使燃燒速度降低，從而增加了脫火的可能性。此外，火焰周圍空氣的流動也會影響火焰的穩(wěn)定性，這種影響有時是很大的，它取決于周圍氣流的速度和氣流與火焰之間的角度。鑒于燃燒穩(wěn)定性在燃燒理論和技術中的重大意義，國內外學者對其進行了大量的研究。國際上，對于燃氣燃燒穩(wěn)定理論較為系統(tǒng)的研究始于19世紀40年代，劉易斯和馮埃爾柏的邊界速度梯度理論代表了這一階段的主要成果。它第一次從理論上系統(tǒng)地分析了本生預混火焰回火和脫火等現象。在50年代，繼續(xù)進行了大量

11、的實驗研究來驗證和發(fā)展了邊界速度梯度理論。圖358為靠近燃燒器火孔壁面的可燃混合氣速度和燃燒速度變化示意圖。決定火焰是否穩(wěn)定的區(qū)域是緊靠噴管(或火孔)邊緣的區(qū)域，該區(qū)域禰為火焰穩(wěn)定區(qū)，即使對于燃燒速度很慢的甲烷空氣混合物來說，其寬度也只有l(wèi)mm左右。由于這個寬度比噴口管徑小得多，所以該區(qū)域內的氣流速度變化可看成線性變化，即v=gx式中 x離噴口內壁的徑向距離；g氣流速度隨x的變化率，稱為邊界速度梯度，因假定空氣流速度為線性變化，故g為常數；v離噴口內壁距離。處的氣流速度。設在該氣流中，有一本生內焰焰面存在，如圖359所示。實驗證明，在本生火焰中，除了火焰頂端和底部以外，在大部分焰面上的燃燒速度

12、是相同的。在火焰頂端，由于溫度和活化中心對燃燒反應的有利影響，燃燒速度較大。在火焰底部，由于管壁的冷卻作用，燃燒速度逐漸減小。當離火孔內壁的徑向距離小于某一極限距離，燃燒速度降低為零，這一距離稱為熄火距離。圖3-5-8 層流氣流中的火焰穩(wěn)定示意圖圖3-5-9 本生火焰內焰的燃燒速度變化曲線發(fā)生回火和脫火的機理可用圖3510所示曲線來闡述。圖中(a)直線1、2、3分別表示邊界速度梯度g不同時，氣流速度隨離孔壁距離變化的曲線。s表示火孔邊緣燃燒速度的變化曲線。如前所述，火焰穩(wěn)定區(qū)是在離孔壁很近的火孔邊緣地帶。圖3-5-10 闡明回火的脫火機理的示意圖(a)回火機理；(b)脫火機理；(c)火焰狀況當

13、速度曲線為直線1時，曲線s與直線1相割，這說明在火焰底部的某些部位燃燒速度大于氣流速度，發(fā)生回火。當提高邊界速度梯度，使速度曲線變?yōu)橹本€2時，曲線s與直線2相切。在切點處的氣流速度等于燃燒速度，因此焰面底部可以在這點穩(wěn)定。這時的邊界速度梯度就是防止回火所需的最低邊界速度梯度，也即回火極限邊界速度梯度gf。當繼續(xù)提高邊界速度梯度，使速度曲線為直線3時，曲線s與直線3不再有交點，這說明火焰任何一點的氣流速度均大于燃燒速度。這時火焰就被氣流推離火孔。圖(b)中直線2和曲線sa相當于圖(a)中的直線2和曲線s，也即回火極限工況。這時火焰底部的位置為圖(c)中的位置a。當提高邊界速度梯度而使速度曲線為3

14、時，由于3上每一點都vsa,所以火焰底部被推離到位置b。在位置b，火焰底部離開火孔的距離增大，火孔壁面對火焰底部的冷卻作用減弱。同時，在氣流邊界層可燃混合物與空氣的相互擴散增強，使邊界層附近可燃混個物的次空氣系數增加，燃燒速度增大。因此，圖(b)中的sa向氣流邊界移動到sr。因為sb與直線3相切，所以焰面底部能夠在位置b重新穩(wěn)定。同樣，當速度梯度繼續(xù)增大，使速度成為4線時，焰面繼續(xù)被推離到位置c，由于壁面冷卻作用進一步減弱和稀釋作用的影響，燃燒速度繼續(xù)增大，曲線由sr移動到sc。當曲線sc與直線4相切時，火焰底部就能夠在位置c重新穩(wěn)定。當邊界速度梯度再繼續(xù)增大，使速度曲線變?yōu)橹本€5時，火焰又進

15、一步被推離火孔。這時由于可燃混合物與空氣的相互擴散過程，使得氣流邊界層附近的可燃混合物被空氣過分稀釋，導致該處的燃燒速度下降，使燃燒速度曲線sc不是繼續(xù)向左推移，而是反過來向右推移到sd。這時直線5與曲線sd再也找不到切點，即在火焰底部任何一點上的氣流速度都大于燃燒速度，于是火焰就被無限制推離火孔，產生脫火。顯然，直線4和曲線sc所代表的工況，即為防止脫火的極限工況，這時的邊界速度梯度gb即為脫火極限邊界速度梯度。當可燃混合物在空氣中燃燒時，可燃混合物中的燃氣濃度越大，脫火極限邊界速度梯度也越大。這是因為這種可燃混合物與空氣相互擴散時，在開始階段能形成燃燒速度增大的氣流邊界層。然而，當燃氣濃度

16、大的可燃混合物不是在空氣中而是在惰性氣體中燃燒時，脫火極限邊界速度梯度就比較小。劉易斯和馮埃爾柏認為，回火與脫火邊界極限速度梯度gf、gb是可燃混合物本身的特性。因此他們認為，只要提出邊界速度梯度理論時所作的幾條假設符合實際情況，那么gf、gb就應與火孔孔徑、孔深和孔型無關。這樣，對于每一種可燃混合物就可以用一個gf和一個gb來表示在不同火孔中的燃燒穩(wěn)定性。從以上分析可以認為，脫火和回火的極限決定于靠近氣流周邊處的氣流速度線的斜率，或者說取決于周邊速度梯度。回火時的周邊速度梯度可由下式確定：(dvdr)rr=(dsdr)rr (58)式中 r某點離管中心的距離；r管子半徑。在層流情況下，管道中

17、的速度場呈拋物線形，并可用下式表達：v=vmax(1-r2r2)而vmax=2 (此處 為平均氣流速度)。若將氣體流量qv引入，則它與速度之間存在以下關系：當燃氣組成一定時，為一定值，故也可確定。從式(59)可知回火極限流量與r3成正比，當燃燒器口徑放大時，回火極限流量也增加。式(59)還可寫成表明，一定組成的燃氣，其回火極限速度與燃燒器出口直徑成正比，口徑越大，回火極限速度越高。周邊速度梯度理論雖然針對層流狀態(tài)導出，但在某些親流狀態(tài)下也能適用。三、部分預混紊流火焰在工業(yè)窯爐中，往往需要很大的燃燒熱強度，這只有采用紊流燃燒才能達到。從直觀來看，紊流預混火焰較層流預混火焰有明顯不同，諸如：焰面由

18、光滑變?yōu)榘櫱喞：?，可見厚度增加。事實卜紊流火焰厚度遠較層流為大，往往可達數毫米，火焰長度明顯地縮短，而且頂部變圓，火焰亮度十分高，以致燃燒速度明顯地提高，可達到層流預混火焰的數倍至數十倍。當紊動加強時，焰面將強烈擾動，氣體質點離開焰面分散成許多燃燒的氣體微團，它們隨著可燃混合物和燃燒產物的流動而不斷飛散，最后完全燃盡。這時，焰面變?yōu)橛稍S多燃燒中心所組成的燃燒層，燃燒表面積大大增加，燃燒過程大為強化。對自由空間預混式紊流火焰進行研究以后，可以把紊流火焰分為三個區(qū)。如圖3511它們是：圖3-5-11 紊流火焰的結構焰核區(qū)1燃氣空氣混合物尚未點著的冷區(qū)；焰面區(qū)2著火與燃燒區(qū)，大約90的燃氣在這里燃燒；燃盡區(qū)3在這里完成全部燃燒過程，這個區(qū)的邊界是看不見的，要根據氣體分析來確定。根據以上火焰結構，紊流火焰的長度可由下