燃气燃烧方法部分预混式燃烧.docx

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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

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KG-AO-2086-29

燃气燃烧方法——部分预混式燃烧

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　　燃气燃烧时，一次空气过剩系数α′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=vn=vcosψ（5—5）

　　式中ψ——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。

因此、在焰面上必须不断进行下面质点对上面质点的点火，也就是说，需要一个底部点火源。

　　为了说明什么是最下部的点火源，需要分析一下根部的情况。

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

　　在图3—5—5中的点1处，火焰传播速度小于气流速度，即snv。

这样，在点1和点2之间，势必存在一个sn=v的点3，在点3上，焰面的法线方向和预混气流方向一致；即夹角ψ=0。

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，它就是燃烧器底部预混气流的点火源，称之为“点火环”。

　　蓝色锥体的高度，也与火焰传播速度和可燃混合气流速度有关。

如图3—5—6，设锥体高度为h,喷管出口半径为r，在锥休表面取一微元面，它在高度上的投影为dh，在径向上的投影为dr。

　　图3-5-5蓝色锥体表面的速度分布

　　图3-5-6蓝色锥体形状

这就是蓝色锥体形状的微分方程式。

为了求锥体高度h，可将该微分方程式积分。

但由于沿r方向，v和sn都是变化的，要求积分很困难。

简单的处理方法是，假设锥体为正锥体；锥体底面半径与喷管出口半径相等；sn为常数，不随r变化。

这时cosψ也为常数，即

　　为断面上的气流平均速度，设可燃混合气体积流量为qv,

　　。

解方程（5—6）得

　　上式表明，影响火焰高度的因素是r、、q和sn。

当可燃混合气成分和喷管出口尺寸一定时，平均流速或体积流量增加，都将使火焰高度增加；而火焰传播速度加大，其高度减小：

当喷管尺寸和可燃混合气流量发生改变时，出口半径加大，火焰高度增加。

　　由锥体高度近似公式（3—5—7），就可以推导出动力法测定火焰正常传播速度的公式（3—4—6），即：

　　二、部分预混层流火焰的稳定

　　如前所述，火焰稳定的必要条件就是火焰传播速度sn与新鲜可燃混合气的流速。

的相对平衡。

对于预混层流火焰，为了维持火焰稳定，火焰锥面上各点的sn和v必须满足“余弦定律”，而火焰锥根部必须具备有“点火环”作为一固定点火源。

　　然而，点火环存在是有条件的，只有燃烧器在一定范围内工作时才能产生。

如果燃烧强度不断加大，由于v=sn的点更加靠近管口，点火环就逐渐变窄。

最后点火环消失，火焰脱离燃烧器出口，在一定距离以外燃烧，发生离焰。

若气流速度再度增大，火焰就被吹熄了，称为脱火。

　　如果进入燃烧器的燃气流量不断减少，即气流速度不断减小，蓝色锥体越来越低，最后由于气流速度小于火焰传播速度，火焰将缩进燃烧器，出现回火。

　　脱火和回火现象都是不允许的，因为它们都会引起不完全燃烧，产生一氧化碳等有毒气体。

对炉膛来说，脱火和回火引起熄火后，形成爆炸性气体，容易发生事故。

因此，研究火焰的稳定性，对防止脱火和回火具有十分重要的意义。

　　对于某一定组成的燃气／空气混合物，在燃烧时必定存在一个火焰稳定的速度上限，气流速度达到此上限值便产生脱火现象，该上限称为脱火速度极限；另一方面，燃气／空气混合物还存在一个火焰稳定的速度下限，气流速度低于下限值便产生回火现象，该下限称为同火速度极限。

只有当燃气／空气混合物的速度在脱火极限和回火极限之间时，火焰才能稳定。

　　在图3—5—7是按试验资料绘出的天然气／空气混合物燃烧时的稳定范围。

从图中可以看出混合物的组成对脱火和回火极限影响很大。

随着一次空气系数的增加，混合物的脱火极限逐渐减小。

这是因为燃气浓度高时，点火环处有较多的燃气向外扩散，与大气中扩散而来的二次空气混合而燃烧，能形成一个较有力的点火环。

反之，若混合物中空气较多，从火孔出来的燃气较少，二次空气将进一步稀释混合物，使点火环的能力削弱，所以脱火速度也下降。

燃烧器出口直径越大，气流向周围的相对散热越少，火焰传播速度就越大，脱火极限就越高。

　　回火极限随混合物组成变化的情况与火焰传播速度曲线相象。

在其它条件相同时，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，管壁相对散热作用增大，回火可能性减小。

为了防止回火，最好采用小直径的火孔。

当火孔直径小于极限孔径时，便不会发生回火现象。

　　图3—5—7还绘出了光焰区。

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9—5—7天然气和空气的燃烧稳定范围

　　1一火焰曲线；2—脱火曲线；3一回火曲线；

　　4—火焰区；5—脱火区；6一回火区

　　脱火和回火曲线的位置，取决于燃气的性质。

燃气的火焰传播速度越大，此两曲线的位置就越高。

所以火焰传播速度较大的焦炉煤气容易回火，而火焰传播速度较小的天然气则容易脱火。

　　火焰稳定性还受到周围空气组成的影响。

有时周围大气中氧化剂被惰性气体污染，脱火和回火曲线的位置就会发生变化。

由于空气中含氧量较正常为少，使燃烧速度降低，从而增加了脱火的可能性。

　　此外，火焰周围空气的流动也会影响火焰的稳定性，这种影响有时是很大的，它取决于周围气流的速度和气流与火焰之间的角度。

　　鉴于燃烧稳定性在燃烧理论和技术中的重大意义，国内外学者对其进行了大量的研究。

国际上，对于燃气燃烧稳定理论较为系统的研究始于19世纪40年代，刘易斯和冯·埃尔柏的边界速度梯度理论代表了这一阶段的主要成果。

它第一次从理论上系统地分析了本生预混火焰回火和脱火等现象。

在50年代，继续进行了大量的实验研究来验证和发展了边界速度梯度理论。

　　图3—5—8为靠近燃烧器火孔壁面的可燃混合气速度和燃烧速度变化示意图。

决定火焰是否稳定的区域是紧靠喷管（或火孔）边缘的区域，该区域祢为火焰稳定区，即使对于燃烧速度很慢的甲烷—空气混合物来说，其宽度也只有lmm左右。

由于这个宽度比喷口管径小得多，所以该区域内的气流速度变化可看成线性变化，即

　　v=gx

　　式中X——离喷口内壁的径向距离；

　　g——气流速度随x的变化率，称为边界速度梯度，因假定空气流速度为线性变化，故g为常数；

　　V——离喷口内壁距离。

处的气流速度。

　　设在该气流中，有一本生内焰焰面存在，如图3—5—9所示。

实验证明，在本生火焰中，除了火焰顶端和底部以外，在大部分焰面上的燃烧速度是相同的。

在火焰顶端，由于温度和活化中心对燃烧反应的有利影响，燃烧速度较大。

在火焰底部，由于管壁的冷却作用，燃烧速度逐渐减小。

当离火孔内壁的径向距离小于某一极限距离，燃烧速度降低为零，这一距离称为熄火距离。

图3-5-8层流气流中的火焰稳定示意图

图3-5-9本生火焰内焰的燃烧速度变化曲线

　　发生回火和脱火的机理可用图3—5—10所示曲线来阐述。

图中（a）直线1、2、3分别表示边界速度梯度g不同时，气流速度随离孔壁距离变化的曲线。

s表示火孔边缘燃烧速度的变化曲线。

如前所述，火焰稳定区是在离孔壁很近的火孔边缘地带。

　　图3-5-10阐明回火的脱火机理的示意图

　　（a）回火机理；（b）脱火机理；（c）火焰状况

　　当速度曲线为直线1时，曲线s与直线1相割，这说明在火焰底部的某些部位燃烧速度大于气流速度，发生回火。

　　当提高边界速度梯度，使速度曲线变为直线2时，曲线s与直线2相切。

在切点处的气流速度等于燃烧速度，因此焰面底部可以在这点稳定。

这时的边界速度梯度就是防止回火所需的最低边界速度梯度，也即回火极限边界速度梯度gf。

　　当继续提高边界速度梯度，使速度曲线为直线3时，曲线s与直线3不再有交点，这说明火焰任何一点的气流速度均大于燃烧速度。

这时火焰就被气流推离火孔。

图（b）中直线2和曲线sA相当于图（a）中的直线2和曲线s，也即回火极限工况。

这时火焰底部的位置为图（c）中的位置A。

　　当提高边界速度梯度而使速度曲线为3时，由于3上每一点都v>sA,所以火焰底部被推离到位置B。

在位置B，火焰底部离开火孔的距离增大，火孔壁面对火焰底部的冷却作用减弱。

同时，在气流边界层可燃混合物与空气的相互扩散增强，使边界层附近可燃混个物的—次空气系数增加，燃烧速度增大。

因此，图（b）中的sA向气流边界移动到sR。

因为sB与直线3相切，所以焰面底部能够在位置B重新稳定。

　　同样，当速度梯度继续增大，使速度成为4线时，焰面继续被推离到位置C，由于壁面冷却作用进一步减弱和稀释作用的影响，燃烧速度继续增大，曲线由sR移动到sC。

当曲线sC与直线4相切时，火焰底部就能够在位置C重新稳定。

　　当边界速度梯度再继续增大，使速度曲线变为直线5时，火焰又进一步被推离火孔。

这时由于可燃混合物与空气的相互扩散过程，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，使燃烧速度曲线sc不是继续向左推移，而是反过来向右推移到sD。

这时直线5与曲线sD再也找不到切点，即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。

　　显然，直线4和曲线sC所代表的工况，即为防止脱火的极限工况，这时的边界速度梯度gb即为脱火极限边界速度梯度。

　　当可燃混合物在空气中燃烧时，可燃混合物中的燃气浓度越大，脱火极限边界速度梯度也越大。

这是因为这种可燃混合物与空气相互扩散时，在开始阶段能形成燃烧速度增大的气流边界层。

然而，当燃气浓度大的可燃混合物不是在空气中而是在惰性气体中燃烧时，脱火极限边界速度梯度就比较小。

　　刘易斯和冯·埃尔柏认为，回火与脱火边界极限速度梯度gf、gb是可燃混合物本身的特性。

因此他们认为，只要提出边界速度梯度理论时所作的几条假设符合实际情况，那么gf、gb就应与火孔孔径、孔深和孔型无关。

这样，对于每一种可燃混合物就可以用一个gf和一个gb来表示在不同火孔中的燃烧稳定性。

　　从以上分析可以认为，脱火和回火的极限决定于靠近气流周边处的气流速度线的斜率，或者说取决于周边速度梯度。

　　回火时的周边速度梯度可由下式确定：

　　（dv／dr）r→R=（ds／dr）r→R（5—8）

　　式中r——某点离管中心的距离；

　　R——管子半径。

　　在层流情况下，管道中的速度场呈抛物线形，并可用下式表达：

　　v=vmax（1-r2

　　／R2

　　）

　　而vmax=2 

　　 （此处为平均气流速度）。

　　若将气体流量qv引入，则它与速度之间存在以下关系：

当燃气组成一定时，

　　 为一定值，故

　　也可确定。

从式（5—9）可知回火极限流量与R3成正比，当燃烧器口径放大时，回火极限流量也增加。

式（5—9）还可写成

　　表明，一定组成的燃气，其回火极限速度与燃烧器出口直径成正比，口径越大，回火极限速度越高。

　　周边速度梯度理论虽然针对层流状态导出，但在某些亲流状态下也能适用。

　　三、部分预混紊流火焰

　　在工业窑炉中，往往需要很大的燃烧热强度，这只有采用紊流燃烧才能达到。

　　从直观来看，紊流预混火焰较层流预混火焰有明显不同，诸如：

焰面由光滑变为皱曲，轮廓模糊，可见厚度增加。

事实卜紊流火焰厚度远较层流为大，往往可达数毫米，火焰长度明显地缩短，而且顶部变圆，火焰亮度十分高，以致燃烧速度明显地提高，可达到层流预混火焰的数倍至数十倍。

　　当紊动加强时，焰面将强烈扰动，气体质点离开焰面分散成许多燃烧的气体微团，它们随着可燃混合物和燃烧产物的流动而不断飞散，最后完全燃尽。

这时，焰面变为由许多燃烧中心所组成的燃烧层，燃烧表面积大大增加，燃烧过程大为强化。

　　对自由空间预混式紊流火焰进行研究以后，可以把紊流火焰分为三个区。

如图3—5—11它们是：

　　图3-5-11紊流火焰的结构

　　焰核区1——燃气空气混合物尚未点着的冷区；

　　焰面区2——着火与燃烧区，大约90％的燃气在这里燃烧；

　　燃尽区3——在这里完成全部燃烧过程，这个区的边界是看不见的，要根据气体分析来确定。

　　根据以上火焰结构，紊流火焰的长度可由下式表示：

　　Lf=L1+L2+l3

　　式中Lf——火焰的总长度；

　　L2——沿气流轴线方向紊流火焰的厚度；

　　L3——沿气流轴线方向燃尽区的厚度；

　　L1——火焰冷核的长度。

　　火焰冷核的长度L1取决于在一定气体动力特性的气流中火焰的传播过程，近似地可写成：

　　式中v——混合物的流动速度；

　　r——除去边界层的出流半径；

　　st——紊流火焰传播速度。

　　L2取决于火焰的紊流特性和燃气/空气混合物的性质。

对一定的可燃气体混合物用强化燃烧的办法来缩小火焰厚度L2是十分困难的。

　　燃尽区的厚度L3主要取决于混合物的动力特性及气流速度（停留时间）。

对一定组分的混合物可写成：

　　L3=kv（5—12）

　　式中K——常数。

　　从火焰总长度的组成可知，要缩小火焰尺寸，主要方法是减小L1。

具体来说，可以减小燃烧器的出口直径和点火周边的长度。

　　四、部分预混紊流火焰的稳定

　　在紊流条件下，可燃预混气体的流速较大增加，通常都是超过最大极限速度的，所以对于紊流预混火焰而盲，火焰稳定性的主要矛盾在于防止脱火。

　　通常，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之间的平衡。

如果从改变气流速度着手，可用流体动力学方法进行稳焰；如果从改变火焰传播速度着手，可用热力学和化学方法进行稳焰。

　　为了防止脱火，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，如炽热物体或一个稳定的辅助点火火焰。

另外，也可以在燃气／空气混合物的气流中设置火焰稳定器来使炽热的燃烧产物回流火焰根部而形成点火源。

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