冉景煜版-工程燃燒學(xué)--第-07-章

1、第七章 氣體燃料燃燒,熱能與動(dòng)力工程系,氣體燃料的燃燒火焰類型氣體燃料預(yù)混式燃燒氣體燃料擴(kuò)散式燃燒,第一節(jié) 概述,熱能與動(dòng)力工程系,氣體的燃燒過程擴(kuò)散式燃燒火焰部分預(yù)混式燃燒火焰完全預(yù)混式燃燒火焰,3,任何一種氣體的燃燒過程基本上都包括以下三個(gè)階段：1）可燃?xì)怏w與空氣的混合；2）混合后的可燃?xì)怏w的加熱和著火；3）完成燃燒化學(xué)反應(yīng)。燃?xì)馀c空氣的混合是一種物理過程，需要消耗能量和一定的時(shí)間才能完成?；旌虾蟮目扇?xì)怏w只有加熱到它

2、的著火溫度時(shí)才能進(jìn)行燃燒反應(yīng)；著火以后，可燃?xì)怏w的加熱是靠其本身燃燒產(chǎn)生的熱量而實(shí)現(xiàn)的。影響氣體燃料燃燒速度的主要矛盾不在燃燒反應(yīng)本身，而在氣體燃料與空氣的混合以及混合后的可燃?xì)怏w的加熱升溫速度方面，可燃?xì)怏w與空氣的混合與加熱對(duì)整個(gè)燃燒過程起著更為重要的作用。,對(duì)于氣體燃料的燃燒可分為擴(kuò)散式燃燒，部分預(yù)混式燃燒和完全預(yù)混式燃燒。,4,（a）完全預(yù)混火焰； （b）部分預(yù)混火焰； （c）擴(kuò)散火焰,（一）完全預(yù)混式燃燒特征,

3、1. 完全預(yù)混式燃燒是指氣體燃料和燃燒所需的全部空氣在燃燒器中已均勻混合，預(yù)混可燃?xì)怏w的過量空氣系數(shù)為 為1.05~1.10，因此，燃燒過程只有著火燃燒一個(gè)階段。燃燒速度主要取決于化學(xué)反應(yīng)速度。2. 預(yù)混火焰的燃燒溫度高，燃燒強(qiáng)烈，燃燒完全，無黑煙，火焰呈透明狀，無明顯輪廓。也稱為無焰燃燒。3. 由于燃料和空氣在燃燒前已均勻混合，所以有回火的危險(xiǎn)，應(yīng)嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度。為了防止回火和爆炸，燃燒器的燃燒功率不能太大。,5,（二）擴(kuò)散式燃

4、燒特征,1. 擴(kuò)散式燃燒時(shí),由于燃料和空氣在進(jìn)入爐膛前沒有預(yù)先混合，而是分別送入爐膛后，一邊混合，一邊燃燒，燃燒速度較慢。其燃燒過程有兩個(gè)階段，一是可燃?xì)怏w和空氣的混合階段，二是化學(xué)反應(yīng)階段。2. 燃燒主要在擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行，燃燒速度的大小主要取決于混合速度，為實(shí)現(xiàn)完全燃燒則需要較大的燃燒空間。為了減小不完全燃燒熱損失，要求較大的過量空氣系數(shù)，一般 為1.15~1.25。3.由于燃?xì)夂涂諝庠谶M(jìn)入爐膛前不混合，所以無回火和爆炸的危險(xiǎn)，可將燃

5、料和空氣分別預(yù)熱到較高的溫度，以利于提高爐內(nèi)溫度水平，提高熱效率。,6,（三）部分預(yù)混式燃燒特征,1. 部分預(yù)混式燃燒是指氣體燃料和燃燒所需的部分空氣在噴出噴口前，在燃燒器中預(yù)先混合（一次空氣系數(shù)一般為0.5～0.6），在噴口外再和燃燒所需的其余二次空氣逐步混合并繼續(xù)燃燒。2. 它兼有擴(kuò)散式燃燒和完全預(yù)混燃燒的特點(diǎn)，燃燒反應(yīng)速度很快，燃燒得以強(qiáng)化，火焰溫度也提高了。有時(shí)也稱為半無焰燃燒。,7,在鍋爐設(shè)備中廣泛采用擴(kuò)散燃燒，保證火焰穩(wěn)定

6、；同時(shí)利用人工的擾動(dòng)和渦流的方法來加速可燃物和空氣的混合過程，強(qiáng)化燃燒。,8,第二節(jié) 氣體燃料預(yù)混式燃燒,熱能工程系,流動(dòng)速度分布規(guī)律火焰?zhèn)鞑ニ俣然鹧骈L度LB出口中心線上火焰?zhèn)鞑ニ俣韧牧骰鹧骈L度LB,動(dòng)力燃燒火焰形狀,10,預(yù)先將可燃?xì)怏w燃料及空氣均勻混合后的可燃?xì)怏w混合物送入燃燒器內(nèi)，并且在可燃?xì)怏w混合物中的空氣含量足以保證可燃?xì)怏w燃料的完全燃燒。,可燃預(yù)混氣的動(dòng)力燃燒,,在層流運(yùn)動(dòng)工況下，化學(xué)均勻的可燃?xì)怏w混合物的火焰形狀

7、（即動(dòng)力火炬的形狀）如圖所示。,一、流動(dòng)速度分布規(guī)律1. 管內(nèi)任一截面上混合物的流動(dòng)速度呈拋物線分布?？扇?xì)怏w混合物在燃燒器的管內(nèi)作層流運(yùn)動(dòng)時(shí)，管內(nèi)任一截面上混合物的流動(dòng)速度w分布規(guī)律：,11,2. 當(dāng)可燃?xì)怏w溫合物流出燃燒器的出口時(shí)，將作層流的自由擴(kuò)張，即為層流自由射流，則在燃燒器出口處以外的混合物的速度將不再按拋物線的規(guī)律來分布；3. 靠近管壁處的混合物流速并不等于零，而具有某一速度值wR。米海立松認(rèn)為在燃燒器出口處以外

8、，靠近管壁處的混合物流速并不等于零，并建議采用如下的速度分布規(guī)律： 在管壁處r=R，混合物的流速w=wR。,,12,當(dāng)火焰前沿在穩(wěn)定不動(dòng)的情況下，在火焰前沿某點(diǎn)處的氣體速度和火焰前沿移動(dòng)的正常速度之間有如下關(guān)系(余玄定律)：,二、火焰?zhèn)鞑ニ俣?13,,三、火焰長度LB,,,1. 當(dāng)可燃?xì)怏w混合物的流速及燃燒器管徑越大時(shí)，則火焰長度LB越長；

9、2. 當(dāng)可燃?xì)怏w混合物的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱髸r(shí)，則火焰長度越短。,14,(1)實(shí)際火焰燃燒過程中，火焰鋒面不可能為一數(shù)學(xué)表面，所以在火焰錐體的內(nèi)部，可燃?xì)怏w混合物得到一定程度的預(yù)熱，這樣在噴管中心線上流動(dòng)的混合物的預(yù)熱程度較其他部分混合物高，所以在噴管中心線上應(yīng)具有最大的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?2)活化中心從火焰的反應(yīng)區(qū)向火焰錐體的內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，這樣在噴管中心軸線上所獲得的活化中心亦較其他部分為多，所以促使在中心軸線上的正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣葹樽畲蟆?

10、四、燃燒器出口中心線上具有最大的火焰?zhèn)鞑ニ俣?15,,湍流工況下化學(xué)均勻可燃?xì)怏w混合物的火焰形狀亦是圓錐體形的，對(duì)于可燃?xì)怏w混合物在湍流工況下火焰核心的長度亦可用下式：,五、湍流火焰長度,16,,,第三節(jié) 氣體燃料擴(kuò)散式燃燒,熱能與動(dòng)力工程系,擴(kuò)散式燃燒主要特征擴(kuò)散式燃燒分類同軸伴隨流射流擴(kuò)散燃燒特性,（1）氣體燃料擴(kuò)散式燃燒所需的空氣將從火焰的外界依靠擴(kuò)散的方式來供給，故火焰的形狀和火焰的表面積大小不再是取決于火焰?zhèn)鞑サ乃俣?，而?/p>

11、取決于氣體燃料和空氣之間的混合速度；（2）不同流動(dòng)工況，混合過程不同：層流工況下，混合過程是純粹依靠分子熱運(yùn)動(dòng)的分子擴(kuò)散；而在湍流工況下，混合過程主要依靠微團(tuán)擾動(dòng)的湍流擴(kuò)散。,18,一、擴(kuò)散式燃燒主要特征,按照氣體燃料和空氣供入燃燒室的不同方式，擴(kuò)散式燃燒可以有以下三種情況：1. 自由射流擴(kuò)散燃燒：氣體燃料以射流形式由燃燒器噴入大空間的空氣中，形成自由射流火焰。2. 同軸伴隨流射流擴(kuò)散燃燒：氣體燃料和空氣分別由環(huán)形噴管的內(nèi)管與外環(huán)

12、管噴入燃燒室，形成同軸擴(kuò)散射流。由于射流受到燃燒室容器壁面的限制和周圍空氣流速的影響，為受限射流擴(kuò)散火焰。3. 逆向射流擴(kuò)散燃燒：氣體燃料和空氣噴出的射流方向正好相反，形成逆向噴流擴(kuò)散火焰。,二、擴(kuò)散式燃燒分類,19,擴(kuò)散燃燒火焰形狀1－空氣過剩時(shí)；2－可燃?xì)怏w過剩時(shí),氣體可燃物及空氣分別在管徑為R1的內(nèi)管和管徑為R2的外管中作層流流動(dòng)，內(nèi)、外管系同心的；管徑為R2的外管一方面可看為供給空氣的“爐膛”，另一方面它限制了火焰向外擴(kuò)散

13、。,20,三、同軸伴隨流射流擴(kuò)散燃燒特性,1.擴(kuò)散燃燒火焰形狀,2.層流火焰長度,,,（1）對(duì)于擴(kuò)散火焰，當(dāng)氣流流動(dòng)速度w增加和燃燒器半徑增大（系平方關(guān)系）時(shí)，火焰長度增加；當(dāng)分子擴(kuò)散系數(shù)D增加時(shí)，火焰長度減短。（2）對(duì)于層流工況來講，假定D≈υ、其中υ表示運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。,,,火焰長度與噴口尺寸的比值與Re成正比,,,矩形噴口,圓截面燃燒器,氣流流動(dòng)速度w增加和燃燒器半徑增大（系平方關(guān)系）時(shí)，火焰長度增加；分子擴(kuò)散系數(shù)D增加時(shí)，火焰

14、長度減短。,1）圓截面燃燒器：空氣和氣體可燃物在單位時(shí)間內(nèi)的流量與 成正比，得： 所以在圓截面噴燃器中，在一定的氣體流量下，其火焰長度與速度、管徑無關(guān)。2）隙縫型形噴口：氣體流量正比于wR2，則： 式中的R2應(yīng)理解

15、為燃燒器噴口的寬度，m。,,,,22,,,3.紊流工況下擴(kuò)散燃燒的火焰長度,,在紊流流動(dòng)工況下，擴(kuò)散燃燒的火焰核心的長度同樣隨氣體流速及燃燒器管徑的增加而增加，但其增加的程度將比層流工況下為小。,不論氣體的流動(dòng)工況為層流或?yàn)槲闪?，在化學(xué)非均勻的擴(kuò)散燃燒過程中，其火焰的性質(zhì)在很大程度上取決于氣體的空氣動(dòng)力特性和混合過程的物理因素，而火焰核心的長度基本上與火焰?zhèn)鞑サ恼Ｋ俣葻o關(guān)。,第四節(jié) 氣體燃料燃燒器,熱能與動(dòng)力工程系,無焰燃燒是指燃?xì)夂?/p>

16、空氣在進(jìn)入燃燒室之前就預(yù)先將其混合均勻。因其燃燒速率只取決于著火和燃燒反應(yīng)速度，它比有焰燃燒的速率快，火焰短，沒有明顯的火焰輪廓，故稱為無焰燃燒，屬于動(dòng)力燃燒。,一、引射式無焰燃燒器,25,在工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的是利用引射器，以燃?xì)庾鳛橐浣橘|(zhì)，空氣為被引射介質(zhì)（少數(shù)情況下也有以空氣為引射介質(zhì)的），使空氣和燃?xì)馔ㄟ^引射器達(dá)到均勻混合。這種裝置稱為引射式無焰燃燒器，或簡稱引射式燃燒器。,26,1-燃?xì)鈬娍冢?-空氣調(diào)節(jié)閥；3-空氣吸入口；4

17、-混合管；5-擴(kuò)壓管；6-噴頭；7-燃燒坑道 8-坑道張角,燃燒器由兩大部分組成：引射器和頭部。工作時(shí)具有一定壓力的氣體燃料以一定的速度從噴嘴噴出，進(jìn)入收縮型吸氣管，并借助燃料射流的吸卷作用帶入一次空氣。燃料與空氣在引射器內(nèi)混合，把動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，然后從頭部的火孔流出，并從周圍大氣中獲取二次空氣，完成整個(gè)燃燒過程。大氣燃燒器的一次空氣系數(shù)通常為0.45~0.75。,二、引射式大氣燃燒器（半預(yù)混燃燒器）,27,和擴(kuò)散式燃燒器相比，引射

18、式大氣燃燒器的火焰溫度比較高，火焰短，火力強(qiáng)；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，燃燒穩(wěn)定性較差。與鼓風(fēng)式燃燒器相比，引射式大氣燃燒器不必鼓風(fēng)，投資少，不耗電；但熱負(fù)荷不宜太大，否則結(jié)構(gòu)相當(dāng)笨重。和火道式無焰燃燒器相比，引射式大氣燃燒器熱負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬廣，可燃燒低壓燃?xì)猓珶釓?qiáng)度較低。一次空氣過?？諝庀禂?shù)基本上不隨燃?xì)鈮毫Χ兓?。因此，這類燃燒器具有可貴的自動(dòng)調(diào)節(jié)性能。,28,機(jī)械送風(fēng)全預(yù)混燃燒器套管式燃燒器導(dǎo)流葉片式旋流燃燒器多管式平流燃燒器平焰