燃气燃烧方法——扩散式燃烧

燃气燃烧方法燃气燃烧方法 扩散式燃烧扩散式燃烧 燃气燃烧时 一次空气过剩系数 0 燃烧所需的氧全部依靠扩散作用从周 围大气中获得 这种燃烧方法称为扩散式燃烧 燃烧火焰 通常指有比较规则外形的 正在进行燃烧反应 的高温混合物所围成的一个区域 其中包含正在燃烧的物质和 燃烧刚生成的物质 可以按不同的特征对火焰进行分类 扩散式燃烧所产生的火焰为扩散火焰 按燃气与空气供入 的方式 扩散火焰可分为 1 自由射流扩散火焰 产生于燃气从喷燃器向太空间的静止 空气中喷出后形成的燃气射流中 如图 3 5 1 a 所示 2 同轴流扩散火焰 产生于燃气从喷管以与空气流同一轴线 喷出的燃气 空气平行气流中 如图 3 5 1 b 所示 这时燃 气射流是喷向有限空间的燃烧室 亦称为受限射流扩散火焰 3 逆向喷流扩散火焰 产生于与空气气流逆向喷出的燃气射 流中 如图 3 5 1 c 所示 图图 3 5 1 扩散火焰的形式扩散火焰的形式 根据射流流动的状况 扩散火焰又可分为层流扩散火焰和 紊流扩散火焰 一 层流扩散火焰一 层流扩散火焰 当燃气以层流流动喷入静止的空气中而且被点燃时 空气 或氧 依靠分子扩散 被卷吸入燃烧区 或者当燃气和空气分别 以层梳流动同向平行喷入燃烧室并点燃时 便得到层流扩散火 焰 它为一圆锥焰面 如图 3 5 2 所示 在层流状态下 气流混合仅以分子扩散方式进行 如图 射流以外的空气通过外边界线向着燃气射流扩散 燃气从射流 核心区向着空气扩散 在某一锥面上 燃气和空气 或氧气 混合 的浓度达到化学当量比 即 1 处 便形成稳定的燃烧区 即 火焰焰面 该图还示出了 a a 截面上燃气 氧气和燃烧产物的浓度分 布 燃气从火焰中心 射流核心区 的初始浓度 cg 朝着焰面方 向逐渐降低 直到 cg 0 氧气浓度从静止空气的 21 左右 也 朝着焰面方向逐渐降至 cco2 0 在焰面上生成的燃烧产物的浓度 ccp最大 它同时向两个相反的方向扩散 浓度逐步降低 直至 ccp 0 这样 层流扩散火焰焰面便明显地分为四个区域 纯燃气区为相当于 0 的射流核心区 内侧混合区为焰面以内的射流混合区 其间为燃烧产物与 燃气的混合物 外侧混合区为焰面以外的射流混合区 其间为燃烧产物与 空气的混合物 纯空气区为燃气射流外边界线以外 的区域 扩散火焰的形状为圆锥形 这是由于沿火焰轴线方向流动 的燃气要穿过一个较厚的内侧混合区才能遇到氧气 这就需要 一段时间 而在这段时间内燃气将流过一定的距离 使焰面拉 长 同时 燃气在向前流动过程中被不断燃烧而消耗 纯燃气 的体积越来越小 燃烧区就逐渐向气流中心靠拢 最后在中心 线上全部燃尽 所以火焰末端汇合 而整个焰面成圆锥形 锥 顶与喷口之间的距离称为火焰长度 或火焰高度 可以利用相似关系 直观定性地讨论层流扩散火焰理论 如图 3 5 3 两个相似的扩散燃烧装置 管 1 和管 2 都从同 心内管 a 和环管 b 中分别通入燃气和空气 而且两种气体的流 速相等 图中还绘出了燃气在管道断面上的浓度分布 在燃气 射流的初始截面上 其浓度为均匀分布 浓度场呈矩形 由于 不断燃烧 在距离 l1和 l2处 浓度分布呈图示曲线状 即沿着 同心圆管轴线燃气的浓度最大 而在其两侧浓度则向着管壁逐 渐降低 图图 3 5 2 层流扩散火焰的结构层流扩散火焰的结构 图图 3 5 3 层流扩散火焰的相似层流扩散火焰的相似 若假设 l1和 l2为火焰长度 该处的燃烧必在射流轴线上 进行 燃气与空气的混合比符合化学当量比 燃气和空气之间的扩散率 即单位时间从空气中扩散到燃 气中去的氧量 应与浓度梯度成正比 式中 d 层流分子扩散系数 f 垂直于扩散方向的两股气流的接触面积 它正比于 ld dc dr 径向浓度梯度 正比于 1 d 即在给定的燃气 和空气的初始浓度下 直径越小 浓度变化越剧烈 这样 对于上述两种相似情况 扩散率之比 此外 扩散到可燃气中的氧使燃气燃烧 若在 l1 l2距离 内正好燃烧完毕 则在这段距离内的扩散率应当和燃气的流量 相适应 即两者应成正比 即 由此可见 层流扩散火焰的长度与燃气喷嘴直径平方和燃 气的流速成正比 与燃气的分子扩散系数成反比 对同一种燃 气和同一燃气喷嘴而言 燃气速度越大 火焰就越长 由于 vd2反映了燃气的体积流量 故当燃气流量不变时 火焰长度与 燃气流速和喷嘴口径无关 而与燃气的分子扩散系数成反比 扩散系数越小 分子扩散越缓慢 则火焰越长 炼焦炉立火道内加热煤气的燃烧 属于强制条件下的同轴 流层流扩散燃烧 其火焰高度也符合式 5 1 从燃烧方法出发 改善焦饼高向加热均匀性的主要措施为 废气循环 焦炉煤气 贫化 改变煤气和空气出口的中心距以及气流夹角 选取恰当 的空气过剩系数等 二 紊流扩散火焰二 紊流扩散火焰 在工业上 广泛采用的扩散燃烧是紊流扩散燃烧 图 3 5 4 表示出扩散火焰由层流转变为紊流的发展过程 如图 层流扩散火焰的焰面边缘光滑 轮廓清晰 形状稳定 随着燃气流速的增加 火焰高度几乎呈线性增高 一直达到最 大值 此后 流速增加使火焰顶端开始变得不稳定 并开始颤 动 随着流速进一步提高 这种不稳定现象将逐步发展为带有 噪音的紊流刷状火焰 它从火焰顶端的某一确定点开始发生层 流破裂 并转变为紊流射流 由于紊流扩散 燃烧加快 迅速地使火焰的高度缩短 同 时使由层流火焰破裂转为紊流刷焰的那个破裂点向喷燃器方向 移动 当射流速度达到使破裂点十分靠近喷口 即达到充分发 展的紊流火焰条件后 速度若进一步提高 火焰的高度以及破 裂点高度都不再改变而保持一个定值 但火焰的噪音却会继续 增大 火焰的亮度也会继续减弱 最后在某一速度下 该速度取 决于可燃气的种类和喷燃器尺寸 火焰会吹离喷管 扩散火焰 由层流状态过渡为紊流状态 一般发生在 re 数为 2000 10000 的临界值范围内 图图 3 5 4 火焰的形状及高度随射流速度增加的连续变化火焰的形状及高度随射流速度增加的连续变化 在紊流扩散火焰中 无法区分焰面和其它部分 在整个火 焰内都进行着燃气和空气的混合 预热和化学反应 这种火焰 的形状和长度完全取决于燃气与空气流向的交角和流动特性 例如 空气沿轴向进入炉膛时 形成一股瘦长的圆锥形火炬 当空气流强烈旋转时 混合加强 形成一股短而宽的火矩 在 工程上可以采用各种方法来调节和强化紊流扩散燃烧过程 如 前所述 紊流扩散火焰的长度较层流扩散火焰为短 其长度 l 亦可按式 3 5 1 确定 不过此时扩散系数 d 要采用紊流扩散 系数 dt 因为 dt l 其中 紊流强度 平均流速 v 紊流尺度 l 管子直径 d 所以有 l d 就是说 紊流火焰长度 i 与喷燃器的 直径 d 成正比 而与流速无关 这一结论已为实验所证实 按气流混合规律 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之比为 式中 s 距出口的轴向距离 a 紊流结构系数 可取 0 07 0 08 r 射流喷口半径 射流中各点的燃气浓度与空气浓度之和各处应是一样的 它等于出口处的浓度和 c1 o c1 因此 燃气浓度和空气浓度之比为 在火焰锋面上 这个浓度比应近似地等于化学计量浓度 比 1 n 故 三 扩散火焰的稳定三 扩散火焰的稳定 使燃气着火并使其在气流中进行传播 固然是研究燃烧过 程的一个很重要的课题 但是如何使火焰在气流中维持稳定的 传播 对燃烧过程的研究尤为重要 这不仅具有理论意义 而 且还具有实际意义 设想一个燃烧装置 燃气着火以后 不具 有稳定的燃烧过程 燃烧火焰时续 时熄 显然这种燃烧装置 是没有任何实用价值的 所谓火焰的稳定性 就是指在规定的燃烧条件下 火焰这 个高温混合物区域能保持一定的位置和体积 既不回火 也不 脱火 能够稳定燃烧的一种性能 导致回火或脱火的根本原因 是火焰传播速度与可燃混合气流喷出速度之间的平衡遭到破坏 如第四章第一节所讨论 对于扩散火焰 燃气和空气是分别送入燃烧室的 不会出 现回火 但燃气或空气的喷出速度过大或喷口直径过小 都可 能产生脱