燃料与燃烧(第三篇)B

1、 燃 料 与 燃 烧 第三篇 燃烧基本原理 第十章 燃烧传播过程 本章主要讨论可燃预混气火焰传播的产生、发展和火焰传播的机理，建立正常火焰传播速度的数学表达公式，分析正常火焰传播速度的影响因素等。 可燃预混气在局部点燃形成一微小点火源可燃预混气在局部点燃形成一微小点火源, ,产生的热量将加热邻近产生的热量将加热邻近较冷的混合气层较冷的混合气层, ,使其温度升高并着火燃烧。这样一层一层着火把燃烧使其温度升高并着火燃烧。这样一层一层着火把燃烧反应逐渐扩展到整个混合气区域的现象叫火焰传播。反应逐渐扩展到整个混合气区域的现象叫火焰传播。 可燃预混气：可燃预混气：在着火前将燃气与空气按照一定比例预先混

2、合好的能够燃烧的混合气。 正常燃烧过程：着火阶段正常燃烧过程：着火阶段火焰的传播火焰的传播稳定燃烧稳定燃烧第十章 燃烧传播过程 第十章 燃烧传播过程 火焰传播的三种类型火焰传播的三种类型: :1、正常火焰传播2、爆燃3、爆炸 第十章 燃烧传播过程 正常火焰传播正常火焰传播: :在管子开口端附近的燃烧火焰传播过程形式称为正常火焰传播（火焰的传播速度通常较小）。 爆燃爆燃：其火焰的传播速度超过了声速，一般可达10004000m/s，爆燃主要是由于气体燃料受冲击波的绝热压缩而引起的。 爆炸爆炸：爆炸是发生在密闭空间的爆燃爆燃,由于气体燃料受到绝热压缩瞬间产生剧烈反应,高温产物在密闭空间受限膨胀产生巨

3、大冲击力的燃烧过程。第十章 燃烧传播过程第十章 燃烧传播过程 1 1 火焰前沿面及正常火焰传播机理火焰前沿面及正常火焰传播机理 一、火焰前沿面一、火焰前沿面 在均相的可燃气体混合物中，点燃一部分可燃气体混合物，则在着火处就形成了一个极薄的(0.1一0.5毫米厚)温度非常高的燃烧反应带，该燃烧反应带就称为火焰面或者火焰前沿面。 由于焰面温度非常高，热量便从焰面以热传导的方式向未燃气体传播，使邻近的末燃气体层温度升高,达到着火温度后又形成了新的焰面。如此下去，焰面就不断向未燃气体方向转移而形成火焰面的移动。 第十章 燃烧传播过程 二、 燃烧（火焰）传播机理 层流火焰传播速度：层流火焰传播速度：在层

4、流气流中焰面沿其法线方向移动的速度称为层流火焰传播速度。 第十章 燃烧传播过程 火焰的传播、焰面的移动与稳定的规律：火焰的传播、焰面的移动与稳定的规律： 1、火焰传播的方向总是逆气流方向； 2、火焰面的前方是未燃气体，后方为燃烧产物，火焰火焰 面是分界面；面是分界面； 3、当|u|w|时火焰面将向气流上游方向移动； 当|u|w|时火焰面将向气流下游方向移动； 4、当|u|=|w|时，火焰面将静止不动（稳定燃烧）。 稳定燃烧的必要条件：稳定燃烧的必要条件： 混合气的流速必须与火焰传播速度大小相等。混合气的流速必须与火焰传播速度大小相等。 第十章 燃烧传播过程 火焰传播理论的基本要点：火焰传播理论

5、的基本要点： 1、火焰面上的化学反应使其边界上产生了很大的温度梯度和浓度梯度； 并产生强烈的热量和质量的交换； 2、热量和质量的交换加速了邻近混合气的化学反应，形成新的燃烧反应 区（火焰面）不断向前推进。 3、火焰中的化学反应主要是由于系统中热量的导入使分子活化引起的， 因此反应区的移动主要取决于反应区向未燃气区域传热的导热率（热 力理论）； 4、火焰中活化中心的存在和向外的扩散使连锁反应不断发展，从而引起 火焰的传播（活化中心扩散理论）。 火焰的传播是一种复杂的物理和化学现象，火焰火焰传播的快慢主要取决于预混可燃气的物理化学性质、温传播的快慢主要取决于预混可燃气的物理化学性质、温度和浓度。度

6、和浓度。 研究火焰传播理论的目的，就是要了解层流火焰传播及其传播速度的规律。以便于正确设计燃烧设备，合理控制燃烧过程，保证燃料的稳定和完全燃烧。 第十章 燃烧传播过程第十章 燃烧传播过程 2 2 层流火焰传播速度层流火焰传播速度 一、建立基本方程（导热方程） 假设 （1）平面一维流动，过程稳定，常物性； （2）燃烧反应只在高温反应区进行； （3）管壁对流传热和辐射传热可以忽略（假定绝热） （4）反应物和生成物的比热CP基本相同。 第十章 燃烧传播过程 2 2 层流火焰传播速度层流火焰传播速度 一、建立基本方程（导热方程） 火焰面厚度 p预热区 c反应区第十章 燃烧传播过程 2 2 层流火焰传播

7、速度层流火焰传播速度 一、建立基本方程（热平衡方程） dxdx微元的热平衡方程：两侧面导入热量微元的热平衡方程：两侧面导入热量 + + 反应热反应热 = = 微元体热焓增量微元体热焓增量 dTGCWqdxdxdTdxdTPdxxx)|(|第十章 燃烧传播过程 2 2 层流火焰传播速度层流火焰传播速度 一、建立基本方程（热平衡方程） dTGCWqdxdxdTdxdTPdxxx)|(|dxdxdTdxddxdTdxdTdxx)(|其中：0)(WqdxdTGCdxdTdxdP代入平衡方程得：dxdxdTGCdTGCPP)(第十章 燃烧传播过程 二、两区物理模型二、两区物理模型 预热区：忽略化学反应，

8、预热区：忽略化学反应，W = 0W = 0 反应区：温度接近燃烧温度，反应区：温度接近燃烧温度， dT/dx = 0dT/dx = 0第十章 燃烧传播过程 三、方程求解三、方程求解 1. 在预热区 （忽略反应热忽略反应热wqdx=0wqdx=0） 边界条件 x=x0：T = T0 x=x1：T = TB 设 Y= dT/dx x=x0：Y0=0 则方程可写为： 0)(dxdTGCdxdTdxdP有：dxdTGCdxdYP)(0010TTGCdTGCdYBPTTPxxB)()(|00011TTCuTTGCdxdTYBPLBPx得：第十章 燃烧传播过程 2. 2. 在反应区在反应区 （dT/dx=

9、0 dT/dx=0 温度梯度为温度梯度为0 0） 边界条件: x=x1：T = TB, x=x2：T = TK dT/dx = 0 Y2=0 因为 Y= dT/dx 得: dx = （/Y）dT 则微分方程改写为： dY/dx+Wq = 0 dY=- Wqdx -YdY=WqdT积分： 0)(WqdxdTdxd有：21xxTTdTWqYdYKBdTWqYKBTTxx21)|21(2dTWqYKBTT21221, 0Y积分上式得：因为211)2(|1dTWqdxdTYKBTTx所以：第十章 燃烧传播过程 3 3、计算层流火焰传播速度、计算层流火焰传播速度 根据以上计算，在预热区与反应区交界面在预

10、热区与反应区交界面的温度梯度为： 预热区： 反应区： 故 或者 )(|001TTCudxdTBPLx211)2(|dTWqdxdTKBTTxKBTTBPLqWdTTTCu2)(00KBTTBPLqWdTTTCu2)(100第十章 燃烧传播过程 扩展到扩展到在全部反应区域均应该满足：在全部反应区域均应该满足： 而在预热区: （反应产生的热量很少）（反应产生的热量很少） 因此: 由于着火温度与燃烧温度比较接近 ： 因此: 得层流火焰传播速度（数学解析式）如下： KBTT 00BKKBTTTTTTwqdTwqdTwqdT00BTTwqdTKKBTTTTwqdTwqdT000TTTTKBKTTKPLq

11、WdTTTCu02)(100第十章 燃烧传播过程 层流火焰传播速度的定性表达式：层流火焰传播速度的定性表达式： 可以改写为： （10-10） 上式具有重要的理论价值，它揭示了层流火焰的传播机理，上式具有重要的理论价值，它揭示了层流火焰的传播机理，具体反映了火焰传播速度与各种影响因素的关系。实际上可燃混具体反映了火焰传播速度与各种影响因素的关系。实际上可燃混合气的正常火焰传播速度的具体数值是由实验测定的。合气的正常火焰传播速度的具体数值是由实验测定的。KTTKPLqWdTTTCu02)(10000)(21TTqWCuKPL平均 第十章 燃烧传播过程 4 4、对层流火焰传播速度的分析、对层流火焰传

12、播速度的分析 (1)火焰传播速度与其平均导热系数的平方根成正比例，而与其定压比热Cp的平方根成反比例，因此层流火焰传播速度与气体混合物的物理常数有关； (2)层流火焰传播速度随着差值（TK-T0）的减小而增加，因此如果将气体预先加热然后再送入燃烧室，则其火焰传播速度能得以提高。第十章 燃烧传播过程 4 4、对层流火焰传播速度的分析、对层流火焰传播速度的分析 (3)可燃气体混合物的热效应及化学反应速度也显著地影响燃烧速度，当可燃气体混合物的热效应及化学反应速度低的情况下，则层流火焰传播速度数值也小； (4)可燃气体混合物的过剩空气系数也将影响其燃烧速度,当可燃混合物中的空气含量不足（n1）都会使

13、燃烧温度Tr降低，因而也降低层流火焰传播速度。 第十章 燃烧传播过程 四、对四、对 u uL L 的影响因素的影响因素 层流火焰传播速度 ： 理论分析证明，层流火焰传播速度是可燃气体的一个物理论分析证明，层流火焰传播速度是可燃气体的一个物理化学特性参数，它主要受到可燃混合气本身的特性、压力、理化学特性参数，它主要受到可燃混合气本身的特性、压力、温度、添加剂、惰性气体含量、组成结构等各种因素的影响。温度、添加剂、惰性气体含量、组成结构等各种因素的影响。 00)(21TTqWCuKPL平均第十章 燃烧传播过程 四、对四、对 u uL L 的影响因素的影响因素 1. 1. 可燃可燃混合混合气气性质的

14、影响性质的影响 组分不同，0、CP 、q、W 都不同。 分析：a.化学反应速度W大的燃料， 层流火焰传播速度 uL也大， 凡是能够使W增大的因素， 也能使uL增大； b.凡是活化能E小的燃料，W就 大，这时uL也大； c.提高温度可以使反应加速， 也能使uL增加。 第十章 燃烧传播过程 四、对四、对 u uL L 的影响因素的影响因素 2. 2. 可燃气体浓度可燃气体浓度（n n值）的影响值）的影响 a.可燃混合气的uL将随着过剩空气系数n 而改变。 b.各种可燃混合气的最大的uL值处于可 燃物浓度 比化学当量的比例稍大的 混合物中（即n1）。 c.碳氢化合物的最大碳氢化合物的最大u uL L

15、值发生在值发生在 n n0.960.96处，且该值不随压力与处，且该值不随压力与 温度改变温度改变。 第十章 燃烧传播过程 四、对四、对u uL L 的影响因素的影响因素 2. 2. 可燃气体浓度可燃气体浓度（ n n值值 ）的影响）的影响 第十章 燃烧传播过程 四、层流火焰传播速度四、层流火焰传播速度 u uL L 的影响因素的影响因素 3. 3. 氧化剂中氧化剂中O O2 2含量含量的影响的影响 氧气浓度，W，因而 uL 提高氧化剂中氧的含量，相当于 减少了可燃混合气中的惰性气体，能 够明显增加火焰传播的进程，因此采 用富氧或纯氧燃烧，可以显著提高燃 烧强度。第十章 燃烧传播过程 四、对四

16、、对 u uL L 的影响因素的影响因素 4 4. . 可燃可燃混合气的初始温度的影响混合气的初始温度的影响 TO ，同时W、 ， 0 因此，uL 。火焰传播速度与初始温度的关系为： n=1.7-2.0 提高可燃物初始温度可以大大促进化学提高可燃物初始温度可以大大促进化学反应速度，从而增大反应速度，从而增大W W值。混合气初温对值。混合气初温对u uL L的影响主要是通过对化学反应速度的影响而间的影响主要是通过对化学反应速度的影响而间接反映出来的。把燃气和空气预热至高温可以接反映出来的。把燃气和空气预热至高温可以明显提高燃烧速度和燃烧强度。明显提高燃烧速度和燃烧强度。nTTTuu)(00第十章

17、 燃烧传播过程 3 3 火焰传播浓度界限火焰传播浓度界限 1.1.火焰传播浓度界限的概念火焰传播浓度界限的概念 所谓火焰传播浓度界限实际上是火焰在怎样的浓度条件下才能进行燃烧传播的问题,可燃混合气必须在一定的浓度范围内才能着火并维持火焰的传播。 火焰传播浓度下限：火焰传播浓度下限：火焰能够维持火焰能够维持正常传播的可燃混合物中燃料的最正常传播的可燃混合物中燃料的最 小浓度值。小浓度值。 火焰传播浓度上限：火焰传播浓度上限：火焰能够维持火焰能够维持正常传播的可燃混合物中燃料的最正常传播的可燃混合物中燃料的最 大浓度值。大浓度值。 第十章 燃烧传播过程 3 3 火焰传播浓度界限火焰传播浓度界限 1

18、.1.火焰传播浓度界限的概念火焰传播浓度界限的概念 对于各种不同的可燃气体混合物，其浓度接近于上限或下限时，反应产生的热量不足以抵消燃烧区传向外界的热量损失，使燃烧区的温度降低到不足以促进化学反应，这时火焰就将无法维持而熄灭，当强制点火时也会无法着火。 第十章 燃烧传播过程 2 2、影响火焰传播浓度界限的因素、影响火焰传播浓度界限的因素 （1 1）燃料性质的影响）燃料性质的影响 不同性质的可燃气的火焰传播浓度界限不同。不同性质的可燃气的火焰传播浓度界限不同。 2 2、影响火焰传播浓度界限的因素、影响火焰传播浓度界限的因素 （2 2）可燃混合气压力的影响）可燃混合气压力的影响 提高反应系统的压力

19、可以扩大火焰传播的界限，上限的扩大尤其显著。 第十章 燃烧传播过程 第十章 燃烧传播过程 2 2、影响火焰传播浓度界限的因素、影响火焰传播浓度界限的因素 （3 3）可燃混合气初温的影响）可燃混合气初温的影响 提高可燃混合气的初始温度有利于化学反应的加速进行，燃烧温度会提高，加快火焰传播速度，这有利于于火焰传播界限的扩大。 第十章 燃烧传播过程 2 2、影响火焰传播浓度界限的因素、影响火焰传播浓度界限的因素 （4 4）管径的大小对传播界限的影响）管径的大小对传播界限的影响 第十章 燃烧传播过程 2 2、影响火焰传播浓度界限的因素、影响火焰传播浓度界限的因素 （4 4）管径的大小对传播界限的影响）

20、管径的大小对传播界限的影响 意义：意义：a.a.利用淬熄直径的原理阻止火焰利用淬熄直径的原理阻止火焰 的通过，是防止回火的重要措施；的通过，是防止回火的重要措施； b. b.增大燃烧器喷孔孔径可以扩大火焰增大燃烧器喷孔孔径可以扩大火焰 传播的浓度范围。传播的浓度范围。 在n=1时 H2+air d=0.9 mm CH4+air d=3.5 mm 焦炉煤气+空气 d=2.0 mm 4 4 层流层流火焰传播速度的实验测定火焰传播速度的实验测定 火焰传播速度的定性公式只能进行定性分析,不能算出uL的准确数值,准确的uL只能通过实验测定。 测定方法： 1、静力法(管子法)：火焰在管子中静止的可燃气中传

21、播，测定 火焰面的移动速度。 2、动力法(本生灯法)：火焰在管口稳定燃烧，通过一定测试手 段和计算得到uL。 第十章 燃烧传播过程 4 4 层流层流火焰传播速度的实验测定火焰传播速度的实验测定 一、静力法（管子法）一、静力法（管子法） 测试原理： 1、管中充满被测定的可燃混气，球形容器中充满惰性气体，为保持管中压力稳定，使管子体积较小而球体相对较大，体积比1/100。 2、点火器点火，打开气阀，火焰面将向右方移动，产物会向球内移动。弯曲的火焰面面积为F，管子截面积为f，焰面移动速度为vn,层流火焰传播速度为uL。 第十章 燃烧传播过程第十章 燃烧传播过程 4 4 层流层流火焰传播速度的实验测定

22、火焰传播速度的实验测定 一、静力法（管子法）一、静力法（管子法） 根据质量平衡关系可以写出： 故法向火焰传播速度为: 因为 Ff f/F1 故 结论：1、uL是可燃混合气的物理化学常数而Vn是反映火焰面运动快慢的运 动量，数值上 2、在实验中很难测出实际火焰面积F，应尽可能使火焰面成为平 面，这样 F=f, uL = vn 就可以用火焰移动速度近似代替层流火 焰传播速度。 fvFunLnLvFfunLvu nLvu 第十章 燃烧传播过程可 燃 气 体 正 常 速 度 uL, m/s H2 1.6 CO 0.30 CH4 0.28 C2H2 1.0 C2H4 0.5 第十章 燃烧传播过程 185

23、5年，德国化学家罗伯特威廉本生（Robert Wilhelm Bunsen,1811一1899）发明了被称为“本生灯”的煤气实验灯具，这种灯具是一种可以将煤气与空气预先混合燃烧而产生高温的燃烧装置。 燃气灶具、燃气热水器具的发明、普及以及现代的各种燃气具的燃烧器都是基于本生灯燃烧的基本原理。 第十章 燃烧传播过程 第十章 燃烧传播过程 二、动力法（本生灯法）二、动力法（本生灯法） 1 1、基本原理、基本原理 垂直园管内通入燃气空气可燃预混气体，管内气流保持层流流动，为在管口获得均匀速度场均匀速度场，将管做成锥形锥形（常用维达辛斯基型）式喷口。可燃混气在管口点燃后形成一正锥体形的层流火焰。 （1

24、）本生灯火焰结构 火焰有内外两层组成：内焰（由一次空气形成）+外焰（二次空气形成） （2）本生灯火焰形态 第十章 燃烧传播过程 二、动力法（本生灯法）二、动力法（本生灯法） 2 2、计算公式推导、计算公式推导 喷口流出的混合气质量应与整个火焰面上燃烧掉的混合气质量相等喷口流出的混合气质量应与整个火焰面上燃烧掉的混合气质量相等。 即 火焰表面积： FufvFufvLnLn00222sinsinrfF222sinrhr第十章 燃烧传播过程 二、动力法（本生灯法）二、动力法（本生灯法） 2 2、计算公式推导、计算公式推导 混合气在管口的平均流速： 得层流火焰传播速度为： 该式即为测定法向火焰传播速度

25、的计算公式。测定时只要精确测出混合气测定时只要精确测出混合气的流量和火焰高度，已知管口半径，就的流量和火焰高度，已知管口半径，就可以间接算出火焰的传播速度可以间接算出火焰的传播速度u uL L。202)1 (rnLVrVvghn220)1 (rhrnLVFfvugnL第十章 燃烧传播过程 三三、预预混混可燃气层流可燃气层流火焰传播速度的近似计算法火焰传播速度的近似计算法 实际应用的燃气一般都是各单一气体的混合物（天然气，液化石油气和人工煤气），除用以上方法测试外也可以近似计算。 如果已知各单一气体的uLi，混合燃气的火焰传播速度为： pi 各单一可燃气体占燃气可燃质成分的容积百分数； Li 单

26、一可燃气体当火焰传播速度最大时的可燃质成分百分浓度； uLi 各单一可燃气体的最大火焰传播速度； 考虑燃气中的惰性组分的影响时：.332211333222111LpLpLpuLpuLpuLpuLLLL)012. 001. 01 (22CONuuLL 第十章 燃烧传播过程 5 5 紊流燃烧火焰的传播紊流燃烧火焰的传播 实验和理论都证明,当预混气浓度、温度一定时层流火焰传播当预混气浓度、温度一定时层流火焰传播速度只取决于可燃混合气的物理和化学性质速度只取决于可燃混合气的物理和化学性质,而且其值一般很小,例如烃类燃料与空气的层流混合气中,火焰传播的最大速度仅为35-80cm/s。为了得到高的燃烧强度

27、一般的工业燃烧都采用紊流燃烧。 紊流的火焰面传播的基本原理与在层流中一样，都是依靠已燃气体和未燃气体之间的热量和质量的交换所形成的化学反应区在空间的移动。区别在于紊流燃烧时紊流的流动特性对燃烧过程起着很大的作紊流燃烧时紊流的流动特性对燃烧过程起着很大的作用。用。紊流火焰面传播速度比层流中大得很多。 第十章 燃烧传播过程 5 5 紊流燃烧火焰的传播紊流燃烧火焰的传播 燃烧过程为紊流流动燃烧时，流体内传热、传质、化学反应都大大加强。火焰面紊乱且较厚，有脉动和噪声。紊流燃烧传播速度 uT uL 。紊流燃烧传播速度紊流燃烧传播速度 u uT T 与混合气体的流与混合气体的流动状态和物性有关。动状态和物

28、性有关。 uT uL的原因： 1. 火焰前沿发生变形、皱折，反应表面积显著增加,使燃烧速度明显加快; 2. 传热、传质过程显著加剧,使化学反应速度加快; 3. 紊流使得烟气与可燃气快速混合，提高了混合气的温度,使燃烧过程加速。 第十章 燃烧传播过程 5 5 紊流燃烧火焰的传播紊流燃烧火焰的传播 一、紊流火焰分类： 第十章 燃烧传播过程 5 5 紊流燃烧火焰的传播紊流燃烧火焰的传播 一、紊流火焰分类：一、紊流火焰分类： 1、小尺度紊流火焰 2、大尺度紊流火焰（a.大尺度弱紊流火焰、b.大尺度强紊流火焰） 第十章 燃烧传播过程 5 紊流燃烧火焰的传播 一、紊流火焰分类 第十章 燃烧传播过程 5 紊

29、流燃烧火焰的传播 一、紊流火焰分类第十章 燃烧传播过程 5 紊流燃烧火焰的传播 一、紊流火焰分类第十章 燃烧传播过程 5 紊流燃烧火焰的传播 二、紊流火焰传播的相关理论 邓克尔模型uT/uL =Re 0.5 ； 谢尔金模型 uT/uL =（/ ）0.5 -紊流扩散系数第十章 燃烧传播过程 5 紊流燃烧火焰的传播 二、紊流火焰传播的相关理论第十章 燃烧传播过程 5 5 紊流燃烧火焰的传播紊流燃烧火焰的传播 二、紊流火焰的相关理论二、紊流火焰的相关理论第十章 燃烧传播过程 5 5 紊流燃烧火焰的传播紊流燃烧火焰的传播 二、紊流火焰的相关理论二、紊流火焰的相关理论第十章 燃烧传播过程 5 5 紊流燃

30、烧火焰的传播紊流燃烧火焰的传播 四、紊流火焰传播速度的实验研究 1. 1. u uT T与可燃混合气浓度关系与可燃混合气浓度关系 同样存在浓度界限, uT有极大值 2. 2. u uT T与与ReRe关系关系 ReRe， u uT T 第十章 燃烧传播过程 四、紊流火焰传播速度的实验研究四、紊流火焰传播速度的实验研究 3. 3. u uT T与初始温度关系与初始温度关系 对焦炉煤气 层流时：uL T0 1.84； 紊流时：uT T0 1.6； uT /uL T0 - 0.24 温度影响显著但对传播速度 的比值影响较小 4. 4. u uT T与管径与管径d d关系关系 （由于管壁散热的影响）

31、d，uT； uT /uL = 0.18 d 0.25 Re 0.24第十章 燃烧传播过程 五五、强化燃烧的途径强化燃烧的途径 所谓强化燃烧就是想办法提高火焰传播的速度，在单位时间内燃烧反应更多的燃料，以便单位时间内得到更多的热量来满足加热工艺的要求。 一般采用的方法一般采用的方法: a. 用uL大的预混可燃气 b. 提高紊流强度（Re） c. 提高混合气的温度和压力第十章 燃烧传播过程 第十章第十章 重点重点 1、火焰面、火焰传播和层流火焰传播速度的基本概念 2、层流火焰传播速度定性函数关系式的推导方法、层流火焰 传播速度的主要影响因素、层流火焰传播的浓度界限 3、层流火焰传播速度的实验方法

32、4、紊流火焰传播的概念（弱紊流和强紊流）、紊流火焰传播 速度的影响因素、紊流火焰传播与层流火焰传播有何区别？ 第十一章 异相燃烧 可燃物质和氧化剂处于不同物态时的燃烧过可燃物质和氧化剂处于不同物态时的燃烧过程叫异相燃烧。程叫异相燃烧。 固体燃料和液体燃料的燃烧属于异相燃烧。 气体燃料分解出碳粒时的燃烧也是异相燃烧。 异相燃烧过程主要靠气相分子和固相分子之间的扩散作用,燃烧速度与分子扩散和热扩散的速度有关但主要取决于分子扩散速度主要取决于分子扩散速度。 第十一章 异相燃烧 碳的燃烧就属于在相界上进行的异相化学反应，包括碳的燃烧就属于在相界上进行的异相化学反应，包括初次反应和二次反应。 初次反应初

33、次反应： C + O2 = CO2（完全燃烧） C + 0.5O2 = CO 二次反应二次反应： C + CO2 = 2CO CO + 0.5O2 = CO2 碳的异相反应可以在碳的外表面进行，也可以在碳的内部空隙的所谓内表面进行。异相反应越强烈，反应愈容易在外表面进行，否则就容易向内部进行。 第十一章 异相燃烧 1 碳粒的燃烧 异相反应速度：单位时间在单位反应表面上完成反应的物质数量（g/cm2.s ,mol/cm2.s)。 异相反应的几个阶段：异相反应的几个阶段： 1.气相反应介质向反应表面的传递 2.气体被反应表面吸附 3.表面的化学反应 4.反应物质的脱附(碳分子离开反应表面） 5.气

34、相反应产物从反应表面的排离 异象反应的总速度决定于最慢阶段的速度。第十一章 异相燃烧 1 碳粒的燃烧 一、碳的燃烧反应速度 碳的燃烧和气化反应一般是一级反应。 化学反应速度为：W=kCW=kCb b （11-1） 式中:K反应速度常数; Cb反应表面上反应气体浓度. 在稳定反应条件下燃烧 反应速度与反应气体向表面的扩散速度相等，即： W=(CW=(C0 0-C-Cb b) ) （11-2） 式中:C0介质中反应气体向反应反应气体的初始浓度. 传质系数; Nu鲁谢尔数 D扩散系数 d定性尺寸dDNu第十一章 异相燃烧 1 碳粒的燃烧 一、碳的燃烧反应速度 在稳定燃烧过程中,化学反应速度与扩散速度

35、相等，联立（11-1）和(11-2)消去Cb ,可以到得: mol/cm2.s (11-3) 设m为燃烧的碳量与消耗的氧量之比,则碳的燃烧速度为: g/cm2.s (11-19)kCW110kCmmKcs11W0第十一章 异相燃烧 1 碳粒的燃烧 二、碳的燃烧时间与反应速度的关系 设d时间内碳粒燃烧使直径减少了dr,则在此时间内烧掉的碳量为: 碳的燃烧速度KSC就是单位时间单位表面上烧掉的碳量,即 (11-20)drrdGr24ddrdrdrrfddGKrrcs2244第十一章 异相燃烧 1 碳粒的燃烧 二、碳的燃烧时间与反应速度的关系 颗粒直径由初始直径烧到某一直径所需要的时间为: 颗粒完全

36、烧掉所需要的总时间为: (11-21) 00rrCSrrrCSrKdrKdr000rCSrKdr第十一章 异相燃烧 1 碳粒的燃烧 二、碳的燃烧时间与反应速度的关系 在燃烧过程中氧的浓度在燃烧过程中氧的浓度C C逐渐减少逐渐减少, ,氧的浓度和过剩空气系数的关系可以证明为: (11-22) 将各式代入(11-21)得: (11-23) 030330) 1(CnrrnrC003303000) 1()2(rrdrrnrNurkDnrDmC第十一章 异相燃烧 1 碳粒的燃烧 二、碳的燃烧时间与反应速度的关系 (11-23) 当Nu=2(煤粉燃烧得情况)时,积分整理后得: (11-24)0033030

37、00) 1()2(rrdrrnrNurkDnrDmC)()()(21 222010200nnkrnDDmCrr第十一章 异相燃烧 1 碳粒的燃烧 二、碳的燃烧时间与反应速度的关系 当Nu=2(煤粉燃烧得情况)时,积分整理后得: 式中 1（n) 、2（n)为n的函数。 当n很大时， 1（n) 、2（n)都趋于1。)()()(21 222010200nnkrnDDmCrr第十一章 异相燃烧 1 碳粒的燃烧 二、碳的燃烧时间与反应速度的关系 当Nu=2(煤粉燃烧得情况)，n趋于无穷时， 1（n) 、2（n)都趋于1。得碳粒燃烬所需要的最小时间为：)21 (20020minkrDDmCrr第十一章 异

38、相燃烧 1 碳粒的燃烧 二、碳的燃烧时间与反应速度的关系 n越大，1与2在数值上越接近， 当12时 )()(21 2)()()(21 22min2002022010200nnkrDDmCrnnkrnDDmCrrr第十一章 异相燃烧 1 碳粒的燃烧 二、碳的燃烧时间与反应速度的关系 n越大， 1 与2在数值上越接近， 当12时，碳粒燃烬所需的时间为： 当煤中有灰分时：min2)(n)21 (21001000020minkrDDmCrAr第十一章 异相燃烧 1 碳粒的燃烧 二、碳的燃烧时间与反应速度的关系 碳粒燃烧当碳粒燃烧当n n小于小于1.51.5时，燃烧时间将时，燃烧时间将 大为延长。碳的颗

39、粒越大耗时越长。大为延长。碳的颗粒越大耗时越长。 煤的燃烧过程更加复杂，包括煤的干煤的燃烧过程更加复杂，包括煤的干 燥、挥发份的析出，挥发份的分解，着火燥、挥发份的析出，挥发份的分解，着火 和燃烧，剩余焦炭的燃烧。焦炭的燃烧占和燃烧，剩余焦炭的燃烧。焦炭的燃烧占 总时间的总时间的90%90%左右。左右。)21 (20020minkrDDmCrrmin2)(n第十一章 异相燃烧 2 油粒的燃烧 液体燃料在炉内燃烧时，一般是将燃料油雾化成细小的颗粒喷入炉内燃烧。油粒置于高温有氧介质中时，将会发生以下过程： 1.蒸发(200度以下)：油粒受热后在表面产生油蒸汽。 2.热解和裂化：油粒在高稳缺氧情况下

40、热解产生固体的碳粒和氢气，同时 一些较轻的碳氢化合物分子从油粒中裂化出来，剩下较重的分子（焦粒 或者沥青）。 3.着火燃烧 ：油蒸汽、热解和裂化的气态碳氢化合物产物与氧气接触达到 着火温度的燃烧，同时固体的碳粒和焦粒也开始燃烧。 燃油的燃烧过程：燃油的燃烧过程： 油的雾化油的雾化油滴蒸发、高温热解与裂解油滴蒸发、高温热解与裂解与空气混合与空气混合 着火燃烧着火燃烧特点：特点：1 1、燃烧反应需要油粒的蒸发提供燃烧反应物质，而油的蒸发又需要燃烧、燃烧反应需要油粒的蒸发提供燃烧反应物质，而油的蒸发又需要燃烧 反应提供热量，两者互相依存。油的蒸发需要吸收反应介质的热量。反应提供热量，两者互相依存。油

41、的蒸发需要吸收反应介质的热量。 2 2、油的蒸发速度和燃烧速度相等。、油的蒸发速度和燃烧速度相等。第十一章 异相燃烧2 油粒的燃烧 一、油粒完全燃烧所需要的时间一、油粒完全燃烧所需要的时间设油粒的初始半径为r0,经过d时间后半径为r。在此时间内介质传给油滴热量： dQ = 4dQ = 4 r r2 2 （T T1 1T T0 0）d d 油滴蒸发吸收的汽化热： dQ = - 4dQ = - 4 r r2 2 0 0 d dr r L L P126 图11-7第十一章 异相燃烧2 油粒的燃烧 介质传给油滴热量： dQ = 4dQ = 4 r r2 2 （T T1 1T T0 0）d d 油滴蒸发

42、吸收的汽化热： dQ = - 4dQ = - 4 r r2 2 0 0 d dr r L L T1 介质温度 T0 油粒温度 放热系数 L 油的蒸发潜热 TK 油的沸点 0 沸点下油的密度 126 图11-7 两者相等： （T T1 1T T0 0）d d = - = - 0 0 L Ld dr r 第十一章 异相燃烧 一、油粒完全燃烧所需要的时间 两者相等： 由 r0 0积分： （11-32） 当油粒很小时，Nu = d/ 2 = /r T0 TK（ 油的沸点为常数） 得油粒烧完所用时间为： （11-33） LdrdTT001）（00010)(rTTdrLLTTddr01020102rTTL

43、K）（第十一章 异相燃烧 2 油粒的燃烧 二、影响油粒燃烧速度的因素： 1. 油粒雾化程度 雾化好： r0 ， 燃烧速度快 2. 周围介质温度 温度高： T1 ， 3. 油的蒸发潜热 易汽化： L ， 4. 油的密度 0 ， 5. 油的导热系数 ， 要强化油的燃烧过程（ ），需要将油雾化成细小的颗粒，还应该保持燃烧室的高温。燃 料 与 燃 烧 第三篇 燃烧基本原理 第十二章 火焰的结构及其稳定性 第十二章 火焰的结构及其稳定性 由燃烧火焰面和正在燃烧的质点所包围的区域称为火焰由燃烧火焰面和正在燃烧的质点所包围的区域称为火焰。在燃烧技术中很重要的问题是如何保证已经着火的燃料不再熄灭，即要求火焰面能够稳定在某一位置，这样才能使燃烧过程稳定的继续下去。 在不同的燃烧条件下，火焰会呈现不同形态和结构特征，分类如下： 1.按照燃料种类分 燃气火焰燃气火焰 油雾火焰油雾火焰 煤粉火焰煤粉火焰 2.按燃料和空气的预混程度分 预混火焰预混火焰 扩散火焰扩散火焰 第十二章 火焰的结构及其稳定性 3.按照气体的流动状态分 层流火焰 紊流火焰 4.按火焰的几何形状分 直流锥形火焰、旋流火焰、平面火焰等 5.按火焰中的相成分 均相火焰和异相火焰 第十二章 火焰的结构及其