第3章油气燃料的燃烧

1、第3章 油气燃料的燃烧3.1 燃烧及其基本原理一燃烧基本条件燃烧燃料中的可燃物质与氧发生的剧烈的化学反应，伴随着发光发热现象。燃烧三要素燃料、氧化剂、着火温度燃烧基本条件可燃物质以一定比例与氧混合；参与反应分子具有一定温度，以克服分子间内力，当分子碰撞时能破坏起始物质的键，结合成稳定新键，导致反应产物的生成；具有一定的时间，保证反应进行完毕。3.1 燃烧及其基本原理l化学热力学l化学动力学燃烧学化学热力学：反应体系的初始、终了状态化学动力学：反应的过程和所需时间、反应速率3.1 燃烧及其基本原理二燃烧反应机理 化学反应动力学化学反应速度dtdCw基元反应fFeEbBaA质量作用定律bBaACk

2、Cw 阿累尼乌斯公式RTEekk/0T105K，w变化缓慢。3.1 燃烧及其基本原理化学反应速度的影响因素npw 反应物物理化学性质温度压力 n 反应级数链锁反应活性中心直链反应支链反应HClClH222OHOH222223.1 燃烧及其基本原理Cl2Cl 222HClClHHClHClHClHCl氯分子（氯分子（Cl2）的直链反应示意图）的直链反应示意图HClClH222氢与氯在光的作用下合成氯化氢：3.1 燃烧及其基本原理H+ O2OH + H O + H22OH + H2HHHH O22H O氢燃烧的分支链锁反应氢燃烧的分支链锁反应H+ O2OH + H O + H22OH + H2HH

3、HH O22H OH+ O2OH + H O + H22OH + H2HHHH O22H O：表示反应产物：表示反应产物水蒸汽水蒸汽：表示活化分子：表示活化分子氢氢OHOH22222氢的氧化学反应：3.1 燃烧及其基本原理三射流混合 可燃物质与空气的混合扩散往往通过射流 来完成。初始条件喷口尺寸d0、流量m0、动量G0、温度T0、压力P0、密度0、浓度c0、出流速度u0等。边界条件外围流体速度vs、压力ps、温度Ts、浓度cs等。射流场参数求出速度分布、温度分布、浓度分布、卷吸气量比、射流扩展率、射流张角等。对燃烧过程产生明显的影响，可作为研制和设计燃烧装置或组织火焰时的参考。3.1 燃烧及其

4、基本原理射流类型静止气体中的自由射流平行射流相交射流环状射流和同心射流旋转射流3.1 燃烧及其基本原理1.静止气体中的自由射流定义：气流由管嘴或孔口喷射到充满静止介质的无限空间时形成 的气流。层流射流 分子扩散紊流射流 紊流扩散 （实际燃烧器）脉动 射流和周围介质间的质量和动量的交换 射流与介质的混合扩散：0mmenmen 卷吸质量流量 kg/sm0 射流出口质量流量 kg/s3.1 燃烧及其基本原理图3-3 紊流自由射流132. 00dsmmen:0a210)(aedd:0a132. 00eendsmmaRs0067. 0aRh0029. 0（极点深度）)08. 007. 0(a（紊流结构系

5、数）3.1 燃烧及其基本原理图3-3 紊流自由射流29. 096. 000Rasvvm射流轴心速度 影响各个截面上的一切特性（所有运动参数）mvvQQ0013. 229. 022. 20Ras3.1 燃烧及其基本原理 射流温度与周围介质温度不同。 射流与周围介质质量交换 热量的转移 5 . 1211bmmyyvvTTTT射流介质与周围介质中某组分的浓度不相同时：5 . 1211bmmmyyvvTTTTffff3.1 燃烧及其基本原理29. 07 . 000RasTTTTm29. 07 . 0000RasTTTTffffmm3.1 燃烧及其基本原理2.平行射流射流喷入同向平行气流中。图3-4 平

6、行射流1）起始段、基本段（轴心速度衰减缓慢）2）射流边界仍为直线，但基本段不同于起始段和过渡段。3）射流与平行气流的混合程度取决于两者的速度梯度。：混合程度最小0vvs4）紊流脉动比自由射流大。卷吸率也相应大。3.1 燃烧及其基本原理图3-8 多股平行射流 锅炉燃烧室往往布置多排燃烧器1）射流初始段中心线上仍保持出口速度v0，但初始段长度比一般平行射流缩短了30%。2）基本段界限不十分清楚，以相邻射流汇合的截面作为基本段的开始。3）过渡段长度与各喷口距离B0有关。每股射流在起始段的卷吸率：b0喷嘴宽度的一半。0005. 0bxmmen基本段：只有最上侧和最下侧有卷吸能力。3.1 燃烧及其基本原

7、理3.相交射流以某一角度与主流相交的射流。1）射流边界发生弯曲；2）射流横截面不再是圆形，而是马蹄形；3）出现一对反向漩涡。该漩涡在燃烧过程中起稳定火焰的作用。4）与平行及自由射流相比，混合速度加快；卷吸掺混作用增强；射流初始段缩短；射流速度、浓度的衰减更迅速。：21122221vvq射流动压主流动压3.1 燃烧及其基本原理a） h：射流轴线变得与主气流方向一致时，喷嘴出口平面到射流轴线之间的法向距离。 h/d:90211212132. 0132. 0/qavvadh)06. 0(a x1/d :2%51vvx3.1 燃烧及其基本原理a）实际燃烧装置 dB2ds:222dB不考虑受限因素:16

8、ds不考虑相邻气流的影响:5 . 0d厚壁孔口3.1 燃烧及其基本原理:16ds25. 3222211104. 0dxvvdy32222211101101vv分析：s/d越小，射流穿透深度越小。这对选择喷嘴在燃烧器中的布置方案有重要参考价值。:20050168/,9021qds，211212/qKvvKdhss(Ks是 s/d 的函数，可查图3-14）3.1 燃烧及其基本原理4.环状射流和同心射流1）靠近喷口附件，射流中心有明显的低压回流区；2）在充分发展区（基本段），流动情况与圆形射流相似。同心射流axdvvcom04 . 60d同心射流喷嘴当量直径a实验测定，与和d0有关特点：cavv3.

9、1 燃烧及其基本原理3）越大，初始段长度越短，中心射流速度衰减越快，表示中心射流越快被环状射流所吸收。um/u0cavv3.1 燃烧及其基本原理5.旋转射流射流离开喷嘴前，先迫使其做旋转运动，随后喷出，气流喷出后则一边旋转，一边向静止介质中扩散前进。3.1 燃烧及其基本原理1）除了有径向、轴向速度分量外，还。喷嘴附近径向速度分量大。2）旋转射流内部存在反向回流区。3）强旋转下，卷吸不仅存在于射流外侧，也存在于内回流区（有助于着火的稳定性）特点：（相比较与自由射流）3.1 燃烧及其基本原理4）射流扩展角大，随旋转强弱而变化。5）射程小。产生旋转射流的方法：1）使气流沿切向进入主通道；2）在轴向管

10、道中设置导向叶片，使气流旋转；3）采用旋转机械，如转动叶片、转动管子等，使通过其中的气流旋转。3.1 燃烧及其基本原理 反映射流的旋转强度。旋流数 S根据旋流器入口的初始条件进行计算。不同的旋流装置会有不同的计算方法。S0.6：强旋流 有回流区S增加：轴向速度vm衰减加快，射流扩展角 增加。S148 . 43.1 燃烧及其基本原理3.1 燃烧及其基本原理四着火和点火1.自燃着火着火过程和着火温度闭口系统的非稳态分析法散热预混气T=T0（t=0）T0TT03.1 燃烧及其基本原理通过器壁的散热量：qwVQ 1-化学反应速率，)/(3smkgV-体积q-热值，kgkJ /系统的化学反应放热量：)(

11、02TTAQ-对流换热系数，A-表面积T-反应过程中温度3.1 燃烧及其基本原理系统热量的变化量：ddTVcQv0 系统的热平衡方程：21QQQ)(0TTAVqddTcV210)(qqTTVAqddTc3.1 燃烧及其基本原理取决于Exp(-E/RT)1q2q为T的线性函数，斜率初始值：T0VA3.1 燃烧及其基本原理增加燃料浓度增加燃料压力增加燃料发热量增加燃料活性着火温度降低，着火着火温度降低，着火提前。提前。若散热条件不变3.1 燃烧及其基本原理减小表面积和散热系数20qS TT着火温度降低，着火着火温度降低，着火提前。提前。若发热条件不变3.1 燃烧及其基本原理几种可燃气体的着火范围3

12、.1 燃烧及其基本原理2.强迫着火点火方式的临界条件1）炽热颗粒点火isT点火温度（点火热源的温度临界值）0wdxdT颗粒表面传向介质的热流等于0。3.1 燃烧及其基本原理2）热球点火iswTT 点火的临界判别式：着火燃烧02244TTrQwrwQwTTw0QwTTis203.1 燃烧及其基本原理点火温度Tis的影响因素：1）热球直径d 直径增加，点火温度降低；2）球体与介质的相对速度v相对速度增加，点火温度增加。3.1 燃烧及其基本原理3）小火焰点火点火火焰设想为一厚度为的无限大平板。着火的影响因素：混合物的组成、点火火焰与混合物的接触时间、点火火焰尺寸和温度、混合强烈程度。点火临界厚度：f

13、c2火焰稳定传播时火焰面 厚度。f3.1 燃烧及其基本原理4）电火花点火DdE, qdminE法兰尺寸电极距离最小点火能熄火距离3.1 燃烧及其基本原理3. 着火浓度界限3.1 燃烧及其基本原理五火焰传播工程实际中更多的是采用点火方法使混合物着火，局部着火，然后通过火焰传播，使得整个混合物着火。：由传热，将热量传给未燃混合气，产生火焰传播。爆燃：燃烧气体绝热压缩所形成的冲击波的作用。（P=2MPa，T=6000K，S=10003500m/s）爆炸：密闭容器内局部点燃，产生高温燃烧产物，热膨胀后引起 容器内压力的急剧增加，瞬间燃烧。3.1 燃烧及其基本原理1.层流火焰传播火焰前沿结构： 预热区、

14、化学反应区tt+dtdnn已燃气未燃气火焰传播速度即焰峰的法向速度（又称正交速度）：dtdnun层流火焰传播速度3.1 燃烧及其基本原理 层流火焰传播有三种理论：热理论：认为控制火焰传播的主要机理为从反应区到未燃区域的热传导扩散理论：认为来自反应区的链载体的逆向扩散是控制层流火焰传播的主要因素综合理论：认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传播可能有同等重要的影响3.1 燃烧及其基本原理0021TTQwCSkPl层流火焰传播速度：层流火焰传播速度的影响因素：1）混合物的基本性质 ，燃料种类，分子结构；2）混合物浓度影响显著 ，内力时，液流就破碎为小颗粒。1）液体由喷嘴流出时形成流股；2）由于流体的

15、初始紊乱和空气对液流的作用，使液体表面发生弯曲波动；3）在空气压力作用下，产生流体薄膜；4）靠表面张力作用，薄膜分裂成颗粒；5）颗粒的继续碎裂；6）颗粒互相碰撞时的聚合。 燃油通过喷嘴破碎为细小液滴的过程。3.3 油的燃烧P=0.1Mpa 0.3MPa 0.5MPa 3Mpa 3.3 油的燃烧3.3 油的燃烧3.3 油的燃烧油珠破碎条件表面张力气动力气动力表面张力3.3 油的燃烧2.雾化方法1）雾化剂（空气、蒸气）雾化剂压力高压雾化：中压雾化低压雾化kPaP100kPaP10010kPaP1032）油压式（或机械式）雾化3.3 油的燃烧3.雾化质量雾化细度、雾化角、流量密度分布、射程1）雾化细

16、度：液滴越小，表面积越大，蒸发、混和、燃烧速 度越快。例如：1cm3球形液滴表面积4.83cm2 1cm3球形液滴分成107个小液滴，表面积增为1200cm2250倍：ggRxx直径大于x的液滴的质量分数例：mR88 %9595. 088或索特平均直径质量当量平均直径23iiiismdnniiimmm3.3 油的燃烧2）雾化角：喷嘴出口处作雾化锥外边界的切线夹角。 ：xx雾化角影响因素：取决于切向分速度与轴向分速度之比。提高切向分速度的因素均可提高它的雾化角。例如：采用旋流装置的喷嘴可得到大的雾化角。3.3 油的燃烧3）流量密度分布单位时间内通过垂直于油雾速度方向单位面积上的燃油流量。 影响因

17、素：喷嘴结构及工况参数。例如：气流雾化喷嘴 抛物线型 （图3-54） 机械雾化喷嘴 马鞍型 （图3-53）3.3 油的燃烧4）射程水平喷射时油粒降落前在轴线上移动的距离。影响因素：轴向分速度和切向分速度。反映：火焰长度。（射程远，形成的火焰也长）3.3 油的燃烧4.影响雾化质量的因素颗粒平均直径1）油温的影响：T粘度显著降低，易雾化。预热成为提高雾化质量的有效手段。2）雾化剂压力、流量高压喷嘴雾化质量优于低压喷嘴。3）油压油的流出速度气流雾化喷嘴：油压要适当。机械雾化喷嘴：油压越高越好。雾化取决于油流本身的脉动。3.3 油的燃烧4）油嘴结构雾化剂出口断面油出口断面雾化剂与油之间夹角雾化剂旋转角

18、度油旋转角度雾化剂、油出口孔数雾化剂、油出口孔径3.3 油的燃烧三油的配风合理配风，使燃油与空气强烈混和，及时充分供应燃烧所需氧气。配风原则：1）必须有根部风（一次风）。在油着火燃烧之前，已有部分空气预先混入油雾，该部分空气称为根部风（或一次风）；根部风占总风量的15%，根部风的风量也不能太大，否则影响回流区及着火。3.3 油的燃烧2）油雾、空气早期混和要强烈。 其余空气也应在燃烧器出口，尽可能均匀与油雾混合； 气流扩散角与油的雾化角要适应。P126:图3-55大：气流包在油雾外面，油雾逐渐扩散到空气中。小：空气高速喷进油雾中，早期混和好。3）有大小、位置适当的回流区离开喷嘴一定距离 4）后期

19、混和也要强烈。 保证燃尽，避免裂解。3.3 油的燃烧组织燃烧的方法：1）对配风器，将空气分为一次风、二次风；2）一次风是旋转射流，以产生适当的回流区，保持火焰稳定；3）二次风采用直流方式或不大的旋流强度，有利于后期混和。3.3 油的燃烧四乳化燃烧将一部分水加入油中，或油中本来就含有较多水分，经强烈搅拌，形成油水乳状液。其中，水为分散相、油为连续相。强化油的燃烧，节省燃料。1.了解乳化油制造方法？2.乳化燃烧强化燃烧机理?3.与原来的油相比，油水乳化油的物理特性？水煤气反应理论微爆理论针对下述问题看书：3.4 气体燃料的燃烧一燃烧特点及分类（1）燃烧方法简单，容易实现自动化、智能化；（2）点火、

20、停炉操作简单，可实现冷炉点火；（3）过量空气系数可接近1.0，排烟热损失小，无灰渣产生，有害 气体的排放量较小，有利于保护环境；（4）燃烧热强度大，容积热负荷高，可实现无火焰燃烧；（5）可进行余热回收利用，用作预热燃料或其他用途，以提高能 源利用效率。1.优点3.4 气体燃料的燃烧（1）储存较为困难；（2）价格较高；（3）有些气体燃料有毒性；（4）与一定量的空气混合后，有发生爆炸的危险。2.缺点3.4 气体燃料的燃烧燃烧的三个过程：混合、升温和着火、燃烧3.燃烧的分类chph燃烧所需时间：化学反应过程物理性接触过程:chph ，燃烧处于动力区化学反应动力学因素控制（反应物活化能、温度、压力）c

21、h:chph ，燃烧处于扩散区流体动力学因素控制（气流速度等）ph:chph燃烧处于中间区(或动力-扩散区）同时受流体动力学和化学动力学因素控制1（ 一次空气系数）)0(1扩散燃烧) 1(1完全预混燃烧) 10(1部分预混燃烧3.4 气体燃料的燃烧二扩散燃烧 扩散区（ ）01燃烧速度慢，火焰较长，较明亮，有明显轮廓； 有焰燃烧无回火和爆炸的危险，故可将空气和燃气预热到较高温度后，以获得较高的热效率。要求为实现完全燃烧，需较大的燃烧空间；为减小不完全燃烧热损失，要求较大的过量空气系数。25. 115. 13.4 气体燃料的燃烧层流扩散火焰：紊流扩散火焰：,200212OFCRVL0V 射流出口速

22、度 化学计量比0R 喷口半径 空气的粘度,2OC 空气的氧浓度29. 0)1 (70. 0narLFr 喷口半径a 紊流结构系数n 化学当量比3.4 气体燃料的燃烧三部分预混燃烧中间区（ ）101扩散燃烧易产生煤烟，燃烧温度低，预先混入一部分空气后，火焰变清洁，温度也提高。本生燃烧器：从周围大气吸入一些空气与燃料预先混合。特点部分预混燃烧火焰由内锥体（蓝色）和外锥体组成。出现与否取决于燃气和空气混合物浓度。气流速度决定了其高度。一次空气系数决定了其大小。脱火回火脱火极限回火极限3.4 气体燃料的燃烧脱火回火气流速度不断增大，导致火焰被吹熄，称为脱火。气流速度不断减小，小于火焰传播速度，火焰缩进

23、燃烧器，称为回火。脱火极限发生脱火现象时的气流速度。与燃气的性质、一次空气系数、热负荷及火孔直径等有关。回火极限发生回火现象时的气流速度。与燃气的性质、一次空气系数、热负荷及火孔直径、深度、火孔材料及气体预热程度有关。3.4 气体燃料的燃烧层流部分预混：火焰。气流速度在一定范围时，基本不会发生 脱火、回火现象。紊流部分预混：火焰。为使燃烧器正常工作，采用人。稳焰保持气流速度与火焰传播速度之间的平衡。（本质）防止脱火：在燃烧器出口设置点火源炽热物体辅助火焰热烟气回流（钝体稳烟器）炽热的燃烧产物，即烟气回流到火焰根部，形成点火源。3.4 气体燃料的燃烧3.4 气体燃料的燃烧3.4 气体燃料的燃烧3

24、.4 气体燃料的燃烧3.4 气体燃料的燃烧四完全预混燃烧 动力区（ ）11燃烧速度快，火焰很短，呈透明状，无明显轮廓； 无焰燃烧有回火的危险；严格控制预热温度，燃气需有足够的压力。要求燃烧室空间可以较小；燃烧室温度高，几乎无不完全燃烧热损失，过量空气系数可以较小。1 . 105. 11）燃气和空气着火前，预先按化学计量比均匀混合；2）燃烧区保持稳定高温。条件：3.4 气体燃料的燃烧1）热强度高；2）燃烧温度高；3）过量空气系数小；4）燃烧完全；5）燃烧速度快；6）火焰稳定性差；7）按化学计量比组成的混合气是一种爆炸性气体，发生 回火，非常危险。特点3.4 气体燃料的燃烧五燃烧强化及污染控制提高单位时间单位体积内释放的热量降低不完全燃烧热损失途径1）改善气流相遇条件 强化