无焰燃烧技术

1、无焰燃烧技术可燃气体在点火后，其燃烧反应首先是在局部地区开始， 然后通 过燃烧反应区所放出的热量把邻近的未燃气体加热， 使其达到着火温 度而燃烧起来。这种通过热量的传递而使燃烧反应区逐渐向前推移的 现象叫做“火焰的传播”。根据混合气的流动状态，把火焰传播分为 层流火焰传播和湍流火焰传播。层流火焰传播理论比较成熟，而且是 湍流火焰传播理论的基础。在火焰传播的过程中，需将新鲜混合气与燃烧产物分开。向混合 气移动的燃烧区称为火焰前锋（火焰阵面或燃烧波），燃烧反应几乎 集中在火焰前锋内进行，简称火焰。火焰前锋扫过混合气后，混合气经过剧烈的化学反应变成燃烧产 物（简称燃气）。火焰前锋相对于混合气的运动速

2、度越快，则整个容 器内混合气燃完的时间越短。故可用火焰前锋在其表面的法线方向相 对于新鲜均匀的层流混合气的移动速度，来表示火焰传播现象中燃烧 速度的快慢，这个速度便定义为层流火焰传播的正交速度 （简称火焰 传播速度）。在一个水平放置的玻璃管中充入已经混合均匀的可燃气体。在管子的一端装有点火器，另一端和大气相通以保持恒压。在点火以后， 当点火源附近的一层气体达到着火温度时，便开始激烈的化学反应， 即开始着火，形成一层平面火焰，称为火焰前沿（呈燃烧的前沿）。火焰前沿的温度很高，它的热量传给相邻的一层可燃混合物， 使其温 度不断提高，以至达到着火温度，使相邻的一层可燃混合物也开始着 火燃烧。原来火焰

3、前沿的位置上已是燃烧终了的燃烧产物，新着火的一层可燃混合物又变成了火焰前沿，它又将热量向前传去。这样，可燃混合物一层一层地被加热、着火燃烧，可以看到火焰前沿连续地向 前移动。用外部热源点火以后，一旦形成火焰前沿，燃烧便能连续地 进行下去。这种由于热量传递而使火焰前沿移动的燃烧过程叫做火焰 正常传播或正常燃烧。火焰传播速度“表示可燃混合物燃烧的快慢。火焰传播速度大， 就是说可燃混合物燃烧较快；火焰传播速度小，就是说可燃混合物燃 烧较慢。所以，火焰传播速度是各种煤气的又一个特性指标。泽尔道 维奇导出层流火焰传播速度的计算公式，具体参阅其他资料。 实验证明，在太贫或太富的混合物中，火焰均不能传播。具

4、有极 限成分富油或贫油的混合气中，火焰可能传播的最小速度约等于； 超 过极限成分的富油或贫油的混合气中， 火焰就不能传播。 火焰能以最 小速度传播的极限成分称为火焰传播界限。 相当于富油混合气的浓度 界限叫做上界限； 相当于贫油混合气的浓度界限叫做下界限。 火焰传 播浓度界限实际上就是着火浓度极限。有很多因素影响火焰传播界 限。火焰传播界限有时可用经验近似估算法来确定， 传播界限上限一 般约是化学当量计算浓度的 3 倍，下限大约是它的 50%。如果上述实验管内的可燃混合物不是静止的， 而是流动的， 其流 动的速度为若火焰传播速度的方向是相反的， 这时，可能有三种情况：1）两者速度相等，但方向相

5、反，这时火焰前沿的位置是稳定的；2）火焰前沿就会向管内移动， 在烧嘴中发生这种现象便称为 “回 火”；3）火焰前沿就会向管口移动而最终脱离开管口，这种现象称为 “脱火”。实际上， 煤气烧嘴形成的火焰都近似于锥形， 即形成锥形的火焰 前沿。此时，在火焰前沿表面的法线方向上，气流的分速度也必须和 这个方向上的火焰传播速度 u 相平衡。只有这样，才能保证稳定的火 焰，否则将发生回火或脱火现象。回火或脱火都容易烧坏设备，甚至 造成爆炸事故。 另外，即使燃烧器出口断面上可燃混合物的平均速度 大于火焰传播速度， 但由于烧嘴的加工精度不够、 烧嘴中有污物沉积 等也会造成速度的不均匀，使有些部位的速度小于火焰

6、传播速度， 这 时也会引起回火。所以，在生产过程中应经常清理烧嘴。 所谓无焰燃烧法，指的是煤气和空气在进入炉膛（或燃烧室）之前预 先进行了充分的混合， 这时燃烧速度极快， 整个燃烧过程在烧嘴砖内 就可以结束，火焰很短，甚至看不到火焰，这种“预混式”的燃烧通 称为“无焰燃烧”。因为它的着火和正常燃烧是传热和化学反应现象， 主要取决于化学动力学方面的因素， 故无焰燃烧的原理属于 “动力燃 烧”。煤气与空气在烧嘴内部已完全混合好，进入炉膛后可立即进行 燃烧，产生的火焰辐射能力小，而且清彻透明，看似无焰。(1) 无焰燃烧的特点。无焰燃烧的反应速度快，火焰中的游离炭 粒比较少，火焰清彻透明、黑度小、辐射

7、能力弱，火焰长度短，且不 容易控制。高温区集中在烧嘴附近，要求煤气的压力较高，对于燃烧 不同煤气的喷射式烧嘴，所需煤气的压力大约在5003000Pa范围内。 无焰燃烧时，空气、煤气的预热温度受到限制，原则上不能高于混合 气体的着火温度，一般空气最高预热至 550C，煤气最高预热至C, 由于无焰燃烧速度快，而且燃烧空间的热强度 (指 lm3 燃烧空间在炉 内由于燃料的燃烧散发出的热量)高，比有焰燃烧时大1001000倍之多，所以用较小的空气系数就能达到完全燃烧， 且理论燃烧温度较 高。为了防止回火和爆炸，每个烧嘴的燃烧能力不宜过大。无焰燃烧 可省掉一套鼓风机等送风设备， 对于使用冷风的炉子， 可

8、省去全部的 空气管道，使炉子结构简单、紧凑。(2) 无焰燃烧时的火焰稳定性。在生产实践中，对无焰燃烧的火 焰稳定性必须重视。 无焰燃烧是煤气与空气已预先混合， 故它在燃烧 时火焰前沿就有可能传播到烧嘴内部而产生回火现象，使燃烧不稳 定，严重时将把烧嘴烧坏或产生爆炸。 为了使无焰燃烧不致发生回火， 最主要的是在设计和操作时， 必须保证当可燃混合物的喷出速度调节 到允许的最小值时， 仍能大于实际火焰传播速度。 这一点就限制了无 焰烧嘴的调节比 (即调节范围， 指烧嘴最大与最小燃烧能力的比值) 。无焰燃烧应尽可能使喷出速度分布均匀化。如果速度分布不均 匀，当靠近喷口周边的速度较小时， 有可能使火焰沿

9、周边传播到烧嘴 内部。一旦局部回火，将引起整个管内的回火。故烧嘴喷头可做成收 缩形的，使周边的气流受到一些“挤压”的作用而加速，可使速度分 布均匀化。此外，必须及时清除烧嘴内的污物，避免发生回火现象。 当开启烧嘴时， 在开启过程中最容易造成回火， 特别是当开启速度较 慢的时候，在操作时应特别引起注意。在喷射式烧嘴上，当混合物喷 头的直径加大时， 由于相对散热面积减小， 同时由于增加了由炉膛接 受来的辐射热， 而使火焰向烧嘴内的传播速度增大。 所以喷口直径越 大的烧嘴，越容易发生回火。采用水冷喷头，也可减少回火现象。稳定无焰燃烧火焰应避免的另一现象是脱火。 当可燃混合物的喷 出速度大于火焰传播速

10、度时，则发生脱火。脱火后，火焰中断，延续 下去即产生灭火，造成温度降低，并在反应器内充满可燃气体，存在 爆炸的危险。为了避免回火，必须使烧嘴喷出速度大些，同时喷出速 度大时又不致发生脱火，宜采用燃烧坑道。它是靠炽热坑道内表面的 辐射和对流传热，使可燃混合物一进入坑道就迅速接受热量， 快速地 被加热到着火温度而燃烧；坑道的锥角很大，使得在混合物射流周围 形成循环气流，燃烧后的高温气体循环回来加入到刚喷出的可燃混合 物中去，起着“连续点火”的作用，使混合知迅速点火燃烧。这两种 作用使混合物在燃烧坑道内实际的火焰传播作用和燃烧强度达到了 极高的程度，因而以一般喷射式烧嘴所能达到的速度来喷出混合物 时

11、，不会造成脱火的现象。在生产实践中，对无焰燃烧的火焰稳定性必须重视。 无焰燃烧是煤气 与空气已预先混合，故它在燃烧时火焰前沿就有可能传播到烧嘴内部 而产生回火现象，使燃烧不稳定，严重时将把烧嘴烧坏或产生爆炸。为了使无焰燃烧不致发生回火，最主要的是在设计和操作时，必须保 证当可燃混合物的喷出速度调节到允许的最小值时，仍能大于实际火 焰传播速度。这一点就限制了无焰烧嘴的调节比（即调节范围，指烧 嘴最大与最小燃烧能力的比值）。无焰燃烧应尽可能使喷出速度分布均匀化。如果速度分布不均 匀，当靠近喷口周边的速度较小时，有可能使火焰沿周边传播到烧嘴 内部。一旦局部回火，将引起整个管内的回火。故烧嘴喷头可做成

12、收 缩形的，使周边的气流受到一些“挤压”的作用而加速，可使速度分 布均匀化。此外，必须及时清除烧嘴内的污物，避免发生回火现象。 当开启烧嘴时，在开启过程中最容易造成回火，特别是当开启速度较 慢的时候，在操作时应特别引起注意。在喷射式烧嘴上，当混合物喷 头的直径加大时，由于相对散热面积减小，同时由于增加了由炉膛接 受来的辐射热，而使火焰向烧嘴内的传播速度增大。 所以喷口直径越 大的烧嘴，越容易发生回火。采用水冷喷头，也可减少回火现象。稳定无焰燃烧火焰应避免的另一现象是脱火。 当可燃混合物的 喷出速度大于火焰传播速度时，则发生脱火。脱火后，火焰中断， 延 续下去即产生灭火，造成温度降低，并在反应器内充满可燃气体， 存 在爆炸的危险。为了避免回火，必须使烧嘴喷出速度大些，同时喷出速度大时又不致发生脱火，宜采用燃烧坑道。它是靠炽热坑道内表面 的辐射和对流传热，使可燃混合