火焰结构及其稳定简

1燃烧学第十三讲火焰的结构及其稳定第十三讲火焰的结构及其稳定无焰燃烧、有焰燃烧锥形预混火焰的结构特征层流预混火焰稳定条件回火、脱火点火圈产生原因及其重要性回火或脱火边界条件影响层流预混火焰长度的因素防止回火措施防止脱火措施紊流预混火焰的特点层流扩散火焰的特点紊流扩散火焰的特点3火焰的定义火焰：由燃烧前沿和正在燃烧的质点所包围的区域，但是，这个区域很难划分火炬：以射流形式喷出形成的有规则外形的火焰固定床、移动床的层状燃烧；流化床或沸腾床中的不规则燃烧4火焰的种类燃料种类煤气火焰油雾火焰粉煤火焰燃料和氧化剂预混程度预混(动力)燃烧火焰扩散燃烧火焰(煤,油)中间燃烧火焰气体流动层流火焰紊流火焰火焰的相成分均相火焰非均相火焰(粉煤,油)几何形状直流锥形火焰旋流火焰或大张角火焰平火焰火焰的种类有焰燃烧煤气和空气在燃烧装置中不预先混合，而是分别送进燃烧室，并在燃烧室中边扩散混合边燃烧；燃烧速度主要取决于煤气和空气的扩散混合速度，火焰较长，并有鲜明的轮廓，属于扩散燃烧。但是，在某些情况下，非预混合燃烧不一定就是扩散燃烧，而是动力燃烧。无焰燃烧燃料与氧化剂预先按一定比例均匀混合，形成可燃混合气后燃烧，≥1；燃烧速度主要取决于着火和燃烧反应速度，燃烧受化学动力学因素控制，没有鲜明的火焰轮廓，属于动力燃烧。半无焰燃烧法燃烧之前只有部分空气和煤气混合，0<<16火焰的种类a≥1，形成一个锥形燃烧前沿在该前沿的上游为新鲜可燃混合物在该前沿的下游为燃烧产物在燃烧前沿面上，大部分燃料被烧掉，燃烧前沿后面有一个燃烬段，燃料逐渐燃烬a<1，存在一个有着稳定燃烧前沿的内锥，同时，在内锥燃烧前沿未燃烬的燃料，靠射流从周围空间吸入空气与之混合，继续燃烧，形成明显的外锥火焰预混火焰扩散火焰>1=1<1

动力燃烧扩散燃烧7火焰的种类火焰形状随的变化情况预混火焰(无焰燃烧)的特点：放热强度大，火焰温度高燃烧室长度短可实现无焰燃烧容易回火扩散火焰(有焰燃烧)的特点：扩散火焰不产生回火，但温度低扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解8预混火焰—层流火焰CO、a≈1、(CCO2)max=34.7%在距燃烧前沿0.5mm，CCO2=28%，约为(CCO2)max的80%剩余的燃料在经过大约45mm后才完全燃烬9层流流动特征维达辛斯基型面层流射流中的断面速度分布为中心最大，边界最小，呈抛物线分布。预混火焰—层流火焰直管形收缩管形10层流火焰特征预混火焰—层流火焰锥底面不和喷嘴出口相重合，即靠近壁面处有一段无火焰区域，称“穿透区”；火焰前锋呈曲面锥形，顶为圆形。最顶端切线为水平线；由于管内压力高于环境压力，锥底向外凸出；锥底面比喷口端面略大一点，并存在一小段水平段，点火后形成一“点火圈”，使火焰在喷口上稳燃；锥顶处预混可燃气传导的热量比其他部分大，火焰传播速度更快。管壁处存在猝熄距离。直管形收缩管形11层流火焰特征预混火焰—层流火焰脱火或吹灭：增加混气流速，火焰锥变长。流速进一步加大时，火焰锥会被吹灭即脱火。回火：混气流速减小时，火焰锥变短。当流速减小时，则会发生回火。稳定：混气流速恰当时火焰挂在管口上。为火焰锋面12预混火焰—一维管流火焰的稳定火焰稳定性：火焰传播速度与新鲜可燃混合气的流动速度两者大小相等，方向相反。回火：如果火焰传播速率大于新鲜可燃混合气的流动速率，火焰前沿位置将向新鲜可燃物的上游方向移动，则火焰向预混气体内部烧去。吹熄或脱火：如果火焰传播速率小于新鲜可燃混合气的流动速率，火焰前沿位置将向燃烧产物的下游方向移动，则火焰被吹熄或吹脱。13预混火焰—层流火焰层流火焰稳定层流火焰传播速度是温度与浓度的函数，不是常数火焰前沿面是锥形曲面，在该面某一点上，气流的法线分速度与燃烧正常(法线)传播速度相平衡，保证了燃烧前沿面在法线方向上的稳定14预混火焰—层流火焰余弦定律：层流预混可燃气体在管道内流动时，其火焰前沿面为圆锥形曲线焰锋面。此时，新鲜混合气以与焰锋表面法线方向成φ角平行地流向焰锋，气体流速w可分解为平行于焰锋表面的切向分速和垂直于焰锋表面的法向分速。此时使火焰稳定的第一个基本条件为，即在弯曲的锥形火焰前沿面某一点上，气流的法线分速度与燃烧正常(法线)传播速度相平衡，保证了燃烧前沿面在法线方向上的稳定。由此可知，为了维持火焰稳定，焰锋表面必须与气流流向倾斜一个角度φ，且此角为小于90°的锐角。当气流速度增大时，焰锋平面平行于气流方向移动，而在法线方向上基本稳定不动。15预混火焰—层流火焰层流火焰稳定气流流速增大，uL一定：夹角越来越大，火焰变得越来越细长。气流流速减小，uL一定：夹角越来越小，火焰变得越来越宽。16预混火焰—层流火焰的结构锥底水平段：在喷口附近上方，锥形火焰根底部有一比喷口断面略大一点的环形平面焰峰点火圈比喷口略大原因：预混气体的压力稍高于周围大气压，流出后膨胀向外散开，同时，由于管壁厚度的影响，在此处高温烟气回流，将新鲜预混可燃气体点燃。此时，边界处气流速度很小，燃烧前沿的传播速度由于受到周围的冷却作用变得很小，此时，｜uL｜＝｜w｜，达到直接平衡重要性：这个环形平面焰峰起到固定点火源的作用，形成连续点火圈，保证了火焰连在喷口上稳定、连续的燃烧层流火焰稳定17预混火焰—层流火焰的结构由于靠近射流壁面附近气流速度及火焰传播速度沿气流径向截面分布不均匀的缘故。管内气速大于uL，近管壁处气速小于uL，所以在管壁附面层内某点A的气流速度w与uL相等，此处为点火环的起点。点火环的能量主要来自于管口壁面由于射流引起的低压区卷吸的高温燃烧产物。由于卷吸的冲淡作用的增大，使得下游处D点气流速度w与uL相等，此处为点火环的终点。在这两点之间，每个截面都有两点符合w=uL。由这些点构成的区域为点火圈(点火环)，具有恢复平衡的功能，使火焰稳定。点火圈的形成原因：在点火圈的区域内，uL≥w层流火焰稳定18预混火焰—层流火焰的结构气流速度增加点火圈随气流速度的变化：点火圈区域缩小，并向下游移动最终缩为一点脱火或吹熄临界条件气流速度减小点火圈区域增大，并向管口移动AD连成直线，A点深入管内，火焰向管内传播回火层流火焰稳定19预混火焰—层流火焰的结构重要性原因：由于气流在燃烧前沿面切线方向的分速度wsinj使得前沿面上任一质点沿切线方向向上移动。为了保证火焰的稳定，必须有另一质点补充到被移动点的位置，这样火焰焰峰根部的质点将被新鲜气流带走。如果锥底不连续点火，火焰的切线方向就无法稳定而导致火焰熄灭。点火圈重要性：形成连续点火圈，起到连续点火的作用，保证了火焰连在喷口上稳定、连续的燃烧。连续点火是稳定火焰的一项基本原则。无点火圈层流火焰稳定20预混火焰—层流火焰的结构锥形前沿顶端：圆滑、非尖，其中心线的切线是水平线，此时，燃烧正常传播速度与气流速度达到直接平衡。正常传播速度在轴线处要增大很多才能保证该平衡的存在在顶端的正常传播速度最大：中心处的可燃混合物得到了预热；位置较低处的反应区有较多的活性中心扩散到顶端。锥体的高度(火焰的长度)：与燃烧传播速度及气流速度有关21预混火焰—层流火焰的稳定火焰稳定的条件切向稳定条件---有一个稳定点火圈预混火焰只能在一定条件下保持稳定，且稳定的范围比较窄，如果超出范围，就会发生回火或者脱火(吹灭)法向稳定条件---余弦定律22预混火焰—层流火焰的锥体高度锥体的高度h难假设锥体为正锥体锥体底面的半径与管口半径r0相等uL为与r无关的常数cosj为常数气流速度取沿断面的平均流速锥体形状微分方程lr0dhdr23预混火焰—层流火焰的锥体高度气流速度传播速度火焰长度随气流流量的增加而增加，随传播速度的增加而减小火焰的长短代表着锥体燃烧前沿面的大小24预混火焰—层流火焰的长度影响层流预混火焰长度的因素：预混气体组成的影响；体积流量增加，火焰长度增加：速度不变时，管径增加，火焰长度增加；管径不变，气流速度增加，火焰长度增加。喷嘴流量不变时，火焰传播速度增加，火焰长度减小。当α>1时，层流预混火焰长度会随着α的加大变长，火焰传播速度变小。25预混火焰—层流火焰的稳定回火或脱火的临界条件和管口边缘区域中的边界速度梯度有关。边界速度梯度g：对于给定的可燃混合物，给定了传播速度的分布，此时回火与脱火的临界条件气流速度对本生灯火焰稳定性的影响：脱火(吹灭)气流流动速度燃烧速度燃烧器壁y管中气流层流分布w：通过管内体积流量qV：26预混火焰—层流火焰的稳定边界速度梯度g：使火焰稳定在喷口处不发生回火的条件：流量一定时，g越小，易回火；改变烧嘴尺寸时，为不发生回火，流量必须与管口半径成三次方地增加；脱火的临界条件也是这样，只是在数值上g要更大些。27预混火焰—层流火焰的长度防止回火措施：低负荷工况来选择喷口尺寸，保证可燃混合气体从烧嘴流出的速度w>uL，后者与煤气成分、预热温度、烧嘴口径及气流性质等有关。当空气或煤气预热时，其出口速度还应该提高；对于燃烧能力大的烧嘴，冷却可燃混合气喷口，降低火焰传播速度uL；喷口处气流速度分布尽可能均匀，避免使气流受到外界的扰动。28预混火焰—紊流火焰当可燃混合物以紊流流动由喷口喷出时，点火后形成的火焰轮廓不象层流那样分明，但是也是一个近似锥形的有一定外形的火焰。近似锥形，有一定火焰外形；火焰长度缩短，燃烧前沿面变宽，且不再是光滑的表面，而是抖动的粗糙表面；有明显的噪声，火焰传播快。中心部分1：未燃的可燃混合物燃烧带2：紊流燃烧前沿燃烬带3：完全燃烧29预混火焰—紊流火焰当可燃混合物以紊流流动由喷口喷出时，点火后形成的火焰轮廓不象层流那样分明，但是也是一个近似锥形的有一定外形的火焰。近似锥形，有一定火焰外形；火焰长度缩短，燃烧前沿面变宽，且不再是光滑的表面，而是抖动的粗糙表面；有明显的噪声，火焰传播快。中心部分1：未燃的可燃混合物燃烧带2：紊流燃烧前沿燃烬带3：完全燃烧30预混火焰—紊流火焰燃烧完全程度中心部分燃烧带燃尽带紊流燃烧完全程度在较长的可见燃烧前沿中缓慢地增加层流燃烧完全程度在燃烧前沿急剧地增加31预混火焰—紊流预混火焰长度中心部分1：未燃的可燃混合物燃烧带2：紊流燃烧前沿燃烬带3：完全燃烧气流速度：随着气流速度w的增加，火焰长度将增加紊流预混火焰长度燃烧传播速度：随着燃烧传播速度的增加，火焰长度将缩短喷嘴尺寸：若w不变，烧嘴尺寸变大，流量增加，火焰长度也将增加。火焰长度：主要是l1和l2，l3仅占总长度的10～15％32预混火焰—紊流预混火焰的稳定由于紊流预混火焰的气流速度已经增大到回火临界速度之上，此时，回火不再发生，其稳定性问题主要是脱火问题。湍流预混气体燃烧时，由于质点向不同方向的脉动，正在燃烧的微团或高温燃烧产物，可能返回新鲜的可燃混合物中，因此，这些高温质点便起到连续点火的热源的作用。但是，在高强度燃烧时，即气流速度更大的情况下，单靠火焰内部自然形成的回流微团的点火将不足以维持火焰的稳定。为什么湍流预混火焰比层流预混火焰稳定：33预混火焰—紊流预混火焰的稳定由于紊流预混火焰的气流速度已经增大到回火临界速度之上，此时，回火不再发生，其稳定性问题主要是脱火问题。点火圈层流预混火焰稳定高温脉动质点紊流预混火焰稳定气流速度增加强制燃烧产物返流到火焰根部(回流、旋流、稳流)附加点火小喷嘴稳焰器34预混火焰—紊流预混火焰的稳定稳焰器粘性气体流过放置不良流线体时会产生脱体，并在其后方形成一个稳定的回流区。回流高温气体不断点燃新鲜可燃气体。影响钝体火焰稳定范围的因素：钝体形状与尺寸；预混合气的流速、温度、压力；可燃混合气的成分。35预混火焰—紊流预混火焰的稳定稳焰器36预混火焰—紊流预混火焰的稳定防止脱火措施：工程上采用各种形式的气流稳焰器或组织大小适中的高温回流区、合理控制预混气体流速W、各种形式的钝体等综合措施来防止脱火。使气体的喷出速度与火焰传播速度相适应引燃火焰稳定火焰；利用钝体稳定火焰；利用旋转射流稳定火焰；利用逆向射流稳定火焰；利用壁面凹槽稳定火焰。防止脱火基本原则：创造一回流区以形成连续稳定点火源37扩散火焰—层流火焰煤气和空气分别以层流流动进入燃烧室时形成的火焰，即为层流扩散火焰在层流下，不同气体之间的混合是以分子扩散的形式进行的纯煤气区煤气和燃烧产物混合区空气和燃烧产物混合区纯空气区a=1火焰面氧化区还原区38扩散火焰—层流火焰的浓度分布燃料浓度在中心处最大，然后沿径向逐渐减小，到火焰前沿时减为零氧的浓度在前沿面处为零，向外逐渐增加到周围介质中氧的浓度火焰前沿面处煤气与空气比为化学计量比，化学反应速度很大，反应瞬间完成，燃烧前沿厚度很小整个火焰结构取决于气体的扩散，扩散慢，火焰长；扩散快，火焰短39扩散火焰—层流火焰火焰前沿面温度最高，燃料与氧化剂浓度最小，生成的燃烧产物向两侧扩散，稀释并加热可燃气体与空气在火焰前沿面上可燃气体向外扩散速度与氧气向内扩散速度之比等于燃烧时的化学当量比火焰前沿面处煤气与空气比为化学计量比，化学反应速度很大，反应瞬间完成，燃烧前沿厚度很小40扩散火焰—层流火焰燃烧前沿两侧为预热区，特征为较大的温度梯度与浓度梯度在煤气与燃烧产物区，由于氧气很难扩散到该区域，一些碳氢燃料在该处容易受到热传导与高温燃烧产物的扩散作用而被加热，从而发生热解而析出炭黑粒子在主反应区(燃烧前沿)，燃烧温度最高，各种气体处于热力平衡状态扩散燃烧的显著特点：不完全燃烧热损失41扩散火焰—层流火焰由动力燃烧向扩散燃烧的转变42扩散火焰—层流自由射流火焰计算经验公式层流火焰长度计算公式：时间因子A、B与气流速度和喷口直径无关，随燃料种类(af)和a0改变a0

烧嘴中一次空气与煤气的克分子比af

完全燃烧的化学当量比气体分子的扩散系数D为常数l

火焰长度，ftV体积流量,ft3/sA,B实验常数a0

烧嘴中一次空气与煤气的克分子比a1

完全燃烧的化学当量比43扩散火焰—层流计算经验公式层流扩散火焰长度计算公式：扩散火焰的长度只要取决于完成混合过程所需要的时间火焰长度燃料成分一定，取决于体积流量流量不变，火焰长度与喷口直径或与流速无关流速一定，随喷口直径增加而增加；直径一定时，随流速增加而增加l

层流扩散火焰长度，mw燃料流速,m/sd燃烧器喷口直径，mD燃料扩散系数，m2/s层流扩散火焰长度与燃烧器喷口直径的平方和燃料流速成正比，与扩散系数成反比。44扩散火焰—紊流火焰的形状层流条件下，火焰外形轮廓规整，火焰长度随着气流速度差不多成正比增加。当气速增加到某一速度时，火焰由层流转化为紊流。此时，气流速度对火焰长度不再有明显的影响。紊流条件下，气流混合扩散速度随气流速度增加而增加气速增加使得火焰变长混和扩散速度使得火焰变短作用抵消紊流火焰比层流火焰长度短而粗45扩散火焰—紊流火焰的Re层流火焰向紊流火焰转变的Re值燃烧放热使火焰温度升高，火焰中气流密度减小，粘度增加，此时需要气体的Re更大，才能形成紊流火焰46扩散火焰—紊流火焰的浓度分布紊流火焰紊乱、破碎，各个区域没有明显的分界面，也就不存在着火焰前沿面由于紊流火焰中质点的脉动，在火焰中心氧浓度不等于零；在燃烧产物H2O浓度最大的地方，H2的浓度不等于零，说明燃烧前沿很宽47扩散火焰—紊流火焰的浓度与温度分布某区域，燃烧产物CO2最大，燃烧最激烈，温度也是最高。中心区域CO2最大处，O2浓度不等于零边缘区域，由于回流的存在，CO2增加，O2浓度减小有限空间燃烧室：温度分布：与燃烧产物浓度分布相似。48扩散火焰—紊流火焰沿火焰高度浓度分布沿火焰长度，CO2的浓度逐渐增加，CO浓度逐渐减小。在初始阶段，燃烧进行的比较缓慢；在某一段距离进行得很快；在火焰尾部又缓慢地进行。火焰中的浓度分布燃烧量分布温度分布火焰外形尺寸49自由扩散火焰—紊流火焰长度假定火焰长度只取决于混合扩散过程，与化学反应速度没有关系：L0

理论空气需要量,m3/m3rB、rg

标准状态下空气与煤气的密度d0喷口直径R化学当量空气与燃料的重量比re

燃料的密度rf

平均烟气密度紊流条件下，火焰长度主要取决于煤气的种类与喷口直径；燃料发热量越高，燃烧时所需的理论空气需要量V0越大，火焰便越长；喷口尺寸d0增加，l变大，因为：此时如果流量一定，必然减小流速，混合便减弱，使火焰变长；若流速一定，则流量必然增加，这也就必须要经更长的路程才能与所需空气相混合，即火焰便会拉长。烧嘴结构形式对火焰长度影响显著。混合条件越好，火焰越短，燃烧效率越高。旋流火焰长度比不旋流的短，其减少的数值与旋流数成正比。50自由射流扩散火焰—紊流火焰长度大口径烧嘴：在气流速度增加到相当大时，火焰长度仍然随气流速度的增加而增加。w0

煤气喷出速度，m/sd0

喷口直径，mK实验系数，只要取决于燃料成分和发热量51双股同心射流扩散火焰—紊流火焰长度高炉－焦炉煤气：空气射流附加的紊流脉动，混合过程得到强化，火焰变短w0

煤气喷出速度w1

空气喷出速度Qnet

煤气的地位发热量52旋流射流扩散火焰—紊流火焰长度旋流火焰的长度比不旋流的短，减少的数值与旋流数成正比虽然以上公式没有反应和燃烧器结构的关系，但是燃烧器的结构非常重要一般来说，火焰长度l增加，火焰半径r减小；l减小，r增加Cs'燃料在化学当量比的可燃混合物中的浓度与在喷口处浓度的比值rB、rg化学当量比的可燃混合物的密度和周围介质浓度B实验系数S旋流数53旋流射流扩散火焰—紊流扩散火焰长度混合条件越好，火焰越短，燃烧效率越高r喷口半径,ma湍流结构系数n发生化学当量比燃烧时的燃料/空气比54扩散火焰的稳定性不存在回火情况，但是有可能脱火。煤气或空气的流出速度过大，喷口直径过小，都会产生脱火。高温燃烧产物回流旋转气流稳焰器必须在保证火焰的稳定性的前提下，来提高扩散火焰的燃烧强度55扩散火焰的稳定性---火焰稳焰器在钝体后形成一个固定点火源具有足够的能量，以点燃新鲜的可燃气钝体稳焰器的要求火焰稳焰器的性能具有较高的吹熄速度和在较宽广的混合气浓度范围内实现稳定的燃烧56扩散火焰稳定性的影响因素1.混合气的着火极限与点燃能量燃料的种类、混合气的组成、气流速度、湍流强度、混合气的温度、压力等2.回流区所具有的能量稳焰器的结构、尺寸、气流速度及旋转与否、燃烧室尺寸等。57扩散火焰稳定性准则wB火焰吹熄速度,m/sD稳焰器的当量直径,mmp气流绝对压力，0.1Mpaa过量空气系数温度修正公式58扩散火焰—多相燃烧火焰－油雾燃烧火焰油雾：液体燃料油雾化后形成的细小颗粒群，常以喷流形式(油雾炬)进入燃烧室或炉膛单油滴火焰：全周火焰油滴群火焰：长卵形或者伞形粒径不均燃烧速度不均浓度不均温度不均油雾炬火焰雾化蒸发热解裂解着火燃烧59扩散火焰—多相燃烧火焰－油雾燃烧火焰直流式空气雾化油雾火焰：火焰中央区域颗粒浓度较大，颗粒速度较大由于燃料非常过剩以及油流的熄灭作用，燃烧反应不能发生60扩散火焰—多相燃烧火焰－油雾燃烧火焰直流式空气雾化油雾火焰：在喷流边界上，处于着火界限内的混合物成分，形成扩散火焰，蒸发发生在火焰内侧。在火焰反应区中大部分油粒燃烬，但是一些大颗粒有可能来不及燃烧就离开了主火焰61扩散火焰—多相燃烧火焰－油雾燃烧火焰大颗粒破碎为小颗粒，大颗粒减少，小颗粒增加；一定距离后，小颗粒蒸发而减少轴向：径向：在靠近喷流边界处，由于靠近火焰面，小颗粒燃烧较快，浓度逐渐减小62扩散火焰—多相燃烧火焰－油雾燃烧火焰有燃烧发生时，火焰变窄有颗粒存在时，和等温自由射流比较，射流的扩张减少：颗粒有向前运动的惯性，使射流与周围气体的动量交换小于气体射流颗粒的存在比燃烧现象的存在对火焰结构的影响更大u时均速度umr=0时的u值r径向距离x轴向距离a喷口至射流原点的距离63扩散火焰—油雾燃烧火焰长度介质雾化直流式喷嘴：考虑到雾化角时：空气雾化：m油流量m0

雾化剂流量

I燃料与雾化剂的总动量rj

火焰气体的密度a

雾化剂单位消耗量q雾化角的半角G雾化剂喷出动量64扩散火焰—粉煤燃烧火焰粉煤火焰结构煤的性质煤粉的粒度煤粉的初始浓度煤粉的浓度分布煤粉与空气的混合速度周围环境温度粘结膨胀析出水分挥发份析出生成焦炭挥发物燃烧焦炭燃烧灰分生成65扩散火焰—粉煤燃烧火焰温度O2不完全燃烧热损失CO2在火焰轴向上