熱力燃燒的原理

1、熱力燃燒一般用于處理廢氣中含可燃組分濃度較低的情況。它和直接燃燒的區(qū)別就在于直接燃燒的廢氣由于本身含有較高濃度的可燃組分，它可以直接在空氣中燃燒。熱力燃燒則不同，廢氣中可燃組分的濃度很低，燃燒過程中所放出的熱量不足以滿足燃燒過程所需的熱量。因此，廢氣本身不能作為燃料，只能作為輔助燃料燃燒過程中的助燃?xì)怏w，在輔助燃料燃燒的過程中，將廢氣中的可燃組分銷毀。與直接燃燒相比，熱力燃燒所需要的溫度一般較低，通常為 540820 C。一、熱力燃燒的基本理論（一）火焰?zhèn)鞑ダ碚撛跓崃θ紵^程中，一般認(rèn)為，只有燃燒室的溫度維持在760820C,駐留時間為 0. 5s時，有機(jī)物的燃燒才能比較完全。而達(dá)到這個溫度范

2、圍是依靠火焰?zhèn)鞑ミ^程來實現(xiàn)的?；鹧?zhèn)鞑サ睦碚摲譃閮纱箢悺? 熱傳播理論這類理論認(rèn)為：火焰?zhèn)鞑ナ且揽咳紵龝r所放出的熱量加熱周圍的氣體，使其達(dá)到燃燒所需要的溫度而實現(xiàn)的。因此，能否實現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ブ饕c三個方面的因素有關(guān)：混合氣體中的含氧量；混合氣體中含有可燃組分的濃度；輔助燃料燃燒過程中所放出的熱量。當(dāng)燃燒過程中放出的熱量不足以使周圍的氣體達(dá)到燃燒所需要的溫度，火焰自然不能向外傳播；當(dāng)助燃廢氣中的含氧量不足，燃燒過程難以進(jìn)行，火焰也不能傳播出去。例如：丙烷氣體在空氣當(dāng)中很容易燃燒，但在氧和氮各占12和88的氣體中，丙烷燃燒非常困難。此外，混合氣體中可燃組分的濃度與火焰能否傳播有著緊密的聯(lián)系。濃度過低

3、，燃燒過程不能實現(xiàn)；濃度過高時，由于沒有足夠的氧而使得廢氣不能在正常的著火溫度下產(chǎn)生燃燒反應(yīng)，因而火焰也得不到傳播。人們將這種能夠維持火焰?zhèn)鞑サ臐舛确秶Q為爆炸極限。使用燃燒法處理各種有機(jī)廢氣的過程中，爆炸極限的范圍 是至關(guān)重要的。2自由基連鎖反應(yīng)理論該種理論認(rèn)為：在燃燒室中，火焰之所以能夠進(jìn)行很快的氧化反應(yīng)，就是因為火焰中存在著大量活性很大的自由基。由于自由基是具有不飽和價的自由原子或原子團(tuán)，極易同其他的原子或自由基發(fā)生連續(xù)的連鎖反應(yīng)，而使得火焰得以傳播。1970 年西里和鮑曼提出甲烷燃燒反應(yīng)的歷程如下。從以上的這個歷程中可以看出，由于火焰的存在，使得自由基大量產(chǎn)生，所產(chǎn)生的自由基加速了廢氣

4、中可燃組分的銷毀速度。在以上的這些自由基中，是一個很重要的自由基，它主要靠水分在火焰中解離而產(chǎn)生。在熱力燃燒的過程中，的速度往往很慢，但如在混合氣體中存在著OH則其反應(yīng)為的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前一個反應(yīng)，從而使得對人體危害嚴(yán)重的CO很快銷毀了。(二)混合氣體的爆炸極限燃燒本身是伴有光和熱產(chǎn)生的劇烈的氧化反應(yīng)，為了使這種氧化反應(yīng)能夠在燃燒室的每一點進(jìn)行徹底，混合氣體中可燃組分的濃度必須在一定的濃度范圍之內(nèi)，以形成火焰，維持燃燒，在一個有限的空間內(nèi)形成氣體爆炸。將這一濃度范圍的下限稱為爆炸下限、上限稱為爆炸上限。表16 1 列出了有機(jī)蒸氣與空氣混合在20、 101325Pa 下的爆炸極限范圍。爆炸極限本身

5、并不是一個定值，它與混合氣體的溫度、壓力及濕度有關(guān)。此外，還與混合氣體的流速、設(shè)備的形狀有關(guān)。對于幾種有機(jī)蒸氣與空氣混合的爆炸極限，可按下式進(jìn)行計算：(16 1)式中 ai 混合氣體中組分 i 的含量，；Ai 混合氣體中組分 i 的爆炸極限。熱力燃燒，一般指利用燃燒輔助燃料所產(chǎn)生的火焰提高混合氣體的溫度，將廢氣中的可燃組分氧化或銷毀。因此，產(chǎn)生火焰不是目的，而是一種提供熱量的手段。在這種手段下，只要能夠保證合適的溫度，廢氣中的可燃組分就會得到銷毀。此外，在熱力燃燒過程中廢氣主要走兩路，一路作為輔助燃料燃燒時的助燃?xì)怏w。另一路作為與高溫燃?xì)饣旌系呐酝◤U氣，混合以后的氣體溫度要達(dá)到能使可燃組分銷毀

6、的溫度。在整個燃燒室中，熱量不僅來自于輔助燃料的燃燒，在銷毀可燃組分的過程中也會產(chǎn)生熱量。一般而言，對于大多數(shù)的碳?xì)浠衔铮?爆炸下限(LEL) 在燃燒時放出的熱量可以使溫度升高 15 3 。因此，這部分熱量也是不容忽視的。在一般的熱力燃燒的工程中，為防止燃燒過程中的爆炸和回火，廢氣中可燃組分的含量應(yīng)控制在 25 LEL 以下。表 16 2 列出了部分可燃?xì)怏w在爆炸下限時的熱值。(三)熱力燃燒機(jī)理熱力燃燒的機(jī)理大致可以分為以下三個步驟。(1) 輔助燃料的燃燒提高熱量；(2) 廢氣與高溫燃?xì)饣旌线_(dá)到反應(yīng)溫度；(3) 廢氣中可燃組分氧化反應(yīng)保證廢氣于反應(yīng)溫度時所需要的駐留時間。具體的流程如圖 1

7、6 1 所示。圖 16 1 熱力燃燒流程然而，在整個熱力燃燒的過程中，是否用廢氣作為助燃?xì)怏w，要視廢氣中的含氧量的多少而定，當(dāng)廢氣中的含氧量足夠燃燒過程中的需氧量時，可以使部分廢氣作為助燃?xì)怏w；當(dāng)不夠時，則應(yīng)以空氣作為助燃?xì)怏w，廢氣全部旁通。此外，輔助燃料用量的多少與廢氣的初始溫度有很大關(guān)系。如廢氣 的初溫低，消耗的輔助燃料就多；初溫較高，消耗的輔助燃料就少。因此，在工程設(shè)計中，利用燃燒過程中產(chǎn)生的預(yù)熱廢氣可以節(jié)約大量的輔助燃料。16 2 就是這一思想很好的體現(xiàn)。16 2 帶能量 ( 熱量 ) 回收裝置的熱燃燒爐低溫廢氣在熱回收換熱器中得到預(yù)熱，然后進(jìn)入燃燒室與高溫燃?xì)饣旌先紵紵戤呏髲?/p>

8、燃燒室流出進(jìn)入換熱器，對其他的低溫廢氣預(yù)熱，最 后從煙道排出。(四)熱力燃燒的“三T”條件三T條件指的是反應(yīng)溫度 (Reaction Temperature)、駐留時間(Residential Time) 、湍流混合(Turbulence Mix)。掌握三 T條件對于熱力燃 燒的過程是至關(guān)重要的。1 反應(yīng)溫度對熱力燃燒的影響這里所指的反應(yīng)溫度并不是反應(yīng)可以進(jìn)行的溫度，而是反應(yīng)速度可達(dá)到要求時的溫度。換句話講，就是在一定的區(qū)域內(nèi)，可燃組分的銷毀達(dá)到設(shè)計要求所需要的溫度。這就要求反應(yīng)的速度足夠快。提高溫度，反應(yīng)就會加速。例如，一個充分混合的系統(tǒng)在982 2時也許能在0 3s 內(nèi)完成某一反應(yīng)過程，而

9、在704 4時，則可能要3s 時間才能完成同一反應(yīng)。2駐留時間對熱力燃燒的影響任何化學(xué)反應(yīng)(燃燒也是一種化學(xué)反應(yīng))都要經(jīng)歷一定的時間，可燃組分的銷毀也是一樣。盡管反應(yīng)絕不會達(dá)到 100的完全程度，但如果反應(yīng)時間充分，那么不完全反應(yīng)程度是微不足道的。這個時間是指反應(yīng)物以某種形式進(jìn)行混合后在一定溫度下所維持的時間。就燃燒反應(yīng)時間而言，其變化范圍在小于1/10S至幾秒之間，因反應(yīng)溫度和反應(yīng)物混合程度而異。從圖 16 3可以看出，當(dāng)反應(yīng)溫度為 648. 9c時，駐留時間為 0. 001s,銷毀率為10%;駐留時間 0 1s 時，銷毀率一下子上升到 88。由此可見，駐留時間對熱力燃燒的效果影響很大。圖

10、163 溫度和時間對可燃組分氧化速率的影響3湍流混合對于熱力燃燒的影響任何一種化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)能夠發(fā)生的前提條件是反應(yīng)的分子間首先要發(fā)生碰撞。不能發(fā)生碰撞的分子之間自然不會發(fā)生反應(yīng)。湍流混合的目的，實際上就是要增大可燃組分的分子與氧分子或自由基的碰撞機(jī)會，使其處于分子接觸的水平，以保證所要求的銷毀率。否則，即使有足夠的反應(yīng)溫度和駐留時間，但由于沒有足夠的碰撞機(jī)會，照樣不會達(dá)到預(yù)期的銷毀率。這一點，從反應(yīng)速率常數(shù)與分子碰撞系數(shù)的關(guān)系式中也可以看出：(16 2)式中 K 反反應(yīng)速度常數(shù)；K 碰 分子碰撞系數(shù)；K 質(zhì) 傳質(zhì)系數(shù)。當(dāng) K 碰增加時， K 反也會增加，從而使得反應(yīng)速率增加。“三T”條件之間

11、是具有內(nèi)在聯(lián)系的，改變其中的任何一個條件，其他兩項都可以得到相應(yīng)的改變。如提高反應(yīng)溫度，使得反應(yīng)速度加快，就可以適 當(dāng)?shù)亟档婉v留時間和湍流強(qiáng)度。然而，在這“三 T條件中，延長駐留時間會使設(shè)備體積增大；提高反應(yīng)溫度會使輔助燃料的消耗增加。因此，最經(jīng)濟(jì)的 方法就是改善湍流混合情況，以增大分子接觸的機(jī)會。這就需要在設(shè)計燃燒室的時候充分注意其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。二、熱力燃燒爐的結(jié)構(gòu)圖164 為熱力燃燒典型的工業(yè)裝置。從圖中可以看出，一個熱力燃燒裝置主要由兩部分組成：燃燒器，其作用是燃燒輔助燃料以產(chǎn)生高溫燃?xì)?；燃燒室，其作用是保證廢氣和高溫燃?xì)獬浞只旌喜⒎磻?yīng)的空間。針對不同的要求和火焰燃燒的情況，燃燒器和燃燒室

12、有各種不同的結(jié)構(gòu)。圖 16 4 熱燃燒裝置（一）配焰式燃燒系統(tǒng)圖 165 為配焰式燃燒器系統(tǒng)，其工藝特點是：燃燒器將火焰配布成為許多布點成線的小火焰，廢氣從火焰周圍流過去，迅速達(dá)到湍流混合。因此可以看出，該種燃燒有火焰分散、混合程度高、燃燒凈化效率高等特點。但當(dāng)廢氣貧氧，廢氣中含有易沉積的油焦或顆粒物。輔助燃料為油料時，這種系統(tǒng)都不適用。圖 165 配焰燃燒器系統(tǒng)1 配焰式燃燒器根據(jù)燃燒結(jié)構(gòu)的不同，該種形式的燃燒器又可分為火焰成線式燃燒器（見圖 16 6）、多燒嘴式燃燒器（見圖16 7）和格柵式燃燒器（見圖16 8） 。166 火焰成線式的燃燒器 （帶側(cè)擋板 ）16 7 多燒嘴式燃燒器系統(tǒng)圖

13、16 8 格柵式燃燒器火焰成線式燃燒器的輔助燃料氣從下部管子引入，作為助燃?xì)怏w的廢氣從V 形板側(cè)面的小孔引入，旁通廢氣從 V 形板與側(cè)擋板間的縫隙引入。這就是該種燃燒器的特點。當(dāng)壓力降為 392. 266Pa(40mmHO)時，該種燃燒器形成的火焰短而穩(wěn)定，湍流混合程度較好。多燒嘴式燃燒器的輔助燃料氣從后面引入，廢氣分為兩路，助燃?xì)怏w和旁通氣體的量通過調(diào)節(jié) d 的大小來控制。該種燃燒器的助燃較好，與火焰成線式相比，不易熄火。但湍流混合不夠理想。因此，在燃燒室中應(yīng)增設(shè)擋板或其他措施，提高混合程度。格柵式燃燒器的輔助燃料氣從底部分配管引入，廢氣從下部引入，該種燃燒器湍流混合較好，適用于廢氣流量較為

14、穩(wěn)定的情況。但如壓力調(diào)節(jié)不當(dāng)，會發(fā)生熄火情況。2配焰式燃燒室針對配焰式燃燒器的結(jié)構(gòu)，其燃燒室要注意解決以下的問題。(1) 燃燒器的安裝位置 為保證溫度分布均勻，反應(yīng)完全，燃燒器應(yīng)安置在斷面流速盡可能分布均勻的端處，而不要放置在渦流地帶。(2) 燃燒室截面積 為保證足夠的湍流程度，應(yīng)滿足：矩形截面時：圓形截面時：式中 Q 標(biāo) 總體積流量；D 當(dāng)當(dāng)量直徑；D 直徑；A 截面積。(3) 燃燒室內(nèi)設(shè)置擋板 由于燃燒室的邊壁效應(yīng)或燃燒器的結(jié)構(gòu)形式，都有可能產(chǎn)生局部混合不好，為避免這種現(xiàn)象，應(yīng)在火焰沖擊范圍以外裝設(shè)擋板，以提高湍流混合的程度。表 16 3 反映了有無擋板之間的差別。(二)離焰式燃燒系統(tǒng)圖 169 是一個離焰式燃燒系統(tǒng)裝置示意。這種燃燒系統(tǒng)的特點是高溫燃?xì)馀c廢氣的混合是分離開的，而不像配焰系統(tǒng)那樣將火焰與廢氣一起分成許多小股。所以，就混合效果來講，不如配焰系統(tǒng)。但是離焰式燃燒器又具有以下優(yōu)點：由于火焰較長，不易熄火，輔助燃料既可以使用燃料油，又可使用燃料氣( 見圖1610) ，燃料氣與助燃?xì)怏w的流速可調(diào)幅度大，工作壓力范圍寬。16 9 使用離焰燃燒器的燃燒爐圖 16 10 油氣兩用燃燒器因此，在克服離焰式燃燒系統(tǒng)混合