熱力燃燒的原理0001

1、第二節(jié)熱力燃燒的原理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 540540820820C 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 760760820C,820C,駐留時(shí)間為 0.

2、5s0.5s 時(shí)，有機(jī)物的燃燒才能比較完全。而達(dá)到這個(gè)溫度范圍是依靠火焰?zhèn)鞑ミ^程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。火焰?zhèn)鞑サ睦碚摲譃閮纱箢悺? 1 . .熱傳播理論這類理論認(rèn)為：火焰?zhèn)鞑ナ且揽咳紵龝r(shí)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(shí)現(xiàn)的。因此，能否實(shí)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ブ饕c三個(gè)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%12%和 88%88%的氣體

3、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，燃燒過程不能實(shí)現(xiàn)；濃度過高時(shí)，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 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?yàn)榛鹧嬷写嬖谥罅炕钚院艽蟮淖杂苫?。由于自由基是具有不飽和價(jià)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。19701970 年西里和鮑曼提出甲烷

4、燃燒反應(yīng)的歷程如下。(1)(1) CHCH4 4+M+M*CH*CHS S+ +H+MH+M2)2)CH4CH4+6+6- -CH-CHa a+OH+OHCHCH4 4+-H+-H- -V V訊十乩(4)(4) CH.+OHCH.+OH- -C CR+HQR+HQCHj-FOCHj-FO*HCHO+OB*HCHO+OBCH.+QHCH.+QHHCHO+OHHCHO+OH(7)(7) HCO+OHHCO+OH- -CO+H.O-CO+H.O(8)(8) HCHO+OHHCHO+OH*H+C04-H*H+C04-H2 2O O(9)(9)盲+a+a*OH+0*OH+010)10)CO-hOHCO-

5、hOH- -HSO,+HHSO,+H(11)(11)O O+ +H H2 2-+-+(12)(12) O+H.OO+H.O- -2OH-2OH(13)(13) H H+ +H H2 2O O- -十0 0百(14)(14) H+OW+MH+OW+M- -*H*H；O+MO+M(15)(15) C C認(rèn)+。之一CO+H2CO+H2(16)(16) HCO+MHCO+M*H+CO+M*H+CO+M從以上的這個(gè)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中可燃組分的銷毀速度。在以上的這些自由基?中，OH是一個(gè)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

6、過程中，COO2C020的速度往往很慢，但如在混合氣體?中存在著 0H,0H,則其反應(yīng)為C00HCO2H的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前一個(gè)反應(yīng)，從而使得對(duì)人體危害嚴(yán)重的 COCO 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(diǎn)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(gè)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 16-116-1 列出了有機(jī)蒸氣與空氣混合在 20C20C、101325Pa101325Pa 下的爆炸極限范圍。爆炸極限本身并不是一個(gè)定值，它與混合

7、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(duì)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(jì)算：式中 aiai混合氣體中組分 i i 的含量，%;AiAi混合氣體中組分 i i 的爆炸極限。八混=100aiA(16(161)1)airi-iairi-i四有機(jī)蒸氣與卬氣混合的墨炸極限有機(jī)蒸二爆炸樹艮濃度范圍搜障租/%按質(zhì)量/下第上限下限上限乙限異戊酣1.210119541兩酮2134&3314汽油L271蓄1.4丸 545 5308正J醒3.710.2114314二氯乙烷6.21529256656三氯乙轆9.712.3392517二甲奉1.16.448.62

8、83乙限甲酯3.1515.6P7.14S1甲醇5.5374493二硫化碳15031.61530甲基1.3149.82 強(qiáng)強(qiáng)乙酸乙玲2.211.480.6418乙酯3.31P63.1364乙醍1.S540571232甲乙酮1.811.554345壞乙酮3.2g131368甲醛77387,5P13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(huì)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(shí)的助燃?xì)怏w。另一路作為與高溫燃?xì)饣旌?/p>

9、的旁通廢氣，混合以后的氣體溫度要達(dá)到能使可燃組分銷毀的溫度。在整個(gè)燃燒室中，熱量不僅來(lái)自于輔助燃料的燃燒，在銷毀可燃組分的過程中也會(huì)產(chǎn)生熱量。一般而言，對(duì)于大多數(shù)的碳?xì)浠衔?，?1%1%爆炸下限（LELLEL 庇燃燒時(shí)放出的熱量可以使溫度升高 15.3C15.3C。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%25%LELLEL 以下。表 16-216-2 列出了部分可燃?xì)怏w在爆炸下限時(shí)的熱值。表 16：不同混合氣悻在墨炸下限時(shí)的熱值可燃物質(zhì)爆炸下限含量匚宣溫15C）仲樹超值/（kcal/百）燃燒時(shí)升溫甲烷5.04

10、07P1132丙烷2.14341213乙烷1.2L4712甲蕃L2，1、4561293甲乙酮1.g4401233注EIcald.1840J.（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(gè)步驟。輔助燃料的燃燒一一提高熱量；（2 2）廢氣與高溫燃?xì)饣旌弦灰贿_(dá)到反應(yīng)溫度；（3 3）廢氣中可燃組分氧化反應(yīng)一一保證廢氣于反應(yīng)溫度時(shí)所需要的駐留時(shí)間。具體的流程如圖 16161 1 所示。圖 16161 1 熱力燃燒流程然而，在整個(gè)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(shí)，可以使部分廢氣作為助燃?xì)怏w；當(dāng)不夠時(shí)，則應(yīng)以空氣作為助燃?xì)?/p>

11、體，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(jì)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。圖 16-216-2 就是這一思想很好的體現(xiàn)。圖 16-216-2 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?，燃燒完畢之后從燃燒室流出進(jìn)入換熱器，對(duì)其他的低溫廢氣預(yù)熱，最后從煙道排出。(四)熱力燃燒的“三 TT條件“三T條件指的是反應(yīng)溫度(ReactionTemperature)(ReactionTemperature)駐留時(shí)間

12、(ResidentialTime)(ResidentialTime)、湍流混合(TurbulenceMix)(TurbulenceMix)。掌握三 TT條件對(duì)于熱力燃燒的過程是至關(guān)重要的。1 1 . .反應(yīng)溫度對(duì)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(shí)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(jì)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(huì)加速。例如，一個(gè)充分混合的系統(tǒng)在過程，而在 704.4c704.4c 時(shí)，則可能要 3s3s 時(shí)間才能完成同一反應(yīng)。2 2 . .駐留時(shí)間對(duì)熱力燃燒的影響任何化學(xué)反應(yīng)（燃燒也是一種化學(xué)

13、反應(yīng)）都要經(jīng)歷一定的時(shí)間，可燃組分的銷毀也是一樣。盡管反應(yīng)絕不會(huì)達(dá)到 100%100%的完全程度，但如果反應(yīng)時(shí)間充分，那么不完全反應(yīng)程度是微不足道的。這個(gè)時(shí)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(shí)間。就燃燒反應(yīng)時(shí)間而言，其變化范圍在小于 1/10S1/10S 至幾秒之間，因反應(yīng)溫度和反應(yīng)物混合程度而異。從圖 16163 3 可以看出，當(dāng)反應(yīng)溫度為 648.9c648.9c 時(shí)，駐留時(shí)間為 0.001s,0.001s,銷毀率為 10%;10%;駐留時(shí)間 0.1s0.1s 時(shí)，銷毀率一下子上升到 88%88%。由此可見，駐留時(shí)間對(duì)熱力燃燒的效果影響很大。982.2c982.2c 時(shí)也

14、許能在 0.3s0.3s 內(nèi)完成某一反應(yīng)圖 1616- -3 3 溫度和時(shí)間對(duì)可燃組分氧化速率的影響3 3 . .湍流混合對(duì)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(huì)發(fā)生反應(yīng)。湍流混合的目的，實(shí)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(huì)，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(shí)間，但由于沒有足夠的碰撞機(jī)會(huì)，照樣不會(huì)達(dá)到預(yù)期的銷毀率。這一點(diǎn)，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(162)2)式中 K K反反應(yīng)速度常數(shù)；K K 碰分子碰撞系數(shù)；K K 質(zhì)

15、傳質(zhì)系數(shù)。當(dāng) K K 碰增加時(shí)，K K 反也會(huì)增加，從而使得反應(yīng)速率增加?！叭?T T”條件之間是具有內(nèi)在聯(lián)系的，改變其中的任何一個(gè)條件，其他兩項(xiàng)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(shí)間和湍流強(qiáng)度。然而，在這“三 TT條件中，延長(zhǎng)駐留時(shí)間會(huì)使設(shè)備體積增大；提高反應(yīng)溫度會(huì)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(huì)。這就需要在設(shè)計(jì)燃燒室的時(shí)候充分注意其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。、熱力燃燒爐的結(jié)構(gòu)圖 16-416-4 為熱力燃燒典型的工業(yè)裝置。從圖中可以看出，一個(gè)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)?/p>

16、;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(duì)不同的要求和火焰燃燒的情況，燃燒器和燃燒室有各種不同的結(jié)構(gòu)。（一）配焰式燃燒系統(tǒng)圖 16-516-5 為配焰式燃燒器系統(tǒng)，其工藝特點(diǎn)是：燃燒器將火焰配布成為許多布點(diǎn)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(diǎn)。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(shí)，這種系統(tǒng)都不適用。引至煙囪熱料天然氣燃燒器圖 16164 4 熱燃燒裝置圖 16165 5 配焰燃燒器系統(tǒng)1 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

17、燒器（見圖 16166 6）、多燒嘴式燃燒器（見圖 16167 7）和格柵式燃燒器（見圖 16168 8）。圖 16166 6 火焰成線式的燃燒器（帶側(cè)擋板）圖 16167 7 多燒嘴式燃燒器系統(tǒng)圖 16168 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 V 形板側(cè)面的小孔引入，旁通廢氣從 V 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(diǎn)。當(dāng)壓力降為 392.266Pa(40mmH392.266Pa(40mmH2O)O)時(shí)，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

18、通過調(diào)節(jié) d d 的大小來(lái)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穩(wěn)定的情況。但如壓力調(diào)節(jié)不當(dāng),會(huì)發(fā)生熄火情況。2.2.配焰式燃燒室針對(duì)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)(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)(2)燃燒室截面積為保證足夠的湍流程度，應(yīng)滿足：”10.8矩形截面時(shí)：A圓形截面時(shí)：D式中 Q Q 標(biāo)總體積流量；D D 當(dāng)當(dāng)量直徑；D D直徑；A A 截面積。(3)(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 16163 3 反映了有無(wú)擋板之間的差別。16-3 茸板的