第四章 燃氣燃燒方法

第四章燃氣燃燒方法燃燒反應時間：τ=τph

+τch1、當τ≈τph時，燃燒在擴散區(qū)進行。2、當τ≈τch時，燃燒在動力區(qū)進行。第三章燃氣燃燒方法第一節(jié)擴散式燃燒第二節(jié)預混式燃燒第三節(jié)燃燒過程的強化與完善第一節(jié)擴散式燃燒特點：α′=0，火焰燃燒速度低，強度小，火焰穩(wěn)定。α′——預先混入燃氣中的空氣與理論燃燒空氣之比。

α′=V′/V0。一、層流擴散火焰層流擴散火焰的結構層流擴散火焰的相似模型層流擴散火焰的長度燃氣和空氣之間的擴散率M

對于上述兩種相似情況，擴散率之比

在Ll和L2距離內，兩股氣流接觸表面之比濃度梯度與直徑成反比

得

而

或即

二、湍流擴散火焰三、擴散火焰中的多相過程1、光焰2、光焰出現的原因3、火焰輻射1、光焰2、光焰出現的原因3、火焰輻射圖4-5加入重油對輻射率的影響A—重油100%B—重油40%C—重油20%D—重油10%E—重油0%

第二節(jié)預混式燃燒一特點：

0＜α′＜1

，火焰燃燒速度比擴散燃燒時大，強度較大，氣流速度過大過小都會發(fā)生不穩(wěn)定現象。一、預混層流火焰結構二、預混火焰的不穩(wěn)定現象1、回火火焰縮回火孔熄滅的現象。2、脫火火焰被吹離火孔熄滅的現象。3、離焰火焰被吹離火孔而在離火孔較遠地方燃燒的現象。三、預混層流火焰的穩(wěn)定條件第一個基本條件——余弦定律：第二個基本條件：在火焰的根部必須有一個固定的點火源，且該點火源應具有足夠的能量。四、預混層流火焰的穩(wěn)定機理速度離開火孔壁的距離氣流速度火焰?zhèn)鞑ニ俣然鹧嬲Ｈ紵龝r，S與υ滿足火焰穩(wěn)定的兩個基本條件。1、氣流速度減小的情況速度離開火孔壁的距離氣流速度火焰?zhèn)鞑ニ俣葰饬魉俣葴p小，在一定范圍內，燃燒速度也相應減小，在更靠近火孔的位置達成新的穩(wěn)定。1、氣流速度減小的情況速度離開火孔壁的距離氣流速度火焰?zhèn)鞑ニ俣葰饬魉俣冗M一步減小，到火焰燃燒速度不能相應減小時，火焰縮入火孔熄滅。

由于火焰上部分υ<s，火焰縮回火孔，點火環(huán)消失而火焰熄滅的現象?；鼗馉顟B(tài)回火2、氣流速度增大的情況速度離開火孔壁的距離氣流速度火焰?zhèn)鞑ニ俣仍谝欢ǚ秶鷥葰饬魉俣仍龃?，燃燒速度也相應增大，火焰在更遠離火孔的位置達成新的穩(wěn)定。2、氣流速度增大的情況速度離開火孔壁的距離氣流速度火焰?zhèn)鞑ニ俣葰饬魉俣壤^續(xù)增大超過一定范圍，燃燒速度不能相應增大，火焰被吹離火孔熄滅。脫火

由于整個火焰上υ>s，火焰被吹離火孔，點火環(huán)消失而火焰熄滅的現象。脫火狀態(tài)離焰

火焰被吹離火孔而在離火孔較遠地方燃燒的現象。可理解為脫火前的極限狀態(tài)。離焰狀態(tài)五、火焰穩(wěn)定范圍由脫火濃度極限、回火濃度極限、一氧化碳生成濃度極限構成的火焰正常燃燒的范圍。影響火焰穩(wěn)定的因素1、濃度濃度越大，脫火極限越高，因為火焰根部耐冷空氣的沖擊性越強。2、火孔直徑直徑越大，相對散熱越小，s越大，越易回火，而越不易脫火。3、燃燒速度ss越大越易回火，而越不易脫火。六、部分預混紊流火焰的穩(wěn)定1、輔助小火焰穩(wěn)焰法2、鈍體穩(wěn)焰法1、輔助小火焰穩(wěn)焰法輔助小火焰的火孔可降低氣流速度，從而在局部區(qū)域保持υ=s，起到點火環(huán)的作用，穩(wěn)定整個火焰。

2、鈍體穩(wěn)焰法鈍體穩(wěn)焰原理鈍體在火焰中使氣流形成回流區(qū)高溫回流區(qū)向前的速度小，可形成點火區(qū)域，穩(wěn)定整個火焰。七、完全預混式燃燒及其穩(wěn)定特點：

α′>1，火焰燃燒速度大，強度大，火焰極不穩(wěn)定。火焰穩(wěn)定措施：1、小火孔防止回火。2、水冷防止回火。3、火道防止脫火。1、小火孔防止回火原理：利用火焰不能傳播的熄火距離的原理阻止火焰回火。2、冷卻法防止回火原理：冷卻火孔以降低火孔出口的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，從而防止回火?、火道防止脫火原理：火道底部的高溫回流區(qū)作為點火源，使火焰能穩(wěn)定燃燒。第三節(jié)燃燒過程的強化與完善燃燒過程的強化：指以某種方式提高燃燒速度，縮小燃燒空間。燃燒過程的完善：指減少燃燒污染和燃燒噪聲。一、強化燃燒的方法1、預熱燃氣和空氣可提高燃燒溫度，從而增加燃燒強度。2、加強氣流紊動可提高氣流混合速度，從而縮短燃燒時間，增加燃燒強度。3、高溫煙氣再循環(huán)可提高燃燒溫度，從而增加燃燒強度。旋流數不同時熱流強度的變化S=0.2S=0.56S=1.27二、燃燒污染控制CO毒性很大，它與人體內血紅蛋白的結合力大于O2與血紅蛋白的結合力，使血液中的氧合血紅蛋白減少而造成人體缺氧，引起內臟出血、水腫及壞死，最后導致死亡。CO2通常在人體血液中的分壓高于肺泡中的分壓，故血液中的CO2彌散到肺泡中去，通過呼吸排出體外?？諝庵械腃O2含量增加而使其在肺泡中的分壓超過血液中的分壓時，空氣中的CO2可迅速地散入血液中，使人中毒亦可導致死亡。二、燃燒污染控制SOx主要對呼吸道和眼睛具有強烈的刺激作用，大量吸入會引起肺水腫、喉痙攣直至窒息。NOx在日光照射下與光化學反應形成有毒的煙霧污染大氣環(huán)境。并且NOx本身具有很大的毒性，當人們長時間處于含量大于5×10-3%環(huán)境中可導致死亡。1、SOx的控制氣體燃料中的S以氣態(tài)H2S的形式存在，天然氣中的含硫量一般小于1%。SOx的生成特點如下：（1）燃燒生成的主要產物是SO2和SO3。但SO3很少。（2）由于SO2生成溫度不高，所以在O2充足的條件下，燃料中的S會全部生成SO2；（3）在缺氧的條件下，部分有機硫會分解，生成S、H2S、SO；（4）在O2過剩的條件下，燃燒生成的SO2部分轉化為SO3，而SO3很容易生成H2SO4。（5）煙氣中的水蒸氣與SO3結合生成硫酸蒸氣。

影響SO3生成量的主要因素：（１）燃料中含硫量越多，SO2及SO3的生成量越大；（２）過?？諝庀禂翟酱?，SO3的生成量越多；（3）火焰中心溫度越高，生成的SO3越多，因為溫度越高，O2的分解越厲害，離子氧量越大，易與SO2反應生成的SO3。（4）煙氣停留時間越長，SO3生成量越多。（5）對流受熱面上的積灰和氧化膜越多，SO3生成量越多，因為積灰和氧化膜具有催化作用。綜上所述，希望依靠改善氣體燃料的燃燒過程來控制SOx生成是很困難的，而最有效的控制措施是減少燃料中S的含量。

2．CO與CO2的控制CO是燃燒產物中發(fā)現最早的污染物之一。對于CnHm，簡化的燃燒反應模型如下：（1）CnHm+n/2O2=nCO+m/2H2

（2）CO+OH=CO2+H

從上述反應可知，燃燒過程中，所有C都首先形成CO。所以，控制CO應集中于如何使CO再完全氧化。并且，CO與O直接進行的氧化反應速度很慢，許多情況下可以忽略不計。在烴燃料火焰中，通常OH的濃度較高，而CO轉化為CO2幾乎全部依賴于上述第二個反應。

根據上述分析可知，控制CO的最有效措施是提供足夠的O2，并使燃料與O2充分接觸燃燒生成CO2。雖然在正常通風條件下燃燒排放的CO2不會造成人體的急性中毒，但CO2是一種溫室氣體，而伴隨人類使用化石能源，就會燃燒排放出大量CO2。所以減少CO2排放的最有效途徑不在于控制燃燒過程本身，而是應該盡可能減少含碳能源的使用，注重節(jié)能及無碳新能源的開發(fā)利用。3．NOx的控制氮氧化物主要指N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5等，除NO2以外，其他氮氧化物均極不穩(wěn)定，遇光、濕或熱變成NO2及NO，NO又變?yōu)镹O2，因此，氮氧化物污染主要是NO和NO2，并以NO2為主，二者統(tǒng)稱為NOx。燃燒過程中產生的幾乎都是NO和NO2，在通常的燃燒溫度下，NO占90%以上，NO2僅占5%～10%，其中NO2是NO在低溫下氧化生成的，NO排入大氣后氧化成NO2。（1）NOx的生成機理NO分為熱力型NO、快速型NO、燃料型NO。熱力型NO：指燃燒用空氣中的N2在高溫下氧化而生成的NO。當溫度超過1700K時，隨著溫度的升高，NO的生成量急劇增大?？焖傩蚇O：指碳氫系燃料在過?？諝庀禂敌∮?的情況下，在火焰面內急劇生成的NO。在一般空氣過剩的燃燒中，快速型NO與熱力型NO相比少得多。燃料型NO：燃料中的含氮化合物在燃燒過程中與O2反應生成的NO。燃料型NO主要是含氮燃料（例如煤、油）燃燒的產物，城市燃氣中一般不含燃料氮，所以不必考慮燃料型NO。

不同預熱溫度下NO排出量與過?？諝庀禂档年P系

（2）減少NOx生成量的措施減少NOx生成的主要途徑是降低火焰溫度和減少過?？諝饬?。

大部分NOx是在主燃燒區(qū)2和其后的混合區(qū)3內形成降低NOx發(fā)生量的燃燒設計原則：（a）減少氣體在高溫點火區(qū)和穩(wěn)焰區(qū)的停留時間；（b）降低主燃燒區(qū)的溫度；（c）讓溫度較低的煙氣和熾熱的燃燒產物盡快混合；（d）將爐膛溫度維持在一個適當的水平。

三、燃燒裝置噪聲與控制1．噪聲的來源2．噪聲的消除和控制1．噪聲的來源（1）風機噪聲（2）氣流噪聲（3）火焰噪聲

（4）燃燒振蕩噪聲

（5）非正常燃燒噪聲

（1）風機噪聲風機噪聲包括空氣動力性噪聲和機械性噪聲?？諝鈩恿π栽肼暎河芍芷谛缘臍饬餍D噪聲和渦流噪聲組成。氣流旋轉噪聲：鼓風機葉輪在一定壓力條件下旋轉時，周期性地擠壓氣體并撞擊氣體分子，導致葉輪周圍氣體產生速度和壓力脈動，并以聲波的形式向葉輪輻射，產生周期性的排氣噪聲。渦流噪聲：葉輪高速旋轉時，其表面會形成大量的氣體渦流，氣體渦流從葉輪界面上分離而產生渦流噪聲。機械性噪聲：鼓風機的機械性噪聲，主要是由齒輪或皮帶輪傳動以及由于風機裝配精度不高、機組運轉時不平衡所產生的沖擊噪聲與摩擦噪聲。還有電機的冷卻風扇噪聲、電磁噪聲。風機排氣管與調節(jié)閥在整個機組運行時會產生強烈的噪聲。特別在調節(jié)閥處，由于氣流速度高，產生紊流噪聲。鼓風機噪聲通過進(排)氣口、管道、調節(jié)閥、機殼以及傳動機械等各部位輻射出來。

（2）氣流噪聲噴嘴流出的燃氣向相對靜止的氣體中擴散時，氣流方向和流束截面突然變化，會引起很大的噪聲；噴嘴有毛刺或孔口粗糙不圓時，氣流經噴嘴收縮便產生了偏位噪聲；燃氣流出噴嘴后，在與周圍空氣進行強烈混合的過程中還產生射流噪聲，其強度正比于υ18Fj；引射器工作時，如果混合管粗糙或有毛刺，氣流通過時也要產生噪聲；噴嘴到喉部的距離不合適、一次空氣吸入口的形狀和尺寸不合適，也會產生噪聲。實驗證明，一次空氣吸入口采用大孔比開一些小孔產生的噪聲少。

（3）火焰噪聲火焰噪聲是由于燃燒反應的波動引起的局部區(qū)域流速和壓力變化而產生的。均勻混合的層流火焰是無聲的。火焰噪聲來源于氣流的紊動和局部區(qū)域組分不均勻。燃燒室的形狀與大小、燃燒器的布置方式對燃燒噪聲也有顯著影響。燃氣性質對噪聲的產生也具有重要影響。在燃料供應量相同時，處于化學當量比燃燒的火焰噪聲最大。

（4）燃燒振蕩噪聲燃燒振蕩噪聲是燃燒裝置的聲抗特性造成的：氣流流過燃燒器、燃燒室和煙道時，可產生某種單一頻率的駐波(發(fā)送出去的振動波與由固定壁返回的相同振動波相疊加而形成等距波節(jié)，波節(jié)兩端各點位置始終不變，這樣的波看起來并不向前傳播，叫駐波)，而駐波與火焰相互作用，引起燃燒過程的規(guī)則脈動，從而產生一種很強的單頻噪聲。這種噪聲可能與燃燒系統(tǒng)中某個部件的自然振動頻率相吻合，進而引發(fā)共振。例如一對燃燒器的相鄰火管，單用一個時沒有什么噪聲，而當兩個火管同時使用時就發(fā)出很大的噪聲。（5）非正常燃燒噪聲若點火器失靈或點火方法不正確，往往不能及時將逸出的燃氣點燃，致使在燃燒器外的空間中預先積聚了相當容積的燃氣與空氣混合氣體，一遇火源則會產生爆鳴噪聲。燃燒過程產生回火時，先出現一個回火噪聲。如果在噴嘴附近管路中燃燒則會不斷地產生噪聲。突然關閉燃氣閥門，隨著火焰熄滅也會發(fā)出滅火噪聲。焦爐煤氣比天然氣和液化石油氣更容易產生滅火噪聲。

產生滅火噪聲的兩種情況第一種情況是燃燒器在A點工作。突然關閉閥門時，其熱強度沿A-B線急速下降，工作點便移到回火區(qū)的B點，這時火孔上還存在殘余火焰，便將燃燒器內部余氣點燃，從而引起滅火噪聲。第二種情況是燃燒器在C點工作。如果在關閉燃氣閥門的同時，也關閉空氣吸入口，則熱強度沿C-E線減少，不會產生滅火噪聲。但實際上在關閉燃氣閥門時空氣吸入口并不關閉，由于殘余混合氣的動量還會吸入空氣，使一次空氣系數突然增大，故熱強度沿C-D線減少。當到達回火區(qū)D點時，火孔上尚有余火，便將燃燒器內部余氣點燃，因此也可能發(fā)生滅火噪聲。B、D兩點的區(qū)別是B點的滅火噪聲在關閉閥門的同時產生，而D點的滅火噪聲則在關閉閥門以后產生。2．噪聲的消除和控制1）控制聲源

2）控制噪聲的傳播

1）控制聲源(1)提高風機裝配的精確度，消除不平衡性。選用低噪聲的傳動裝置，避免電機直聯而又無聲學處理。采用合適的葉輪形狀和降低葉輪轉速可減少旋轉噪聲。對于已定風機，應當準確安裝并注意維修保養(yǎng)以減少機械噪聲。

1）控制聲源(2)改變噴嘴形狀可減少噪聲的產生?；ㄐ螄娮旌投嗫讎娮燧^單孔噴嘴產生的噪聲小。這是由于射流相互干擾使射流起始段的特性發(fā)生變化的結果。1）控制聲源(3)減少燃燒器熱負荷，可以減少噪聲。1）控制聲源(4)較小的火孔是消除滅