燃料與燃燒(第三篇)B

《燃料與燃燒》

第三篇燃燒基本原理

第十章燃燒傳播過程

本章主要討論可燃預混氣火焰?zhèn)鞑サ漠a(chǎn)生、發(fā)展和火焰?zhèn)鞑サ臋C理，建立正常火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臄?shù)學表達公式，分析正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩氐取?/p>

可燃預混氣在局部點燃形成一微小點火源,產(chǎn)生的熱量將加熱鄰近較冷的混合氣層,使其溫度升高并著火燃燒。這樣一層一層著火把燃燒反應逐漸擴展到整個混合氣區(qū)域的現(xiàn)象叫火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

可燃預混氣：在著火前將燃氣與空氣按照一定比例預先混合好的能夠燃燒的混合氣。

正常燃燒過程：著火階段——火焰的傳播——穩(wěn)定燃燒第十章燃燒傳播過程

第十章燃燒傳播過程

火焰?zhèn)鞑サ娜N類型:1、正?；鹧?zhèn)鞑?、爆燃3、爆炸

第十章燃燒傳播過程

正?；鹧?zhèn)鞑?在管子開口端附近的燃燒火焰?zhèn)鞑ミ^程形式稱為正?；鹧?zhèn)鞑ィɑ鹧娴膫鞑ニ俣韧ǔ］^小）。

爆燃：其火焰的傳播速度超過了聲速，一般可達1000～4000m/s，爆燃主要是由于氣體燃料受沖擊波的絕熱壓縮而引起的。

爆炸：爆炸是發(fā)生在密閉空間的爆燃,由于氣體燃料受到絕熱壓縮瞬間產(chǎn)生劇烈反應,高溫產(chǎn)物在密閉空間受限膨脹產(chǎn)生巨大沖擊力的燃燒過程。第十章燃燒傳播過程第十章燃燒傳播過程

§1火焰前沿面及正?；鹧?zhèn)鞑C理

一、火焰前沿面在均相的可燃氣體混合物中，點燃一部分可燃氣體混合物，則在著火處就形成了一個極薄的(0.1一0.5毫米厚)溫度非常高的燃燒反應帶，該燃燒反應帶就稱為火焰面或者火焰前沿面。由于焰面溫度非常高，熱量便從焰面以熱傳導的方式向未燃氣體傳播，使鄰近的末燃氣體層溫度升高,達到著火溫度后又形成了新的焰面。如此下去，焰面就不斷向未燃氣體方向轉(zhuǎn)移而形成火焰面的移動。

第十章燃燒傳播過程

二、燃燒（火焰）傳播機理

層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋涸趯恿鳉饬髦醒婷嫜仄浞ň€方向移動的速度稱為層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

第十章燃燒傳播過程

火焰的傳播、焰面的移動與穩(wěn)定的規(guī)律：1、火焰?zhèn)鞑サ姆较蚩偸悄鏆饬鞣较颍?、火焰面的前方是未燃氣體，后方為燃燒產(chǎn)物，火焰面是分界面；

3、當|u|〉|w|時火焰面將向氣流上游方向移動；

當|u|〈|w|時火焰面將向氣流下游方向移動；

4、當|u|=|w|時，火焰面將靜止不動（穩(wěn)定燃燒）。

穩(wěn)定燃燒的必要條件：混合氣的流速必須與火焰?zhèn)鞑ニ俣却笮∠嗟取５谑氯紵齻鞑ミ^程

火焰?zhèn)鞑ダ碚摰幕疽c：

1、火焰面上的化學反應使其邊界上產(chǎn)生了很大的溫度梯度和濃度梯度；并產(chǎn)生強烈的熱量和質(zhì)量的交換；

2、熱量和質(zhì)量的交換加速了鄰近混合氣的化學反應，形成新的燃燒反應區(qū)（火焰面）不斷向前推進。3、火焰中的化學反應主要是由于系統(tǒng)中熱量的導入使分子活化引起的，因此反應區(qū)的移動主要取決于反應區(qū)向未燃氣區(qū)域傳熱的導熱率（熱力理論）；

4、火焰中活化中心的存在和向外的擴散使連鎖反應不斷發(fā)展，從而引起火焰的傳播（活化中心擴散理論）。

火焰的傳播是一種復雜的物理和化學現(xiàn)象，火焰?zhèn)鞑サ目炻饕Q于預混可燃氣的物理化學性質(zhì)、溫度和濃度。

研究火焰?zhèn)鞑ダ碚摰哪康模褪且私鈱恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ゼ捌鋫鞑ニ俣鹊囊?guī)律。以便于正確設計燃燒設備，合理控制燃燒過程，保證燃料的穩(wěn)定和完全燃燒。

第十章燃燒傳播過程第十章燃燒傳播過程

§2層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

一、建立基本方程（導熱方程）

假設（1）平面一維流動，過程穩(wěn)定，常物性；

（2）燃燒反應只在高溫反應區(qū)進行；（3）管壁對流傳熱和輻射傳熱可以忽略（假定絕熱）

（4）反應物和生成物的比熱CP基本相同。第十章燃燒傳播過程

§2層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

一、建立基本方程（導熱方程）

δ—火焰面厚度

δp—預熱區(qū)

δc—反應區(qū)第十章燃燒傳播過程

§2層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

一、建立基本方程（熱平衡方程）

dx微元的熱平衡方程：兩側(cè)面導入熱量+反應熱=微元體熱焓增量

第十章燃燒傳播過程

§2層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

一、建立基本方程（熱平衡方程）

dx微元的熱平衡方程：兩側(cè)面導入熱量+反應熱=微元體熱焓增量導熱項焓增項反應項第十章燃燒傳播過程

二、兩區(qū)物理模型

預熱區(qū)：忽略化學反應，W=0反應區(qū)：溫度接近燃燒溫度，

dT/dx=0第十章燃燒傳播過程

三、方程求解1.在預熱區(qū)（忽略反應熱wqdx=0）

邊界條件x=x0：T=T0x=x1：T=TB′

設Y=λdT/dxx=x0：Y0=0則方程可寫為：

第十章燃燒傳播過程

2.在反應區(qū)

（dT/dx=0溫度梯度為0）邊界條件:x=x1：T=TB′,x=x2：T=TKdT/dx

=0Y2=0因為Y=λdT/dx得:dx=（λ/Y）dT則微分方程改寫為：dY/dx+Wq=0dY=-Wqdx-YdY=λWqdT積分：

第十章燃燒傳播過程

3、計算層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

根據(jù)以上計算，在預熱區(qū)與反應區(qū)交界面的溫度梯度為：

預熱區(qū)：

反應區(qū)：

故

或者

第十章燃燒傳播過程

擴展到在全部反應區(qū)域均應該滿足：

而在預熱區(qū):

（反應產(chǎn)生的熱量很少）因此:

由于著火溫度與燃燒溫度比較接近：

因此:

得層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋〝?shù)學解析式）如下：

第十章燃燒傳播過程

層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊亩ㄐ员磉_式：

可以改寫為：

（10-10）上式具有重要的理論價值，它揭示了層流火焰的傳播機理，具體反映了火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c各種影響因素的關系。實際上可燃混合氣的正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣鹊木唧w數(shù)值是由實驗測定的。

第十章燃燒傳播過程

4、對層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆治?/p>

(1)火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c其平均導熱系數(shù)的平方根成正比例，而與其定壓比熱Cp的平方根成反比例，因此層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c氣體混合物的物理常數(shù)有關；(2)層流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著差值（TK-T0）的減小而增加，因此如果將氣體預先加熱然后再送入燃燒室，則其火焰?zhèn)鞑ニ俣饶艿靡蕴岣?。第十章燃燒傳播過程

4、對層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆治?/p>

(3)可燃氣體混合物的熱效應及化學反應速度也顯著地影響燃燒速度，當可燃氣體混合物的熱效應及化學反應速度低的情況下，則層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)值也小；(4)可燃氣體混合物的過?？諝庀禂?shù)也將影響其燃燒速度,當可燃混合物中的空氣含量不足（n<1）或過多時（n>1）都會使燃燒溫度Tr降低，因而也降低層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?。第十章燃燒傳播過程

四、對uL的影響因素

層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?/p>

理論分析證明，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仁强扇細怏w的一個物理化學特性參數(shù)，它主要受到可燃混合氣本身的特性、壓力、溫度、添加劑、惰性氣體含量、組成結(jié)構(gòu)等各種因素的影響。

第十章燃燒傳播過程

四、對uL的影響因素

1.可燃混合氣性質(zhì)的影響

組分不同，0、CP、、q、W都不同。

分析：a.化學反應速度W大的燃料，

層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萿L也大，凡是能夠使W增大的因素，也能使uL增大；

b.凡是活化能E小的燃料，W就大，這時uL也大；

c.提高溫度可以使反應加速，也能使uL增加。第十章燃燒傳播過程

四、對uL的影響因素

2.可燃氣體濃度（n值）的影響

a.可燃混合氣的uL將隨著過?？諝庀禂?shù)n而改變。

b.各種可燃混合氣的最大的uL值處于可燃物濃度比化學當量的比例稍大的混合物中（即n＜1）。

c.碳氫化合物的最大uL值發(fā)生在n＝0.96處，且該值不隨壓力與溫度改變。

第十章燃燒傳播過程

四、對uL的影響因素

2.可燃氣體濃度（n值

）的影響

d.在燃料稍富的情況下，火焰中的自由基H、OH等濃度大，鏈鎖反應不容易中斷,uL也就相對較大。燃料濃度小，W↓，uL↓燃料濃度過大，氧氣濃度↓，因而W↓uL↓第十章燃燒傳播過程

四、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萿L的影響因素

3.氧化劑中O2含量的影響氧氣濃度↑，W↑，因而uL↑

提高氧化劑中氧的含量，相當于減少了可燃混合氣中的惰性氣體，能夠明顯增加火焰?zhèn)鞑サ倪M程，因此采用富氧或純氧燃燒，可以顯著提高燃燒強度。第十章燃燒傳播過程四、對uL的影響因素

4.可燃混合氣的初始溫度的影響TO

↑，同時W、

↑，0↓因此，uL↑?；鹧?zhèn)鞑ニ俣扰c初始溫度的關系為：

n=1.7-2.0

提高可燃物初始溫度可以大大促進化學反應速度，從而增大W值。混合氣初溫對uL的影響主要是通過對化學反應速度的影響而間接反映出來的。把燃氣和空氣預熱至高溫可以明顯提高燃燒速度和燃燒強度。第十章燃燒傳播過程

§3

火焰?zhèn)鞑舛冉缦?/p>

1.火焰?zhèn)鞑舛冉缦薜母拍?/p>

所謂火焰?zhèn)鞑舛冉缦迣嶋H上是火焰在怎樣的濃度條件下才能進行燃燒傳播的問題,可燃混合氣必須在一定的濃度范圍內(nèi)才能著火并維持火焰的傳播。

火焰?zhèn)鞑舛认孪蓿夯鹧婺軌蚓S持正常傳播的可燃混合物中燃料的最小濃度值。

火焰?zhèn)鞑舛壬舷蓿夯鹧婺軌蚓S持正常傳播的可燃混合物中燃料的最大濃度值。第十章燃燒傳播過程

§3

火焰?zhèn)鞑舛冉缦?/p>

1.火焰?zhèn)鞑舛冉缦薜母拍?/p>

對于各種不同的可燃氣體混合物，其濃度接近于上限或下限時，反應產(chǎn)生的熱量不足以抵消燃燒區(qū)傳向外界的熱量損失，使燃燒區(qū)的溫度降低到不足以促進化學反應，這時火焰就將無法維持而熄滅，當強制點火時也會無法著火。第十章燃燒傳播過程

2、影響火焰?zhèn)鞑舛冉缦薜囊蛩?/p>

（1）燃料性質(zhì)的影響

不同性質(zhì)的可燃氣的火焰?zhèn)鞑舛冉缦薏煌?/p>

2、影響火焰?zhèn)鞑舛冉缦薜囊蛩?/p>

（2）可燃混合氣壓力的影響

提高反應系統(tǒng)的壓力可以擴大火焰?zhèn)鞑サ慕缦?，上限的擴大尤其顯著。第十章燃燒傳播過程第十章燃燒傳播過程

2、影響火焰?zhèn)鞑舛冉缦薜囊蛩?/p>

（3）可燃混合氣初溫的影響

提高可燃混合氣的初始溫度有利于化學反應的加速進行，燃燒溫度會提高，加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，這有利于于火焰?zhèn)鞑ソ缦薜臄U大。第十章燃燒傳播過程

2、影響火焰?zhèn)鞑舛冉缦薜囊蛩?/p>

（4）管徑的大小對傳播界限的影響

火焰在管子中傳播時，管徑的大小對火焰?zhèn)鞑舛冉缦抻泻艽蟮挠绊懀軓叫r，火焰的傳播速度會小，當管徑小到一定程度時，由于管壁傳熱相對過大，火焰?zhèn)鞑ニ俣葘②呌诹悖鹧鎸o法傳播。此時的管徑叫淬熄直徑。第十章燃燒傳播過程

2、影響火焰?zhèn)鞑舛冉缦薜囊蛩兀?）管徑的大小對傳播界限的影響意義：a.利用淬熄直徑的原理阻止火焰的通過，是防止回火的重要措施；b.增大燃燒器噴孔孔徑可以擴大火焰?zhèn)鞑サ臐舛确秶?。在n=1時H2+aird=0.9mmCH4+aird=3.5mm焦爐煤氣+空氣d=2.0mm

§4

層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灉y定

火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊亩ㄐ怨街荒苓M行定性分析,不能算出uL的準確數(shù)值,準確的uL只能通過實驗測定。測定方法：1、靜力法(管子法)：火焰在管子中靜止的可燃氣中傳播，測定

火焰面的移動速度。

2、動力法(本生燈法)：火焰在管口穩(wěn)定燃燒，通過一定測試手

段和計算得到uL。

第十章燃燒傳播過程

§4

層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灉y定

一、靜力法（管子法）

測試原理：

1、管中充滿被測定的可燃混氣，球形容器中充滿惰性氣體，為保持管中壓力穩(wěn)定，使管子體積較小而球體相對較大，體積比1/100。

2、點火器點火，打開氣閥，火焰面將向右方移動，產(chǎn)物會向球內(nèi)移動。彎曲的火焰面面積為F，管子截面積為f，焰面移動速度為vn,層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葹閡L。

第十章燃燒傳播過程第十章燃燒傳播過程

§4

層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灉y定

一、靜力法（管子法）

根據(jù)質(zhì)量平衡關系可以寫出：

故法向火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?

因為F≥ff/F≤1故

結(jié)論：1、uL是可燃混合氣的物理化學常數(shù)而Vn是反映火焰面運動快慢的運動量，數(shù)值上2、在實驗中很難測出實際火焰面積F，應盡可能使火焰面成為平面，這樣F=f,

uL=vn就可以用火焰移動速度近似代替層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?。第十章燃燒傳播過程

可燃氣體和空氣混合物在20mm管徑、常溫及760厘米水銀柱壓力下的火焰正常傳播速度值

第十章燃燒傳播過程

二、動力法（本生燈法）

1855年，德國化學家羅伯特·威廉·本生（RobertWilhelmBunsen,1811一1899）發(fā)明了被稱為“本生燈”的煤氣實驗燈具，這種燈具是一種可以將煤氣與空氣預先混合燃燒而產(chǎn)生高溫的燃燒裝置。燃氣灶具、燃氣熱水器具的發(fā)明、普及以及現(xiàn)代的各種燃氣具的燃燒器都是基于本生燈燃燒的基本原理。第十章燃燒傳播過程

二、動力法（本生燈法）本生燈的火焰第十章燃燒傳播過程

二、動力法（本生燈法）

1、基本原理垂直園管內(nèi)通入燃氣空氣可燃預混氣體，管內(nèi)氣流保持層流流動，為在管口獲得均勻速度場，將管做成錐形（常用維達辛斯基型）式噴口?？扇蓟鞖庠诠芸邳c燃后形成一正錐體形的層流火焰。

（1）本生燈火焰結(jié)構(gòu)火焰有內(nèi)外兩層組成：內(nèi)焰（由一次空氣形成）+外焰（二次空氣形成）（2）本生燈火焰形態(tài)

第十章燃燒傳播過程

二、動力法（本生燈法）

2、計算公式推導

噴口流出的混合氣質(zhì)量應與整個火焰面上燃燒掉的混合氣質(zhì)量相等。

即

火焰表面積：

第十章燃燒傳播過程

二、動力法（本生燈法）

2、計算公式推導混合氣在管口的平均流速：

得層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葹椋涸撌郊礊闇y定法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠嬎愎?。測定時只要精確測出混合氣的流量和火焰高度，已知管口半徑，就可以間接算出火焰的傳播速度uL。第十章燃燒傳播過程

三、預混可燃氣層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊慕朴嬎惴▽嶋H應用的燃氣一般都是各單一氣體的混合物（天然氣，液化石油氣和人工煤氣），除用以上方法測試外也可以近似計算。如果已知各單一氣體的uLi，混合燃氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣葹椋?/p>

pi—

各單一可燃氣體占燃氣可燃質(zhì)成分的容積百分數(shù)；

Li—

單一可燃氣體當火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲髸r的可燃質(zhì)成分百分濃度；uLi—

各單一可燃氣體的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣?；考慮燃氣中的惰性組分的影響時：第十章燃燒傳播過程

§5

紊流燃燒火焰的傳播

實驗和理論都證明,當預混氣濃度、溫度一定時層流火焰?zhèn)鞑ニ俣戎蝗Q于可燃混合氣的物理和化學性質(zhì),而且其值一般很小,例如烴類燃料與空氣的層流混合氣中,火焰?zhèn)鞑サ淖畲笏俣葍H為35-80cm/s。為了得到高的燃燒強度一般的工業(yè)燃燒都采用紊流燃燒。

紊流的火焰面?zhèn)鞑サ幕驹砼c在層流中一樣，都是依靠已燃氣體和未燃氣體之間的熱量和質(zhì)量的交換所形成的化學反應區(qū)在空間的移動。區(qū)別在于紊流燃燒時紊流的流動特性對燃燒過程起著很大的作用。紊流火焰面?zhèn)鞑ニ俣缺葘恿髦写蟮煤芏?。第十章燃燒傳播過程

§5紊流燃燒火焰的傳播燃燒過程為紊流流動燃燒時，流體內(nèi)傳熱、傳質(zhì)、化學反應都大大加強。火焰面紊亂且較厚，有脈動和噪聲。紊流燃燒傳播速度uT>>uL。紊流燃燒傳播速度uT與混合氣體的流動狀態(tài)和物性有關。

uT>>uL的原因：

1.火焰前沿發(fā)生變形、皺折，反應表面積顯著增加,使燃燒速度明顯加快;

2.傳熱、傳質(zhì)過程顯著加劇,使化學反應速度加快;

3.紊流使得煙氣與可燃氣快速混合，提高了混合氣的溫度,使燃燒過程加速。第十章燃燒傳播過程

§5紊流燃燒火焰的傳播

一、紊流火焰分類：

第十章燃燒傳播過程

§5紊流燃燒火焰的傳播

一、紊流火焰分類：

1、小尺度紊流火焰

2、大尺度紊流火焰（a.大尺度弱紊流火焰、b.大尺度強紊流火焰）

第十章燃燒傳播過程

§5紊流燃燒火焰的傳播一、紊流火焰分類第十章燃燒傳播過程

§5紊流燃燒火焰的傳播一、紊流火焰分類第十章燃燒傳播過程

§5紊流燃燒火焰的傳播一、紊流火焰分類第十章燃燒傳播過程

§5紊流燃燒火焰的傳播

二、紊流火焰?zhèn)鞑サ南嚓P理論

鄧克爾模型uT/uL=Re0.5

；謝爾金模型uT/uL=（ε/

α

）0.5

ε-紊流擴散系數(shù)α導溫系數(shù)或者熱擴散系數(shù)第十章燃燒傳播過程

§5紊流燃燒火焰的傳播

二、紊流火焰?zhèn)鞑サ南嚓P理論第十章燃燒傳播過程

§5紊流燃燒火焰的傳播

二、紊流火焰的相關理論第十章燃燒傳播過程

§5紊流燃燒火焰的傳播

二、紊流火焰的相關理論第十章燃燒傳播過程

§5紊流燃燒火焰的傳播四、紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒炑芯?/p>

1.uT與可燃混合氣濃度關系

同樣存在濃度界限,uT有極大值

2.uT與Re關系

Re↑，uT↑

第十章燃燒傳播過程

四、紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒炑芯?/p>

3.uT與初始溫度關系

對焦爐煤氣

層流時：uL∽

T01.84；

紊流時：uT∽

T01.6；∵uT/uL∽

T0-0.24

溫度影響顯著但對傳播速度的比值影響較小

4.uT與管徑d關系

（由于管壁散熱的影響）

d↑，uT↑；

uT/uL=0.18d0.25Re0.24第十章燃燒傳播過程

五、強化燃燒的途徑

所謂強化燃燒就是想辦法提高火焰?zhèn)鞑サ乃俣?，在單位時間內(nèi)燃燒反應更多的燃料，以便單位時間內(nèi)得到更多的熱量來滿足加熱工藝的要求。一般采用的方法:a.用uL大的預混可燃氣

b.提高紊流強度（Re）

c.提高混合氣的溫度和壓力第十章燃燒傳播過程

第十章重點

1、火焰面、火焰?zhèn)鞑ズ蛯恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊幕靖拍?、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣榷ㄐ院瘮?shù)關系式的推導方法、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊闹饕绊懸蛩亍恿骰鹧鎮(zhèn)鞑サ臐舛冉缦?/p>

3、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灧椒?/p>

4、紊流火焰?zhèn)鞑サ母拍睿ㄈ跷闪骱蛷娢闪鳎?、紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩?、紊流火焰?zhèn)鞑ヅc層流火焰?zhèn)鞑ビ泻螀^(qū)別？

第十一章異相燃燒

可燃物質(zhì)和氧化劑處于不同物態(tài)時的燃燒過程叫異相燃燒。固體燃料和液體燃料的燃燒屬于異相燃燒。

氣體燃料分解出碳粒時的燃燒也是異相燃燒。異相燃燒過程主要靠氣相分子和固相分子之間的擴散作用,燃燒速度與分子擴散和熱擴散的速度有關但主要取決于分子擴散速度。

第十一章異相燃燒

碳的燃燒就屬于在相界上進行的異相化學反應，包括初次反應和二次反應。

初次反應：C+O2=CO2（完全燃燒）

C+0.5O2=CO

二次反應：C+CO2=

2COCO+0.5O2=CO2

碳的異相反應可以在碳的外表面進行，也可以在碳的內(nèi)部空隙的所謂內(nèi)表面進行。異相反應越強烈，反應愈容易在外表面進行，否則就容易向內(nèi)部進行。

第十一章異相燃燒

§1碳粒的燃燒

異相反應速度：單位時間在單位反應表面上完成反應的物質(zhì)數(shù)量（g/cm2.s,mol/cm2.s)。

異相反應的幾個階段：

1.氣相反應介質(zhì)向反應表面的傳遞

2.氣體被反應表面吸附

3.表面的化學反應

4.反應物質(zhì)的脫附(碳分子離開反應表面）

5.氣相反應產(chǎn)物從反應表面的排離

異象反應的總速度決定于最慢階段的速度。第十一章異相燃燒

§1碳粒的燃燒

一、碳的燃燒反應速度

碳的燃燒和氣化反應一般是一級反應?；瘜W反應速度為：W=kCb（11-1）

式中:K—反應速度常數(shù);Cb—反應表面上反應氣體濃度.

在穩(wěn)定反應條件下燃燒反應速度與反應氣體向表面的擴散速度相等，即：

W=β(C0-Cb)

（11-2）

式中:C0—介質(zhì)中反應氣體向反應反應氣體的初始濃度.β—傳質(zhì)系數(shù);

Nu—魯謝爾數(shù)D—擴散系數(shù)d—定性尺寸第十一章異相燃燒

§1碳粒的燃燒

一、碳的燃燒反應速度在穩(wěn)定燃燒過程中,化學反應速度與擴散速度相等，聯(lián)立（11-1）和(11-2)消去Cb,可以到得:mol/cm2.s(11-3)

設m為燃燒的碳量與消耗的氧量之比,則碳的燃燒速度為:g/cm2.s(11-19)第十一章異相燃燒

§1碳粒的燃燒

二、碳的燃燒時間與反應速度的關系設dτ時間內(nèi)碳粒燃燒使直徑減少了dr,則在此時間內(nèi)燒掉的碳量為:

碳的燃燒速度KSC就是單位時間單位表面上燒掉的碳量,即

(11-20)第十一章異相燃燒

§1碳粒的燃燒

二、碳的燃燒時間與反應速度的關系顆粒直徑由初始直徑燒到某一直徑所需要的時間為:

顆粒完全燒掉所需要的總時間為:(11-21)

第十一章異相燃燒

§1碳粒的燃燒

二、碳的燃燒時間與反應速度的關系

在燃燒過程中氧的濃度C逐漸減少,氧的濃度和過?？諝庀禂?shù)的關系可以證明為:

(11-22)

將各式代入(11-21)得:(11-23)

第十一章異相燃燒

§1碳粒的燃燒

二、碳的燃燒時間與反應速度的關系(11-23)

當Nu=2(煤粉燃燒得情況)時,積分整理后得:(11-24)第十一章異相燃燒

§1碳粒的燃燒

二、碳的燃燒時間與反應速度的關系

當Nu=2(煤粉燃燒得情況)時,積分整理后得:

式中φ1（n)

、φ2（n)為n的函數(shù)。當n很大時，φ1（n)

、φ2（n)都趨于1。第十一章異相燃燒

§1碳粒的燃燒

二、碳的燃燒時間與反應速度的關系

當Nu=2(煤粉燃燒得情況)，n趨于無窮時，

φ1（n)

、φ2（n)都趨于1。得碳粒燃燼所需要的最小時間為：第十一章異相燃燒

§1碳粒的燃燒

二、碳的燃燒時間與反應速度的關系

n越大，φ1與φ2在數(shù)值上越接近，當φ1≈φ2時

第十一章異相燃燒

§1碳粒的燃燒

二、碳的燃燒時間與反應速度的關系

n越大，φ1

與φ2在數(shù)值上越接近，當φ1≈φ2時，碳粒燃燼所需的時間為：當煤中有灰分時：第十一章異相燃燒

§1碳粒的燃燒

二、碳的燃燒時間與反應速度的關系

碳粒燃燒當n小于1.5時，燃燒時間將大為延長。碳的顆粒越大耗時越長。煤的燃燒過程更加復雜，包括煤的干燥、揮發(fā)份的析出，揮發(fā)份的分解，著火和燃燒，剩余焦炭的燃燒。焦炭的燃燒占總時間的90%左右。第十一章異相燃燒

§2油粒的燃燒

液體燃料在爐內(nèi)燃燒時，一般是將燃料油霧化成細小的顆粒噴入爐內(nèi)燃燒。油粒置于高溫有氧介質(zhì)中時，將會發(fā)生以下過程：

1.蒸發(fā)(200度以下)：油粒受熱后在表面產(chǎn)生油蒸汽。2.熱解和裂化：油粒在高穩(wěn)缺氧情況下熱解產(chǎn)生固體的碳粒和氫氣，同時一些較輕的碳氫化合物分子從油粒中裂化出來，剩下較重的分子（焦粒或者瀝青）。

3.著火燃燒：油蒸汽、熱解和裂化的氣態(tài)碳氫化合物產(chǎn)物與氧氣接觸達到著火溫度的燃燒，同時固體的碳粒和焦粒也開始燃燒。

燃油的燃燒過程：

油的霧化油滴蒸發(fā)、高溫熱解與裂解與空氣混合著火燃燒特點：1、燃燒反應需要油粒的蒸發(fā)提供燃燒反應物質(zhì)，而油的蒸發(fā)又需要燃燒反應提供熱量，兩者互相依存。油的蒸發(fā)需要吸收反應介質(zhì)的熱量。2、油的蒸發(fā)速度和燃燒速度相等。第十一章異相燃燒§2油粒的燃燒

一、油粒完全燃燒所需要的時間設油粒的初始半徑為r0,經(jīng)過d時間后半徑為r。在此時間內(nèi)介質(zhì)傳給油滴熱量：

dQ=4r2（T1—T0）d

油滴蒸發(fā)吸收的汽化熱：

dQ=-4r20dr·L

P126圖11-7第十一章異相燃燒§2油粒的燃燒

介質(zhì)傳給油滴熱量：

dQ=4r2（T1—T0）d

油滴蒸發(fā)吸收的汽化熱：

dQ=-4r20dr·L

T1—

介質(zhì)溫度T0—

油粒溫度—

放熱系數(shù)L—

油的蒸發(fā)潛熱TK—

油的沸點

0—沸點下油的密度

126圖11-7兩者相等：（T1—T0）d=-0Ldr

第十一章異相燃燒

一、油粒完全燃燒所需要的時間兩者相等：

由r00積分：（11-32）

當油粒很小時，Nu=d/2=/rT0TK（

油的沸點為常數(shù)）

得油粒燒完所用時間為：

（11-33）

第十一章異相燃燒

§2油粒的燃燒

二、影響油粒燃燒速度的因素：

1.油粒霧化程度霧化好：r0，

燃燒速度快2.周圍介質(zhì)溫度溫度高：T1，

3.油的蒸發(fā)潛熱易汽化：L，

4.油的密度0，

5.油的導熱系數(shù)，

要強化油的燃燒過程（

），需要將油霧化成細小的顆粒，還應該保持燃燒室的高溫?！度剂吓c燃燒》

第三篇燃燒基本原理

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性

由燃燒火焰面和正在燃燒的質(zhì)點所包圍的區(qū)域稱為火焰。在燃燒技術(shù)中很重要的問題是如何保證已經(jīng)著火的燃料不再熄滅，即要求火焰面能夠穩(wěn)定在某一位置，這樣才能使燃燒過程穩(wěn)定的繼續(xù)下去。在不同的燃燒條件下，火焰會呈現(xiàn)不同形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征，分類如下：

1.按照燃料種類分

燃氣火焰油霧火焰煤粉火焰

2.按燃料和空氣的預混程度分

預混火焰擴散火焰第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性

3.按照氣體的流動狀態(tài)分層流火焰紊流火焰

4.按火焰的幾何形狀分直流錐形火焰、旋流火焰、平面火焰等

5.按火焰中的相成分均相火焰和異相火焰

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性完全預混火焰部分預混火焰擴散火焰

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

一、層流預混火焰1、層流預混火焰結(jié)構(gòu)

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

一、層流預混火焰（1）一次空氣系數(shù)等于（或者大于）1時，火焰結(jié)構(gòu)一層，火焰明亮，清晰，火焰短，溫度高，燃燒完全；在爐膛中燃燒幾乎看不見火焰，又叫無焰燃燒；（2）一次空氣系數(shù)大于0小于1時，火焰結(jié)構(gòu)二層，內(nèi)層火焰較亮，比較清晰，火焰較短，外層火焰較長，較暗，燃燒溫度較高，燃燒比較完全；（3）當一次空氣系數(shù)等于0時，火焰長度取決于擴散混合過程的快慢，燃燒慢，溫度低，火焰較暗，不容易燃燒完全（屬于擴散燃燒）。1、層流預混火焰結(jié)構(gòu)特點

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

一、層流預混火焰（1）邊緣處|uL|=|w|,此處火焰穩(wěn)定，形成點火環(huán)（火焰穩(wěn)定的基礎）；（2）曲面上任何一點的法向火焰?zhèn)鞑ニ俣榷紤獫M足：uL=wcosφ,圓錐形火焰的長度與氣流速度、火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嘘P；火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇旎鹧婢驮蕉獭?/p>

（3）軸線上氣流速度最大，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫沧畲螅鹧娣€(wěn)定時

uL=w（4）點火環(huán)是火焰穩(wěn)定的基礎，起到連續(xù)點火的作用。2、層流預混火焰的穩(wěn)定性

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

一、層流預混火焰設圓錐體的高度為l，管口半徑為r0。在其上取一微元面，微元面在高度上的投影為dl,在徑向上的投影為dr。應該滿足以下關系：3、層流預混火焰?zhèn)鞑ヅc火焰長度

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

一、層流預混火焰

3、層流預混火焰?zhèn)鞑ヅc火焰長度故因為12-2

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

一、層流預混火焰

3、層流預混火焰?zhèn)鞑ヅc火焰長度整理上式得：

這就是火焰形狀的微分方程式，其中w和uL都是r的函數(shù)，積分一般是很困難的。

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

一、層流預混火焰

3、層流預混火焰?zhèn)鞑ヅc火焰長度

（12-3）假設火焰錐體為正錐體，底面半徑與管口半徑相等，uL為常數(shù)，氣流速度w取沿斷面的平均速度。對（12-3）積分就可以得到：

（12-4）

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

一、層流預混火焰

3、層流預混火焰?zhèn)鞑ヅc火焰長度設混合氣的流量為qv,則混合氣的平均流速為：

（12-4）

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

一、層流預混火焰

3、層流預混火焰?zhèn)鞑ヅc火焰長度解出預混氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葹椋?/p>

（12-4）

（12-5）

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

一、層流預混火焰

3、層流預混火焰?zhèn)鞑ヅc火焰長度

預混氣的正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣葹椋?/p>

（12-4）

（12-5）分析：

1、當管口直徑一定時，火焰長度隨氣流速度的增加而增加，隨火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑黾佣鴾p小；2、并不是任何氣流速度下火焰都可以保持穩(wěn)定，火焰的穩(wěn)定是有條件的，不具備穩(wěn)定條件時就會發(fā)生回火和脫火；

3、用（12-5）式可以測定火焰?zhèn)鞑ニ俣龋▌恿Ψǎ囼灉y出混合氣流量和火焰高度就可以算出火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

4、預混火焰穩(wěn)定的基本原理火焰穩(wěn)定的基本條件是火焰面上的氣流速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣却笮∠嗟龋ǚ较蛳喾矗?/p>

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

一、層流預混火焰4、預混火焰穩(wěn)定的基本原理（1）在氣流出口的周邊處，如果氣流速度發(fā)生變化，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫矔兓?；?）如果氣流速度在點4與火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_成了平衡w=uL,，氣流的邊界速度梯度dw/dr等于火焰?zhèn)鞑ニ俣忍荻萪uL/dr，則火焰就會在此穩(wěn)定；（3）隨著氣流速度的增加，邊界速度梯度加大，火焰將會被推離點4位置，火焰面離開噴口的距離加大，冷壁作用減弱,uL的速度梯度也會加大，可能在點3處再次達到平衡（w=uL,dw/dr=duL/dr)。

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

一、層流預混火焰4、預混火焰穩(wěn)定的基本原理（4）如果氣流速度繼續(xù)增加，uL的邊界速度梯度不能再加大時，氣流速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠胶饩蛯茐模霈F(xiàn)脫火現(xiàn)象（w＞uL)。位置2是出現(xiàn)脫火的極限工況；（5）當氣流速度分布低于火焰?zhèn)鞑ニ俣确植季€4時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⑻幪幋笥跉饬魉俣龋╱L＞w)，這時就會出現(xiàn)回火。位置4是回火的極限工況；

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

一、層流預混火焰4、預混火焰穩(wěn)定的基本原理

回火極限速度梯度的計算：

r0—噴口半徑層流時，管道中氣流速度呈拋物線分布：wmax—氣流中心最大速度

12-6

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

一、層流預混火焰4、預混火焰穩(wěn)定的基本原理預混氣流量：因此任一點的氣流速度為：或者

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

一、層流預混火焰4、預混火焰穩(wěn)定的基本原理因此任一點的氣流速度為：對該式取導數(shù)得回火邊界速度梯度為：

12-9

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

一、層流預混火焰4、預混火焰穩(wěn)定的基本原理

（1）對給定混合比例的可燃預混氣，回火臨界邊界速度梯度g是常數(shù)(其具體數(shù)值可由實

驗確定）；（2）回火極限流速與燃燒器噴口直徑成正比，口徑越大回火的極限流速越高，越容易回火；（3）回火和脫火的臨界速度梯度的大小與可燃

混合氣本身的性質(zhì)有關。

臨界邊界速度梯度與燃料濃度的關系第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

一、層流預混火焰5、層流預混火焰的穩(wěn)定范圍

（1）火焰穩(wěn)定區(qū)處于脫火極限流速和回火極限流速之間；（2）脫火極限流速和回火極限流速的位置與燃氣性質(zhì)和預混氣濃度比例有關；（3）當一次空氣系數(shù)接近1或者大于1時，穩(wěn)定范圍變小，很容易回火和脫火。

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

二、紊流預混火焰1、紊流預混火焰的結(jié)構(gòu)由于紊流脈動的影響，紊流火焰面比層流火焰面要厚，可以分為3個區(qū)域：氣流核心區(qū)l1、燃燒反應區(qū)l2、完全燃燼區(qū)l3

w—混合氣平均流速，uT—紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，W產(chǎn)—產(chǎn)物速度k1、k2、k3---實驗常數(shù)

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

二、紊流預混火焰1、紊流預混火焰的結(jié)構(gòu)

紊流火焰的長度為：

分析：（1）燃燒器的噴孔直徑r0增大，火焰會加長（w不變）；（2）氣流速度w加大,火焰長度增加（管徑不變）（3）火焰?zhèn)鞑ニ俣萿T越快,火焰會縮短。

第十二章火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性§1預混火焰

二、紊流預混火焰

2、