冉景煜版 工程燃烧学--第 07 章

1、重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing Universitynvironment, Chongqing University第七章第七章 气体燃料燃烧气体燃料燃烧热能与动力工程系热能与动力工程系气体燃料的燃烧气体燃料的燃烧火焰类型火焰类型气体燃料预混式燃烧气体燃料预混式燃烧气体燃料扩散式燃烧气体燃料扩散式燃烧重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy

2、& nergy & E Environment, Chongqing Universitynvironment, Chongqing University第一节第一节 概述概述热能与动力工程系热能与动力工程系气体的燃烧过程气体的燃烧过程扩散式燃烧扩散式燃烧火焰火焰部分预混式燃烧部分预混式燃烧火焰火焰完全预混式燃烧完全预混式燃烧火焰火焰重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironmen

3、t, Chongqing University 3l任何一种任何一种气体的燃烧过程基本上都包括以下气体的燃烧过程基本上都包括以下三个阶段三个阶段：1 1）可燃）可燃气体与空气的混合；气体与空气的混合；2 2）混合后的可燃气体的加热和着火；）混合后的可燃气体的加热和着火；3 3）完成燃烧）完成燃烧化学反应。化学反应。l燃气与空气的燃气与空气的混合混合是一种物理过程是一种物理过程，需要消耗能量和一定的时间才能完，需要消耗能量和一定的时间才能完成。混合后的可燃气体只有成。混合后的可燃气体只有加热加热到它的着火温度时才能进行燃烧反应到它的着火温度时才能进行燃烧反应；着火着火以后，可燃气体的加热是靠其本

4、身燃烧产生的热量而实现的。以后，可燃气体的加热是靠其本身燃烧产生的热量而实现的。l影响气体燃料燃烧速度的主要矛盾不在燃烧反应本身，而在气体燃料与影响气体燃料燃烧速度的主要矛盾不在燃烧反应本身，而在气体燃料与空气的混合以及混合后的可燃气体的加热升温速度方面空气的混合以及混合后的可燃气体的加热升温速度方面，可燃气体与空可燃气体与空气的混合与加热气的混合与加热对整个燃烧过程起着更为重要的作用。对整个燃烧过程起着更为重要的作用。重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environ

5、ment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l对于气体燃料的燃烧可分为对于气体燃料的燃烧可分为扩散式燃烧扩散式燃烧，部分预混式燃烧部分预混式燃烧和和完全预混式燃烧完全预混式燃烧。4（a）完全预混火焰；）完全预混火焰； （b）部分预混火焰；）部分预混火焰； （c）扩散火焰）扩散火焰重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironm

6、ent, Chongqing University （一）（一）完全预混式燃烧特征l1. 完全预混式燃烧是指气体燃料和燃烧所需的全部空气在燃烧器中已完全预混式燃烧是指气体燃料和燃烧所需的全部空气在燃烧器中已均匀混合均匀混合，预混可燃气体的，预混可燃气体的过量空气系数过量空气系数为为 为为1.051.10，因此，燃烧，因此，燃烧过程过程只有着火燃烧一个阶段只有着火燃烧一个阶段。燃烧速度主要取决于化学反应速度燃烧速度主要取决于化学反应速度。l2. 预混火焰的燃烧预混火焰的燃烧温度高温度高，燃烧，燃烧强烈强烈，燃烧，燃烧完全完全，无黑烟无黑烟，火焰呈透火焰呈透明状，无明显轮廓明状，无明显轮廓。也称为

7、也称为无焰燃烧无焰燃烧。l3.3. 由于燃料和空气在燃烧前已均匀混合，所以由于燃料和空气在燃烧前已均匀混合，所以有有回火回火的危险的危险，应严格，应严格控制预热温度。为了防止回火和爆炸，燃烧器的燃烧功率不能太大。控制预热温度。为了防止回火和爆炸，燃烧器的燃烧功率不能太大。5重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University （二）（二）扩散式燃烧特征l1

8、. 扩散式燃烧时扩散式燃烧时,由于燃料和空气在进入炉膛前没有预先混合，而是分由于燃料和空气在进入炉膛前没有预先混合，而是分别送入炉膛后，一边混合，一边燃烧，燃烧速度较慢别送入炉膛后，一边混合，一边燃烧，燃烧速度较慢。其燃烧过程有其燃烧过程有两个阶段两个阶段，一是可燃气体和空气的混合阶段，二是化学反应阶段。，一是可燃气体和空气的混合阶段，二是化学反应阶段。l2. 燃烧主要在扩散区进行，燃烧速度的大小主要取决于燃烧主要在扩散区进行，燃烧速度的大小主要取决于混合速度混合速度，为，为实现完全燃烧则需要较大的燃烧空间。为了减小不完全燃烧热损失，实现完全燃烧则需要较大的燃烧空间。为了减小不完全燃烧热损失，

9、要求较大的过量空气系数，一般要求较大的过量空气系数，一般 为为1.151.25。l3.3.由于燃气和空气在进入炉膛前不混合，所以由于燃气和空气在进入炉膛前不混合，所以无回火和爆炸无回火和爆炸的危险的危险，可将燃料和空气分别预热到较高的温度，以利于提高炉内温度水平，可将燃料和空气分别预热到较高的温度，以利于提高炉内温度水平，提高热效率。提高热效率。6重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment

10、, Chongqing University （三）（三）部分预混式燃烧特征l1. 部分预混式燃烧是指气体燃料和燃烧所需的部分预混式燃烧是指气体燃料和燃烧所需的部分空气部分空气在在喷出喷口前，在燃烧器中预先混合（一次空气系数一般为喷出喷口前，在燃烧器中预先混合（一次空气系数一般为0.50.6），在喷口外再和燃烧所需的其余），在喷口外再和燃烧所需的其余二次空气二次空气逐步逐步混合并继续燃烧。混合并继续燃烧。l2. 它兼有扩散式燃烧和完全预混燃烧的特点，燃烧反应速它兼有扩散式燃烧和完全预混燃烧的特点，燃烧反应速度很快，燃烧得以强化，火焰温度也提高了。有时也称为度很快，燃烧得以强化，火焰温度也提高了

11、。有时也称为半无焰燃烧半无焰燃烧。7重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l在锅炉设备中广泛采用在锅炉设备中广泛采用扩散燃烧扩散燃烧，保证火焰，保证火焰稳定稳定；l同时利用人工的同时利用人工的扰动扰动和和涡流涡流的方法来的方法来加速加速可燃物和空气的可燃物和空气的混合混合过程，过程，强化燃烧强化燃烧。8重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与

12、环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing Universitynvironment, Chongqing University第二节第二节 气体燃料预混式燃烧气体燃料预混式燃烧热能工程系热能工程系流动速度分布规律流动速度分布规律火焰传播速度火焰传播速度火焰长度火焰长度L LB B出口中心线上火焰传播速度出口中心线上火焰传播速度湍流火焰长度湍流火焰长度L LB B重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E

13、Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 动力燃烧火焰形状动力燃烧火焰形状 10预先将预先将可燃气体燃料及空气均匀混可燃气体燃料及空气均匀混合后合后的可燃气体混合物送入燃烧器的可燃气体混合物送入燃烧器内，并且在内，并且在可燃气体混合物中的空可燃气体混合物中的空气含量足以保证可燃气体燃料的完气含量足以保证可燃气体燃料的完全燃烧。全燃烧。 可燃预混气的动力燃烧可燃预混气的动力燃烧l在层流运动工况下，化学均匀的在层流运动工况下，化学均匀的可燃气体混合物的火

14、焰形状（即可燃气体混合物的火焰形状（即动力火炬的形状）如图所示。动力火炬的形状）如图所示。重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 一、流动速度分布规律一、流动速度分布规律1. 管内任一截面上混合物的管内任一截面上混合物的流动速度呈抛物线分布。流动速度呈抛物线分布。l可燃气体混合物在燃烧器的管内作可燃气体混合物在燃烧器的管内作层流层流运动时，运

15、动时，管内任一管内任一截面上混合物的截面上混合物的流动速度流动速度w分布分布规律：规律：2201Rrww11重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 2. 当可燃气体温合物当可燃气体温合物流出流出燃烧器的出口时，将作层流的自由扩燃烧器的出口时，将作层流的自由扩张，即为张，即为层流自由射流层流自由射流，则，则在燃烧器出口处以外的混合物在燃烧器出口

16、处以外的混合物的速度将的速度将不再按抛物线的规律来分布不再按抛物线的规律来分布；3. 靠近靠近管壁处管壁处的混合物流速并不等于零，而具有某一速度值的混合物流速并不等于零，而具有某一速度值wR。l米海立松认为在燃烧器出口处以外，靠近米海立松认为在燃烧器出口处以外，靠近管壁处管壁处的混合物的混合物流速并流速并不等于零不等于零，并建议采用如下的，并建议采用如下的速度分布规律速度分布规律： 2.在管壁处在管壁处r=R，混合物的流速，混合物的流速w=wR。RwRrww220112重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy &a

17、mp; nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l当火焰前沿在稳定不动的情况下，在火焰前沿某点处的当火焰前沿在稳定不动的情况下，在火焰前沿某点处的气体速度气体速度和和火焰前沿火焰前沿移动的正常速度之间有如下关系移动的正常速度之间有如下关系( (余余玄定律玄定律) )：二、火焰传播速度13cosHvw重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environm

18、ent, Chongqing University nvironment, Chongqing University 三、火焰长度三、火焰长度L LB BL00B32uRwwzLRr1. 当可燃气体混合物的当可燃气体混合物的流速流速及燃烧器及燃烧器管径越大管径越大时，则火焰时，则火焰长度长度LB越长越长；2. 当可燃气体混合物的火焰当可燃气体混合物的火焰传播速度越大传播速度越大时，则火焰长度时，则火焰长度越短越短。14重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environm

19、ent, Chongqing University nvironment, Chongqing University (1)(1)实际火焰燃烧过程中，火焰锋面不可能为一数学表面，实际火焰燃烧过程中，火焰锋面不可能为一数学表面，所以在火焰锥体的内部，所以在火焰锥体的内部，可燃气体混合物得到一定程度的可燃气体混合物得到一定程度的预热预热，这样在喷管中心线上流动的混合物的，这样在喷管中心线上流动的混合物的预热程度预热程度较其较其他部分混合物他部分混合物高高，所以在，所以在喷管中心线上应具有最大的火焰喷管中心线上应具有最大的火焰传播速度传播速度。(2)(2)活化中心从火焰的反应区向火焰锥体的内部进行扩

20、散，活化中心从火焰的反应区向火焰锥体的内部进行扩散，这样这样在喷管中心轴线上所获得的在喷管中心轴线上所获得的活化中心活化中心亦较其他部分为亦较其他部分为多多，所以促使，所以促使在中心轴线上的正常火焰传播速度为最大在中心轴线上的正常火焰传播速度为最大。四、燃烧器出口中心线上具有最大的火焰传播速度15重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l湍流

21、工况下化学均匀可燃气体混合物的火焰形状亦是圆湍流工况下化学均匀可燃气体混合物的火焰形状亦是圆锥体形的，对于可燃气体混合物在湍流工况下火焰核心锥体形的，对于可燃气体混合物在湍流工况下火焰核心的长度亦可用的长度亦可用下下式：式：五、湍流火焰长度五、湍流火焰长度16TRBTwLv重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing Universitynvironment, Chongqing University第三节第三节 气体燃料气体燃料扩散

22、式燃烧扩散式燃烧热能与动力工程系热能与动力工程系扩散式燃烧扩散式燃烧主要特征主要特征扩散式燃烧分类扩散式燃烧分类同轴伴随流射流扩散燃烧特性同轴伴随流射流扩散燃烧特性重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University （1 1）气体燃料扩散式燃烧气体燃料扩散式燃烧所需的空气所需的空气将从火焰的外界依靠将从火焰的外界依靠扩扩散的方式散的方式来供给，故火焰的形

23、状和火焰的表面积大小来供给，故火焰的形状和火焰的表面积大小不不再再是取决于是取决于火焰传播的速度火焰传播的速度，而是取决于气体燃料和空气之，而是取决于气体燃料和空气之间的间的混合速度混合速度；（2 2）不同流动工况，混合过程不同：）不同流动工况，混合过程不同：层流层流工况下，混合过程工况下，混合过程是纯粹依靠是纯粹依靠分子热运动分子热运动的分子扩散；而在的分子扩散；而在湍流湍流工况下，混工况下，混合过程主要依靠合过程主要依靠微团扰动微团扰动的湍流扩散。的湍流扩散。 18一、一、扩散式燃烧扩散式燃烧主要特征主要特征重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of n

24、stitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 按照气体燃料和空气供入燃烧室的不同方式，扩散式燃烧可以有以下三按照气体燃料和空气供入燃烧室的不同方式，扩散式燃烧可以有以下三种情况：种情况：l1. 1. 自由射流扩散燃烧自由射流扩散燃烧：气体燃料气体燃料以以射流射流形式由燃烧器喷入大空间的形式由燃烧器喷入大空间的空气中，形成自由射流火焰。空气中，形成自由射流火焰。l2. 2. 同轴伴随流射流扩散燃烧同轴伴随流射流扩散燃烧：气体燃料和

25、空气分别由气体燃料和空气分别由环形喷管环形喷管的的内内管管与与外环管外环管喷入燃烧室，形成同轴扩散射流。由于射流受到燃烧室容喷入燃烧室，形成同轴扩散射流。由于射流受到燃烧室容器壁面的限制和周围空气流速的影响，为受限射流扩散火焰。器壁面的限制和周围空气流速的影响，为受限射流扩散火焰。l3. 3. 逆向射流扩散燃烧逆向射流扩散燃烧：气体燃料和空气喷出的气体燃料和空气喷出的射流方向射流方向正好正好相反相反，形成逆向喷流扩散火焰。形成逆向喷流扩散火焰。二、扩散式燃烧分类19重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy &

26、; nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 扩散燃烧火焰形状扩散燃烧火焰形状1空气过剩时；空气过剩时；2可燃气体过剩时可燃气体过剩时 l气体气体可燃物可燃物及及空气空气分别在管径分别在管径为为R1的的内管内管和管径为和管径为R2的的外管外管中作层流流动，内、外管系同中作层流流动，内、外管系同心的；心的；l管径为管径为R2的外管一方面可看为的外管一方面可看为供给空气的供给空气的“炉膛炉膛”，另一方，另一方面它限制了火焰向外扩散。面它限制了火焰向外扩散。20三三、同轴伴随流射流

27、扩散燃烧特性、同轴伴随流射流扩散燃烧特性1.扩散燃烧火焰形状扩散燃烧火焰形状重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 2.2.层流火焰长度层流火焰长度（1）对于扩散火焰，当）对于扩散火焰，当气流流动速度气流流动速度w增加和燃烧器半径增增加和燃烧器半径增大大（系平方关系）时，火焰长度增加；当分子扩散系数（系平方关系）时，火焰长度增加；当分子扩散系

28、数D增加时，火焰长度减短。增加时，火焰长度减短。（2）对于层流工况来讲，假定）对于层流工况来讲，假定D、其中、其中表示运动粘性系表示运动粘性系数。数。 DwRL22BReRL2B火焰长度与喷口尺寸的比值与火焰长度与喷口尺寸的比值与ReRe成正比成正比 DQL BDQRL2B矩形喷口矩形喷口 圆截面燃烧器圆截面燃烧器 气流流动速度气流流动速度w增加增加和燃烧器和燃烧器半径增大半径增大（系平方关系）时，火焰（系平方关系）时，火焰长度增加长度增加；分子分子扩散系数扩散系数D增加增加时，火焰长度时，火焰长度减短减短。重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nst

29、itute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 1 1）圆截面燃烧器）圆截面燃烧器：l空气和气体可燃物在空气和气体可燃物在单位时间单位时间内的内的流量流量与与 成正比，得：成正比，得： l所以在圆截面喷燃器中，在所以在圆截面喷燃器中，在一定的气体流量下一定的气体流量下，其，其火焰长度火焰长度与速度、管径无关与速度、管径无关。2）隙缝型形喷口：）隙缝型形喷口：l气体流量正比于气体流量正比于wR2，则：，则： l式中的式中的R2应理解为燃

30、烧器喷口的应理解为燃烧器喷口的宽度宽度，m。22wR22vBqLD2vBq RLD重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 3.3.紊流工况下扩散燃烧的火焰长度紊流工况下扩散燃烧的火焰长度 T22TBDwRL 84. 03T109pReD在紊流流动工况下，在紊流流动工况下，扩散燃烧的火焰核心的长度同样随扩散燃烧的火焰核心的长度同样随气体流速及燃

31、烧器管径的增加而增加气体流速及燃烧器管径的增加而增加，但其增加的程度，但其增加的程度将比层流工况下为小。将比层流工况下为小。 不论气体的流动工况为不论气体的流动工况为层流或为紊流层流或为紊流，在化学非均匀的，在化学非均匀的扩扩散燃烧过程中散燃烧过程中，其，其火焰的性质在很大程度上取决于气体的火焰的性质在很大程度上取决于气体的空气动力特性和混合过程的物理因素空气动力特性和混合过程的物理因素，而，而火焰核心的长度火焰核心的长度基本上与火焰传播的正常速度无关。基本上与火焰传播的正常速度无关。 重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E

32、Energy & nergy & E Environment, Chongqing Universitynvironment, Chongqing University第四节第四节 气体燃料气体燃料燃烧器燃烧器热能与动力工程系热能与动力工程系重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l无焰燃烧是指燃气和空气在进入燃烧室之前就预先

33、将其无焰燃烧是指燃气和空气在进入燃烧室之前就预先将其混合均匀。因其燃烧速率只取决于着火和燃烧反应速度混合均匀。因其燃烧速率只取决于着火和燃烧反应速度，它比有焰燃烧的速率快，火焰短，没有明显的火焰轮，它比有焰燃烧的速率快，火焰短，没有明显的火焰轮廓，廓，故称为无焰燃烧，属于动力燃烧故称为无焰燃烧，属于动力燃烧。一、引射式无焰燃烧器25重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongq

34、ing University l在在工业上应用最广泛的是利用引射器，以工业上应用最广泛的是利用引射器，以燃气燃气作为作为引射介引射介质质，空气空气为为被引射介质被引射介质（少数情况下也有以空气为引射介（少数情况下也有以空气为引射介质的），使空气和燃气通过引射器达到均匀混合。这种装质的），使空气和燃气通过引射器达到均匀混合。这种装置称为置称为引射式无焰燃烧器引射式无焰燃烧器，或简称引射式燃烧器，或简称引射式燃烧器。261-燃气喷口；燃气喷口；2-空气调节阀；空气调节阀；3-空气吸入口；空气吸入口；4-混合管；混合管；5-扩压管；扩压管；6-喷头；喷头；7-燃烧坑道燃烧坑道 8-坑道张角坑道张角重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing Un