第四章 燃气燃烧方法

第四章燃气燃烧方法燃烧反应时间：τ=τph

+τch1、当τ≈τph时，燃烧在扩散区进行。2、当τ≈τch时，燃烧在动力区进行。第三章燃气燃烧方法第一节扩散式燃烧第二节预混式燃烧第三节燃烧过程的强化与完善第一节扩散式燃烧特点：α´=0，火焰燃烧速度低，强度小，火焰稳定。α´——预先混入燃气中的空气与理论燃烧空气之比。

α´=V´/V0。一、层流扩散火焰层流扩散火焰的结构层流扩散火焰的相似模型层流扩散火焰的长度燃气和空气之间的扩散率M

对于上述两种相似情况，扩散率之比

在Ll和L2距离内，两股气流接触表面之比浓度梯度与直径成反比

得

而

或即

二、湍流扩散火焰三、扩散火焰中的多相过程1、光焰2、光焰出现的原因3、火焰辐射1、光焰2、光焰出现的原因3、火焰辐射图4-5加入重油对辐射率的影响A—重油100%B—重油40%C—重油20%D—重油10%E—重油0%

第二节预混式燃烧一特点：

0＜α´＜1

，火焰燃烧速度比扩散燃烧时大，强度较大，气流速度过大过小都会发生不稳定现象。一、预混层流火焰结构二、预混火焰的不稳定现象1、回火火焰缩回火孔熄灭的现象。2、脱火火焰被吹离火孔熄灭的现象。3、离焰火焰被吹离火孔而在离火孔较远地方燃烧的现象。三、预混层流火焰的稳定条件第一个基本条件——余弦定律：第二个基本条件：在火焰的根部必须有一个固定的点火源，且该点火源应具有足够的能量。四、预混层流火焰的稳定机理速度离开火孔壁的距离气流速度火焰传播速度火焰正常燃烧时，S与υ满足火焰稳定的两个基本条件。1、气流速度减小的情况速度离开火孔壁的距离气流速度火焰传播速度气流速度减小，在一定范围内，燃烧速度也相应减小，在更靠近火孔的位置达成新的稳定。1、气流速度减小的情况速度离开火孔壁的距离气流速度火焰传播速度气流速度进一步减小，到火焰燃烧速度不能相应减小时，火焰缩入火孔熄灭。

由于火焰上部分υ<s，火焰缩回火孔，点火环消失而火焰熄灭的现象。回火状态回火2、气流速度增大的情况速度离开火孔壁的距离气流速度火焰传播速度在一定范围内气流速度增大，燃烧速度也相应增大，火焰在更远离火孔的位置达成新的稳定。2、气流速度增大的情况速度离开火孔壁的距离气流速度火焰传播速度气流速度继续增大超过一定范围，燃烧速度不能相应增大，火焰被吹离火孔熄灭。脱火

由于整个火焰上υ>s，火焰被吹离火孔，点火环消失而火焰熄灭的现象。脱火状态离焰

火焰被吹离火孔而在离火孔较远地方燃烧的现象。可理解为脱火前的极限状态。离焰状态五、火焰稳定范围由脱火浓度极限、回火浓度极限、一氧化碳生成浓度极限构成的火焰正常燃烧的范围。影响火焰稳定的因素1、浓度浓度越大，脱火极限越高，因为火焰根部耐冷空气的冲击性越强。2、火孔直径直径越大，相对散热越小，s越大，越易回火，而越不易脱火。3、燃烧速度ss越大越易回火，而越不易脱火。六、部分预混紊流火焰的稳定1、辅助小火焰稳焰法2、钝体稳焰法1、辅助小火焰稳焰法辅助小火焰的火孔可降低气流速度，从而在局部区域保持υ=s，起到点火环的作用，稳定整个火焰。

2、钝体稳焰法钝体稳焰原理钝体在火焰中使气流形成回流区高温回流区向前的速度小，可形成点火区域，稳定整个火焰。七、完全预混式燃烧及其稳定特点：

α´>1，火焰燃烧速度大，强度大，火焰极不稳定。火焰稳定措施：1、小火孔防止回火。2、水冷防止回火。3、火道防止脱火。1、小火孔防止回火原理：利用火焰不能传播的熄火距离的原理阻止火焰回火。2、冷却法防止回火原理：冷却火孔以降低火孔出口的火焰传播速度，从而防止回火。3、火道防止脱火原理：火道底部的高温回流区作为点火源，使火焰能稳定燃烧。第三节燃烧过程的强化与完善燃烧过程的强化：指以某种方式提高燃烧速度，缩小燃烧空间。燃烧过程的完善：指减少燃烧污染和燃烧噪声。一、强化燃烧的方法1、预热燃气和空气可提高燃烧温度，从而增加燃烧强度。2、加强气流紊动可提高气流混合速度，从而缩短燃烧时间，增加燃烧强度。3、高温烟气再循环可提高燃烧温度，从而增加燃烧强度。旋流数不同时热流强度的变化S=0.2S=0.56S=1.27二、燃烧污染控制CO毒性很大，它与人体内血红蛋白的结合力大于O2与血红蛋白的结合力，使血液中的氧合血红蛋白减少而造成人体缺氧，引起内脏出血、水肿及坏死，最后导致死亡。CO2通常在人体血液中的分压高于肺泡中的分压，故血液中的CO2弥散到肺泡中去，通过呼吸排出体外。空气中的CO2含量增加而使其在肺泡中的分压超过血液中的分压时，空气中的CO2可迅速地散入血液中，使人中毒亦可导致死亡。二、燃烧污染控制SOx主要对呼吸道和眼睛具有强烈的刺激作用，大量吸入会引起肺水肿、喉痉挛直至窒息。NOx在日光照射下与光化学反应形成有毒的烟雾污染大气环境。并且NOx本身具有很大的毒性，当人们长时间处于含量大于5×10-3%环境中可导致死亡。1、SOx的控制气体燃料中的S以气态H2S的形式存在，天然气中的含硫量一般小于1%。SOx的生成特点如下：（1）燃烧生成的主要产物是SO2和SO3。但SO3很少。（2）由于SO2生成温度不高，所以在O2充足的条件下，燃料中的S会全部生成SO2；（3）在缺氧的条件下，部分有机硫会分解，生成S、H2S、SO；（4）在O2过剩的条件下，燃烧生成的SO2部分转化为SO3，而SO3很容易生成H2SO4。（5）烟气中的水蒸气与SO3结合生成硫酸蒸气。

影响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）过剩空气系数越大，SO3的生成量越多；（3）火焰中心温度越高，生成的SO3越多，因为温度越高，O2的分解越厉害，离子氧量越大，易与SO2反应生成的SO3。（4）烟气停留时间越长，SO3生成量越多。（5）对流受热面上的积灰和氧化膜越多，SO3生成量越多，因为积灰和氧化膜具有催化作用。综上所述，希望依靠改善气体燃料的燃烧过程来控制SOx生成是很困难的，而最有效的控制措施是减少燃料中S的含量。

2．CO与CO2的控制CO是燃烧产物中发现最早的污染物之一。对于CnHm，简化的燃烧反应模型如下：（1）CnHm+n/2O2=nCO+m/2H2

（2）CO+OH=CO2+H

从上述反应可知，燃烧过程中，所有C都首先形成CO。所以，控制CO应集中于如何使CO再完全氧化。并且，CO与O直接进行的氧化反应速度很慢，许多情况下可以忽略不计。在烃燃料火焰中，通常OH的浓度较高，而CO转化为CO2几乎全部依赖于上述第二个反应。

根据上述分析可知，控制CO的最有效措施是提供足够的O2，并使燃料与O2充分接触燃烧生成CO2。虽然在正常通风条件下燃烧排放的CO2不会造成人体的急性中毒，但CO2是一种温室气体，而伴随人类使用化石能源，就会燃烧排放出大量CO2。所以减少CO2排放的最有效途径不在于控制燃烧过程本身，而是应该尽可能减少含碳能源的使用，注重节能及无碳新能源的开发利用。3．NOx的控制氮氧化物主要指N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5等，除NO2以外，其他氮氧化物均极不稳定，遇光、湿或热变成NO2及NO，NO又变为NO2，因此，氮氧化物污染主要是NO和NO2，并以NO2为主，二者统称为NOx。燃烧过程中产生的几乎都是NO和NO2，在通常的燃烧温度下，NO占90%以上，NO2仅占5%～10%，其中NO2是NO在低温下氧化生成的，NO排入大气后氧化成NO2。（1）NOx的生成机理NO分为热力型NO、快速型NO、燃料型NO。热力型NO：指燃烧用空气中的N2在高温下氧化而生成的NO。当温度超过1700K时，随着温度的升高，NO的生成量急剧增大。快速型NO：指碳氢系燃料在过剩空气系数小于1的情况下，在火焰面内急剧生成的NO。在一般空气过剩的燃烧中，快速型NO与热力型NO相比少得多。燃料型NO：燃料中的含氮化合物在燃烧过程中与O2反应生成的NO。燃料型NO主要是含氮燃料（例如煤、油）燃烧的产物，城市燃气中一般不含燃料氮，所以不必考虑燃料型NO。

不同预热温度下NO排出量与过剩空气系数的关系

（2）减少NOx生成量的措施减少NOx生成的主要途径是降低火焰温度和减少过剩空气量。

大部分NOx是在主燃烧区2和其后的混合区3内形成降低NOx发生量的燃烧设计原则：（a）减少气体在高温点火区和稳焰区的停留时间；（b）降低主燃烧区的温度；（c）让温度较低的烟气和炽热的燃烧产物尽快混合；（d）将炉膛温度维持在一个适当的水平。

三、燃烧装置噪声与控制1．噪声的来源2．噪声的消除和控制1．噪声的来源（1）风机噪声（2）气流噪声（3）火焰噪声

（4）燃烧振荡噪声

（5）非正常燃烧噪声

（1）风机噪声风机噪声包括空气动力性噪声和机械性噪声。空气动力性噪声：由周期性的气流旋转噪声和涡流噪声组成。气流旋转噪声：鼓风机叶轮在一定压力条件下旋转时，周期性地挤压气体并撞击气体分子，导致叶轮周围气体产生速度和压力脉动，并以声波的形式向叶轮辐射，产生周期性的排气噪声。涡流噪声：叶轮高速旋转时，其表面会形成大量的气体涡流，气体涡流从叶轮界面上分离而产生涡流噪声。机械性噪声：鼓风机的机械性噪声，主要是由齿轮或皮带轮传动以及由于风机装配精度不高、机组运转时不平衡所产生的冲击噪声与摩擦噪声。还有电机的冷却风扇噪声、电磁噪声。风机排气管与调节阀在整个机组运行时会产生强烈的噪声。特别在调节阀处，由于气流速度高，产生紊流噪声。鼓风机噪声通过进(排)气口、管道、调节阀、机壳以及传动机械等各部位辐射出来。

（2）气流噪声喷嘴流出的燃气向相对静止的气体中扩散时，气流方向和流束截面突然变化，会引起很大的噪声；喷嘴有毛刺或孔口粗糙不圆时，气流经喷嘴收缩便产生了偏位噪声；燃气流出喷嘴后，在与周围空气进行强烈混合的过程中还产生射流噪声，其强度正比于υ18Fj；引射器工作时，如果混合管粗糙或有毛刺，气流通过时也要产生噪声；喷嘴到喉部的距离不合适、一次空气吸入口的形状和尺寸不合适，也会产生噪声。实验证明，一次空气吸入口采用大孔比开一些小孔产生的噪声少。

（3）火焰噪声火焰噪声是由于燃烧反应的波动引起的局部区域流速和压力变化而产生的。均匀混合的层流火焰是无声的。火焰噪声来源于气流的紊动和局部区域组分不均匀。燃烧室的形状与大小、燃烧器的布置方式对燃烧噪声也有显著影响。燃气性质对噪声的产生也具有重要影响。在燃料供应量相同时，处于化学当量比燃烧的火焰噪声最大。

（4）燃烧振荡噪声燃烧振荡噪声是燃烧装置的声抗特性造成的：气流流过燃烧器、燃烧室和烟道时，可产生某种单一频率的驻波(发送出去的振动波与由固定壁返回的相同振动波相叠加而形成等距波节，波节两端各点位置始终不变，这样的波看起来并不向前传播，叫驻波)，而驻波与火焰相互作用，引起燃烧过程的规则脉动，从而产生一种很强的单频噪声。这种噪声可能与燃烧系统中某个部件的自然振动频率相吻合，进而引发共振。例如一对燃烧器的相邻火管，单用一个时没有什么噪声，而当两个火管同时使用时就发出很大的噪声。（5）非正常燃烧噪声若点火器失灵或点火方法不正确，往往不能及时将逸出的燃气点燃，致使在燃烧器外的空间中预先积聚了相当容积的燃气与空气混合气体，一遇火源则会产生爆鸣噪声。燃烧过程产生回火时，先出现一个回火噪声。如果在喷嘴附近管路中燃烧则会不断地产生噪声。突然关闭燃气阀门，随着火焰熄灭也会发出灭火噪声。焦炉煤气比天然气和液化石油气更容易产生灭火噪声。

产生灭火噪声的两种情况第一种情况是燃烧器在A点工作。突然关闭阀门时，其热强度沿A-B线急速下降，工作点便移到回火区的B点，这时火孔上还存在残余火焰，便将燃烧器内部余气点燃，从而引起灭火噪声。第二种情况是燃烧器在C点工作。如果在关闭燃气阀门的同时，也关闭空气吸入口，则热强度沿C-E线减少，不会产生灭火噪声。但实际上在关闭燃气阀门时空气吸入口并不关闭，由于残余混合气的动量还会吸入空气，使一次空气系数突然增大，故热强度沿C-D线减少。当到达回火区D点时，火孔上尚有余火，便将燃烧器内部余气点燃，因此也可能发生灭火噪声。B、D两点的区别是B点的灭火噪声在关闭阀门的同时产生，而D点的灭火噪声则在关闭阀门以后产生。2．噪声的消除和控制1）控制声源

2）控制噪声的传播

1）控制声源(1)提高风机装配的精确度，消除不平衡性。选用低噪声的传动装置，避免电机直联而又无声学处理。采用合适的叶轮形状和降低叶轮转速可减少旋转噪声。对于已定风机，应当准确安装并注意维修保养以减少机械噪声。

1）控制声源(2)改变喷嘴形状可减少噪声的产生。花形喷嘴和多孔喷嘴较单孔喷嘴产生的噪声小。这是由于射流相互干扰使射流起始段的特性发生变化的结果。1）控制声源(3)减少燃烧器热负荷，可以减少噪声。1）控制声源(4)较小的火孔是消除灭