预混空气燃烧方法特征之一
责任编辑：液化天然气 浏览：3478次 时间： 2008-04-15 19:29:59
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摘要:引 言在1855年德国工程师本生发明预混空气燃烧器(本生灯)以前，燃气是靠扩散混合空气的燃烧方法进行燃烧的。当时市场上主要的燃气用具是燃气灯，利用扩散燃烧的光焰来照明。当燃气灯被电灯取代后，燃气用具向加热的功能发展，尤其是在天然气成为主要气源的条件下，扩..
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引 言 在1855年德国工程师本生发明预混空气燃烧器(本生灯)以前，燃气是靠扩散混合空气的燃烧方法进行燃烧的。当时市场上主要的燃气用具是燃气灯，利用扩散燃烧的光焰来照明。当燃气灯被电灯取代后，燃气用具向加热的功能发展，尤其是在天然气成为主要气源的条件下，扩散燃烧不能满足要求。于是预混部分空气燃烧方法被广泛地用于燃气用具。由于其方法简单、结构简易、工作稳定、调节方便等优点，到目前为止大部分的燃气用具仍以预混部分空气燃烧方法为主。同时在物理界与工程界都很重视研究预混空气燃烧方法的机理，并且理论结合实际，找出热效率高、污染低、工作稳定的燃烧方法。如今在国内外市场出现的全一次空气预混、低氮燃烧器就是多年来理论结合实际的成果之一。 一.预混空气燃烧过程 在层流扩散燃烧中，由于层流扩散的速度慢，混合的不完善，因此在燃烧含碳氢化合物的燃气时，会在扩散火焰中，使碳氢化合物在无氧加热的条件下分解，产生碳微粒，结果造成光焰和不完全燃烧。如果在燃烧以前预先在燃气中混入空气，会使燃烧情况大大改善。  当燃气中混有空气时，燃气中的碳氢化合物在有氧的条件下被内焰加热，会被氧化成CH2O，根据混入空气的多少可产生如下反应：  这些反应有助于完全燃烧。因此预混空气燃烧方法很大程度改善了层流扩散燃烧。另外，预先混入空气的多少对燃烧有很大的影响。 预混空气燃烧方法有两种： 一为预混部分空气燃烧方法：当预先混入的空气量低于燃烧需要的空气量时，称为预混部分空气燃烧。我国习惯用一次空气系数(混入空气量与需要空气量的比值)表示；此外还可以用燃料当量比(燃气量与预混空气燃烧需要的燃气量的比值)表示。在预混空气燃烧情况下，一次空气系数小于1，而燃料当量比大于1。 另一是全一次预混空气燃烧方法：当一次空气系数等于或大于1时，即预混的空气量等于或大于燃气燃烧需要的空气量。这时扩散火焰不再出现，只有预混火焰。在此条件下，一次空气系数大于1，燃料当量比小于1。 二.预混空气燃烧的内焰与外焰 预混部分空气燃烧时具有两个火焰(见图1)：内焰(预混空气燃烧火焰)；外焰(扩散火焰)。 图1中的内焰是燃气与预先混入燃气中的空气燃烧所形成的燃烧带。因为开始混入的空气只是部分燃烧需要的空气(一次空气)，所以在内焰中不可能把全部燃气燃尽，在内焰的下游还有部分燃气没有燃烧。这部分燃气与周围空气(二次空气)扩散混合，当燃气与空气的混合比达到燃烧需要的当量比时，就会产生扩散式的燃烧带，即为外焰。内焰中不仅有燃气与一次空气，还有由内焰扩散过来的燃烧产物。在内、外焰之间除了来自内外焰的燃烧产物以外，还有在内焰中没有得到氧气的而未燃尽的燃气。此部分燃气向外扩散，周围的空气向中间扩散，在燃气与空气的混合比例达到燃烧要求的地方，就形成外焰。也就是说，在外焰的地方燃气与空气的混合比例必然等于燃烧反应需要的当量比。因为如果某地外焰中燃气量过大，则没有燃烧的燃气必然向外扩散，同时挡住周围空气向内扩散，使内部燃气进一步加大，直到燃气向外扩散与空气的混合比达到燃烧需要比例的地方才形成外焰，这等于将外焰向外推。 同理当外焰中空气量过大时，没有参加反应的空气会向内扩散，结果将外焰向里推，一直达到燃烧需要的比例为止。可见外焰实为扩散火焰，内焰为预混空气燃烧火焰。  预混空气燃烧火焰结构与火焰传播速度有密切关系，由于在层流及绝热条件下燃气火焰传播速度(燃烧速度)是一个稳定值，另外实际的燃烧工况大多数是在低流速，低干扰下工作的。所以首先研究层流的条件下火焰的稳定性。图2是一个层流预混空气火焰的照片。从图上看到清楚的内焰是预混空气火焰。由于一次空气系数比较大，外焰的轮廓不明显 从照片上可以看出，整个火焰类似一个锥体，其根部(锥体底)坐落在燃烧火孔上，并且其直径稍大于燃烧火孔直径。整个层流预混空气火焰可分三个区域：中间为绝热区；周边为边界区；中间中心区。 图3是分区的示意图。绝热区是与外界没有热交换。燃烧产热全部加热燃烧产物。边界区受燃烧火孔的管壁吸热影响，燃烧产生的热量没有全部加热燃烧产物。中心区是热量集中的地方，并且气流向周围扩散。根据不同情况，分别叙述如下。  三.绝热区的火焰       提出火焰开口问题，此后国内外燃烧界的学者用热和物质扩散速度的差异来分析此开口现象，并给出了该现象的数学解，以后再专题介绍。在火焰的边界与中间区都有火焰弯曲及火焰拉伸的问题。有些学者以此现象来解释火焰的稳定性。 小 结 1.将预混空气燃烧火焰分成三个区域来分析，可以更清楚地了解预混空气燃烧火焰的特征。很明显通过绝热区的分析，能进一步理解层流燃烧速度(层流火焰法向传播速度)的物理意义，以及现代测量燃烧速度的方法。 2.中心区与边界区不是绝热区，其火焰受到外界热量、质量和能量传递的影响。例如边界区的着火温度T1O要高于绝热区的着火温度T1，边界区的燃烧温度TBO低于绝热区的燃烧温度TB。只有温度、浓度与速度都达到平衡要求时，才是达到火焰稳定的基本条件。 3.要提高火焰的稳定性，必需注意火焰根部的条件：首先要保证稳定的热工条件，避免过多的散热，只有燃烧产生的热量等于散发的热量，才有稳定的火焰；其次是促使气流速度等于燃烧速度，要避免周围气体的卷入，影响可燃气流中浓度的变化。这些概念将进一步解释预混空气火焰的回火及离焰的现象，以及全一次预混空气火焰的热回火的原因。此外，还可启发设计者开发工作范围大的新型燃烧器的思路。 参考文献 1.Combustion , Flame & Explosions of Gases Bernard Lewis & Guenther von Elbe Explosives and Physical Science Division, U.S. Bureau of Mines, Pittsburgh, Pa.. 1961. 2.用激光多普勒流速仪测量燃烧速度 金志刚 天津大学学报 P.82-93 1981 |
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