燃燒學及原理

1、燃燒學及原理現(xiàn)代的工業(yè)爐大部分都以燃料作為爐子熱能來源，對于燃燒過程的評價及其特點的分析，從總的來說可以歸納為以下幾個方面的主要問題：（ 1）燃燒溫度：燃燒溫度應滿足爐內(nèi)被加熱鋼料對爐溫的要求。（ 2）燃燒速度：它影響著爐內(nèi)溫度的高低和高溫區(qū)集中的程度。燃燒速度的特性指標是燃燒室容積熱強度、簡稱“燃燒強度”，它表示單位容積內(nèi)單位時間完全燃燒掉的燃料量（米3/米 3? 小時、千克/米 3? 小時或千焦/米 3? 小時） ，燃燒強度大，說明燃燒速度快（或用火焰?zhèn)鞑ニ俣缺硎荆?，火焰短，高溫區(qū)集中。（ 3）燃燒完全程度：它影響到爐內(nèi)溫度，爐內(nèi)氣氛和燃料消耗量以及對大氣的污染程度等。燃燒完全程度一般由爐

2、內(nèi)氣體成分或煙氣成分決定。假如可以用煙氣中化學損失來表示，也可用“燃燒完全系數(shù)”表示。爐內(nèi)氣氛的特點經(jīng)常用CO/CO2口 H/H2O等氣體成分的比值來表示。（ 4）燃燒的穩(wěn)定性和可調(diào)性：為了調(diào)節(jié)燃燒裝置的燃燒能力。在所要求的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，燃燒過程應當穩(wěn)定進行，比如要保持火焰的連續(xù)性，不回火，不脫火， 不爆炸， 不滅火。 每種燃燒裝置都允許一定的調(diào)節(jié)范圍，其大小通常用 “調(diào)節(jié)倍數(shù)”或簡稱為“調(diào)節(jié)比”來表示。一、燃燒溫度1、燃燒溫度的概念燃燒溫度即燃料燃燒時生成的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物（煙氣或爐氣）所能到達的溫度。在實際條件下燃燒溫度與燃料種類，燃料成分（即發(fā)熱量），燃燒條件（指空氣、 煤氣蓄熱情況）以及傳熱

3、條件等因素有關?？偲饋碚f無非是決定于燃燒過程中的熱平衡關系。如果收入的熱量大于支出的熱量則將反映出燃燒溫度逐漸升高。 反之則將反映出燃燒溫度逐漸下降直到熱平衡時燃燒溫度才會穩(wěn)定下來。由此看來燃燒溫度實質(zhì)上就是一定條件下有熱平衡所決定的某種平衡溫度。所以分析燃燒過程中熱收入和熱支出的平衡情況，從中找出估算燃燒溫度的方法及提高燃燒溫度的具體措施。根據(jù)能量守恒和轉(zhuǎn)化規(guī)律可知：燃燒過程中燃燒產(chǎn)物的熱收入和熱支出必然相等。熱收入各項有：燃料燃燒的化學熱（燃料的低發(fā)熱值）蓄熱空氣的物理熱Q空=Ln? c空？ t空燃料帶入的物理熱Q燃=c燃？ t燃熱支出各項有：燃燒產(chǎn)物所含的熱量Q產(chǎn)=vn? c產(chǎn)？ t產(chǎn)由

4、燃燒產(chǎn)物向周圍介質(zhì)的散熱損失以 Q介表示，它包含爐墻的全部熱損 失，加熱金屬和爐子構件等的散熱損失。燃料不完全燃燒損失的熱量以 Q不表示，它包括化學性不完全燃燒損失 和機械性不完全燃燒損失兩項。高溫下燃料產(chǎn)物熱分解損失的熱量以 Q分表示。因為熱分解是吸熱反應， 故要損失部分熱量。若壓力為 525大氣壓，則1500c以下水和二氧化碳不會 分解，而只有當溫度高于2300時才產(chǎn)生強烈熱分解當上述的熱量收入與支出達到熱平衡相等時則其對應的燃燒產(chǎn)物的溫度比定為某一定值t 產(chǎn)。由于影響t產(chǎn)的因素很多，特別是 Q分在實際條件下很難確定。即使在同一個燃料的低發(fā)熱量下由于燃燒條件不同則所得到的燃燒溫度也不一樣，

5、為了從燃燒溫度的角度來分析說明問題，便把燃燒溫度區(qū)分為：絕對理論燃燒溫度，理論燃燒溫度，實際燃燒溫度和量熱計溫度，它們的定義分別表述如下：絕對理論燃燒溫度：指燃料在理想的絕熱條件下實現(xiàn)完全燃燒時的溫度，即它不考慮一切熱損失下的燃燒溫度。它是作yong 平衡計算所必需的。理論燃燒溫度：不考慮不完全燃燒損失和向介質(zhì)的散熱損失條件下燃料完全燃燒后放出的熱量均為燃燒產(chǎn)物全部吸收、所能到達的最高溫度。理論燃燒溫度是燃燒過程的重要指標，它表明某種成分的燃料在一定的燃燒條件下（量、空氣預熱溫度、煤氣余熱溫度）煙氣所能達到的最高溫度。因為加熱爐條件下熱分解并不十分強烈，而Q 分在一定的實際情況下計算十分復雜同

6、時還很不準確（因分解都很難確定），故一般情況下都把它忽略不計，因而實際上的理論燃燒溫度就被當成了絕對理論燃燒溫度了。事實上兩者并非同一概念。實際燃燒溫度指在實際條件下燃料燃燒后的溫度，也就是把一切實際損失都考慮后所得的燃燒產(chǎn)物溫度。對于一定的爐子通過長期生產(chǎn)實踐總結后， 可以找到實際燃燒溫度小于理論燃燒溫度的值大約在某一范圍內(nèi)波動。爐溫系數(shù)”：通常說的爐溫的概念與上述的實際燃燒溫度是不同的。通常說的“爐溫”實質(zhì)上是燃燒產(chǎn)物、被加熱物和爐壁三者溫度的中間值，而不是代表燃燒產(chǎn)物的溫度。但是在實踐中通常把爐溫當成實際燃燒溫度，并把實際燃燒溫度與理論燃燒溫度的比值用”表示稱之為爐溫系數(shù)。爐溫系數(shù)還代表

7、著爐子的溫度特性量熱計溫度：由于實際燃燒溫度和理論燃燒溫度都受到燃燒條件影響，故它們都不能單獨從燃燒溫度角度反映出燃料的性質(zhì)。為了從燃燒溫度高低來直接評價燃料的質(zhì)量便提出了所謂量熱計溫度。即它僅僅由燃料的低發(fā)熱值對燃燒產(chǎn)物得出的熱平衡方程而不考慮其他一切因素影響時的燃燒溫度。二、提高燃燒溫度的途徑參照熱平衡方程式提高爐溫系數(shù)對連續(xù)加熱爐具爐溫系數(shù)一般為0.700.85。當爐子生產(chǎn)率 P=50A 600千克/米2時，其爐溫系數(shù)=0.700.75,而當P=200-300千克/米2時，其爐溫 系數(shù)為0.750.85。這說明爐溫系數(shù)是隨著爐子生產(chǎn)率的增高而降低。在爐子 熱負荷增加時，爐溫系數(shù)升高，另外

8、，加快燃燒速度，盡量保證完全燃燒和提高火焰的輻射能力以及對爐子的絕熱密封等措施都能使爐溫系數(shù)升高，而導致燃燒預熱空氣與燃料這對提高燃燒溫度的效果最為明顯，特別是預熱空氣效果更突出。因空氣量大。 預熱溫度由不受限制，燃料的預熱溫度要受到碳氫化合物分解溫度、安全和燃料的燃點以及重油山點的限制（高爐煤氣不受限制）。選用高發(fā)熱值燃料增加燃料低發(fā)熱值可以提高實際燃燒溫度。但要看到低發(fā)熱值的增大和實際燃燒溫度是不成正比的，當?shù)桶l(fā)熱值增大到一定值后，再增大低發(fā)熱值其對應 的理論燃燒溫度幾乎不再增高。這是因為此時相應地燃燒產(chǎn)物量也隨低發(fā)熱值的 增大而增大的結果。幾種燃料的發(fā)熱溫度（t量）燃料名稱低發(fā)熱值（KJ

9、/m3）燃燒溫度（C）理論燃燒產(chǎn)物量低發(fā)/產(chǎn)物量高爐煤氣417414871.672499焦爐煤氣1666420704.823457高焦混合煤氣837418242.723079水煤氣1066022102.743891天然氣35171204010.423375i表示每立方米理論燃燒產(chǎn)物的熱含量。隨著低發(fā)熱值的增高，i值增大時則燃料的發(fā)熱溫度也隨之增加，如表中的高爐煤氣變成焦爐煤氣或混合煤氣時 就很明顯。而天然氣的發(fā)熱量比水煤氣高3.3倍，但其發(fā)熱溫度反而比水煤氣的 發(fā)熱溫度低170C,其原因就是天然氣的i值比水煤氣的i值小了 516千焦/米3 所致。于是得到以下結論：即各種燃料的理論燃燒溫度（在燃

10、燒條件相同時）與其說與燃料的低發(fā)熱 值有關，還不如說主要取決于單位理論燃燒產(chǎn)物的熱含量 i的大小。一般來說無 論什么樣的燃料其i值越大則相應它的理論燃燒溫度就越高。盡量減少煙氣量在保證完全燃燒的基礎上，盡量降低實際煙氣量是提高理論燃燒溫度的有 效措施。具體來說就是：選用空氣消耗系數(shù)n小的無焰燒嘴或改進燒嘴結構，加 強熱工測試，安裝檢測儀對爐溫、爐壓和燃燒過程進行自動調(diào)節(jié)等都能使實際煙 氣量降低，從而提高實際燃燒溫度。三、氣體燃料的燃燒過程氣體燃料的燃燒就是燃料中可燃氣體分子與空氣中的氧分子進行急烈氧 化反應的過程。任何氣體燃料（簡稱煤氣）就其本質(zhì)來說它的燃燒過程都可以分 為三個階段：（1）煤氣

11、與空氣的混合，（2）煤氣與空氣混和物著火，（3）空氣中 的氧與煤氣中的可燃物進行并完成燃燒反應。這三個階段雖然彼此不同但是卻是緊密聯(lián)系互為促進的。在加熱爐內(nèi)這三 個階段（即混合，著火和正常燃燒）實際上往往是同時存在的，相互制約并連續(xù) 進行的。其中混合過程屬于物質(zhì)的擴散過程。 它主要由物理方面的因素決定，一般是三個階段中的最慢者即控制性環(huán)節(jié)，著火與正常燃燒反應屬于傳熱和化學過程的綜合現(xiàn)象，一般來說較快屬于非控制性環(huán)節(jié)，它主要取決于化學動力方面的因素。1、氣體燃料的燃燒過程1）煤氣與空氣的混合及其影響因素保持煤氣中可燃物分子與空氣中氧分子充分接觸混合良好，是實現(xiàn)煤氣正常燃燒的前提，即混合的好壞以及

12、混合速度的快慢對煤氣的燃燒速度與火焰的長短有直接重大影響。在煤氣燒嘴中混合，實質(zhì)上是煤氣射流與空氣射流的混合，它是一個紊流擴散與機械參混得過程。兩氣體射流混合時，在射流斷面上兩種氣體互相擴散，各自的濃度在燒嘴出口處最不均勻，而后靠擴散混合作用迫使?jié)舛融呌诰鶆?。從濃度不均勻到均勻所?jīng)歷的路程最短則說明混合越快。故在討論混合速度中常以達到某一濃度值所需要的射流長度，或以在某一射流長度斷面上所能得到的濃度均勻程度為其特性指標。按照射流的基本規(guī)律和一些實驗研究結果對兩股射流混合影響的主要因素是：煤氣與空氣的流動方式：比如煤氣噴射到靜止的空氣中；煤氣與空氣互相平行流動；煤氣與空氣一定的角度a相遇；煤氣與

13、空氣呈旋轉(zhuǎn)運動等；實驗證明：在其它條件相同時，平行流動時的混合速度最慢，燃燒后得到的火焰也就最長且溫度亦較低，這些都表明其混合程度很差。使煤氣與空氣流股有一定夾角，而且是兩射流的夾角越大越有利于混合。這是因為兩射流相遇處產(chǎn)生了新的脈動質(zhì)點使紊流擴散加強了，同時還有機械參與混合作用都促進了氣體的混合。 旋流中氣體分子的運動行程比直流式長，因而加強了氣體分子間的動量交換和縮短了擴散時間。加上旋轉(zhuǎn)氣體的紊流程度又很強烈，所以在相同的空間距離內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流的混合程度最好。氣流速度在層流情況下混合是通過擴散的方式進行的，這時與氣流速度無關。故流速越大射流越長即火焰越長（1-4 米 /秒） ，當流速增大到一定

14、值（4-7 米 /秒）后氣體開始向紊流狀態(tài)過渡，此時除了分子擴散混合外，氣體微團徑向紊流脈動的機械參混作用即紊流擴散作用加強了，而且是隨著流速的增加而增加的。所以使混合變好因而火焰長度縮短了，速度再增大氣流進入完全紊流狀態(tài)后，這時紊流擴散速度基本上隨著氣流速度成正比關系增加，所以火焰長度穩(wěn)定下來不再隨氣流速度的增加而改變（7-8 米 / 秒） 。氣流相對速度（速度差）對平行流動的兩射流而言，氣流的速度差越大，混合就越快，故增加煤氣和空氣的速度差是有利于混合的。在流量不變時，加快空氣流速可以促使其在煤氣射流中盡快混合，從而使煤氣流股中的氧氣濃度達到燃燒反應的需要，即加快了燃燒而使火焰相應縮短一些

15、。氣流直徑氣流直徑越大則完成混合所需時間越長，因而火焰越長。射流的噴口直徑越小則射流中心線上的混合越快。這是因為射流質(zhì)點達到中心射流所需要穿過的路程越小，故有利于混合的加快。比如采用多噴口，細流股，扁平或橢圓流股的燒嘴等均可加速煤氣與空氣的混合，從而使燃燒強度提高。煤氣的發(fā)熱量在其它條件不變下，發(fā)熱量越高則需要的助燃空氣量越多，因而減慢了混合，若不加以改善混合條件就會使火焰拉的很長?？諝庀南禂?shù)n在加熱爐操作中可通過調(diào)節(jié)空氣閘門開度來實現(xiàn)對火焰長短的調(diào)節(jié)，增大n 值能使混合加快，使火焰變短些，反之，減少n 值則可使火焰拉長些，一些火焰長短可調(diào)燒嘴就是利用此原理。當爐子由較低的發(fā)熱量燃料改較高發(fā)

16、熱量的燃料時， 為了保證完全燃燒不致使火焰拉的過長，相應必須從燒嘴結構上加以改革或另選混合條件好的燒嘴。以上主要因素和基本規(guī)律概括了影響煤氣與空氣混合過程的全部內(nèi)容。這些影響混合的基本因素可以作為鑒別燒嘴特點的依據(jù)。2）煤氣及空氣混合物的加熱、著火經(jīng)過充分混合后可燃混合物并不能立即著火燃燒。只有把煤氣、空氣加熱到一定溫度后才能著火進行燃燒反應。這一定溫度成為燃料的“著火溫度”。所謂著火溫度即可燃混合物開始自動加速反應，達到著火狀態(tài)的最低溫度。按對可燃氣體混合物加熱方式的不同，著火可分為：自然著火和強迫著火兩大類。自然著火：由于熱量的積累而使容器中的可燃氣體混合物同時全部達到著火溫度的稱為自然著火（如煤氣爆炸）強迫著火：是目前工業(yè)爐內(nèi)燃燒技術中廣泛采用的著火方式，