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第3章燃料燃燒與設(shè)備鍋爐由“鍋”和“爐”兩部分組成，燃料在“爐”內(nèi)燃燒，釋放熱量并傳遞給相應(yīng)的“鍋”。燃燒設(shè)備的優(yōu)劣很大程度上決定了鍋爐的熱力性能、污染排放性能等。本章主要介紹鍋爐內(nèi)完成燃燒過(guò)程的設(shè)備，包括燃燒器、燃燒室、爐排等。3.1燃燒過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)原理

了解燃料的燃燒過(guò)程有助于合理選擇和利用不同的燃燒方式。為了掌握燃料的燃燒過(guò)程及其特性，需要清楚燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)。3.1.1燃燒化學(xué)反應(yīng)速率作為一種氧化反應(yīng)，燃燒反應(yīng)的快慢直接關(guān)系到燃燒過(guò)程，通常采用化學(xué)反應(yīng)速率描述反應(yīng)過(guò)程的快慢。以甲烷燃燒為例(式(31))，甲烷和氧的量隨時(shí)間不斷減少，生成的二氧化碳(CO2)則不斷增多。單位時(shí)間內(nèi)甲烷濃度的變化量即化學(xué)反應(yīng)速率vCH4(mol/s)。

CH4 2O2CO2 2H2O(31)

化學(xué)反應(yīng)速率通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并用以下質(zhì)量作用定律計(jì)算：

vCH4=kCxCH4CyO2(32)

式中的冪指數(shù)x和y需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，二者之和(x y)稱為反應(yīng)級(jí)數(shù)ξ，是一個(gè)綜合反映化學(xué)反應(yīng)速率與物質(zhì)濃度C的關(guān)系的參數(shù)。比例系數(shù)k是反應(yīng)速率常數(shù)。質(zhì)量作用定律的物理含義就是化學(xué)反應(yīng)速率的快慢與當(dāng)時(shí)存在的反應(yīng)物質(zhì)的濃度成正比。實(shí)際上，除了濃度以外，反應(yīng)速率還受到溫度、壓力等許多因素的影響，并且都集中體現(xiàn)在反應(yīng)速率常數(shù)k上。k一般可以用1889年提出的阿累尼烏斯(Arrhenius)定律計(jì)算：

k=k0exp(－E/RT)(33)

式中，T是反應(yīng)溫度，R是摩爾氣體常數(shù)，活化能E是衡量物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)能力的一個(gè)物性參數(shù)。一般化學(xué)反應(yīng)的活化能為42～420kJ/mol，活化能小于42kJ/mol的反應(yīng)速度極快，大于420kJ/mol的反應(yīng)緩慢，可認(rèn)為不發(fā)生反應(yīng)。函數(shù)exp(-E/RT)揭示了化學(xué)反應(yīng)速率隨溫度提高而增加的趨勢(shì)，要想保持并強(qiáng)化燃燒過(guò)程，在燃燒設(shè)備中必須保障有足夠高的燃燒溫度，并且克服諸如散熱等因素的影響。在氣相燃燒化學(xué)反應(yīng)中，壓力的改變會(huì)引起反應(yīng)物質(zhì)濃度的變化，因而直接影響化學(xué)反應(yīng)速率。如果將式(32)中甲烷和氧的濃度改用體積分?jǐn)?shù)ε來(lái)表示，并把它們看成是理想氣體，就會(huì)發(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)速率v與壓力p的ξ次冪成正比，即

vCH4=kεxCH4εyO2(p/RT)ξ(34)

由此可見(jiàn)，反應(yīng)級(jí)數(shù)ξ越高，提高壓力就越有利于反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)由于密度增加，還帶來(lái)了反應(yīng)裝置尺寸縮小等一系列好處。例如，在高壓條件下CO的反應(yīng)速率比較快，低熱值煤氣高壓燃燒時(shí)，燃燒產(chǎn)物中的一氧化碳含量比低壓燃燒時(shí)低得多。由式(32)還可以看出，燃料與氧化劑的成分之間存在一個(gè)配比關(guān)系，促使化學(xué)反應(yīng)速率趨于較大，偏離這個(gè)配比關(guān)系，將削弱反應(yīng)速率，當(dāng)燃料過(guò)稀或過(guò)濃時(shí)，會(huì)使燃燒過(guò)程無(wú)法進(jìn)行下去。在純氧燃燒條件下，配比是由化學(xué)平衡式計(jì)算而得的關(guān)系配比，稱為“化學(xué)當(dāng)量比”； 而改用空氣作為氧化劑的話，化學(xué)反應(yīng)速率則降低為原來(lái)的(21%)y。事實(shí)上，為了保障燃料在空氣中高速燃燒，必須通過(guò)提高空氣供應(yīng)量來(lái)使實(shí)際的氧含量達(dá)到應(yīng)有的化學(xué)當(dāng)量比，同時(shí)使過(guò)量空氣系數(shù)α趨于1，這樣可以獲得化學(xué)反應(yīng)速率而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化燃燒。由于配比關(guān)系和配比方式的變化，燃燒現(xiàn)象可呈現(xiàn)出不同的發(fā)展方式，如預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒，這兩種燃燒方式在燃燒設(shè)備中都是常見(jiàn)的。從化學(xué)反應(yīng)角度來(lái)看，提高燃燒反應(yīng)的溫度是強(qiáng)化燃燒過(guò)程的主要手段，常溫下溫度每提高10℃，反應(yīng)速率提高2～4倍。適當(dāng)增高反應(yīng)過(guò)程的壓力，也有利于強(qiáng)化燃燒過(guò)程。在組織燃燒過(guò)程時(shí)，除了反應(yīng)溫度和壓力，還要注意燃料與氧化劑的配比關(guān)系，從常規(guī)燃燒的角度看，這種配比關(guān)系當(dāng)然應(yīng)當(dāng)盡量接近化學(xué)當(dāng)量比。3.1.2燃燒形式的分類第2章介紹了氣體、液體、固體三種常見(jiàn)的燃料，圖3.1簡(jiǎn)要給出了氣、液、固這三種燃料的燃燒形式和相互關(guān)系。了解和掌握基本的燃燒形式及其相互關(guān)系，并考慮不同燃燒現(xiàn)象的特殊性，有助于進(jìn)一步分析燃燒設(shè)備內(nèi)復(fù)雜的燃燒過(guò)程。

圖3.1不同燃料的燃燒形式與相互關(guān)系［4］

由圖3.1可知，氣體燃燒是最基本的燃燒形式，而其他燃料在燃燒之前都要?dú)v經(jīng)不同的物理過(guò)程，通過(guò)蒸發(fā)與汽化等環(huán)節(jié)才能達(dá)到燃燒狀態(tài)。氣體燃料燃燒又可以根據(jù)氧氣與燃料的混合過(guò)程分為火焰?zhèn)鞑ズ蛿U(kuò)散燃燒兩種形式。如果氧氣與燃料在燃燒之前就已經(jīng)混合形成可燃混合物，燃燒過(guò)程則是以火焰?zhèn)鞑サ男问竭M(jìn)行； 如果二者邊混合邊燃燒，則構(gòu)成所謂的擴(kuò)散燃燒。在實(shí)際燃燒過(guò)程中，往往不能區(qū)別出這兩種燃燒形式。液體燃料在燃燒之前受熱并升溫，由于汽化溫度遠(yuǎn)低于燃燒溫度，因此首先進(jìn)行的是蒸發(fā)與汽化過(guò)程，產(chǎn)生的燃料蒸氣與氧氣混合后才能實(shí)現(xiàn)燃燒。固體燃料中有水分、可燃揮發(fā)分和固定碳，在升溫過(guò)程中同樣要發(fā)生水分蒸發(fā)和揮發(fā)分逸出過(guò)程。不同燃料的燃燒過(guò)程都包含了與氣體燃料燃燒相同的環(huán)節(jié)。困難的是，實(shí)際燃燒中的物理、化學(xué)過(guò)程錯(cuò)綜交織，需要區(qū)別對(duì)待、具體情況具體分析。3.2流體燃料燃燒與固體對(duì)應(yīng)，氣體和液體都是流體，因而氣體和液體的燃燒可統(tǒng)稱為流體燃燒，流體燃料的燃燒有共性，由于密度、形態(tài)差異，也有差別。下面分別介紹氣體燃燒和液體燃燒。3.2.1氣體燃料燃燒原理由于氣體燃料與氧化劑混合的過(guò)程不同，燃燒過(guò)程表現(xiàn)出不同的特性。圖3.2概略地描述了氣體燃料的燃燒所涉及的基本形式與過(guò)程。對(duì)于均相預(yù)混可燃混合物而言，燃燒可以通過(guò)自燃、爆炸、火焰?zhèn)鞑サ男问竭M(jìn)行，火焰?zhèn)鞑サ男问缴婕皞鞑ニ俣群突鼗鸬劝踩詥?wèn)題，還涉及熄火和保持燃燒穩(wěn)定性的原理和方法等問(wèn)題。對(duì)于擴(kuò)散燃燒的形式，也同樣存在這些問(wèn)題。

圖3.2氣體燃料燃燒的基本形式與過(guò)程［4］

1. 均相預(yù)混可燃?xì)怏w的點(diǎn)燃低于自燃臨界溫度的氣體混合物不會(huì)自動(dòng)起燃，工程上一般采用強(qiáng)迫著火的方式將其點(diǎn)燃，就是從外界用點(diǎn)火器一類具有更高能量水平的熱源接觸混合物，使之局部起燃，然后再通過(guò)火焰?zhèn)鞑サ姆绞桨l(fā)展到整個(gè)容積空間中去。工程上的點(diǎn)燃可分為外界點(diǎn)火源和由于流動(dòng)所形成的內(nèi)部自身回流區(qū)點(diǎn)火源兩類，常見(jiàn)的火柴、火炬、電火花、熾熱高溫平面和高溫燃?xì)饣亓鲄^(qū)等都是用于不同場(chǎng)合的點(diǎn)火方式。下面以熾熱高溫平面和高溫燃?xì)饣亓鲄^(qū)為例說(shuō)明點(diǎn)燃條件。1) 熾熱高溫平面點(diǎn)火配有無(wú)焰燃燒器的鍋爐中采用的灼熱耐火磚隔墻就是熾熱高溫平面點(diǎn)火方式的一個(gè)實(shí)例。當(dāng)溫度為T0、過(guò)量空氣系數(shù)為α的均相預(yù)混可燃?xì)怏w以速度u0流經(jīng)一個(gè)壁面溫度為Tw的熾熱高溫平面(圖3.3)時(shí)，可燃?xì)怏w的溫度沿垂直方向有一個(gè)明顯的不均勻分布，貼近壁面處的氣流溫度迅速上升為壁面溫度Tw，遠(yuǎn)離壁面者則保持其原有的溫度水平T0。由于傳熱作用，近壁區(qū)氣體層的溫度在流動(dòng)過(guò)程中不斷升高，以至接近Tw，而且這個(gè)區(qū)域的厚度也在不斷增加。溫度升高加速了可燃?xì)怏w的化學(xué)反應(yīng)，并釋放出熱量，反過(guò)來(lái)進(jìn)一步強(qiáng)化了自身的傳熱過(guò)程。與此同時(shí)，近壁區(qū)的可燃?xì)怏w還會(huì)不斷向遠(yuǎn)離壁面的低溫區(qū)散熱。只要高溫平面的壁溫足夠高，使壁面附近的反應(yīng)放熱和熱量積聚超過(guò)散熱過(guò)程，可燃?xì)怏w的溫度將繼續(xù)升高，在流經(jīng)一定距離后，就會(huì)最終達(dá)到點(diǎn)燃的臨界溫度Tf而發(fā)生著火。

圖3.3高溫點(diǎn)燃板的點(diǎn)燃原理示意圖［4］

2) 高溫燃?xì)饣亓鼽c(diǎn)火高溫燃?xì)饣亓鼽c(diǎn)火方式是常用的穩(wěn)定火焰方法，例如，利用流道截面積的突擴(kuò)而在外圍形成的渦流區(qū)(圖3.4(a))，或是氣流旋轉(zhuǎn)進(jìn)入燃燒空間，在軸線附近的中心區(qū)形成的回流區(qū)(圖3.4(b))，以及利用氣流中的鈍體在下游形成的回流區(qū)等。回流區(qū)中的氣流方向和主氣流方向相反，在燃燒過(guò)程中，可以將火焰外緣的高溫燃燒產(chǎn)物卷吸回來(lái)，與迎面而來(lái)的新鮮可燃?xì)饬骰旌喜⑹怪杆偕郎?，特別是在回流區(qū)外緣(0—1—2線之間)處的氣流升溫尤為顯著。加上化學(xué)反應(yīng)放熱加劇以及其他條件適合，可燃?xì)饬骶蜁?huì)在達(dá)到某一位置被點(diǎn)燃，從而形成火焰面。

圖3.4回流區(qū)高溫燃?xì)饬鼽c(diǎn)火示意圖［4］

2. 火焰?zhèn)鞑サ陀谧匀寂R界溫度的均相預(yù)混可燃?xì)怏w被外加能量點(diǎn)燃后，就會(huì)從局部起燃點(diǎn)開(kāi)始燃燒并逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致整個(gè)

圖3.5管道內(nèi)可燃?xì)饬髦械幕鹧鎮(zhèn)鞑ガF(xiàn)象

體積范圍內(nèi)的可燃?xì)怏w燃燒殆盡，這就是火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象。在已燃盡的產(chǎn)物和未燃的新鮮混氣之間，可以觀察到一個(gè)朝著新鮮混氣方向移動(dòng)的火焰鋒面(圖3.5)，燃燒過(guò)程就是依靠這個(gè)火焰鋒面進(jìn)行傳播而完成的。火焰鋒面的移動(dòng)速度，也即火焰?zhèn)鞑ニ俣龋碚髁巳紵^(guò)程進(jìn)展的快慢?；鹧?zhèn)鞑バ问接袃煞N，分別為層燃和湍流火焰?zhèn)鞑?，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣纫话銥?0～100cm/s，而湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，一般為200cm/s以上。對(duì)鍋爐來(lái)說(shuō)，如果爐膛內(nèi)出現(xiàn)異常爆炸性燃燒，則火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤蛇_(dá)到1000～3000m/s。

3. 預(yù)混可燃?xì)怏w的火焰穩(wěn)定火焰穩(wěn)定涉及燃燒安全問(wèn)題，常見(jiàn)的熄火、回火等都屬于火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中的不穩(wěn)定問(wèn)題。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，在一定的工況條件下或變工況范圍內(nèi)，要求火焰位置穩(wěn)定并保障不發(fā)生熄火。火焰?zhèn)鞑ズ腿紵仨氃谶m當(dāng)?shù)臍饬魉俣确秶鷥?nèi)進(jìn)行，流速過(guò)高火焰將會(huì)被吹熄，流速過(guò)低則可能導(dǎo)致回火。要在高速氣流中形成穩(wěn)定的火焰鋒面必須同時(shí)滿足如下幾個(gè)條件： (1) 預(yù)混可燃?xì)怏w的濃度成分必須處于火焰?zhèn)鞑サ臐舛冉缦迌?nèi)，可燃?xì)怏w的濃度不能過(guò)低或過(guò)高，否則它燃燒釋放的熱量不足以補(bǔ)充散熱損失和維持燃燒區(qū)內(nèi)的溫度水平，火焰溫度就會(huì)下降，化學(xué)反應(yīng)速度也會(huì)降低，而使火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中斷而發(fā)生熄火。(2) 火焰前鋒處的散熱條件，主要體現(xiàn)在燃燒容器的表面積與空間體積的比值A(chǔ)/V。當(dāng)火焰在管道或狹小空間內(nèi)傳播時(shí)，管徑或該空間尺度減小將增大燃燒區(qū)的對(duì)外散熱率，從而削弱火焰?zhèn)鞑サ目赡苄?。控制燃燒設(shè)備的結(jié)構(gòu)和操作條件，確保不發(fā)生回火，是氣體燃燒的基本安全要求。所謂“回火”就是指火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥诳扇細(xì)怏w來(lái)流速度，火焰鋒面可逆著來(lái)流向上游方向傳播，直至進(jìn)入燃燒器內(nèi)部的現(xiàn)象。通常存在一個(gè)稱之為“淬熄距離”的臨界空間尺度dcr。當(dāng)管徑小于dcr后，火焰?zhèn)鞑ゾ蜔o(wú)法進(jìn)行了。實(shí)驗(yàn)表明，淬熄距離與火焰區(qū)寬度δ成正比：

dcr∝δ(35)

淬熄距離具有兩方面的意義： ①?gòu)谋Ｕ匣鹧娣€(wěn)定傳播和燃燒的角度來(lái)看，燃燒空間的尺度不能太小，同時(shí)還要顧及火焰區(qū)寬度在某些工況條件下的變化趨勢(shì)而使淬熄距離加大的可能性。②從避免回火的角度看，淬熄距離就是一個(gè)關(guān)鍵的控制參數(shù)。由于回火可能引發(fā)爆炸等嚴(yán)重后果，工程上就利用控制淬熄距離、冷卻管道壁面和加大散熱強(qiáng)度方法消除回火現(xiàn)象。

圖3.6氣焊的錐形火焰前鋒［4］

(3) 流經(jīng)火焰前鋒時(shí)各點(diǎn)的氣流法向分速度的值應(yīng)當(dāng)與火焰?zhèn)鞑ニ俣戎迪嗟龋较蛳喾?圖3.6)，即

|un|=|u0cosβ|=|uL|(36)

(4) 在火焰根部存在一個(gè)位置穩(wěn)定的火焰波面，流經(jīng)的氣流速度u0的值等于火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊闹?，但方向彼此相反，這意味著火焰波面的法線方向必然與來(lái)流方向平行。穩(wěn)定的火焰波面是至關(guān)重要的，沒(méi)有這樣的波面就沒(méi)有一個(gè)穩(wěn)定的熱源向它迎面而來(lái)的來(lái)流以及鄰近的可燃?xì)怏w提供熱量，已燃的火焰鋒面就會(huì)向下游移動(dòng)，而不能形成穩(wěn)定的火焰前鋒，火焰最終必將被吹熄。4. 氣體燃料的擴(kuò)散燃燒氣體燃料與氧化劑分別供給到燃燒空間邊混合邊燃燒，擴(kuò)散、混合過(guò)程需要消耗一定的時(shí)間。如果擴(kuò)散時(shí)間相對(duì)燃燒反應(yīng)而言長(zhǎng)很多，就意味著擴(kuò)散、混合過(guò)程進(jìn)展緩慢，是整個(gè)燃燒過(guò)程的控制因素(或稱瓶頸)，這種燃燒稱為擴(kuò)散燃燒。此時(shí)，決定混合過(guò)程速度的主要是氣體的物性參數(shù)、速度分布、壓力分布等氣動(dòng)因素。相反，如果燃料和氧化劑的混合進(jìn)展非常迅速，燃燒速率受化學(xué)反應(yīng)速率控制，可燃混合物的性質(zhì)、成分、反應(yīng)溫度、壓力等許多反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素成為主要影響因素，這種燃燒現(xiàn)象稱為動(dòng)力燃燒。實(shí)際的燃燒過(guò)程經(jīng)常是介于上述兩種極端情況之間，混合時(shí)間與化學(xué)反應(yīng)時(shí)間相差不大，這種情況最為復(fù)雜。擴(kuò)散燃燒的一個(gè)重要特征是： 在燃燒形成的火焰波面上，燃料與氧化劑的配比成分總是為α=1的化學(xué)當(dāng)量比。由此可見(jiàn)，擴(kuò)散火焰的形狀，實(shí)際上就是α=1的空間軌跡面。如同預(yù)混可燃?xì)怏w燃燒一樣，擴(kuò)散燃燒能否進(jìn)行首先取決于燃料與氧化劑混合后是否進(jìn)入了可燃濃度范圍。擴(kuò)散火焰長(zhǎng)度Ll(m)是衡量燃燒熱強(qiáng)度的重要指標(biāo)，與燃料的體積流量Vf成正比，

Ll=Vf2πD(37)

式中，D是分子擴(kuò)散系數(shù)。當(dāng)Vf一定時(shí)，不論噴口管徑的大小，火焰的長(zhǎng)度都是相同的。當(dāng)氣流速度從層流向湍流逐漸過(guò)渡時(shí)，由于逐漸增強(qiáng)的湍流效應(yīng)強(qiáng)化了擴(kuò)散混合過(guò)程，火焰必然有所縮短。用湍流擴(kuò)散系數(shù)Dt代替式(37)中的分子擴(kuò)散系數(shù)D，可以得出同樣的結(jié)論。實(shí)際上，在湍流狀態(tài)，火焰長(zhǎng)度只與噴管口徑r有關(guān)，而與燃料流量無(wú)關(guān)，即可

Lt∝r(38)

圖3.7定性地給出了在尺寸確定的燃燒器上，擴(kuò)散火焰的長(zhǎng)度隨氣流速度變化的關(guān)系。根據(jù)火焰形態(tài)可以將氣流速度分為層流擴(kuò)散火焰區(qū)、過(guò)渡區(qū)和湍流火焰區(qū)三個(gè)區(qū)段。層流擴(kuò)散火焰是隨著氣流速度的增大而不斷伸長(zhǎng)。在過(guò)渡區(qū)則恰好相反，火焰隨氣流速度增大而縮短，在火焰頂端開(kāi)始破碎，進(jìn)入湍流狀態(tài)，并逐漸向火焰根部擴(kuò)散和延伸。當(dāng)進(jìn)入湍流區(qū)后，火焰長(zhǎng)度基本上保持不變，但火焰噪聲大，波動(dòng)強(qiáng)烈，亮度減弱。

圖3.7擴(kuò)散火焰的長(zhǎng)度與氣流速度的關(guān)系［4］

擴(kuò)散火焰屬于發(fā)光火焰，由于燃料與氧化劑需要邊混合邊燃燒，當(dāng)氧化劑供應(yīng)不足時(shí)，或者當(dāng)二者混合不好時(shí)，那些尚未進(jìn)入火焰前鋒的燃料，會(huì)因?qū)峄蛉紵a(chǎn)物的擴(kuò)散作用產(chǎn)生熱裂解。烴類氣體燃料最容易熱解生成煙炱、固體碳粒(析炭)和復(fù)雜又難以燃燒的重質(zhì)碳?xì)浠衔?，使火焰呈橘黃色。由于熱裂解和碳粒的存在，擴(kuò)散火焰的熱輻射強(qiáng)度很大，很多工業(yè)爐窯的加熱工藝就是利用了擴(kuò)散燃燒的熱輻射能量。

與均相預(yù)混可燃?xì)怏w燃燒相比，擴(kuò)散燃燒的容積熱負(fù)荷低、火焰長(zhǎng)，因此燃燒室體積相對(duì)較大。擴(kuò)散燃燒同樣存在火焰穩(wěn)定性問(wèn)題，但它只會(huì)被吹熄，而不會(huì)發(fā)生回火現(xiàn)象，因?yàn)槿剂吓c氧化劑分別供給，燃料管中沒(méi)有氧化劑，不會(huì)發(fā)生火焰向燃料管內(nèi)傳播的現(xiàn)象。擴(kuò)散火焰不發(fā)生回火，不易被吹熄，因而在工程上廣泛采用。5. 穩(wěn)定火焰的工程方法工程實(shí)際中穩(wěn)定火焰的方法很多，大致可分為鈍體火焰穩(wěn)定方法和氣動(dòng)穩(wěn)定方法兩類，兩者的基本原理是一樣的，通過(guò)創(chuàng)造局部的低速回流區(qū)，形成一個(gè)穩(wěn)定的點(diǎn)火源，借由回流熱量將可燃?xì)怏w的溫度迅速升高至著火溫度開(kāi)始燃燒。在流場(chǎng)內(nèi)放置一個(gè)某種形狀的物體，使得來(lái)流在繞過(guò)它的時(shí)候，在其尾部附近形成一個(gè)低速流動(dòng)區(qū)，就創(chuàng)造了火焰根部的穩(wěn)定性條件，這種物體稱為火焰穩(wěn)定器。如圖3.8所示，噴槍火焰在預(yù)混可燃?xì)怏w流速較低的時(shí)候，尚能穩(wěn)定在噴口附近。隨著流速增大，火焰將逐漸脫離焊槍噴口，當(dāng)流速超過(guò)某一個(gè)界限的時(shí)候，它就會(huì)被吹熄。這時(shí)，如果在噴口上方放置一個(gè)物體，譬如圓柱體、環(huán)圈或圓盤等，火焰就可以穩(wěn)定在其上方，并形成倒錐形等形狀各異的火焰鋒面。這類鈍體穩(wěn)定器的火焰穩(wěn)定性能好壞以及在流場(chǎng)中造成多大的流動(dòng)損失都取決于其形狀、尺寸以及與周圍流道尺寸的比例等因素。例如人們受沙漠與風(fēng)啟發(fā)，研制的沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器就是一個(gè)外形尺寸經(jīng)過(guò)專門研究和設(shè)計(jì)的高效火焰穩(wěn)定體，使火焰能夠在上百米的氣流速度中穩(wěn)定下來(lái)，同時(shí)對(duì)流場(chǎng)的影響也降低到最小。

圖3.8火焰穩(wěn)定器穩(wěn)定火焰的情形［4］

氣動(dòng)穩(wěn)定的方法則是利用旋轉(zhuǎn)射流、同向速差射流、逆向射流和偏置射流或流道突擴(kuò)等，形成低速回流區(qū)，使火焰能夠在回流與主流的交界面的低速區(qū)穩(wěn)定住，同時(shí)能夠不斷接受大量回流卷吸的高溫燃燒產(chǎn)物所提供的熱量(圖3.9)。由于回流與主流交界面的湍流脈動(dòng)十分劇烈，使火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)展迅速，才使得高速氣流中的火焰穩(wěn)定成為可能。

圖3.9旋轉(zhuǎn)射流回流區(qū)穩(wěn)定火焰的方法［4］

旋轉(zhuǎn)射流火焰穩(wěn)定方法在工程上普遍應(yīng)用，大多是用裝有切向?qū)蛉~片的旋流器和蝸殼通道使氣流旋轉(zhuǎn)。離心作用使噴口軸線附近的氣壓比外側(cè)主氣流低，從而導(dǎo)致下游的氣流回流而形成中心回流區(qū)。由于火焰穩(wěn)定性的好壞、著火位置和火焰形狀都取決于旋轉(zhuǎn)射流在出口處的擴(kuò)張角、回流區(qū)的大小和回流強(qiáng)弱，而它們又主要由氣流旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)弱程度，也就是所謂的旋流強(qiáng)度決定。旋流強(qiáng)度大，就會(huì)使火焰擴(kuò)張角和回流區(qū)加大，氣流湍流度加強(qiáng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)一步提高，燃料將在較短的時(shí)間燃盡，火焰會(huì)因此而變短。反之亦然。3.2.2氣體燃料的燃燒設(shè)備氣體燃料即可燃?xì)怏w，又稱燃?xì)?，根?jù)燃?xì)馀c空氣在燃燒前的混合情況，可將氣體燃燒分為三種： 有焰燃燒、無(wú)焰燃燒和半無(wú)焰燃燒。如果燃?xì)夂涂諝庠谌紵b置中不預(yù)先進(jìn)行混合，而是分別將它們送入燃燒室，并在燃燒室內(nèi)邊混合邊燃燒，這時(shí)火焰較長(zhǎng)，有明顯的輪廓，稱為有焰燃燒，屬于擴(kuò)散燃燒。當(dāng)燃?xì)夂涂諝馐孪仍谌紵b置中混合均勻，則燃燒速度主要取決于著火和燃燒反應(yīng)速度，沒(méi)有明顯的火焰輪廓，則為無(wú)焰燃燒，該種燃燒屬于預(yù)混(動(dòng)力)燃燒。如果燃燒之前只有部分空氣與燃?xì)饣旌?，則稱為半無(wú)焰燃燒。按燃?xì)鉄嶂档牟煌?，可將燃?xì)馊紵鞣譃閮深?，即低熱值燃燒器和高熱值燃燒器。熱值不同，燃燒器的結(jié)構(gòu)及原理也有所不同。燒低熱值燃?xì)鈺r(shí)通常采用無(wú)焰燃燒器，鍋爐上實(shí)際應(yīng)用的低熱值煤氣(如高爐煤氣)無(wú)焰燃燒器一般做成圖3.10的型式。燃?xì)鈴淖髠?cè)的噴嘴送入，和空氣在預(yù)混管中混合，然后進(jìn)入用耐火磚砌成的燃燒道。燃燒道中的溫度很高，接近混合氣體的理論燃燒溫度(燒高爐煤氣1200～1400℃)。燃燒道中灼熱的耐火磚隔墻把預(yù)混氣體分成三股或更多股，灼熱的耐火磚隔墻還起著高溫點(diǎn)燃板的作用，使預(yù)混氣流很快點(diǎn)著。燃燒道中的這些小火炬在到達(dá)燃燒道出口處就差不多已經(jīng)燃燒。由于燃燒道和隔墻的溫度很高，呈較亮的紅黃色，預(yù)混可燃?xì)怏w又不亮，幾乎看不見(jiàn)明顯的火焰，所以這種燃燒器稱為無(wú)焰燃燒器。

圖3.10燃4000Nm3/h高爐煤氣的無(wú)焰燃燒器［4］

設(shè)計(jì)高熱值燃?xì)夤I(yè)燃燒器時(shí)，常使高熱值燃?xì)庖暂^高的壓頭在燃燒器出口附近以較高的速度(35～130m/s)射出，使燃?xì)夂涂諝夂芸斓鼗旌?，并要求混合氣流在離噴口不遠(yuǎn)處著火時(shí)就已把燃燒所需的全部空氣迅速而均勻地和燃?xì)饣旌虾?，使火炬接近于高度湍流的?dòng)力型燃燒。圖3.11所示為國(guó)產(chǎn)的燃用天然氣的燃燒器。每個(gè)燃燒器能燒1100Nm3/h天然氣，大約能產(chǎn)生13t/h蒸汽。燃?xì)鈴慕咏紵鞒隹谔幍男】字幸?omega;rq=130m/s射出，此處空氣的流速ωkq=25m/s，和燃?xì)獾牧鲃?dòng)方向相垂直以利于迅速混合。在穿過(guò)爐墻處噴口稍縮小，縮口處混合氣流的平均速度為ωhq=36.2m/s。這種燃?xì)馊紵鞯幕鹁娼咏趧?dòng)力型燃燒，火炬長(zhǎng)度較短。

圖3.11四周進(jìn)氣的天然氣燃燒器［4］

3.2.3液體燃料燃燒原理汽油、煤油、柴油與重油等都是常用的液體化石燃料，燃?xì)廨啓C(jī)、電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和大量的工業(yè)爐窯都在不同程度上以這些燃油作為主要燃料。此外，燃煤的室燃鍋爐在啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)也需要油點(diǎn)火或作為輔助燃燒。與氣體燃料不同，液體燃料在燃燒之前先要經(jīng)過(guò)一個(gè)液體蒸發(fā)的過(guò)程，燃燒過(guò)程由蒸發(fā)、擴(kuò)散混合和化學(xué)反應(yīng)三個(gè)部分組成。液體燃料的著火溫度都要比它們的沸點(diǎn)溫度高很多，所以液體燃料不可能直接著火燃燒，在它的液相界面上也不會(huì)發(fā)生燃燒反應(yīng)。在著火之前，當(dāng)液體燃料的溫度上升到沸點(diǎn)時(shí)，會(huì)首先蒸發(fā)成為燃料蒸氣，接著與外界的氧化劑進(jìn)行擴(kuò)散和混合，形成氣相的可燃混合物，在距離液面一定距離的空間中著火和燃燒。在常溫常壓下，蒸發(fā)過(guò)程與擴(kuò)散混合過(guò)程和燃燒過(guò)程相比是最慢的環(huán)節(jié)?？刂坪靡后w燃料的蒸發(fā)過(guò)程，提高其蒸發(fā)速度，是保障燃燒進(jìn)程的關(guān)鍵。加速蒸發(fā)過(guò)程的關(guān)鍵是增加液體燃料的蒸發(fā)表面積，常用的方法是采用噴油嘴把液體燃料霧化成很細(xì)的油顆粒群。1kg燃料作為一個(gè)球體的蒸發(fā)表面積僅有0.052m2，當(dāng)它霧化成直徑為30μm的均勻顆粒后，總表面積將增大6400倍，達(dá)到330m2。因此，霧化方式、霧化后的燃料顆粒細(xì)度和顆粒群形成的霧炬在燃燒空間的分布，以及周圍環(huán)境的溫度和壓力等都是影響蒸發(fā)過(guò)程乃至隨后的與空氣擴(kuò)散混合過(guò)程的重要因素。如果燃料在進(jìn)入燃燒空間之前已經(jīng)霧化和蒸發(fā)完畢，并以燃料蒸氣的形式與空氣按一定比例混合后進(jìn)入燃燒空間燃燒，屬于預(yù)蒸發(fā)型燃燒，其原理與均相預(yù)混可燃?xì)怏w的燃燒相同。將燃料直接噴入燃燒空間進(jìn)行霧化、蒸發(fā)，同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)散混合和燃燒的方式稱為噴霧型燃燒，這種燃燒方式在工業(yè)上最為常用。單個(gè)油滴高速噴入燃燒空間的氣流中后，將經(jīng)歷一個(gè)與氣流有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力段和一個(gè)經(jīng)過(guò)摩擦而被停止的無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的靜力段(圖3.12)。動(dòng)力段的時(shí)間持續(xù)很短，初速為100~200m/s、直徑為10~40μm的油滴的動(dòng)力段只有幾毫秒，在這段間內(nèi)，油滴主要是完成加熱升溫過(guò)程，汽化與燃燒過(guò)程則主要是在靜力段中進(jìn)行。圖3.13給出了半徑為rd的單顆球形油滴燃燒時(shí)，周圍火焰面的位置和形態(tài)，以及溫度和濃度等各種參數(shù)的分布示意圖。研究表明，球形火焰是在距油滴一定距離的rf處近似球?qū)ΨQ地包圍著油滴。除非處于微重力環(huán)境中，才可能有一個(gè)球形的火焰面，否則，在火焰面上會(huì)因自然對(duì)流而呈不球?qū)ΨQ形狀。油滴表面的液體吸收了來(lái)自火焰面的熱量而蒸發(fā)燃料蒸氣，并沿半徑方向向外界環(huán)境擴(kuò)散，同時(shí)，外界環(huán)境中的氧氣向油滴表面擴(kuò)散。二者在距離為rf的地方混合成為α=1的均相可燃混合物并進(jìn)行燃燒而形成火焰面。在火焰面所處的位置上，燃料蒸氣和氧氣的濃度為零，而燃燒產(chǎn)物的濃度較大，并同時(shí)向油滴表面方向和外界環(huán)境方向擴(kuò)散而呈逐漸遞減的趨勢(shì)。燃料蒸氣濃度從液體表面到火焰面是逐漸減小的。氧氣濃度的變化則恰好相反?；鹧婷嫔系臏囟容^高。在沒(méi)有熱輻射和熱離解的前提下，它必然等于α=1的均相可燃混合物的理論燃燒溫度。由于熱傳導(dǎo)的作用，使得在火焰面兩側(cè)都形成了一定的溫度梯度。在穩(wěn)態(tài)條件下，液體表面的溫度Ts接近于其沸點(diǎn)。

圖3.12油滴在氣流中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)［4］

圖3.13燃燒油滴附近的空間中溫度和質(zhì)量濃度的分布規(guī)律［4］

(mFs： 油滴表面燃油蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)； mps： 油滴表面燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù))

隨著燃燒過(guò)程的進(jìn)行，油滴的尺寸r和球形火焰面半徑rf都逐漸減小。如果油滴的初始溫度低于周圍環(huán)境氣體的溫度T∞，它在蒸發(fā)的同時(shí)還會(huì)不斷吸收外界熱量使自身的溫度升高到接近穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)時(shí)應(yīng)該達(dá)到的溫度Ts，此后將保持恒定直到油滴燒完為止。在靜止介質(zhì)中的無(wú)燃燒穩(wěn)定蒸發(fā)過(guò)程、在靜止介質(zhì)中的燃燒過(guò)程和在強(qiáng)迫氣流中的燃燒過(guò)程中，油滴直徑會(huì)表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。(1) 油滴在靜止介質(zhì)中無(wú)燃燒穩(wěn)定蒸發(fā)時(shí)，油滴直徑隨時(shí)間τ按“線性平方規(guī)律”減小，

d20－d2=Kfτ(39)

或

d(d2)dτ=Kf(310)

式中，d0和d分別是油滴的初始直徑和在時(shí)刻τ的直徑，Kf是蒸發(fā)常數(shù)(m2/s)，與時(shí)間無(wú)關(guān)，

Kf=8λgcpgρfln(1 Bf)(311)