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第3章燃料燃燒與設備鍋爐由“鍋”和“爐”兩部分組成，燃料在“爐”內燃燒，釋放熱量并傳遞給相應的“鍋”。燃燒設備的優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完成燃燒過程的設備，包括燃燒器、燃燒室、爐排等。3.1燃燒過程的化學反應原理

了解燃料的燃燒過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程及其特性，需要清楚燃料燃燒的化學反應。3.1.1燃燒化學反應速率作為一種氧化反應，燃燒反應的快慢直接關系到燃燒過程，通常采用化學反應速率描述反應過程的快慢。以甲烷燃燒為例(式(31))，甲烷和氧的量隨時間不斷減少，生成的二氧化碳(CO2)則不斷增多。單位時間內甲烷濃度的變化量即化學反應速率vCH4(mol/s)。

CH4 2O2CO2 2H2O(31)

化學反應速率通常通過實驗測量，并用以下質量作用定律計算：

vCH4=kCxCH4CyO2(32)

式中的冪指數x和y需要通過實驗確定，二者之和(x y)稱為反應級數ξ，是一個綜合反映化學反應速率與物質濃度C的關系的參數。比例系數k是反應速率常數。質量作用定律的物理含義就是化學反應速率的快慢與當時存在的反應物質的濃度成正比。實際上，除了濃度以外，反應速率還受到溫度、壓力等許多因素的影響，并且都集中體現在反應速率常數k上。k一般可以用1889年提出的阿累尼烏斯(Arrhenius)定律計算：

k=k0exp(－E/RT)(33)

式中，T是反應溫度，R是摩爾氣體常數，活化能E是衡量物質發生化學反應能力的一個物性參數。一般化學反應的活化能為42～420kJ/mol，活化能小于42kJ/mol的反應速度極快，大于420kJ/mol的反應緩慢，可認為不發生反應。函數exp(-E/RT)揭示了化學反應速率隨溫度提高而增加的趨勢，要想保持并強化燃燒過程，在燃燒設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。在氣相燃燒化學反應中，壓力的改變會引起反應物質濃度的變化，因而直接影響化學反應速率。如果將式(32)中甲烷和氧的濃度改用體積分數ε來表示，并把它們看成是理想氣體，就會發現化學反應速率v與壓力p的ξ次冪成正比，即

vCH4=kεxCH4εyO2(p/RT)ξ(34)

由此可見，反應級數ξ越高，提高壓力就越有利于反應的進行。同時由于密度增加，還帶來了反應裝置尺寸縮小等一系列好處。例如，在高壓條件下CO的反應速率比較快，低熱值煤氣高壓燃燒時，燃燒產物中的一氧化碳含量比低壓燃燒時低得多。由式(32)還可以看出，燃料與氧化劑的成分之間存在一個配比關系，促使化學反應速率趨于較大，偏離這個配比關系，將削弱反應速率，當燃料過稀或過濃時，會使燃燒過程無法進行下去。在純氧燃燒條件下，配比是由化學平衡式計算而得的關系配比，稱為“化學當量比”； 而改用空氣作為氧化劑的話，化學反應速率則降低為原來的(21%)y。事實上，為了保障燃料在空氣中高速燃燒，必須通過提高空氣供應量來使實際的氧含量達到應有的化學當量比，同時使過量空氣系數α趨于1，這樣可以獲得化學反應速率而實現強化燃燒。由于配比關系和配比方式的變化，燃燒現象可呈現出不同的發展方式，如預混燃燒和擴散燃燒，這兩種燃燒方式在燃燒設備中都是常見的。從化學反應角度來看，提高燃燒反應的溫度是強化燃燒過程的主要手段，常溫下溫度每提高10℃，反應速率提高2～4倍。適當增高反應過程的壓力，也有利于強化燃燒過程。在組織燃燒過程時，除了反應溫度和壓力，還要注意燃料與氧化劑的配比關系，從常規燃燒的角度看，這種配比關系當然應當盡量接近化學當量比。3.1.2燃燒形式的分類第2章介紹了氣體、液體、固體三種常見的燃料，圖3.1簡要給出了氣、液、固這三種燃料的燃燒形式和相互關系。了解和掌握基本的燃燒形式及其相互關系，并考慮不同燃燒現象的特殊性，有助于進一步分析燃燒設備內復雜的燃燒過程。

圖3.1不同燃料的燃燒形式與相互關系［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歷經不同的物理過程，通過蒸發與汽化等環節才能達到燃燒狀態。氣體燃料燃燒又可以根據氧氣與燃料的混合過程分為火焰傳播和擴散燃燒兩種形式。如果氧氣與燃料在燃燒之前就已經混合形成可燃混合物，燃燒過程則是以火焰傳播的形式進行； 如果二者邊混合邊燃燒，則構成所謂的擴散燃燒。在實際燃燒過程中，往往不能區別出這兩種燃燒形式。液體燃料在燃燒之前受熱并升溫，由于汽化溫度遠低于燃燒溫度，因此首先進行的是蒸發與汽化過程，產生的燃料蒸氣與氧氣混合后才能實現燃燒。固體燃料中有水分、可燃揮發分和固定碳，在升溫過程中同樣要發生水分蒸發和揮發分逸出過程。不同燃料的燃燒過程都包含了與氣體燃料燃燒相同的環節。困難的是，實際燃燒中的物理、化學過程錯綜交織，需要區別對待、具體情況具體分析。3.2流體燃料燃燒與固體對應，氣體和液體都是流體，因而氣體和液體的燃燒可統稱為流體燃燒，流體燃料的燃燒有共性，由于密度、形態差異，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程不同，燃燒過程表現出不同的特性。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程。對于均相預混可燃混合物而言，燃燒可以通過自燃、爆炸、火焰傳播的形式進行，火焰傳播的形式涉及傳播速度和回火等安全性問題，還涉及熄火和保持燃燒穩定性的原理和方法等問題。對于擴散燃燒的形式，也同樣存在這些問題。

圖3.2氣體燃料燃燒的基本形式與過程［4］

1. 均相預混可燃氣體的點燃低于自燃臨界溫度的氣體混合物不會自動起燃，工程上一般采用強迫著火的方式將其點燃，就是從外界用點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，然后再通過火焰傳播的方式發展到整個容積空間中去。工程上的點燃可分為外界點火源和由于流動所形成的內部自身回流區點火源兩類，常見的火柴、火炬、電火花、熾熱高溫平面和高溫燃氣回流區等都是用于不同場合的點火方式。下面以熾熱高溫平面和高溫燃氣回流區為例說明點燃條件。1) 熾熱高溫平面點火配有無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火方式的一個實例。當溫度為T0、過量空氣系數為α的均相預混可燃氣體以速度u0流經一個壁面溫度為Tw的熾熱高溫平面(圖3.3)時，可燃氣體的溫度沿垂直方向有一個明顯的不均勻分布，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，近壁區氣體層的溫度在流動過程中不斷升高，以至接近Tw，而且這個區域的厚度也在不斷增加。溫度升高加速了可燃氣體的化學反應，并釋放出熱量，反過來進一步強化了自身的傳熱過程。與此同時，近壁區的可燃氣體還會不斷向遠離壁面的低溫區散熱。只要高溫平面的壁溫足夠高，使壁面附近的反應放熱和熱量積聚超過散熱過程，可燃氣體的溫度將繼續升高，在流經一定距離后，就會最終達到點燃的臨界溫度Tf而發生著火。

圖3.3高溫點燃板的點燃原理示意圖［4］

2) 高溫燃氣回流點火高溫燃氣回流點火方式是常用的穩定火焰方法，例如，利用流道截面積的突擴而在外圍形成的渦流區(圖3.4(a))，或是氣流旋轉進入燃燒空間，在軸線附近的中心區形成的回流區(圖3.4(b))，以及利用氣流中的鈍體在下游形成的回流區等。回流區中的氣流方向和主氣流方向相反，在燃燒過程中，可以將火焰外緣的高溫燃燒產物卷吸回來，與迎面而來的新鮮可燃氣流混合并使之迅速升溫，特別是在回流區外緣(0—1—2線之間)處的氣流升溫尤為顯著。加上化學反應放熱加劇以及其他條件適合，可燃氣流就會在達到某一位置被點燃，從而形成火焰面。

圖3.4回流區高溫燃氣流點火示意圖［4］

2. 火焰傳播低于自燃臨界溫度的均相預混可燃氣體被外加能量點燃后，就會從局部起燃點開始燃燒并逐漸擴展，導致整個

圖3.5管道內可燃氣流中的火焰傳播現象

體積范圍內的可燃氣體燃燒殆盡，這就是火焰傳播現象。在已燃盡的產物和未燃的新鮮混氣之間，可以觀察到一個朝著新鮮混氣方向移動的火焰鋒面(圖3.5)，燃燒過程就是依靠這個火焰鋒面進行傳播而完成的。火焰鋒面的移動速度，也即火焰傳播速度，表征了燃燒過程進展的快慢。火焰傳播形式有兩種，分別為層燃和湍流火焰傳播，層流火焰傳播速度一般為20～100cm/s，而湍流火焰傳播速度較快，一般為200cm/s以上。對鍋爐來說，如果爐膛內出現異常爆炸性燃燒，則火焰傳播速度可達到1000～3000m/s。

3. 預混可燃氣體的火焰穩定火焰穩定涉及燃燒安全問題，常見的熄火、回火等都屬于火焰傳播過程中的不穩定問題。在實際工業應用中，在一定的工況條件下或變工況范圍內，要求火焰位置穩定并保障不發生熄火。火焰傳播和燃燒必須在適當的氣流速度范圍內進行，流速過高火焰將會被吹熄，流速過低則可能導致回火。要在高速氣流中形成穩定的火焰鋒面必須同時滿足如下幾個條件： (1) 預混可燃氣體的濃度成分必須處于火焰傳播的濃度界限內，可燃氣體的濃度不能過低或過高，否則它燃燒釋放的熱量不足以補充散熱損失和維持燃燒區內的溫度水平，火焰溫度就會下降，化學反應速度也會降低，而使火焰傳播過程中斷而發生熄火。(2) 火焰前鋒處的散熱條件，主要體現在燃燒容器的表面積與空間體積的比值A/V。當火焰在管道或狹小空間內傳播時，管徑或該空間尺度減小將增大燃燒區的對外散熱率，從而削弱火焰傳播的可能性。控制燃燒設備的結構和操作條件，確保不發生回火，是氣體燃燒的基本安全要求。所謂“回火”就是指火焰傳播速度大于可燃氣體來流速度，火焰鋒面可逆著來流向上游方向傳播，直至進入燃燒器內部的現象。通常存在一個稱之為“淬熄距離”的臨界空間尺度dcr。當管徑小于dcr后，火焰傳播就無法進行了。實驗表明，淬熄距離與火焰區寬度δ成正比：

dcr∝δ(35)

淬熄距離具有兩方面的意義： ①從保障火焰穩定傳播和燃燒的角度來看，燃燒空間的尺度不能太小，同時還要顧及火焰區寬度在某些工況條件下的變化趨勢而使淬熄距離加大的可能性。②從避免回火的角度看，淬熄距離就是一個關鍵的控制參數。由于回火可能引發爆炸等嚴重后果，工程上就利用控制淬熄距離、冷卻管道壁面和加大散熱強度方法消除回火現象。

圖3.6氣焊的錐形火焰前鋒［4］

(3) 流經火焰前鋒時各點的氣流法向分速度的值應當與火焰傳播速度值相等，但方向相反(圖3.6)，即

|un|=|u0cosβ|=|uL|(36)

(4) 在火焰根部存在一個位置穩定的火焰波面，流經的氣流速度u0的值等于火焰傳播速度的值，但方向彼此相反，這意味著火焰波面的法線方向必然與來流方向平行。穩定的火焰波面是至關重要的，沒有這樣的波面就沒有一個穩定的熱源向它迎面而來的來流以及鄰近的可燃氣體提供熱量，已燃的火焰鋒面就會向下游移動，而不能形成穩定的火焰前鋒，火焰最終必將被吹熄。4. 氣體燃料的擴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，擴散、混合過程需要消耗一定的時間。如果擴散時間相對燃燒反應而言長很多，就意味著擴散、混合過程進展緩慢，是整個燃燒過程的控制因素(或稱瓶頸)，這種燃燒稱為擴散燃燒。此時，決定混合過程速度的主要是氣體的物性參數、速度分布、壓力分布等氣動因素。相反，如果燃料和氧化劑的混合進展非常迅速，燃燒速率受化學反應速率控制，可燃混合物的性質、成分、反應溫度、壓力等許多反應動力學因素成為主要影響因素，這種燃燒現象稱為動力燃燒。實際的燃燒過程經常是介于上述兩種極端情況之間，混合時間與化學反應時間相差不大，這種情況最為復雜。擴散燃燒的一個重要特征是： 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的化學當量比。由此可見，擴散火焰的形狀，實際上就是α=1的空間軌跡面。如同預混可燃氣體燃燒一樣，擴散燃燒能否進行首先取決于燃料與氧化劑混合后是否進入了可燃濃度范圍。擴散火焰長度Ll(m)是衡量燃燒熱強度的重要指標，與燃料的體積流量Vf成正比，

Ll=Vf2πD(37)

式中，D是分子擴散系數。當Vf一定時，不論噴口管徑的大小，火焰的長度都是相同的。當氣流速度從層流向湍流逐漸過渡時，由于逐漸增強的湍流效應強化了擴散混合過程，火焰必然有所縮短。用湍流擴散系數Dt代替式(37)中的分子擴散系數D，可以得出同樣的結論。實際上，在湍流狀態，火焰長度只與噴管口徑r有關，而與燃料流量無關，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，擴散火焰的長度隨氣流速度變化的關系。根據火焰形態可以將氣流速度分為層流擴散火焰區、過渡區和湍流火焰區三個區段。層流擴散火焰是隨著氣流速度的增大而不斷伸長。在過渡區則恰好相反，火焰隨氣流速度增大而縮短，在火焰頂端開始破碎，進入湍流狀態，并逐漸向火焰根部擴散和延伸。當進入湍流區后，火焰長度基本上保持不變，但火焰噪聲大，波動強烈，亮度減弱。

圖3.7擴散火焰的長度與氣流速度的關系［4］

擴散火焰屬于發光火焰，由于燃料與氧化劑需要邊混合邊燃燒，當氧化劑供應不足時，或者當二者混合不好時，那些尚未進入火焰前鋒的燃料，會因導熱或燃燒產物的擴散作用產生熱裂解。烴類氣體燃料最容易熱解生成煙炱、固體碳粒(析炭)和復雜又難以燃燒的重質碳氫化合物，使火焰呈橘黃色。由于熱裂解和碳粒的存在，擴散火焰的熱輻射強度很大，很多工業爐窯的加熱工藝就是利用了擴散燃燒的熱輻射能量。

與均相預混可燃氣體燃燒相比，擴散燃燒的容積熱負荷低、火焰長，因此燃燒室體積相對較大。擴散燃燒同樣存在火焰穩定性問題，但它只會被吹熄，而不會發生回火現象，因為燃料與氧化劑分別供給，燃料管中沒有氧化劑，不會發生火焰向燃料管內傳播的現象。擴散火焰不發生回火，不易被吹熄，因而在工程上廣泛采用。5. 穩定火焰的工程方法工程實際中穩定火焰的方法很多，大致可分為鈍體火焰穩定方法和氣動穩定方法兩類，兩者的基本原理是一樣的，通過創造局部的低速回流區，形成一個穩定的點火源，借由回流熱量將可燃氣體的溫度迅速升高至著火溫度開始燃燒。在流場內放置一個某種形狀的物體，使得來流在繞過它的時候，在其尾部附近形成一個低速流動區，就創造了火焰根部的穩定性條件，這種物體稱為火焰穩定器。如圖3.8所示，噴槍火焰在預混可燃氣體流速較低的時候，尚能穩定在噴口附近。隨著流速增大，火焰將逐漸脫離焊槍噴口，當流速超過某一個界限的時候，它就會被吹熄。這時，如果在噴口上方放置一個物體，譬如圓柱體、環圈或圓盤等，火焰就可以穩定在其上方，并形成倒錐形等形狀各異的火焰鋒面。這類鈍體穩定器的火焰穩定性能好壞以及在流場中造成多大的流動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啟發，研制的沙丘駐渦火焰穩定器就是一個外形尺寸經過專門研究和設計的高效火焰穩定體，使火焰能夠在上百米的氣流速度中穩定下來，同時對流場的影響也降低到最小。

圖3.8火焰穩定器穩定火焰的情形［4］

氣動穩定的方法則是利用旋轉射流、同向速差射流、逆向射流和偏置射流或流道突擴等，形成低速回流區，使火焰能夠在回流與主流的交界面的低速區穩定住，同時能夠不斷接受大量回流卷吸的高溫燃燒產物所提供的熱量(圖3.9)。由于回流與主流交界面的湍流脈動十分劇烈，使火焰傳播進展迅速，才使得高速氣流中的火焰穩定成為可能。

圖3.9旋轉射流回流區穩定火焰的方法［4］

旋轉射流火焰穩定方法在工程上普遍應用，大多是用裝有切向導向葉片的旋流器和蝸殼通道使氣流旋轉。離心作用使噴口軸線附近的氣壓比外側主氣流低，從而導致下游的氣流回流而形成中心回流區。由于火焰穩定性的好壞、著火位置和火焰形狀都取決于旋轉射流在出口處的擴張角、回流區的大小和回流強弱，而它們又主要由氣流旋轉的強弱程度，也就是所謂的旋流強度決定。旋流強度大，就會使火焰擴張角和回流區加大，氣流湍流度加強，火焰傳播速度進一步提高，燃料將在較短的時間燃盡，火焰會因此而變短。反之亦然。3.2.2氣體燃料的燃燒設備氣體燃料即可燃氣體，又稱燃氣，根據燃氣與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、無焰燃燒和半無焰燃燒。如果燃氣和空氣在燃燒裝置中不預先進行混合，而是分別將它們送入燃燒室，并在燃燒室內邊混合邊燃燒，這時火焰較長，有明顯的輪廓，稱為有焰燃燒，屬于擴散燃燒。當燃氣和空氣事先在燃燒裝置中混合均勻，則燃燒速度主要取決于著火和燃燒反應速度，沒有明顯的火焰輪廓，則為無焰燃燒，該種燃燒屬于預混(動力)燃燒。如果燃燒之前只有部分空氣與燃氣混合，則稱為半無焰燃燒。按燃氣熱值的不同，可將燃氣燃燒器分為兩類，即低熱值燃燒器和高熱值燃燒器。熱值不同，燃燒器的結構及原理也有所不同。燒低熱值燃氣時通常采用無焰燃燒器，鍋爐上實際應用的低熱值煤氣(如高爐煤氣)無焰燃燒器一般做成圖3.10的型式。燃氣從左側的噴嘴送入，和空氣在預混管中混合，然后進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燃板的作用，使預混氣流很快點著。燃燒道中的這些小火炬在到達燃燒道出口處就差不多已經燃燒。由于燃燒道和隔墻的溫度很高，呈較亮的紅黃色，預混可燃氣體又不亮，幾乎看不見明顯的火焰，所以這種燃燒器稱為無焰燃燒器。

圖3.10燃4000Nm3/h高爐煤氣的無焰燃燒器［4］

設計高熱值燃氣工業燃燒器時，常使高熱值燃氣以較高的壓頭在燃燒器出口附近以較高的速度(35～130m/s)射出，使燃氣和空氣很快地混合，并要求混合氣流在離噴口不遠處著火時就已把燃燒所需的全部空氣迅速而均勻地和燃氣混合好，使火炬接近于高度湍流的動力型燃燒。圖3.11所示為國產的燃用天然氣的燃燒器。每個燃燒器能燒1100Nm3/h天然氣，大約能產生13t/h蒸汽。燃氣從接近燃燒器出口處的小孔中以ωrq=130m/s射出，此處空氣的流速ωkq=25m/s，和燃氣的流動方向相垂直以利于迅速混合。在穿過爐墻處噴口稍縮小，縮口處混合氣流的平均速度為ωhq=36.2m/s。這種燃氣燃燒器的火炬接近于動力型燃燒，火炬長度較短。

圖3.11四周進氣的天然氣燃燒器［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，燃氣輪機、電站鍋爐、工業鍋爐和大量的工業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和低負荷運行時也需要油點火或作為輔助燃燒。與氣體燃料不同，液體燃料在燃燒之前先要經過一個液體蒸發的過程，燃燒過程由蒸發、擴散混合和化學反應三個部分組成。液體燃料的著火溫度都要比它們的沸點溫度高很多，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發生燃燒反應。在著火之前，當液體燃料的溫度上升到沸點時，會首先蒸發成為燃料蒸氣，接著與外界的氧化劑進行擴散和混合，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，蒸發過程與擴散混合過程和燃燒過程相比是最慢的環節。控制好液體燃料的蒸發過程，提高其蒸發速度，是保障燃燒進程的關鍵。加速蒸發過程的關鍵是增加液體燃料的蒸發表面積，常用的方法是采用噴油嘴把液體燃料霧化成很細的油顆粒群。1kg燃料作為一個球體的蒸發表面積僅有0.052m2，當它霧化成直徑為30μm的均勻顆粒后，總表面積將增大6400倍，達到330m2。因此，霧化方式、霧化后的燃料顆粒細度和顆粒群形成的霧炬在燃燒空間的分布，以及周圍環境的溫度和壓力等都是影響蒸發過程乃至隨后的與空氣擴散混合過程的重要因素。如果燃料在進入燃燒空間之前已經霧化和蒸發完畢，并以燃料蒸氣的形式與空氣按一定比例混合后進入燃燒空間燃燒，屬于預蒸發型燃燒，其原理與均相預混可燃氣體的燃燒相同。將燃料直接噴入燃燒空間進行霧化、蒸發，同時進行擴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上最為常用。單個油滴高速噴入燃燒空間的氣流中后，將經歷一個與氣流有相對運動的動力段和一個經過摩擦而被停止的無相對運動的靜力段(圖3.12)。動力段的時間持續很短，初速為100~200m/s、直徑為10~40μm的油滴的動力段只有幾毫秒，在這段間內，油滴主要是完成加熱升溫過程，汽化與燃燒過程則主要是在靜力段中進行。圖3.13給出了半徑為rd的單顆球形油滴燃燒時，周圍火焰面的位置和形態，以及溫度和濃度等各種參數的分布示意圖。研究表明，球形火焰是在距油滴一定距離的rf處近似球對稱地包圍著油滴。除非處于微重力環境中，才可能有一個球形的火焰面，否則，在火焰面上會因自然對流而呈不球對稱形狀。油滴表面的液體吸收了來自火焰面的熱量而蒸發燃料蒸氣，并沿半徑方向向外界環境擴散，同時，外界環境中的氧氣向油滴表面擴散。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，而燃燒產物的濃度較大，并同時向油滴表面方向和外界環境方向擴散而呈逐漸遞減的趨勢。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。火焰面上的溫度較高。在沒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。由于熱傳導的作用，使得在火焰面兩側都形成了一定的溫度梯度。在穩態條件下，液體表面的溫度Ts接近于其沸點。

圖3.12油滴在氣流中的運動狀態［4］

圖3.13燃燒油滴附近的空間中溫度和質量濃度的分布規律［4］

(mFs： 油滴表面燃油蒸氣的質量分數； mps： 油滴表面燃燒產物的質量分數)

隨著燃燒過程的進行，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境氣體的溫度T∞，它在蒸發的同時還會不斷吸收外界熱量使自身的溫度升高到接近穩態蒸發時應該達到的溫度Ts，此后將保持恒定直到油滴燒完為止。在靜止介質中的無燃燒穩定蒸發過程、在靜止介質中的燃燒過程和在強迫氣流中的燃燒過程中，油滴直徑會表現出不同的變化規律。(1) 油滴在靜止介質中無燃燒穩定蒸發時，油滴直徑隨時間τ按“線性平方規律”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刻τ的直徑，Kf是蒸發常數(m2/s)，與時間無關，

Kf=8λgcpgρfln(1 Bf)(311)