燃烧学及原理

燃烧学及原理

现代的工业炉大部分都以燃料作为炉子热能来源，对于燃烧过程的评价及其特点的分析，从总的来说可以归纳为以下几个方面的主要问题：（1）燃烧温度：燃烧温度应满足炉内被加热钢料对炉温的要求。

（2）燃烧速度：它影响着炉内温度的高低和高温区集中的程度。燃烧速度的特性指标是燃烧室容积热强度、简称“燃烧强度”，它表示单位容积内单位时间完全燃烧掉的燃料量（米3/米3?小时、千克/米3?小时或千焦/米3?小时），燃烧强度大，说明燃烧速度快（或用火焰传播速度表示），火焰短，高温区集中。

（3）燃烧完全程度：它影响到炉内温度，炉内气氛和燃料消耗量以及对大气的污染程度等。燃烧完全程度一般由炉内气体成分或烟气成分决定。假如可以用烟气中化学损失来表示，也可用“燃烧完全系数”表示。炉内气氛的特点经常用CO/CO2和H/H2O等气体成分的比值来表示。

（4）燃烧的稳定性和可调性：为了调节燃烧装置的燃烧能力。在所要求的调节范围内，燃烧过程应当稳定进行，比如要保持火焰的连续性，不回火，不脱火，不爆炸，不灭火。每种燃烧装置都允许一定的调节范围，其大小通常用“调节倍数”或简称为“调节比”来表示。

一、燃烧温度

1、燃烧温度的概念

燃烧温度即燃料燃烧时生成的气态燃烧产物（烟气或炉气）所能到达的温度。在实际条件下燃烧温度与燃料种类，燃料成分（即发热量），燃烧条件（指空气、煤气蓄热情况）以及传热条件等因素有关。总起来说无非是决定于燃烧过程中的热平衡关系。如果收入的热量大于支出的热量则将反映出燃烧温度逐渐升高。反之则将反映出燃烧温度逐渐下降直到热平衡时燃烧温度才会稳定下来。由此看来燃烧温度实质上就是一定条件下有热平衡所决定的某种平衡温度。所以分析燃烧过程中热收入和热支出的平衡情况，从中找出估算燃烧温度的方法及提高燃烧温度的具体措施。

根据能量守恒和转化规律可知：燃烧过程中燃烧产物的热收入和热支出必然相等。

热收入各项有：

①燃料燃烧的化学热（燃料的低发热值）

②蓄热空气的物理热

Q空=Ln?c 空?t空

③燃料带入的物理热

Q燃=c燃?t燃

热支出各项有：

①燃烧产物所含的热量

Q产=Vn?c产?t产

②由燃烧产物向周围介质的散热损失以Q介表示，它包含炉墙的全部热损失，加热金属和炉子构件等的散热损失。

③燃料不完全燃烧损失的热量以Q不表示，它包括化学性不完全燃烧损失和机械性不完全燃烧损失两项。

④高温下燃料产物热分解损失的热量以Q分表示。因为热分解是吸热反应，故要损失部分热量。若压力为5～25大气压，则1500℃以下水和二氧化碳不会分解，而只有当温度高于2300℃时才产生强烈热分解

当上述的热量收入与支出达到热平衡相等时则其对应的燃烧产物的温度比定为某一定值t产。

由于影响t产的因素很多，特别是Q分在实际条件下很难确定。即使在同一个燃料的低发热量下由于燃烧条件不同则所得到的燃烧温度也不一样，为了从燃烧温度的角度来分析说明问题，便把燃烧温度区分为：绝对理论燃烧温度，理论燃烧温度，实际燃烧温度和量热计温度，它们的定义分别表述如下：

①绝对理论燃烧温度：指燃料在理想的绝热条件下实现完全燃烧时的温度，即它不考虑一切热损失下的燃烧温度。它是作yong平衡计算所必需的。

②理论燃烧温度：不考虑不完全燃烧损失和向介质的散热损失条件下燃料完全燃烧后放出的热量均为燃烧产物全部吸收、所能到达的最高温度。理论燃烧温度是燃烧过程的重要指标，它表明某种成分的燃料在一定的燃烧条件下（量、空气预热温度、煤气余热温度）烟气所能达到的最高温度。因为加热炉条件下热分解并不十分强烈，而Q分在一定的实际情况下计算十分复杂同时还很不准确

（因分解都很难确定），故一般情况下都把它忽略不计，因而实际上的理论燃烧温度就被当成了绝对理论燃烧温度了。事实上两者并非同一概念。

③实际燃烧温度指在实际条件下燃料燃烧后的温度，也就是把一切实际损失都考虑后所得的燃烧产物温度。对于一定的炉子通过长期生产实践总结后，可以找到实际燃烧温度小于理论燃烧温度的值大约在某一范围内波动。

炉温系数η：通常说的炉温的概念与上述的实际燃烧温度是不同的。通常说的“炉温”实质上是燃烧产物、被加热物和炉壁三者温度的中间值，而不是代表燃烧产物的温度。但是在实践中通常把炉温当成实际燃烧温度，并把实际燃烧温度与理论燃烧温度的比值用η表示称之为炉温系数。炉温系数还代表着炉子的温度特性

④量热计温度：由于实际燃烧温度和理论燃烧温度都受到燃烧条件影响，故它们都不能单独从燃烧温度角度反映出燃料的性质。为了从燃烧温度高低来直接评价燃料的质量便提出了所谓量热计温度。即它仅仅由燃料的低发热值对燃烧产物得出的热平衡方程而不考虑其他一切因素影响时的燃烧温度。

二、提高燃烧温度的途径

参照热平衡方程式

①提高炉温系数

对连续加热炉其炉温系数一般为0.70～0.85。当炉子生产率P=500～600千克/米2时，其炉温系数=0.70～0.75，而当P=200～300千克/米2时，其炉温系数为0.75～0.85。这说明炉温系数是随着炉子生产率的增高而降低。在炉子热负荷增加时，炉温系数升高，另外，加快燃烧速度，尽量保证完全燃烧和提高火焰的辐射能力以及对炉子的绝热密封等措施都能使炉温系数升高，而导致燃烧温度提高。

②预热空气与燃料

这对提高燃烧温度的效果最为明显，特别是预热空气效果更突出。因空气量大。预热温度由不受限制，燃料的预热温度要受到碳氢化合物分解温度、安全和燃料的燃点以及重油山点的限制（高炉煤气不受限制）。

③选用高发热值燃料

增加燃料低发热值可以提高实际燃烧温度。但要看到低发热值的增大和实

际燃烧温度是不成正比的，当低发热值增大到一定值后，再增大低发热值其对应的理论燃烧温度几乎不再增高。这是因为此时相应地燃烧产物量也随低发热值的增大而增大的结果。

几种燃料的发热温度（t量）

i表示每立方米理论燃烧产物的热含量。随着低发热值的增高，i值增大时则燃料的发热温度也随之增加，如表中的高炉煤气变成焦炉煤气或混合煤气时就很明显。而天然气的发热量比水煤气高3.3倍，但其发热温度反而比水煤气的发热温度低170℃，其原因就是天然气的i值比水煤气的i值小了516千焦/米3所致。于是得到以下结论：

即各种燃料的理论燃烧温度（在燃烧条件相同时）与其说与燃料的低发热值有关，还不如说主要取决于单位理论燃烧产物的热含量i的大小。一般来说无论什么样的燃料其i值越大则相应它的理论燃烧温度就越高。

④尽量减少烟气量

在保证完全燃烧的基础上，尽量降低实际烟气量是提高理论燃烧温度的有效措施。具体来说就是：选用空气消耗系数n小的无焰烧嘴或改进烧嘴结构，加强热工测试，安装检测仪对炉温、炉压和燃烧过程进行自动调节等都能使实际烟气量降低，从而提高实际燃烧温度。

三、气体燃料的燃烧过程

气体燃料的燃烧就是燃料中可燃气体分子与空气中的氧分子进行急烈氧化反应的过程。任何气体燃料（简称煤气）就其本质来说它的燃烧过程都可以分为三个阶段：（1）煤气与空气的混合，（2）煤气与空气混和物着火，（3）空气中的氧与煤气中的可燃物进行并完成燃烧反应。

这三个阶段虽然彼此不同但是却是紧密联系互为促进的。在加热炉内这三个阶段（即混合，着火和正常燃烧）实际上往往是同时存在的，相互制约并连续进行的。其中混合过程属于物质的扩散过程。它主要由物理方面的因素决定，一

般是三个阶段中的最慢者即控制性环节，着火与正常燃烧反应属于传热和化学过程的综合现象，一般来说较快属于非控制性环节，它主要取决于化学动力方面的因素。

1、气体燃料的燃烧过程

1）煤气与空气的混合及其影响因素

保持煤气中可燃物分子与空气中氧分子充分接触混合良好，是实现煤气正常燃烧的前提，即混合的好坏以及混合速度的快慢对煤气的燃烧速度与火焰的长短有直接重大影响。

在煤气烧嘴中混合，实质上是煤气射流与空气射流的混合，它是一个紊流扩散与机械参混得过程。两气体射流混合时，在射流断面上两种气体互相扩散，各自的浓度在烧嘴出口处最不均匀，而后靠扩散混合作用迫使浓度趋于均匀。从浓度不均匀到均匀所经历的路程最短则说明混合越快。故在讨论混合速度中常以达到某一浓度值所需要的射流长度，或以在某一射流长度断面上所能得到的浓度均匀程度为其特性指标。按照射流的基本规律和一些实验研究结果对两股射流混合影响的主要因素是：

①煤气与空气的流动方式：

比如煤气喷射到静止的空气中；煤气与空气互相平行流动；煤气与空气一定的角度α相遇；煤气与空气呈旋转运动等；

实验证明：在其它条件相同时，平行流动时的混合速度最慢，燃烧后得到的火焰也就最长且温度亦较低，这些都表明其混合程度很差。使煤气与空气流股有一定夹角，而且是两射流的夹角越大越有利于混合。这是因为两射流相遇处产生了新的脉动质点使紊流扩散加强了，同时还有机械参与混合作用都促进了气体的混合。旋流中气体分子的运动行程比直流式长，因而加强了气体分子间的动量交换和缩短了扩散时间。加上旋转气体的紊流程度又很强烈，所以在相同的空间距离内旋转气流的混合程度最好。

②气流速度

在层流情况下混合是通过扩散的方式进行的，这时与气流速度无关。故流速越大射流越长即火焰越长（1-4米/秒），当流速增大到一定值（4-7米/秒）后气体开始向紊流状态过渡，此时除了分子扩散混合外，气体微团径向紊流脉动的

机械参混作用即紊流扩散作用加强了，而且是随着流速的增加而增加的。所以使混合变好因而火焰长度缩短了，速度再增大气流进入完全紊流状态后，这时紊流扩散速度基本上随着气流速度成正比关系增加，所以火焰长度稳定下来不再随气流速度的增加而改变（7-8米/秒）。

③气流相对速度（速度差）

对平行流动的两射流而言，气流的速度差越大，混合就越快，故增加煤气和空气的速度差是有利于混合的。在流量不变时，加快空气流速可以促使其在煤气射流中尽快混合，从而使煤气流股中的氧气浓度达到燃烧反应的需要，即加快了燃烧而使火焰相应缩短一些。

④气流直径

气流直径越大则完成混合所需时间越长，因而火焰越长。射流的喷口直径越小则射流中心线上的混合越快。这是因为射流质点达到中心射流所需要穿过的路程越小，故有利于混合的加快。比如采用多喷口，细流股，扁平或椭圆流股的烧嘴等均可加速煤气与空气的混合，从而使燃烧强度提高。

⑤煤气的发热量

在其它条件不变下，发热量越高则需要的助燃空气量越多，因而减慢了混合，若不加以改善混合条件就会使火焰拉的很长。

⑥空气消耗系数n

在加热炉操作中可通过调节空气闸门开度来实现对火焰长短的调节，增大n值能使混合加快，使火焰变短些，反之，减少n值则可使火焰拉长些，一些火焰长短可调烧嘴就是利用此原理。当炉子由较低的发热量燃料改较高发热量的燃料时，为了保证完全燃烧不致使火焰拉的过长，相应必须从烧嘴结构上加以改革或另选混合条件好的烧嘴。

以上主要因素和基本规律概括了影响煤气与空气混合过程的全部内容。这些影响混合的基本因素可以作为鉴别烧嘴特点的依据。

2）煤气及空气混合物的加热、着火

经过充分混合后可燃混合物并不能立即着火燃烧。只有把煤气、空气加热到一定温度后才能着火进行燃烧反应。这一定温度成为燃料的“着火温度”。所谓着火温度即可燃混合物开始自动加速反应，达到着火状态的最低温度。按对可

燃气体混合物加热方式的不同，着火可分为：自然着火和强迫着火两大类。

自然着火：由于热量的积累而使容器中的可燃气体混合物同时全部达到着火温度的称为自然着火（如煤气爆炸）

强迫着火：是目前工业炉内燃烧技术中广泛采用的着火方式，其特点是，务须同时将容器中的可燃混合物加热到着火温度，而是先将一小部分可燃气体点着后向基地利用这一小部分可燃气体燃烧后放出的热量去加热反应区邻近的可燃物也达到着火点而燃烧起来，就这样逐渐使燃烧反应持续下去。

只有达到着火温度的可燃混合物才能持续正常燃烧，可见着火是实现正常燃烧的必要条件，但不是充分条件，因为当可燃混合物没有达到其相应的浓度极限时即使达到了着火温度也同样是不能正常燃烧的。一般工业炉用煤气的着火温度为500～600℃，高炉煤气、转炉煤气、发生炉煤气和焦炉煤气的着火温度偏下限，天然气偏上限。