05第五章火焰传播与气体燃料燃烧.ppt

第五章 火焰传播与 气体燃料燃烧 第一节 火焰传播的基本概念 一、火焰传播 以气体燃料燃烧为例，介绍火焰传播的基本概念。 已燃区与未燃区之间形成了明显的分界线，化学反应发光区为火焰前沿（或称为火焰锋面）。如图所示。 火焰传播速度，指燃料燃烧的火焰锋面在法线方向上的移动速度。 二、火焰传播的形式 如果在静止的可燃混合气中某处发生了化学反应，则随着时间的进展，此反应将在混合气中传播，根据反应机理的不同，稳定的火焰传播可划分为正常传播（或称为缓燃）和爆燃两种形式。 火焰正常传播是依靠导热和分子扩散使未燃混合气温度升高，并进入反应区而引起化学反应，从而使燃烧波不断向未燃混合气中推进。 而爆燃传播不是通过传热和传质发生的，它是依靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度不断升高而引起化学反应，从而使燃烧波不断向未燃混合气推进。 根据燃料气流的流动类型，火焰正常传播又可分为层流火焰传播和紊流火焰传播两种形式。 当火焰传播过程中可燃混合气处于紊流状态时，称为紊流火焰传播。 层流火焰传播为缓慢燃烧火焰传播，依靠导热或扩散使未燃气体混合物温度升高，火焰一层一层依次向未燃部分传播。紊流火焰传播速度较快，在200cm/s以上。一般工业技术的燃烧都属于紊流火焰传播。 电站煤粉锅炉炉膛内的火焰传播正常情况下为缓慢燃烧的紊流火焰传播。可燃物在某一局部区域着火后，火焰从这个区域向前移动，逐步传播和扩散出去。火焰传播速度约1~3m/s。如果燃烧工况不好，比如燃烧不完全，会有可燃物质在炉膛内聚集，当未燃混合物数量增多到某一浓度时，绝热压缩将逐渐增强，缓慢的火焰传播过程就可能自动加速，转变为爆炸性燃烧。 第二节 层流火焰传播 一、层流火焰传播机理 大量实验表明，层流火焰结构大体如下图所示。假设火焰为平面，其表面与管子轴线垂直。为方便起见，假定火焰前沿驻定不动，而混合气体以层流火焰传播速度uL流入管内，初始参数浓度为Y-∞，温度T-∞，密度ρ-∞，压力p-∞。化学反应速率为w。 薄层有以下特点： （1）在火焰前沿厚度的很大一部分,化学反应速率很小。化学反应主要集中在很窄的区域（Ⅱ）中进行，厚度为lc，称为化学反应区。 （2）由于火焰前沿的厚度很小，但温度和浓度的变化却很大，因而在火焰前沿中出现了很大的浓度梯度及温度梯度。 二、层流火焰传播速度 称为层流火焰传播方程。解该方程组需要边界条件。 一般火焰正常传播速度的数量级是1~100cm/s。 火焰传播速度与化学反应速率的平方根成比例。 三、影响层流火焰传播速度的因素 1、热扩散率 2、压力 3、初始温度 4、理论燃烧温度 5、过量空气系数 表5-1 几种气体在与空气混合时的火焰传播浓度极限（在0.1MPa，20℃时） 第三节 紊流火焰传播 紊流火焰传播受可燃混气湍动的强烈影响。 一、紊流火焰传播机理 借用层流火焰锋面的概念，在火焰和未燃气体的分界，近似认为存在一个几何面，也称之为火焰锋面。 图5-9 紊流火焰示意图 a）小尺度紊流火焰 b）大尺度弱紊流火焰 c）大尺度强紊流火焰 将微团的脉动速度w’与层流火焰传播速度uL比较，如果w’＞ uL，则称为大尺度强紊流火焰；反之，称为大尺度弱紊流火焰。 二、紊流火焰传播速度 1、紊流火焰的表面理论 在2300≤Re≤6000范围内，紊流为小尺度的。 对于大尺度弱湍动的火焰，w’＜uL uT≈uL＋w’ 大尺度强湍动： 2、紊流火焰的容积理论 容积理论认为，在大尺度强湍动下燃烧的气体微团中，并不存在把未燃气体和已燃气体或燃烧产物截然分开的正常火焰锋面，燃烧反应也不是仅仅发生在火焰锋面厚度之内。 三、影响紊流火焰传播速度的因素 第四节 气体燃料层流燃烧 第一种为预混火焰，如图5-13中（a）所示。可燃气体通过燃烧器喷口喷入炉膛，如果燃料进入炉膛前先和燃烧所需的全部空气预先混和好，这种火焰就称为预混火焰，也称动力燃烧火焰，属于动力控制燃烧。预混火焰的燃烧温度高，燃烧强烈，燃烧完全，无黑烟，火焰呈淡蓝色，燃烧过程短。火焰中呈氧化性气氛。但易回火、脱火，稳定性较差。 第二种为扩散火焰，如图5-13中（c）所示。如果燃料不和空气混和，进入炉膛后再混和，这种火焰则称为扩散火焰，燃烧所需空气由周围空间的空气扩散供应，属于扩散控制燃烧。扩散火焰的燃烧温度低，燃烧不强烈，燃烧不完全，冒黑烟，火焰呈明亮的黄色，燃烧过程长，即火焰最长。火焰中呈还原性气氛。但其不会回火、也不易脱火，燃烧稳定。 第三种为部分预混火焰，如图5-13中（b）所示。如果燃料和部分空气混和后进入炉膛，这种火焰称为部分预混火焰，有内外两个火焰锋面。内火焰由预混的部分空气和部分燃料燃烧形成，外火焰由剩余燃料和外部扩散进来的空气燃烧形成。部分预混火焰也由扩散控制