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燃气燃烧措施
燃气燃烧的动力区和扩散区
燃料燃烧所需要的所有时间一般由两部分合成,即氧化剂和燃料之间发生物理性接触所需要的时间τph和进行化学反应所需要的时间τch。亦即τ=τph+τch
对气体燃料来说,τph≪τch,则实际上τ≈τch。这时,称燃烧过程在动力区进行。
反之,假如τph≫τch,则τ≈τph。称燃烧过程在扩散区进行。
显然,当燃烧过程在动力区进行时,燃烧速度将受化学动力学原因的控制,例如反应物的活化能、温度和压力等。若燃烧过程在扩散区进行,则燃烧速度将取决于流体动力学的某些原因,例如气流速度和气体流动过程中所遇到的物体的尺寸、形状等。
在中间区,τph≈τch。状况较为复杂。
为此,将燃烧分为扩散燃烧和预混(部分预混和全预混)燃烧。
一、扩散式燃烧
燃气中不含氧化剂(即α′=0),则燃烧所需的氧气将依托扩散作用从周围大气获得。这种燃烧方式称为扩散式燃烧。
在层流状态下,扩散燃烧依托分子扩散作用使周围氧气进入燃烧区,在湍流状态下,则依托湍流扩散作用来获得燃烧所需的氧气。由于分子扩散进行得比较缓慢,因此层流扩散燃烧的速度取决于氧的扩散速度。燃烧的化学反应进行得很快,因此火焰焰面厚度很小。
在焰面上α恰好等于1,而不也许不小于或不不小于1。内侧为燃气和燃烧产物互相扩散的区域,外侧为空气和燃烧产物互相扩散的区域。
扩散火焰的形状为圆锥形。这是由于前期混合需要时间,使焰面拉长。后期不停燃烧,纯燃气的体积越来越小。
层流扩散火焰结构
1—外侧混合区;2—内侧混合区;Cg—燃气浓度;Ccp—燃烧产物浓度;CO2—氧气浓度
层流扩散火焰的相似
运用相似关系来讨论层流扩散火焰的基本规律
管l和管2两个相似的扩散燃烧装置 ,燃气和空气之间的扩散率(即单位时间从空气中扩散到燃气中去的氧气量)应当与浓度梯度成正比:
式中 D——扩散系数;
F——垂直于扩散方向两股气流的接触面积
dC/dr——径向浓度梯度。
两种状况下的扩散率之比应当等于燃气流量之比
气流速度增长时扩散火焰长度和燃烧工况的变化
1—火焰长度终端曲线;2—层流火焰终端曲线
层流扩散火焰的长度与气流速度成正比,而在湍流区火焰长度与气流速度无关。
在燃气湍流自由射流中,轴线上的燃气浓度Cg与射流出口处的原始浓度C1之比
在锋面上燃气浓度和空气浓度之比应近似地等于化学当量比l:n,由此可得湍流扩散火焰长度lf
式中 s——距出口的轴向距离;
a——湍流构造系数;
r——射流喷口的半径。
二、扩散火焰中的多相过程
碳氢化合物进行扩散燃烧时,也许出现两个不一样的区域:一种是真正的扩散火焰,它是一种很薄的反应层;另一种是光焰区,其中有固体碳粒燃烧。
在火焰内存在一种只有燃气没有氧气的高温地带,是燃气进行热分解的区域。分解区内发生着碳氢化合物的脱氢过程和碳原子的积聚过程。最终生成相称多的固体碳粒,像雾一般分散在气体中。这些碳粒接触到氧气,便出现固体和气体之间的燃烧过程,展现出明亮的淡黄色的光焰,假如碳粒来不及燃尽而被燃烧产物带走,就形成所谓煤烟。
碳粒燃烧经历吸附——反应——解析的过程
不一样压力下乙炔在空气中
的扩散火焰
1—扩散火焰;2—光焰区
层流扩散火焰中气体浓度和
温度的变化
燃气火焰的辐射
在民用燃气设备上,由于燃烧空间有限,燃烧温度不高,光焰的出现容易形成黑烟。但在多种工业炉窑、锅炉等热工设备上,却需要运用燃料燃烧时火焰的辐射传热。
不发光的透明火焰的辐射,重要是高温气体的辐射。对于黄色、光亮而不透明的光焰来说,火焰内的游离碳粒子产生的固体辐射占有很大的比例。因此,两种不一样火焰的辐射机理是不一样的。
燃气火焰一般来说是不发光的透明火焰,虽然扩散火焰也是弱的光焰。透明火焰重要靠烟气中的CO2、水蒸气等在高温下的辐射。由于气体辐射仅在特定的窄波段内进行,与具有持续发射光谱的发光固体颗粒相比,燃气火焰的辐射能力是很弱的。
为了增长燃气火焰的辐射能力,曾有人试验过在气体燃料中加入某些液体燃料的燃烧措施。图示为国际火焰基金会的研究成果。