1、第三节 燃烧过程基本理论一、燃烧过程概述燃料的种类很多，由状态来分，有固体、液体及气体燃料三种。它们的化学组成也各不相同，但从燃烧的角度来看，各种不同燃料均可归纳为两种基本组成；一种是可燃气体如 H2、CO 及 CmHn等，另一种是固态炭。例如：气体燃料的燃烧，亦即可燃气体的燃烧；液体燃料燃烧时，由于加热后气化形成气态烃类以后在高温缺氧时，有一部分烃类裂解生成固态炭粒及较小分子量的烃类或氢，因此液体燃料的燃烧，可以看作是可燃气体及固态炭的燃烧。固体燃料在受热时，挥发分逸出，剩下的可燃物为固态炭，因此固体燃料的燃烧实质上也是可燃气体及固态炭的燃烧，所以研究燃料的燃烧过程，可以从分别研究两种基本燃
2、料组成的燃烧过程着手。燃烧，是指燃料中的可燃物与空气产生剧烈的氧化反应，产生大量的热量并伴随着有强烈的发光现象。燃烧有两种类型，一种是普通的燃烧，亦即正常的燃烧现象，靠燃烧层的热气体传导传热给邻近的冷可燃气体混合物层而进行火焰的传播。正常燃烧的火焰传播速度较小，仅每秒几米，燃烧时压力变化较小、一般可视为等压过程。另一种是爆炸性燃烧，系靠压力波将冷的可燃气体混合物加热至着火温度以上而燃烧，火焰传播速度大，约为 l0004000 米秒。通常是在高压、高温下进行。一般窑炉中燃料的燃烧属于普通的(正常的)燃烧。燃烧的条件除要有燃料及空气存在外，尚需达到燃烧所需的最低温度着火温度。二、可燃气体反应机理连
3、锁反应：CO、H 2、CH 4。三、碳的燃烧机理碳的燃烧是两相(气固相)反应的物理化学过程。氧气扩散至炭粒表面与它作用，生成 CO 及 CO2气体再从表面扩散出来。一部分学者认为氧气扩散至碳表面时，并不立即产生化学反应，而是被碳吸附生成结构不确定的吸附络合物 CXOY，当温度升高时， 或在新的氧分子的冲击下可分解放出 CO 及 CO2，其过程是：yxOCx21yxOC22nm生成的 CO 与 CO2的比例(即 m、n 的数值)与温度有关。从实验得知，在 9001200间，生成 CO 与 CO2的比是 1：1，系按反应(7)进行，在 1450以上时按反应(8)进行生成的 CO 与 CO2，的比为
4、2：1。（7）COC2342（8）不管碳和氧的反应过程按照哪一种过程进行，总的燃烧生成的产物为 CO 及 CO2，高温时 CO 含量要高一些。有实际意义的，不是炭的燃烧的结构，而是找出燃烧时氧气消耗和燃烧产物生成的规律。碳的燃烧是氧化反应过程与扩散过程的结合，因此碳的燃烧速度与化学反应速度及扩散速度均有关系。化学反应速度可近似地按下式计算：(2-45) 2gOVkC式中 Vg 单位时间单位碳粒表面上氧化反应消耗的氧量，gcm 2s;Co2 碳粒表面气相中氧的浓度 gcm 3；k 化学反应速度系数。扩散速度可按下式计算：(2-46)22dOVaC()式中 Vd 单位时间扩散至单位炭粒表面上的氧量
5、，gcm 2s2;CO2气流中心氧的浓度，gcm s； d 扩散速度系数。在平衡条件下， Vg Vd V222OdOkCaC()由式(245)可得： 2gk由式(246)可得： 22gOdVa两式相加： 21dCVk()（2-47）OdOgKkV221式中 K 总的燃烧速度系数：（2-48）1dka燃烧速度，常用单位时间内单位表面积燃烧的碳量来表示（V C）,而碳的消耗量与氧的消耗量之比决定于燃烧产物中的 CO 及 CO2的数量。设 Vc/V=m，则 Vc=V m，故（2-49）dOCkmV12m 的数值在 0.3750.75 范围内变化。当燃烧产物中只有 CO 时， ；120756CmO.当
6、燃烧产物中只有 CO2时， ；3.低温是时（约 800以下），化学反应系数非常小，项可忽略，则：dd,K,12dcOkkaVmC燃烧进度决定于化学反应速度系 k( 化学反应能力)，此时，燃烧速度随温度升高而急剧增，而与气流速度无关。这阶段叫动力燃烧区。当温度升高至一定程度时（约 1000以上）， 项可以忽略， 此时 k= d， 故：K,Kdd1(2-50)0cdVmaC燃烧速度决定于扩散速度系数 d（扩散能力），因此燃烧速度不随燃料性质而改变，和温度的关系也不大，而和气流速度的关系却很大，燃烧速度服从于扩散规律，这一阶段叫扩散燃烧区。在动力区与扩散区两个极限情况之间叫过渡区，此时扩散速度与化学
7、反应速度相差不大。燃烧速度与化学反应能力及扩散能力均有关系，此时情况最复杂；所有影响化学反应速度及扩散速度的因素都对燃烧速度有影响。碳的燃烧速度与炭的温度及气流速度的关系见图2-8。实际情况下，碳的燃烧过程是很复杂的，它不仅是氧化反应还有二次反应（ ）的存在。燃料在窑炉中高温燃烧时，2CO炭的燃烧一般是在扩散区内进行的，因此空气与煤粉很好地混合，或与煤块很好地接触，并具有较大的相对速度是强化燃烧的主要途径。四、燃烧过程中氧化氮的生成机理燃料在燃烧过程中会产生一定数量的各种分子比的氮氧化物，其中的 N2来源于空气和燃料，O 2来源于空气。NOx 包括NO2、N 2O、NO、N 2O3、NO 3
8、、N 2O4、N 2O5等七种氧化物。但其中主要的是 NO 和 NO2。它们对人体、动物植物都有极大危害，是造成大气污染的主要有害气体之一。NOx 对人体和动物体中的血色素有强烈的亲和力，它比 CO 大1000 倍。人和动物吸入 NOx 会引起血液严重缺氧，损害中枢神经系统引起麻痹症状。NOx 对人体有强烈的刺激作用。N0 2浓度为 1 毫克标米 3时，连续吸入 4 小时，肺细胞组织将发生变化，连续吸入 312 个月，有肺气肿出现。浓度达 100 毫克标米 3时，1 分钟内人的呼吸开始异常。浓度达 200300 毫克标米 3时，人在半小时至 1 小时内就会死亡。人对 NOx 的嗅觉范围是 0.
9、180.72 毫克标米 3时，大气中NOx 的最高允许浓度范围是 0.15 毫克标米 3时。大气中碳氢化合物与 NOx 在阳光的照射下，由于紫外线的触媒作用，生成具有强烈刺激性和腐蚀性的光化学烟雾，它包含有乙醛、臭氧和一些毒性有机物。这些物质刺激人的眼睛和呼吸道，严重者引起视力减退，全身麻痹，动脉硬化等症状，并使农作物枯萎，金属构件腐蚀。世界上工业发达的国家，如美国、日本和英国等国在五十年代和六十年代都曾发生过由 NOx 引起的严重大气污染事件。1954 年震动世界的美国洛杉矾光化学烟雾事件就是其中一例。 NOx 的生成机理，目前还没有研究得很深刻，一般认为氧化氮的生成和燃烧反应没有直接的联系
10、，根据形成条件和组成来源可将 NOx分成三种类型：（1） TNOx（Thermal NOx）热 NOx指气态的氧和氮在高温下形成的 NOx，来源于空气，其反应为 QNO 22放放高温环境和活化中心 O 是 NO 生成的必须条件，在高温区，NO 生成反应最激烈，而且在1370时，NOx 的稳定性也最好。在 O2含量充足时，NO 还会被氧化成 NO2，即 。N22放（2） FNOx(Fuel NOx) 燃料 NOx指燃料成分中所含的氮在一定条件下转化成 NOx，称为燃料NOx。这种 NOx 在高温和 O2含量高时，生成量也多。实验证明，燃料中 N2约有 3040转化成 NOx。（3） PNOx（P
11、rompt NOx）瞬时 NOx指在火焰面附近受激发而产生的 NOx。这种 NOx 只有在碳氢化合物燃烧时才产生，除与激发条件有关外，还与氧的浓度有关。由此可见，NOx 的生成和烟气中 NOx 的含量应与火焰的最高温度，O2、N 2的浓度，燃烧产物在燃烧室内停留时间和燃料中的含氮率等因素有关。在实际操作中，可采用降低火焰最高温度区域的温度，减少过剩空气等方面的措施，以减少 NOx 对大气的污染。五、着火过程和着火温度着火过程，指混合均匀后的可燃物，从开始明显的化学反应，温度升高，到激烈燃烧反应这一过程。实现着火过程的方式有两种：（1）使整个装有混合物的容积都同时达到某一温度，超过该温度，混合物
12、便自动的，不再需要外界作用地着火达到燃烧状态，这种过程叫自然着火。（2）在冷的混合物中，用一个不大的点火源，在某一局部地方点火，先引起局部着火燃烧，然后自动地向其它地方传播，最终使整个混合物都达到着火温度，这叫强制点火。不论着火或点火，实质都是燃烧反应的自动加速，燃烧反应的加速，或是由于活化中心的积累，或是由于温度的升高，实际燃烧室内的燃烧过程都是靠高温实现的。由此除了研究反应速度与浓度的关系外，还必须更着重地研究与温度条件的关系。体系的温度决定热量平衡，在着火过程的研究中，以热量平衡为基础的着火理论占有重要的地位。任何燃料的燃烧过程，都有“着火”及“燃烧”两个阶段，由缓慢的氧化反应转变为剧烈
13、的氧化反应(即燃烧)的瞬间叫着火，转变时的最低温度叫着火温度。设某一容器内盛有煤气与空气的混合物，氧化反应系放热反应，产生热量使混合气体温度上升，当气体温度高于容器外围空气温度时，则有热量通过容器壁向外围散失。单位时间内由于氧化反应放出热量(放热速率 Q 放 )、单位时间向外围散失热量(散热速率 Q 散 )与混合气体温度 (T)的关系为：)()( 00TKTFe KRE- 放式中：E活化能，KJ/kmol；R气体常数，KJ/kmol.K；T0器壁温度，K； K、K系数。当混合气体温度在 TA与TB间时，由于散热速率大于放热速率，故温度不能稳定，必然不断下降，直至到达 TA点时才停止。设当混合气
14、体温度低于 TA时，由于放热速率大于散热速率，故温度必然继续上升，直V TF T0至到达 TA点，因此 A 点是稳定点，此时混合气体的温度很低，氧化反应速率慢，属缓慢的氧化。而当温度略高于 TB时，则放热速率大于散热速率，温度须不断上升。在任何情况下，偶然的偏差总是不可避免的，这就会使它离开平衡状态，因此 B 点是不稳定点。当周围介质的温度 T0逐渐升高时，曲线 2 向右移动，当介质温度为 时，曲线 3 与放热曲线 1 相切于 C 点，此时 C 点是稳定情况存0T在的极限点。如果周围介质的温度比 略高时，稳定情况就不可能存0T在，即放热速率总是大于散热速率，温度升高，反应加速，发生自燃现象。“
15、自燃”是一种特殊的情况。放热曲线 1 与散热曲线 3 相切的点 C 叫着火点，该时的温度（T C）叫着火温度，即在一定条件下燃料稳定燃烧的最低温度。从上述分析，亦可看出：着火温度并不是一个定值。当氧化反应速率加大（即放热速率提高）或散热速率降低时，均能使着火温度降低。着火温度不仅与可燃气体混合物的组成及参数有关，还与散热条件有关。燃料与接近理论需要的空气混合，提高混合气体的压力或提高周围介质的温度等，均可使着火温度降低。表 4-20 列出了在一个大气压下某些气体或燃料在空气中的着火温度范围。在大气压某些可燃气体或空气中的着火温度范围 表 4-20种类 H2 CO CH4 C2H6 C2H2 C
16、6H6着火温度（）530590 610658648685530594335500720770种类 石油 重油 无烟煤 烟煤 褐煤着火温度（）360400 300350350500250400250350六、着火浓度范围理论研究表明，不论是自然着火或强制点火，着火条件都与可燃物的浓度有关，而浓度又与体系的压力和可燃物的成分有关。因此除了温度条件外着火也只有在一定的压力和成分条件下才能实现。气体燃料与空气的比例，必须在一定的范围内，才能进行燃烧，这一范围叫着火浓度范围，或叫着火浓度极限。当煤气与空气的混合物，在容器内混合均匀，又在着火浓度极限以内，当有火花或明火存在时，由于瞬时产生了温度很高的燃烧
17、产物，压力急剧增加，可产生爆炸现象，故着火浓度极限又叫爆炸极限。可燃气体的组成不同，其极限范围也异.混合气体中可燃气体的含量低于下限或高于上限均不能着火燃烧。因低于下限时，由于可燃气体量太少，局部处点燃时，其氧化反应热量不足也使邻近层气体加热至着火温度以上而燃烧。若高于上限时，则由于氧含量太少而同样使氧化反应所产生的热量不足以使邻近层气体加热至着火温度以上而燃烧，所以当可燃气体浓度在上、下限以外时，虽局部燃烧，但不能使燃烧传播，也就是使燃烧不能继续进行。若煤气与空气的混合物喷至高温空间时，则不受此着火浓度范围的限制。工业上常用煤气在空气中的着火 温度浓度范围举例见表 2-20从上表可以看出天然
18、气的着火浓度范围较窄， 必须保证天然气含量在此范围内才能够着火。另外，天然气在空气中的浓度达到45时就有爆炸的危险，因此输送气体的管道、测量仪表及燃气装置等必须封闭严密，不能漏气。当煤气空气混合物预热时，随着预热温度增加，着火浓度范围逐渐扩大，如果初始温度不是常温而是预热至高温，那么浓度界限将变宽，特别是上限增大。当煤气与纯氧混合时，其着火浓度范围亦较与空气混合时扩大。七、燃烧传播过程燃料和氧化剂实现着火之后，在燃烧室中应保持连续的燃烧。一般的工业燃烧室中。着火之后，初始点火源便可撤去。而连续进入燃烧室的新鲜燃料和氧化剂仍能继续燃烧。这便是点燃后形成的燃烧前沿面（火焰前焰面）传播的结果。可做一
19、个简单的实验，在一个水平的管子中，装入可燃混合物，管子一端开口，另一端闭合。在开口端用电热丝进行点火。可以观察到，在靠近点火源处，可燃混合物先着火，形成一层正在燃烧的平面火焰。这一层火焰以一定的速度向管子另一端移动，直至端尾，并把全部的可燃物燃尽。这一层正在燃烧的气体。便称为燃烧前沿。为什么在管子的一端着火之后，整个管子中的可燃物都会烧掉呢？这是因为当靠近着火热源的一层气体被着火热源加热到着火温度进行燃烧反应之后，该层气体燃烧放出的热量，必将通过传热方式使相邻的一层可燃混合物气体温度升高而达到着火温度而开始燃烧。新的燃烧着的一层气体又会将另一层相邻的气体加热，着火，燃烧。最终使管子里的可燃物全
20、部烧完。在新鲜可燃混合物和燃烧产物之间，是一层正在燃烧的气体。称之为燃烧前沿。宏观看来，管内的可燃混合物由一端着火后能一直烧到另一端，正是燃烧前沿由一端传到另一端。在燃烧前沿的传递过程中，燃烧前沿与新鲜可燃混合物及燃烧产物之间进行着热量交换和质量交换。这种靠传热和传质的作用使燃烧前沿向前传播的过程，称之为正常燃烧。实际燃烧室中，可燃混合物不象实验中那样是静止的，而是连续流动的。并且火焰的位置应该稳定在燃烧室当中，也就是说燃烧前沿应该驻定而不移动。这一现象可通过建立气流速度和燃烧前沿传播速度之间的平衡关系来解释。如果可燃混合物经一管道流动，则速度分布沿断面是均匀的，着火后可形成一个平面的燃烧前沿
21、。设气流速度 W0,燃烧前沿的传播速度为 W f， W f与 W0的方向相反。燃烧前沿对管壁的相对位移有三种情况：（1） 如果 W f W0，则燃烧前沿向气流上游移动，发生回火。（2） 如果 W f W0，则燃烧前沿向气流下游移动，发生脱火。（3） 如果 W f = W0，则燃烧前沿驻定不动，正常燃烧。实测各种可燃气体的火焰传播速度 Wf 的数值波动很大，这是因为火焰传播速度除了与可燃混合物的物性有关外，还与混合物的组成、温度及燃烧管道的尺寸有关。第四节 燃烧方法和燃烧装置一、气体燃料的燃烧过程及设备根据煤气与空气在燃烧前的混合情况，可将煤气燃烧方法分为三种；1)有焰燃烧法；2)无焰燃烧法；
22、3)半无焰燃烧法。如果煤气和空气在燃烧装置中不预先进行混合，而是分别将它们送进燃烧室中，并在燃烧室中边混合边燃烧，这时火焰较长，并有鲜明的轮廓，放名有焰燃烧。有焰燃烧属于扩散燃烧。反之如果煤气和空气事先在燃烧装置中混合均匀，则燃烧速度主要取决于着火和燃烧反应速度，没有明显的火焰轮廓，是为无焰燃烧。无焰燃烧属于动力燃烧。如果在燃烧之前只有部分空气与煤气混合，则称为半无焰燃烧。有焰燃烧法的特点是燃烧速度主要取决于煤气空气的混合速度，与可燃气体的物理化学性质无关，烧嘴能力范围较大，火焰的稳定件较好。当用有焰燃烧法燃烧含碳氢化合物较多的煤气时，由于可燃气体在进入燃烧反应区之前，及进行混合的同时，必然要
23、经受较长时的加热相分解，此在火焰中容易生成较多的固体碳粒，火焰黑度较大。其次，有焰燃烧法可以允许将空气和煤气预热到较高的温度而不受着火温度的限制，有利于用低热值煤气获得较高的燃烧温度和充分利用废气余热节约燃料。由于以上特点，有焰燃烧法至今得到广泛采用，尤其是当炉子的燃料消耗量较大，或者需要长而亮的火焰时，都采用有焰燃烧法。所谓气体燃料的无焰燃烧，指的是煤气和空气在进入炉内之前就已经混合均匀，因此它的燃烧速度比有焰燃烧要快得多，整个燃烧过程在烧嘴砖(即燃烧坑道 )内就可以结束。火焰很短，在炽热的燃烧坑道背影下，甚至看不到火焰，所以叫无焰燃烧。无焰燃烧的主要特点是由于空气和煤气预先混合，所以空气过
24、剩系数可以取小一点，一般为 1.021.05。其燃烧速度快，燃烧空间的热强度(指 1m3燃烧空间在 1h 内燃料燃烧所放出的热量，单位是 wm 3)，比有焰燃烧大1001000 倍之多，高温区比较集中，由于所用的过剩空气量少，所以燃烧温度比有焰燃烧时高。由于燃烧速度快，煤气中的碳氢化台物来不及分解成游离碳粒，所以火焰的黑度比有焰燃烧时小。煤气和空气预先进行混合所以它们的预热温度都不能太高，原则上不能超过混合气体的着火温度，实际一般都控制在 500以下。为了防止回火和爆炸，烧嘴的燃烧能力不能太大。1、高速烧嘴高速烧嘴属无焰烧嘴，煤气与空气在烧嘴内进行完全燃烧，再与二次空气掺合以调节燃烧产物酌温度
25、，然后经烧嘴以高速喷出。喷出速度一股在 80200 米秒，最高可达 309 米秒。根据煤气与一次空气是否在烧嘴内混合可分为预混式及非预混式两种类型。(1)预混式高速烧嘴煤气与一次空气先在预混室内混合然后进入烧嘴燃烧后喷出。预混的方式常采用引射器的原理， 可用空气为喷射介质以吸人煤气或用煤气为喷射介质以吸入空气。常采用前者。其优点：（1)可烧不同热值的煤气；（2)喷射介质压力较高，调节范围较大；预混式高速烧嘴的示意图见图 211。在预温室中，喷射一次空气以吸人煤气，在其内混合均匀后再以高速进入燃烧室中燃烧由于混合气体进入突然扩大的燃烧室中，流速降低压力提高，造成回流，使下游灼热的燃烧产物回流至喷
26、出口附近以保证混合气体着火燃烧。燃烧室头部这一突然扩大的结构称为坑道式稳焰结构是这种烧嘴的一个关键部位，它保证燃烧能在燃烧室内正常地进行。二次空气(调温空气)经燃烧室外因环隙与燃烧产物混合，然后以高速喷出。二次空气量可独立控制。(2)非预混式高速烧嘴 煤气与空气分别在 5000 帕以上的压强下送入，在燃烧室内燃烧(内设电点火装置)，然后再与二次空气温合后喷出，喷出速度在 150米秒以上。高速烧嘴的特点：(1)喷出速度大，沿流动方向温差小；(2)喷出速度大，产生抽吸气体的作用，且并使窑内上下温度，气氛均匀；(3)喷出气体温度可任意调节(2001800)，能适应各种窑炉的要求；(4)燃烧迅速，燃烧
27、空空间热强度：大约 120000 千瓦米 3)燃烧热效率高(90以上)，使烧嘴温度高；(5)燃烧完全，对环境污染小；(6)结构简单，造价较低。二、液体燃料的燃烧过程及设备1、重油的燃烧过程液体燃料在炉内燃烧时，大多是要将燃料油雾化成细小的颗粒喷入炉内燃烧。因此，作为理论基础，研究某个油粒(油珠)的燃烧过程及燃烧速度是必要的。当一个很小的油粒置于高温含氧介质中时，高温下将依次发生下列变化：（1)蒸发 油粒受热后表面开始蒸发，产生油蒸气。大多数油的沸点不高于 200，所以蒸发是在较低温度下开始进行的。（2)热解和裂化 油及其蒸气，都是由碳氢化合物组成。它们在高温下若能以分子状态和氧分于接触，可以发
28、生燃烧反应。但是若与氧接触之前便达到高温，则会发生受热而分解的现象。油的蒸气热解以后可以产生固体的碳和氢气。实际中烧油炉子所见到的黑烟，便是火焰或烟气中含有热解而产生的“烟粒”( 或称碳粒、油烟)，但是这种烟粒并非纯碳，而尚含有少量的氢。另外，尚未来得及蒸发的油粒本身，如果剧烈受热而达到较高温度，液体状态的油也发生裂化现象。裂化的结果，产生一些较轻的分子，呈气体状态从油粒中飞溅出来；剩下的较重的分产可能呈固态，即平常所说的焦粒或沥青。例如生产中重油烧嘴的“结焦”现象便是裂化的结果。（3)着火燃烧 气体状态的碳氢化合物，包括油蒸气以及热解、裂化产生的气态产物，与氧分子接触后，达到着火温度时，便开
29、始剧烈的燃烧反应。这种气体状态的燃烧是主要的。此外，固体状态的烟粒、焦粒等在这种条件下也开始燃烧反应。2、重油的雾化方法机械雾化主要依靠液体（油）本身的压力能，把液体以高速喷入相对静止的空气中，或以旋转方式使油流加强搅动，使油得到雾化。油压造成的外力有旋转时的离心力，旋涡或高速流动的摩擦力，油流股内搅动的冲击力，以及受热或降压产生的局部气化的气泡压力等。当外力大于油的内聚力（表面张力和粘性力），使油流形成薄膜，破裂成油滴。介质雾化介质雾化是利用以一定角度高速喷出的雾化介质(或称雾化剂)，使油流股分散成细雾。这种方式造成雾化是由于雾化介质对油流股的机械作用。当摩擦力或冲击力大于油的表面张力时油流
30、失分散成夹有空隙气抱的额流，继而破裂成细带或细线，后者又在油本身的表面张力作用下形成雾滴。介质雾化的效果与油粘度，油表面张力，油与雾化介质的相交角度、相对速度、接触时间和接触面积以及雾化介质曲用量和密度等因素有关。在一定范围内油核度与雾滴细度成反比关系。油粘度愈大， 破裂成的油带、油线愈粗，形成的雾油愈大。油粘度对雾滴细度的影响随雾化介质速度的减小愈益明显。鉴于油粘度随温度而变的特性所以在操作时应当正确确定油温并严格保持不变，还应根据来油性质及时改变油温指标。油流股在力和速度的作用下被破裂的程度与其表面张力有很大关系。若表面张力大，则细带在其尚未伸展，达到所需薄的程度之前就很快折断，分离出来的
31、雾滴就粗。若表面张力小，则细带会充分伸展、变薄，断裂时产生的雾滴就细。由于重油组分是碳氢化合物，不同油品的表面张力值相差不大(平均约为 0.002440.0033 千克米)，且表面张力随温度的变化又很小，所以表面张力的影响是有限的。在一定程度上油与雾化介质的相交角度愈大、相对速度愈大、接触时间愈长和接触面积愈大，则雾滴愈细。其中相对速度的影响在雾化介质高速范围内更为明显。相交角度改变时，相对速度、接触时间和接触面积亦随之而变。雾化介质用量增加时，动量增大，雾滴变细。但当雾化介质用量增至一定限度后，再继续增加时其对雾化的效果就不显著了，却反而使动力消耗增大，产品成本增高。雾化介质密度与雾滴细度成
32、正比。雾化介质的密度愈大，它对油流股的冲击力愈大雾滴就愈细。一般，雾化的油滴愈细，雾滴直径的均一性和雾滴分布的均匀性也愈好。根据雾化介质的压力可分为低压雾化、中压雾化和高压雾化三种。低压雾化时雾化介质购压力为 0.020.12 大气压。 用鼓风机鼓入的空气作为雾化介质。当雾化介质压力为 0.030.07 大气压时，其流速可达 70100 米秒；喷出的雾滴比机械雾化小 10 倍左右。但对比于高压雾化，其流速述较小，因而不能依靠雾化介质速度，只能依靠雾化介质用量来保证雾化质量。所以，65以上甚至全部助燃空气都用作雾化介质。这样，创造了与空气良好混合的条件，空气过剩系数可取低些。低压雾化喷出的火焰长
33、度中等(最长约 3 米)，扩散角范围很大(2090l)，具一定刚性，喷油量小(最小为 I3 千克时)，仅适用于中、小型窑炉。中压雾化时雾化介质的压力为 0.11 大气压。用压缩空气或蒸汽作为雾化介质。所用喷嘴结构和雾化质量与高压雾化差不多。雾化介质用量比高压雾化稍大些，约占助燃空气量的 15左右。雾化介质喷出速度比高压雾化稍小些。喷出的火焰极短，扩散角较大，且较稳定。高压雾化时雾化介质的压力为 17 大气压。用压缩空气或过热蒸汽作雾化介质。雾化介质的掐速为 300400 米秒。喷出的雾滴直径可达 10 微米以下。火焰较长(26 米)，扩散角小(15 一 30)，呈圆锥形。由于雾化介质压力大、流
34、速快、用于高压气体的流出，所以，雾化介质用量极少，并且在雾化介质出口处(与油流相遇处)会产生绝热膨胀作用。绝热膨胀是在外界不供给热致的情况下由于本身压力骤降而引起的体积膨胀。体积剧增后，单位体积的含热量减小丁，出口处的温度就下降。据实测 20C、6 大气压的压缩空气经绝热膨胀后温度会下降到一 100G。绝热膨胀作用虽然可冷却喷嘴，延长喷嘴的使用期限，但却使油的粘度增大，恶化了雾化情况。3、油掺水乳化技术 （乳化油燃烷） 在一般情况下，燃油和水是互不相容的，但通过乳化措施可使油和水均匀分布，并能稳定保持数天乃至数月不分离。将一种液体以液珠的形式均匀分效于另一种不和它相溶的液体之中的工艺称为乳化工
35、艺，简称乳化。均匀混合后的液体称为乳化液，常具乳白色。在燃料油中掺水并混合均匀后的液体称为乳化油。乳化油有二相，以液珠形式为主的那个相叫分散相或内相，另外一相叫连续相或外相。二相体积比例(即二种液体的体积比)影响着乳化油的类型。般有两种类型的油水乳化液：一种是使水为分散相，被分裂为许多小水珠均匀地悬浮于油中，称为油包水型；另一种是使油成为分散相，被粉碎为许多小油床均匀地悬浮于水中，称为水包油型。实践证明，使用乳化燃料可以取得以下效益：在轻柴油、重柴油、原油以及重油中使用时，一般掺水为620，可节约燃料 312。黑烟排放量可以减少 7080，NOx 排放量可减少5070。火焰变短发亮，刚性增强，
36、火焰温度稍有提高。基本上消除了化学不完全燃烧，烟气中只有微量 CO。烟气中 O2含量增多了，可少供给一些氧气，可以降低雾化介质压力和烟少烟气带走的热损失。烟气中 H2O 含量增加，辐射换热得到强化。三、固体燃料的燃烧过程固体燃料的燃烧过程可以分为准备、燃烧和燃烬等。1、准备阶段准备阶段包括燃料的干燥、预热和干馏。固体燃料受热后，首先是其中所含水分气化大约在 110 度左右，物理水分全部选出，干燥结束。显然，水分越多，干燥消耗的热量超多，所需要的时间也越长。固体燃料干燥后，当温度继续上升到一定程度，便开始分解，放出挥发物，最后剩下固体焦炭。这一过程又称作干馏。燃料挥发分越多，开始放出挥发物的温度
37、就绝低，反之，燃料挥发分越少，这一温度就越高。就煤而言，褐煤开始放出挥发物的温度最低，大约 130；无烟煤最高，约 400；烟煤介于两者之间。在固体燃料燃烧的准备阶段，由于燃烧尚未开始，基本上不需要空气。这一阶段中燃料干燥、预热、干馏等过程都是吸放过程。热量的来源是燃烧室内灼热火焰、烟气、炉墙以及邻近已经燃着的燃料。一般希望这个阶段所需的时间越短越好，而影响它的主要因素，除煤的性质和水分含量之外，还有燃烧室内温度和燃烧宝室的结构等。2、燃烧阶段 燃烧阶段包括挥发物和焦炭的燃烧。 挥发物中主要是碳氢化合机比焦炭容易着火，因此当退出的挥发物达到一定的温度和浓度时，它就先于焦炭着火燃挠。通常把挥发物
38、着火燃烧的温度粗略地看作固体燃料的着火温度。挥发分多的燃料，着火温度低，反之，挥发分少，着火温度高。各种固体燃料的着火温度见表 219。应当指出的展通常所说的着火温度只是固体燃料着火的最低温度条件，在该温度下燃料虽能着火，但燃烧速度较低。实际生产中，为了保证燃烧过程稳定，加快燃烧速度，往往要求把燃料加热到较高的温度，例如褐煤要热到 550600，烟煤 750800，无烟煤 900950。焦炭是固体燃料的主要燃质。对煤来说，焦炭的发热量一般占总发热量的一半以上，是煤燃烧过程中放出热量的主要来源；而且，焦炭燃烧所需的时间比挥发物长得多，由于焦炭的燃烧是多相反应，完全燃烧也比挥发物困难。因此，如何保
39、证焦炭的燃烧完全、迅速，是组织燃烧过程的关键之一。在这一阶段，要保持较高的温度条体供给充足的空气，并且要使空气和燃料很好混合。 3、燃烬阶段(或称灰渣形成阶段)焦炭块将烧完，但焦炭外部包了一层灰渣，使空气很难渗入里面参加燃烧，从而使燃烧进行缓慢，尤其是高灰分燃料就更难燃烬。这阶段的放热量不大，所需空气量也很少，但仍需保持较高温度，并给予一定时间，尽量使灰渣中的可燃质完全燃烧。燃烬是固体燃料所特有的，渣体和气体燃料则没有燃烬阶段。硅酸盐工业燃用的固体燃料主要是煤，采用的燃烧方法主要有层燃和喷燃。所谓层燃，就是把块煤放在炉箆上铺成一定厚度的煤层进行燃烧；而喷燃则是先把原煤经过破碎、烘干和粉磨，制成
40、一定细度的煤粉，然后随空气喷到燃烧室或窑内进行悬浮燃烧。此外近年来还试验了旋风燃烧和沸腾燃烧设备。燃烧方法不同，燃烧过程也各有特点。燃烧方法和装置1、 固定床燃烧（层燃燃烧室） 燃烧过程特点在人工操作燃烧室内，炉箆固定不动、煤的燃烧过程是沿燃料层高度进行的。图 3-32 所示足这种燃烧室的燃烧层结构，上部是新加入的煤层，中部是灼热燃烧的焦炭层，下部靠近炉能的则是灰渣层。也就是说，新燃料加入燃烧室时，开始处于燃烧层表面，随后由于燃烧的进行逐步下沉，自上而下依次进行准备(预热、干燥和干馏)、燃烧、燃烬等三个阶段而完成燃烧过程。 可以看出，在这种燃烧室内，新燃料投入后，下面受到热烟气、灼热烧炭的加热
41、，上面受到炉膛的高温火焰和护墙的辐射，即受到强烈的双面加热，这对燃烧的准备阶段非常有利，为燃料着火提供了极为优越的条件。所以，这种燃烧室能燃用较难燃烧的燃料，对煤种的适应性较广。 焦炭层处主要的燃烧放热区域，这一区域的温度最高。在焦炭层中燃烧形成的灰渣与自下而上的空气相遇 逐渐被冷却。靠近炉箆的灰渣层，一方面起隔热作用，保护炉箆不被烧坏，方面使空气预热并分布得更为均匀。图 2-32 右侧的曲线图表示燃烧层内气体成分及温度的变化情况。当一次空气通过炉蓖和灰渣层时，炉篦和灰渣被冷却，而空气则被预热，温度升高。空气继续上升即与灼热焦碳接触，空气中的氧与碳进行激烈的氧化反应，生成 CO2、CO，并大量
42、放热。随着气体的不断上升，气体中的氧含量不断减少，CO 2含量不断增加，到达一定高度后，气体中氧含量接近于零，而 CO2含量则达到最大值。这一区域主要进行氧化反应，所以又叫氧化层。 氧化层的末端气体温度也达到最高。如果煤层厚度大于氧化层的厚度，那么氧气几乎耗尽的气流在继续上升的过程中，气体所含的 CO2就会与碳起还原反应，即CO2C2CO，因此这一区域为还原层。CO 2不断减少，CO 不断增加，还原反应是吸热反应，故气体温度逐渐降低，随着温度的降低，还原反应也逐渐减慢，以致最后停止。气流再往上，进入新燃料区，新燃料进行干燥、预热和干馏，并把燃料放出的水分，挥发分带入炉膛，和二次空气相遇，继续燃
43、烧。2、移动床燃烧构造和工作原理回转炉篦燃烧室又称为链条炉，是种使用历史最为悠久的机械化燃烧室。它的主要结构部分是一条无端的链状炉篦(图 233)，如同板式给科机一样，当炉篦自前向后缓缓回转时，便把煤由煤斗下部经过煤闸门带进燃烧室进行燃烧，灰渣由尾部排出。这种炉篦既是承托燃烧层的装置，又是加煤和除渣设备。燃烧用的一次空气，首先送至装在回转炉篦腹中的风舱，然后自下而上穿过炉篦通风孔隙进人燃烧层中。空气的流动方向与煤层的运动力向互相垂直交叉。倾斜推动炉篦燃烧室是借炉蓖的推动作用进行加煤、拨火和除渣的一种机械化燃烧室。这种炉篦(图 234)由活动炉条和固定炉条所组成，两种炉条相间布置、互相搭接排列成
44、阶梯状。炉篦的倾斜角度小于燃料的自然休止角。活动炉条由传动机构带动可作往复运动。当活动炉条自左向右订推进时，固定炉条上的煤便被推到相邻的下一块活动炉条上，当活动炉条往左运动时，由于固定炉条的阻挡，活动炉条上的煤使被拨动而落到相邻的下一块固定炉条上。如此反复，煤层便由煤斗进入燃烧室并沿炉篦面缓缓地向炉篦后部移动。燃烧用的一次空气由炉篦下方供入。3、悬浮床燃烧（煤粉燃烧）目前我国水泥厂主要采用煤粉作为回转窑的燃料。此外，由于煤粉燃烧具有效率高、煤耗低、温度高、调节方便等优点，不少水泥厂的烘干机也燃用煤粉。煤粉燃烧过程的特点粉煤燃烧法是将煤磨细到一定细度(一般是 2090m)，用空气喷到炉内使其在运
45、动过程中完成燃烧反应，形成象气体体燃料那样具有明显轮廓的火炬。粉煤燃烧法是水世纪 20 年代出现的种燃烧方法，化直到 30年代(1935 年)出现了较完善的制粉设备以后，才开始在动力锅炉上大量采用。与层燃燃烧法相比，粉煤燃烧法的最大优点足可以大量使用劣质煤和煤屑，甚至还可以掺用一部分无烟煤。实践证明，当用层状燃烧法燃烧发热量较低和灰分含量较高的劣质煤时，炉温只能达列1100，而改用粉煤燃烧法时可达到 1300。粉煤燃烧速度快、完全燃烧程度高。 在采用粉煤燃烧法时，次助燃空气可以允许预热到较高的温度，因领有利于回收余热和节约燃料。此外，采用粉煤燃烧法时，炉温容易调节、可以实现炉温白动控制，并且可
46、以减轻体力劳动强度和改善劳动条件。煤粉随空气喷人燃烧室后，呈悬浮状态，一边随气流继续往前流动，一边依次进行干操、预热、挥发物逸出和燃烧、焦炭粒子燃烧等过程。燃烧产生的热烟气经挡火墙上方的喷火口送进烘干机或其他窑妒加热物料，燃烬后的煤灰一部分被烟气带走， 一部分落入灰坑。在回转窑内，则边燃烧边把热量传给物化煤灰绝大部分在窑内降落掺人物料。煤粉燃烧所需要的空气一般分两部分供入。习惯上把随煤粉一起进入燃烧空(或窑内)的部分叫作一次空气，而把另外单独供人的部分称为二次空气。4、沸腾床燃烧煤的沸腾燃烧法也是一种很有发展前途的新型燃烧方法，它是利用空气动力使煤在沸腾层状态下完成传热、传质和燃烧反应。沸腾燃烧法所使用煤的版度一般在 10mm 以下，大部分是 0.23mm 的碎屑。运行时，刚加入的煤粒受到气流的作用迅速和灼热料层的灰渣粒子混合，并与之一起上下翻腾运动，沸腾燃烧的名称就是由此而得来的(图 15-32)。
