油质燃料及气体燃料的燃烧

5.1.4　油质燃料及气体燃料的燃烧

1.油的燃烧

（1）油的燃烧方式

油作为一种液体燃料，它的燃烧方式可分为两类：一类为预蒸发型；另一类为喷雾型。

预蒸发型燃烧方式是使燃料在进入燃烧室之前先蒸发为油蒸气，然后以不同比例与空气混合后进入燃烧室中燃烧。例如，汽油机装有汽化器，燃气轮机的燃烧室装有蒸发管等。这种燃烧方式与均相气体燃料的燃烧原理相同。

喷雾型燃烧方式是将液体燃料通过喷雾器雾化成一股由微小油滴（约50～200μm）组成的雾化锥气流。在雾化的油滴周围存在空气，雾化锥气流在燃烧室被加热，油滴边蒸发、边混合、边燃烧。由于油的沸点比着火温度低，故不会直接在液滴表面形成燃烧的火焰，而是蒸发的油蒸气离开油滴表面扩散并与空气混合燃烧，因此，火焰面离开油滴表面有一定的距离。锅炉中的燃烧一般都采用喷雾型燃烧方式。

（2）油的燃烧过程

油的燃烧过程可大致归纳为：雾化、蒸发、扩散混合和着火、燃烧等5个阶段。前3个阶段是一个物理过程，是保证稳定着火、充分燃尽的必要条件，特别是雾化和混合的好坏直接影响到燃烧化学反应的进程和燃烧的效率。

由于液体燃料的燃烧是建立在单一液滴的燃烧基础之上的。当一个很小的油粒置于高温含氧介质中，由于受到加热，油粒表面开始蒸发产生油蒸气。大多数油的沸点不高于200℃，因此蒸发过程在较低的温度下便开始进行。

油及其蒸气都是由碳氢化合物组成的，它们在高温下若能以分子状态与氧分子接触，便能发生燃烧反应。但若在与氧接触前便达到高温，则会因受热而发生分解，即发生所谓的热解现象。油的蒸气热解以后会产生固体的碳和氢气，这种固体碳常称为炭黑。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，液体状态的油粒会发生裂化现象。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，剩下的较重的分子可能呈固态，即所谓的焦粒或沥青。

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，与氧分子接触并达到着火温度时，便开始剧烈的燃烧反应。固态的炭黑、焦粒也可能在这种条件下开始燃烧。因此，在含氧高温介质中，油蒸气及热解、裂化产物等可燃物不断向外扩散，氧分子不断向内扩散，两者混合达到化学当量比例时，便开始着火燃烧并产生火焰锋面。火焰锋面上所释放的热量又向油粒传递，使油粒继续经历受热、蒸发等过程。

可以认为，油粒的燃烧过程存在着两个互相依存的过程，即一方面燃烧反应需要由油的蒸发提供反应物质，另一方面，油的蒸发又需要燃烧反应提供热量。在稳态过程中，蒸发速度和燃烧速度是相等的。若油蒸气与氧的混合能够强烈地进行，只要有蒸气存在，便能立即烧掉，那么整个燃烧过程的速度就取决于油的蒸发速度；若相对说来，蒸发很快而蒸气的燃烧很缓慢，则整个过程的速度就取决于油蒸气的均匀相的燃烧。因此，油的燃烧不仅包括均相燃烧过程，还包括对油粒表面的传热和传质过程。

研究表明，当油质一定时，油粒完全烧掉所需的时间与油粒半径的平方成正比，与周围介质的温度成反比。工程实际中，油的燃烧不是单一油粒的燃烧，而是油粒群的燃烧，尽管如此，上述分析所得结论在定性上仍然适用。

为了强化油燃料的燃烧过程，应该采取措施加速油的蒸发过程、强化油与空气的混合过程、防止和减轻化学热分解（热裂解）。

由于油的燃烧特点是油先蒸发成油蒸气，油蒸气与空气混合后才能燃烧。因此，应加速油的蒸发过程，即在一定的加热温度下尽量增大蒸发的表面积，亦即需要维持燃烧室较高的温度并改善喷嘴的雾化质量，使雾化的油滴细小而均匀。

为了使油蒸气尽快着火和燃烧，必须使油蒸气与空气迅速混合。为了使喷嘴出口的雾化气流易于着火，还常应用旋转气流以便在中心形成回流区，使高温热烟气回流至火焰根部加热雾化气流，使之着火、燃烧。

实验表明，油燃料在600℃以下进行热裂解时，碳氢化合物呈较对称地分解，分解成为轻质碳氢化合物和自由碳。在高于650℃时，呈不对称分解，除分解成为轻质碳氢化合物和炭黑外，尚有重质碳氢化合物，并且温度越高，分解速度越快。锅炉燃烧中，常采取如下措施来设法防止或减轻高温下油燃料的热裂解：以一定空气量从喷嘴周围送入，防止火焰根部高温、缺氧；使雾化气流出口区域的温度适当降低，即使发生热裂解，也只产生对称的轻质碳氢化合物，而这种化合物易于燃烧；使雾化的油滴尽量细，达到迅速蒸发和扩散混合，避免高温缺氧区的扩大。

2.气体燃料的燃烧

（1）燃烧特点

气体燃料含灰分极少，其燃烧属均相反应，着火和燃烧要比固体燃料容易得多。气体燃料的燃烧速度和燃烧的完全程度主要取决于它与空气的混合。

气体燃料的燃烧一般包括燃料和空气的混合、混合气体的升温和着火、混合气体的燃烧等三个基本过程。前两个过程本质上是燃料和氧化剂之间发生物理性接触的过程。因此，气体燃料燃烧所需要的全部时间由两部分组成，即燃料与空气之间发生物理性接触所需要的时间和进行化学反应所需要的时间。类似地，气体燃料的燃烧过程也可分为三个燃烧区域。

如果燃料与空气之间发生物理性接触所需要的时间远小于进行化学反应所需要的时间，则认为燃烧过程在动力区进行。将燃气和燃烧所需要的空气预先完全混合后均匀地送入炉膛燃烧，可以认为是在动力区内进行燃烧的一个例子。

如果燃料与空气之间发生物理性接触所需要的时间远大于进行化学反应所需要的时间，则认为燃烧过程在扩散区进行。例如，将气体燃料和燃烧所需要的空气分别送入炉膛进行燃烧，由于炉膛温度较高，化学反应可在瞬间完成，此时的燃烧所需要的时间就完全取决于混合时间，燃烧就在扩散区中进行。

当燃烧在动力区进行时，燃烧速度将主要受化学动力学因素的控制，例如，反应物的活化能、混合物的温度和压力等。当燃烧在扩散区进行时，燃烧速度则主要受流体动力学因素的控制，例如气流速度的大小、流动过程中所遇到的物体的尺寸大小和形状，等等。

扩散区和动力区是燃烧过程的两个极限区，二者之间的燃烧过程称为过渡区。在过渡区，燃烧过程所需的物理性接触时间和化学反应时间相接近，此时的燃烧速度与流体动力学和化学动力学因素都有关系。

一般可采用一次风的过量空气系数α₁来区分燃烧过程所属的区域。所谓的一次风过量空气系数，是指燃烧反应前预先同燃气混合的空气量与理论空气量之比。显然，扩散区燃烧时，燃料与空气不预先混合α₁＝0；动力区燃烧时，燃料与燃烧所需的全部空气预先混合，α₁≥1；动力－扩散区燃烧时，燃料只与部分空气预先混合，0＜α₁＜1。

根据上述特点，气体燃料的燃烧可作如下分类：

①扩散式燃烧。此时的燃烧主要在扩散区进行。

②完全预混式燃烧。此时的燃烧主要在动力区进行。

③部分预混式燃烧。此时的燃烧在过渡区进行。

扩散式燃烧时，由于燃料和空气在进入炉膛前不预先混合，而是分别送入炉膛后，一边混合，一边燃烧，燃烧速度较慢，火焰较长、较明亮，并且有明显的轮廓，因此扩散燃烧有时也称为有焰燃烧。燃烧速度的大小主要取决于混合速度，为实现完全燃烧则需要较大的燃烧空间。为了减小不完全燃烧热损失，要求较大的过量空气系数，一般α＝1.15～1.25。燃气中的重碳氢化合物在高温缺氧条件下易于分解形成炭黑，造成机械不完全燃烧热损失，但却使火焰的黑度增加，辐射换热能力增强。由于燃气和空气在进入炉膛前不混合，所以无回火和爆炸的危险，可将燃料和空气分别预热到较高的温度，以利于提高炉内温度水平，提高热效率。燃烧所需要的空气由风机提供，因此不需要很高的燃气压力，单台烧嘴的热功率可以较高。

完全预混式燃烧时，由于燃料和空气在进入炉膛前就已经均匀混合，所以燃烧速度快，火焰呈透明状，无明显的轮廓，故完全预混式燃烧也称为无焰燃烧。燃烧速度主要取决于化学反应速度，即取决于炉膛内的温度水平。由于火焰很短，燃烧室的空间可以较小，容积热负荷可以较大。空气过量系数可以较小，例如，α＝1.05～1.1，因而燃烧室的温度较高，几乎没有化学不完全燃烧热损失。由于燃烧速度快，燃料中的碳氢化合物来不及分解，火焰中游离的碳粒较少，火焰的黑度较小，辐射能力较弱。有时为了提高火焰黑度，增强火焰的辐射能力，人为地在某一区域提高燃气的浓度，使之发生裂解形成发光火焰，或者喷入可以辐射连续光谱的重油或固体可燃粒子，如煤粉、焦末、木炭粉等。由于燃料和空气在燃烧前已均匀混合，所以有回火的危险，应严格控制预热温度。对于喷射式烧嘴，要求燃气有足够的压力，以免引起回火或引风量不足而出现燃烧不完全现象，燃气的热值越高，要求的燃气的压力越高。

部分预混式燃烧指燃气与燃烧所需的部分空气预混合后所进行的燃烧，其一次空气率一般为0.5～0.6，兼有扩散式燃烧和完全预混式燃烧的特点。这种预混的燃烧方法，是由本生在1855年创造出来的。他发明的燃烧器称为本生燃烧器（或本生灯）。它能从周围大气中吸入一些空气与燃气预混，在燃烧时出现一种不发光的蓝色火焰。这种燃烧器的出现使燃烧技术发生了一个很大的变化。扩散式燃烧火焰易产黑烟，燃烧温度也相当低。但当预先混入一部分燃烧所需空气后，火焰就变得清洁，燃烧得以强化，火焰温度也有所提高。因此本生式燃烧得到了广泛应用。

（2）稳定燃烧的范围

气体燃料燃烧时，在着火处形成了火焰面。火焰面之后是高温的燃烧产物，之前是未燃的可燃混合物。由于火焰面前后有很大的温度梯度，因而热量就向前传播，使邻近的未燃气层温度升高，达到着火温度以后就形成新的燃烧面。这种火焰面不断向未燃气体方向传播的过程称为火焰传播。垂直于火焰面的传播速度称为法向火焰传播速度。当气体混合物的流速在火焰面法线方向的分量高于火焰传播速度时，火焰就会不断地远离燃烧器火孔，到一定距离之后就完全熄灭，这种现象称为脱火。脱火后不仅锅炉不能正常工作，而且炉膛内会积聚有毒和爆炸性气体，从而可能引起爆炸或其他事故，这是燃烧过程所不允许的。因此，人们用脱火极限（引起脱火的最低气流速度）作为燃烧器的一个重要指标。当气体混合物的流速在火焰面法线方向的分量低于火焰传播速度时，火焰会沿着燃烧器混合管道逆向往回燃烧，火焰缩到燃烧器内部，这种现象称为回火。回火可能烧坏燃烧器或发生其他事故。引起回火的最高气流速度称谓回火极限。脱火极限和回火极限之间为稳定燃烧范围，凡处于脱火极限和回火极限之间的气流速度值都能保证稳定燃烧。

脱火极限、回火极限的数值与燃气性质、一次空气率，燃烧器出口孔径、炉内压力和温度等因素有关。一次空气量减小时，稳定燃烧的范围扩大。但一次空气率过小时，发生黄色火焰的可能性增大。当一次空气率增大到某一定值时，回火的可能性最大。减小火孔尺寸，有助于扩大稳定燃烧的范围。

从燃烧的稳定性来看，扩散燃烧具有最好的性能。随着预混程度的增加，稳定燃烧的范围缩小。为了提高燃烧的稳定性，在大容量锅炉中燃用高热值的天然气时，大多采用预混程度较低的扩散燃烧方式，此时，燃烧工况可以人为地进行调节。