烧嘴：燃烧原理扩散火焰与预混火焰

火焰是燃气与氧化剂（空气或氧气）进行剧烈氧化反应的反应区，伴随有高温和发光现象。根据燃气是否预混空气，可将燃烧方式分为扩散燃烧和动力燃烧（预混燃烧），两种燃烧方式所形成的火焰分别称为扩散燃烧火焰（简称为扩散火焰）和动力燃烧火焰（预混火焰）；按照由于气体介质流速引起的流态的不同，火焰还可分为层流火焰和湍流火焰。

一、燃烧方式与火焰结构：

一般来说，气体燃料燃烧所需的全部时间由两部分组成，即气体燃料与空气混合所需的时间Tmix和燃料氧化的化学反应时间Tch。如果不考虑这两种过程在时间上的重叠，整个燃烧过程所需的时间为

T=Tmix+Tch

燃料与空气的混合有分子扩散及湍流扩散两种方式，因此燃料与空气混合的时间可写成式中，Tm、Tt分别是分子扩散时间、湍流扩散时间。

若扩散混合的时间与氧化反应时间相比非常小而可以忽略，即当Tmix《Tch时，则整个燃烧时间即可近似地等于氧化反应时间，T≈Tch。也就是说，燃烧过程将强烈的受到化学反应动力学因素的控制，例如可燃混合气的性质、温度、燃烧空间的压力和反应物浓度等；而一些扩散方面的因素，如气流速度、气流流过的物体形状与尺寸等对燃烧速率的影响很小。这种燃烧成为化学动力燃烧或动力燃烧。预混可燃气体的燃烧属于动力燃烧。

反之，如果燃烧过程的扩散混合时间大大超过化学反应所需时间，即当Tmix》Tch时，则整个燃烧时间近似等于扩散混合时间，即T≈Tmix。这种情况可称为扩散燃烧或燃烧在扩散区进行，此时燃烧过程的进展与化学动力因素关系不大，而主要取决于流体动力学的扩散混合因素。例如在大多数工业燃烧设备中，燃料和空气分别供入燃烧室，边扩散混合边燃烧。此时炉内温度很高，燃烧化学反应可在瞬间完成，而扩散混合则几乎占了整个燃烧过程。在扩散燃烧中，燃料所需的氧化剂是依靠空气的扩散获得的，因而扩散火焰显然产生于燃料与氧化剂的交界面上。燃料和空气分别从火焰的两侧扩散到交界面，而燃烧所产生的燃料反应产物则向火焰两侧扩散开去。所以对于扩散火焰来说，不存在火焰的传播。

可燃混合气由燃烧器（天然气烧嘴）出口流出而着火，将产生圆锥形形状的火焰。对于一定的燃烧器形式，火焰的结构（形状和长短）取决于燃气与空气在燃烧器中的混合方式。

1.在由燃烧器出口送入燃烧室或炉膛进行燃烧之前，燃气与燃烧所需的空气已完全预先混合均匀。所产生的的火焰由内、外两个圆锥体构成，其中内焰锥稍暗，温度较低，外焰锥较明亮，温度较高。可燃混合气在内锥体内*不断加热，然后着火、燃烧。图5-1a所示，这种火焰的燃烧区宽度*薄，称为动力燃烧火焰（又称完全预混火焰或预混火焰）。

 

 

1. 燃气与燃烧所需的部分空气（一次风）预先混合好后，喷入燃烧室或炉膛燃烧，所形成的的火焰结构如图5-1b所示，由内锥、外锥和肉眼看不见的外焰膜三部分组成。预混的燃气和一次风混合气在内锥燃烧，该区域由于空气不足而含有大量未燃的燃气及氧化反应中间产物，属于还原性的预混火焰；火焰外锥是上述未燃尽的物质依靠周围空气（二次风）的扩散继续燃烧，从而形成的氧化性扩散火焰；*，高温烟气在外锥的外侧形成透明的高温外焰膜。这种火焰称为部分预混火焰或半预混火焰。有事也将部分预混火焰归类于扩散燃烧火焰。
2. 燃气完全不与任何空气预先混合而送人炉膛，其燃烧时所需空气完全由周围空间的空气扩散来供给，如图5-1c所示。产生的火焰由内、外两个椎体组成，燃烧区较厚，火焰*长，称为扩散燃烧火焰。

• 气体燃料的预混燃烧：

如果燃气与空气预先混合后再送入燃烧室燃烧，这种燃烧称为气体燃料的预混燃烧。此时在燃烧前已与燃气混合的空气量与该燃气燃烧的理论空气量之比，称为一次空气系数，常用α1表示，其数值的大小反映了预混气体的混合状况。

依据一次空气系数α1的大小，预混气体燃烧又有两种情形。当0<α1<1，即预混气体中的空气量小于燃气燃烧所需的全部空气量时，称为部分预混燃烧或半预混燃烧；如果α1≥1，即预混气体中的空气量大于或等于燃气燃烧所需的全部空气量时，称为全预混燃烧、部分预混燃烧火焰通常包括内焰和外焰两部分。内焰为预混火焰，外焰为扩散火焰。当α1较小时，内焰的下部呈深蓝色，其顶部为黄色，而外焰则为暗红色。随着α1的增大，内焰的黄焰尖逐渐消失，其颜色逐渐变淡，高度缩短，外焰越来越不清晰。当α1大于1时，外焰完全消失，内焰高度有所增加，如图5-2所示。

如果燃气与空气预先混合均匀，则预混气体的燃烧速率主要取决于着火和燃烧反应速率，此时的火焰没有明显的轮廓，故又称无焰燃烧。与此对应，半预混燃烧又称为半无焰燃烧。

在预混可燃混合气的燃烧过程中，火焰在气流中以一定的速度向前传播， 传播速度的大 小取决于预混气体的物理化学性质与气体的流动状况。

1. 层流预混火焰传播与火焰结构

将静止的预混可燃混合气用点火源B (电火花或炽热物体)点燃后，火烟会向四周传播开来，形成按同心球面传播的火焰锋面，球体*B就是火焰*，如图5-3所示。球形火焰面A上的微分单元面dA=Ao的火焰传播速度方向为沿着球体半径方向，称为微分单元面上的层流火焰传播速度W1。假如球形火焰锋面传播的每一个半径方向均为假想的流管Z的对称轴方向，流管断面上的平均火焰传播速度则可认为是层流火焰传播速度。在火焰面前面是未燃的预混可燃混合气(I)，在其后面则是温度很高的燃烧反应产物(II)。它们的分界面是一层薄薄的火焰面，在其中进行着强烈的燃烧化学反应，同时发出光和热。它与邻近层之间存在着很大的温度和浓度梯度。这层火焰面称为火焰前锋(前沿)或火焰波，其厚度通常在1mm以下。

在实际的燃烧室中，可燃混合气并非静止而是在连续流动过程中发生燃烧的。另外，火焰的位置应该稳定，即火焰前锋应该驻定而不移动。在图5-4所示的管道中，可燃混合气以速度Wga流动。点火后所形成的火焰面将向可燃混合气的来流方向传播。对于传播速度为W1的层流火焰，火焰的完全速度▲w为

▲w=Wga-W1                 （5-3）

由此可见，火焰前锋相对于管壁的位移将有三种可能的情况：

1. 若Wga＜W1，即火焰的完全速度▲w＜0，火焰面将向可燃混合气来流方向移动。
2. 若Wga＞W1，即火焰的完全速度▲w＞0，火焰面将向气流下游方向移动，即将被气流吹向下游。
3. 若Wga=W1，即火焰的完全速度▲w=0，火焰面将驻定不动，即火焰稳定。

典型的稳定层流火焰前锋可在本生灯的火焰中观察到。如果在本生灯直管内的预混可燃混合气的流动为层流，则在管口处可*稳定的近正锥形火焰前锋(图5-5)。如上所述，在静止的预混可燃混合气中局部点火形成球面火焰前锋。如果层流火焰在管道内传播，则焰锋呈抛物线形；若在管内的层流预混可燃混合气中安装火焰稳定器，则会形成倒锥形焰锋(图5-6)。

工程实践中，通常要求预混火焰稳定在燃烧器的喷口附近，形成稳定的圆锥形火焰锋面。为了保证火焰驻定在喷口处，火焰面上各点的火焰传播速度w1应等于焰面法线方向上的气流速度Wga (图5-7)，Wga 与可燃混合气喷出速度Wga1之间的关系为

            W ga1Cosφ= Wga1sinθ=Wga =W1             （5-4）

式中，φ是火焰面法线与主气流方向的夹角(°); θ是火焰锥半顶角(°)， θ=90°-φ。

式(5-4) 称为Gouy- Michelson定律，或称余弦等式。

由图5-5可见，锥形火焰锋面（内焰）的根部连在喷口附近。由于可燃混合气的压力稍高于大气压力，喷出后将膨胀而向外散开，所以内焰锥底面较喷口断面略大，且稍许离开喷口才燃烧，通常将这段距离称为静区。内焰锥底端边界面处的气流速度很低，火焰锋面的传播速度由于受到周围环境的冷却作用也很低，因而在边界面处火焰传播速度与壁面边界层中气流速度直接达到平衡W1=Wga1。

点火后，静区处形成- -点火圈，火焰方可连在喷口上稳定燃烧。这是因为气流在火焰锋面切线方向的分速度Wga1sinφ本来要使锋面上任一质点沿切线方向向气流下游移动，如果未在锥底连续点火，火焰的切线方向就无法稳定而将熄灭。为了稳定燃烧，就需连续点火，该点火圈即起到了连续点火的作用。

锥形内焰的呈圆滑形而非尖顶，其顶点的切线为水平线。由式(5-4)可知，在锥形内焰顶点，火焰传播速度与气流速度直接达到平衡，即w1=Wga1(φ=0)。为此，火焰传播速度在锥形内焰的*轴线处要增大许多才能满足平衡条件。由于内焰*处的可燃混合气*了预热，且有较多的活性*由位置较低的反应区扩散至火焰顶端，因此火焰传播速度在内焰顶端将增大。

层流预混火焰长度随着可燃混合气喷出速度或喷口管径的增大而增大，却随着火焰传播速度的增大而减小。这意味着:

1)当燃烧器喷口尺寸和可燃混合气成分一定时，若增大体积流量qv，则将使火焰长度L增大。

2)在喷口尺寸和体积流量相同的情况下，火焰传播速度较大的可燃混合气(例如H2)的燃烧火焰，要比火焰传播速度较小的（例如CO）短。

火焰长度实际上代表着锥形火焰前锋面的大小。当流量增加时，需要更大的火焰前锋面才能维持燃烧，因此火焰长度自然增大。火焰传播速度较大的可燃混合气在燃烧时需要较小的火焰前锋面，此时火焰长度便较短。

2. 火焰的稳定性

当可燃混合气喷出速度Wga1变化时，火焰面可通过改变φ的大小来维持式（5-4） 的成立，以维持自身的稳定。

当Wga1增大时，φ也随之增大（θ减小）。但如果φ直到增大至接近90°而无法满足式（5-4），则火焰面无法继续保持稳定，火焰将被吹离喷口。此时，火焰可能出现三种现象：

1)若火焰脱离喷口，悬举在喷口上方，但不熄灭，这种现象称为离焰。

2)发生离焰时，火焰虽不立即熄灭，但此时火焰将吸人更多的二次空气，使悬举的火焰中燃气浓度降低。若可燃混合气流速继续增大，火焰则会出现吹熄现象。

3)若火焰脱离喷口并熄灭，这种现象称为脱火。显然，脱火主要是由于喷口出口气流速度过高而引起的，故又常称为吹脱。

相反，当Wga1减小时，φ也随之减小(θ增大)。但如果φ直到减小至接近0也无法满足式（5-4）， 则火焰面也无法继续保持稳定。此时，火焰将缩入燃烧器喷口内，在喷口内燃烧，这种现象称为回火。

在燃烧技术中，如何保证燃气或可燃混合气在引燃后能够持续燃烧而不再熄灭，是一个十分重要的问题，即要求喷口上方的火焰能够稳定在某个位置上，使燃烧过程稳定地继续下去。如果燃烧条件（如燃气流量、一次空气量等）发生变化或者燃烧过程受到外界因素干扰，则将影响燃烧工况，往往可能造成火焰不稳定，出现离焰、吹熄、脱火、回火等现象。

燃烧器在工作时，不允许发生离焰、吹熄、脱火或回火问题。吹熄和脱火将造成燃气在燃烧室及其周围环境中的累积，一旦再遇到明火便会使大量燃气迅速着火，从而造成大规模爆燃，同时燃气也会对人员造成毒害作用。回火则可能烧毁燃烧器，甚至引起燃烧器或储气罐发生爆炸，也可能导致火焰熄灭，从而造成严重后果。

三、气体燃料的扩散燃烧

气体燃料的扩散燃烧是指燃气和空气未经预先混合，一次空气系数α1=0, 由燃烧器喷口流出的燃气依靠周围空气的扩散作用进行燃烧反应。

当燃气刚由喷口流出的瞬间，燃气流股与周围空气相互隔开。然后，燃气和空气迅速相互扩散，形成混合的气体薄层并在该薄层里燃烧，所形成的燃烧反应产物向薄层两侧扩散。因此，燃气-空气混合物薄层在引燃后，燃气与空气再要相互接触就需通过扩散作用，穿透已燃的薄层燃烧区所形成的燃烧反应产物层。对于层流扩散火焰，燃气与空气的混合是依靠分子扩散作用进行的;对于湍流扩散火焰，扩散过程则是以分子团状态进行的。

按照燃料和空气供人燃烧室的不同方式，扩散燃烧可以有以下几种情况:

(1)自由射流扩散燃烧气体燃料以射流形式由燃烧器喷人大空间的空气中，形成自由射流火焰，如图5-8a所示。

(2)同轴伴随流射流扩散燃烧气体燃料 和空气分别由环形喷管的内管与外环管喷人燃烧室，形成同轴扩散射流，如图5-8b所示。由于射流受到燃烧室容器壁面的限制和周围空气流速的影响，为受限射流扩散火焰。

(3)逆向射流扩散燃烧气体燃料 和空气喷出的射流方向正好相反，形成逆向喷流扩散火焰，  如图5- 8c所示。

按照射流的流动状况可分为层流扩散燃烧和湍流扩散燃烧。

1.层流扩散燃烧和火焰结构

在层流燃烧过程中，气流处于层流状态，燃气经引燃面形成的燃烧区即为层流打散火焰，其燃烧速率取决于气休的扩散速度。由于分子扩散速度缓慢，而燃烧反应速率很快，所以扩散火焰厚度很薄，可视为焰面。焰面各处的做气与空气按化学当量比进行反应，因此焰面保持稳定。如果空气量过大，则燃烧反应剩余的氧将继续向焰面内扩散，继而与焰面内燃气反应，焰面因此内移;若空气不足，未燃的燃气将继续向外扩散，继而与氧反应，使焰面外移。焰面上的燃烧反应产物浓度*，向两侧扩散。

图5-9为层流扩散火焰结构示意图。这种层流扩散火焰可分为四个区域，即*的纯燃料区、外围的纯空气区、火焰面外侧的燃烧反应产物和空气的混合区，以及火焰面内侧的燃烧反应产物和燃料的混合区。图5-9中分别给出了火焰锥某一截面a—a上燃料、空气及燃烧反应产物的浓度分布。在α=1 处为火焰面，在火焰面上燃料和空气完全反应，两者浓度皆为零(Cg=Co2=0)，而燃烧反应产物的浓度Ccp达到*，并向两侧扩散。离火焰面越远，燃烧反应产物的浓度越低，而氧浓度越高;在火焰面内部，越靠近轴线燃气浓度越高，而燃烧反应产物浓度越低。

层流火焰面的外形大体上呈圆锥形，这是由于射流的外层燃料较易与氧气混合和反应，而位于轴线附近的燃料则要穿过较厚的混合物区才能与氧气混合反应。在这段时间内，燃料气体将向前移动一段距离，从而使火焰拉长。随着燃烧边向前移动边进行，纯燃气量越来越少，*在射流的*线某处完全燃尽，形成火焰锥尖。

在燃烧区的可燃气体与氧气所形成的可燃混合气因火焰锋面传递热量而着火燃烧，所生成的燃烧反应产物向两侧扩散，稀释并加热可燃气体与空气。因此，在火焰的外侧只有氧气和燃烧反应产物而没有可燃气，为氧化区;而火焰的内侧只有可燃气和燃烧反应产物而没有氧气，为还原区。

由于燃烧区内化学反应速率非常大，因而到达燃烧区的可燃混合气实际上在瞬间即燃尽，因此在燃烧区内其浓度为0，其厚度（即焰锋宽度）将变得很薄。理想的层流扩散火焰表面可看作厚度为0的表面，在该表面上可燃气体向外的扩散速度与氧气向内的扩散速度之比等于完全燃烧时的化学当量比。

实际上扩散火焰的焰锋面有一定的厚度 ，如图5-10 所示。实验表明，在主反应区，燃烧温度达到*值，各种气体处于热力平衡状态。在主反应区的两侧为预热区，其特征是具有较陡的温度梯度。燃料和氧化别在预热区有化学变化、因为几手很少有氧气能通过主反应区进人燃料射流中，所以燃料在顾热区中受到热传导和高温燃烧反应产物的扩散作用面被加热会发生热解而析出发照粒子。温度越高，热解越困烈。与此同时，还可能会增加重碳氨化合物的含量，从而增加不完全燃烧损失。因此，扩散燃烧的显著特点是会产生不完全燃烧损失。

2.层流扩散火焰结构的分析

在图5- 11所示的层流扩散燃烧系统中，气体燃料和空气以相同速度分别由环形喷管的内管(半径形成同为r1)与外环管(半径为r2) 喷人燃烧室，形成同轴伴随流射流扩散燃烧。

此时，观察到的扩散火焰外形有两种类型。类型1为呈封闭收敛状的锥形扩散火焰，如图5-11中曲线1所示，此时由外环管所供给的空气量足够多，超过内管提供的燃料完全燃烧所需要的空气量，或者燃料射流喷入大空间的静止空气中，将形成一个向内管*汇集的火焰面;类型2为呈扩散的倒喇叭形火焰，如图5-11中曲线2所示，此时由外环管所提供的空气量不能满足内管中喷出的燃料射流完全燃烧所需，火焰将向外管的壁面扩展。由此可见，层流扩散火焰的形状取决于燃料与空气的混合浓度。

此外，当Qvf一定时，不论喷口尺寸的大小，火焰长度均相同。因此，为了在单位时间内燃烧掉同样体积流量的燃料，应该采用多只燃烧器的方案。这样可以减少流经每只燃烧器的体积流量，达到缩短燃烧火焰长度、提高燃烧热强度的目的。

火焰长度常采用实验方法来确定。日本学者功刀等采用同心套管做成烧嘴，使煤气和空气分别从内管和外管以不同的流速垂直向上喷人炉内。他们针对五种不同尺寸的烧嘴，测定了火焰长度。不同煤气烧嘴结构和不同煤气流Re下，空气喷出速度对火焰长度的影响如图5-13所示。

由图5-13可见，各种烧嘴下，当煤气流速增大，即Re增加则火焰长度随之增大;空气喷出速度越大，则火焰长度越短。当煤气流速增大至Re=4500时，空气喷出速度对火焰长度的影响则比较小。这是因为此时已不再是层流扩散燃烧，煤气的流动已随着煤气流速的增大从层流过渡至湍流，演变成湍流扩散燃烧。

由此可见，湍流扩散燃烧的火焰长度与可燃混合气体的流速无关，仅与燃烧器喷口的尺寸成正比。因此，对于湍流扩散燃烧过程，也可采用多个小管径的燃烧器，可达到缩短燃烧火焰长度、提高燃烧热强度的目的。

 

3. 扩散火焰的稳定性

扩散燃烧时，燃气和空气未经预先混合，-次空气系数α1=0。 燃气由喷口喷出后方与周围空气混合燃烧，喷口内不存在空气，因此火焰不可能缩人喷口内。可见，扩散燃烧不存在回火问题，其稳定性问题主要是离焰、吹熄和脱火。

在进行扩散燃烧的情况下，燃气与周围空气的混合随着燃气由喷口喷出速度的增大而增强。当燃气喷出速度增大至一定数值时，火焰即脱离喷口，在其上方呈悬举状态，出现离焰现象。如果喷出燃气的流态为层流，在悬举火焰的底端则形成完整圆环；如果为湍流火焰，则出现不规则底端形状。若燃气喷出速度继续增大，火焰离开喷口的距离也增大，火焰锥随之缩小，直至熄灭。

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