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燃料是物質與氧化劑發生強烈化學反應並伴有發光發熱的現象。各種與氧化類似的強放熱反應(如氮化、氟化、氯化)、分解反應(如聯氨分解),或輕金屬(如鈉)加水的反應,也可稱為燃燒。

1 燃燒 -燃燒

 

2 燃燒 -正文

  燃燒是物質(燃料)與氧化劑發生強烈化學反應並伴有發光發熱的現象。各種與氧化類似的強放熱反應(如氮化、氟化、氯化)、分解反應(如聯氨分解),或輕金屬(如鈉)加水的反應,也可稱為燃燒。燃燒時除產生高溫(常為600~3000℃範圍)和光輻射外,還產生自由基、原子、電子和離子。燃燒不單純是化學反應,同時還存在流動、傳熱、傳質等物理現象並與化學反應相互作用。
  氣體燃料燃燒  氣體燃料燃燒是各種不同形態燃料燃燒中最簡單也是最基本的一種,它的規律對液體和固體燃料燃燒也有普遍意義。
  著火與熄火  可燃物的反應放熱和散熱的綜合作用使反應自動加速、升溫從而出現燃燒,稱為著火。反之則稱為熄火。著火不是物質的固有特性,不存在固定不變的著火溫度。一般專業手冊中給出的著火溫度是在特定條件下得到的。著火和熄火過程不是可逆的,熄火過程往往存在滯后現象。
  用火花、電弧、熾熱體等使可燃物質的一部分受到強烈加熱而著火稱為點燃。可燃物整體受熱到某一溫度而著火稱為自燃。關於著火有兩種理論──熱理論和鏈式反應理論。熱理論認為著火是由於反應放熱大於向環境的散熱,熱量不斷積累導致溫度不斷升高和反應自動加速。由此可得出著火的溫度與壓力間的臨界關係(圖1),和對應於某一溫度的著火濃度範圍或濃度界限(圖2)。常規條件下,大多數氣體燃料著火規律都符合熱理論。但某些低壓下著火實驗(如 H2+O2,CO+O2的著火)出現的"半島形"著火規律(圖3)和低溫下的"冷焰"現象等,則與熱理論不相一致。這時往往可以用鏈式反應理論解釋。鏈式反應理論認為,分枝鏈式反應中活化中心(原子、自由基等中間產物)的積累可以使反應自動加速而著火。  
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燃燒燃燒
  大多數燃燒室不是靠自燃來起動,而是靠熱物體或小火焰點燃。燃燒產生后需要維持火焰穩定。用旋流、鈍體障礙、突擴、逆向射流等方法產生迴流區,能使高溫燃燒產物不斷返回到燃料和空氣的初始混合處,形成連續點火源,維持火焰穩定。火焰穩定條件也就是熄火條件,熄火條件的臨界關係類似於著火條件。
  火焰  有燃燒反應的發光發熱氣體。燃料與氧化劑邊混合邊燃燒的稱為擴散火焰,如酒精燈火焰、液滴和煤粒火焰。燃料與氧化劑在燃燒前就已混合均勻的稱為預混火焰,如本生燈火焰(圖4)。預混火焰能夠以一種固有的速度在可燃混合氣中自行傳播。火焰相對於未燃氣體的運動速度稱為火焰傳播速度。火焰傳播有緩燃和爆震兩種形態。緩燃(即火焰正常傳播)靠燃燒反應區向未燃混合氣傳熱來傳播火焰,其傳播速度為每秒幾十厘米到幾米。爆震靠燃燒本身形成的激波的壓縮和點燃作用來傳播火焰,其傳播速度為每秒幾千米。
燃燒燃燒
  火焰還可分成層流火焰和湍流火焰。層流火焰厚度很薄(常壓下幾毫米),有鮮明的發光邊界,其中有很大的溫度梯度和濃度梯度。火焰中還有一定數量的離子。層流火焰傳播速度隨氣體導熱率和化學反應率的增大而增大。湍流火焰比層流火焰短,厚度大,發光邊界模糊,有明顯的雜訊,電離程度比層流火焰弱。湍流火焰傳播速度受湍流干擾影響較大,受反應動力學因素影響較弱。早期的湍流燃燒理論有表面理論和容積理論兩種。近代的湍流燃燒理論則有旋渦破碎理論、概率密度統計理論、隨機旋渦理論和相干結構理論等。
  液體燃料燃燒  常見的有液霧、預蒸發和液膜燃燒3種方式。其中最常見的是液體燃料通過噴嘴霧化后形成液滴並隨著伴有燃料汽的液霧燃燒,普遍用於各種燃燒室和爐子中。液體燃料先汽化成氣態再燃燒的稱為預蒸發燃燒,常用於噴燈、汽油機、蒸發管型燃燒室等。某些柴油機中為促進蒸發汽化而將油噴到燃燒室壁上,形成液膜燃燒。
  液霧燃燒機理  液體燃料表面溫度通常近於沸點而遠低於著火溫度,因而總是先蒸發而後在氣相中燃燒,一般沒有液相表面反應。按氣流溫度高低、霧的粗細、燃料揮發性的不同,液霧有不同的燃燒機理。當液霧中的液滴為自身的擴散火焰所包圍時,液滴邊蒸發邊燃燒,稱為滴群擴散燃燒,如霧化粗的重油霧在進口溫度不高的空氣中燃燒。這時燃燒率取決於蒸發率,蒸發完畢燃燒基本上也就完畢。有時液霧先蒸發成氣態,與空氣形成混合氣后再燃燒,如霧化細的輕油霧在進口溫度高的空氣中燃燒。這種燃燒接近於氣體湍流燃燒,受湍流擾動和反應動力學因素的支配。工程中最常見的是混合型燃燒,即小滴到達火焰區之前已蒸發完畢,與空氣混合后形成氣體火焰,大滴在氣體火焰中繼續進行擴散燃燒。這時的燃燒率與蒸發率、氣體湍流擾動以及反應動力學因素都有關係。
  液霧和氣流的混合  液霧和空氣混合越均勻,則燃燒越快或完全度越高,但有時某種程度的混合不均勻反而有助於火焰穩定。影響混合均勻性的因素除噴嘴結構和進風結構外,還有霧化細度和粒度分佈、液霧蒸發快慢和氣流的湍流狀況等。
  液滴蒸發率  氣態氧化劑環境中液滴蒸發率(單位時間內蒸發的質量)是

燃燒

式中凚為液滴蒸發率;dp為液滴直徑;Nu為努塞爾數;k為氣體熱導率;cp為氣體定壓比熱容;qe為蒸發熱;TS為液滴表面溫度;Tg為氣體環境溫度或者火焰溫度。Nu變化不大時可以得到蒸發的滴徑平方的線性遞減律(也稱d定律)

燃燒

式中t為時間;dp0為初始滴徑;K為蒸發常數或燃燒常數。
  液霧和液滴的著火和熄火  對於同種燃料和同樣的混合比,液霧往往比蒸氣易於著火而不易熄火。液霧過粗或過細都不利於著火。液霧中燃料氣著火時,細霧比粗霧好;液霧中液滴著火時,粗霧比細霧好。因而液霧中存在有利於著火的最佳細度。液滴的著火是蒸發因素和反應動力學因素相互作用的結果。圖5給出了液滴著火和熄火時滴徑dp與吹氣速度u燃燒、環境溫度Tg和環境氧濃度YoX,燃燒間的臨界關係,過渡區表示該情況下不能發生著火,而一旦已產生燃燒則不會熄滅。環境溫度對著火的影響比對熄火的影響大,而氧濃度對熄火的影響則比對著火的影響大。
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  固體燃料燃燒  煤是最常用的固體燃料。煤的燃燒主要有煤塊的層狀燃燒、煤粒的流化床燃燒(沸騰燃燒)和煤粉的火炬燃燒(懸浮燃燒)3種方式。
  煤的燃燒機理  煤的燃燒由受熱乾燥、揮發分析出和著火燃燒、焦炭著火和燃燒等階段組成。煤在火焰中受熱首先升溫,水分蒸發逸出;當溫度繼續上升到一定程度時,即釋放出碳氫化合物、H2、CO等氣體,稱為揮發分析出;剩餘的可燃質稱為焦炭。揮發分的析出量和成分與溫度和溫升速率有關,對煤的著火和燃燒影響很大。揮發分較高的煙煤比較容易著火,其含碳量較少,燃盡時間短;含揮發分低的無煙煤著火比較困難,其含碳量高,燃盡時間較長。揮發分燃燒所放出的熱量對焦炭著火有影響。此外,揮發分釋放的快慢還會影響焦炭的多孔性,從而影響焦炭燃燒的完全程度。另一方面,焦炭燃燒時間往往占煤的燃盡時間的90%以上,因此焦炭燃燒的快慢對燃燒設備的熱力特性起著決定性作用。設計無煙煤這類低揮發分燃料的爐子時,應採取有利於焦炭著火和燃盡的措施,才能縮短煤的燃盡時間,縮小爐子尺寸,提高燃燒效率。此外,煤的含灰量直接影響發熱量,也對煤的著火和燃燒有影響。灰的熔融特性還會影響爐子的結渣和受熱面的傳熱。煤中含硫量會引起低溫受熱面腐蝕,加重堵灰和污染環境。煤粒粗細也影響著火和燃燒,較細的煤粉有助於難燃燃料的著火和縮短其燃盡時間。
  焦炭燃燒  焦炭的燃燒反應是其內外炭表面與 O2、CO2等氣體間發生的氣固異相反應,一般分成一次反應和二次反應。一次反應是碳和氧生成 CO或CO2的氧化反應;二次反應是 CO和CO2與碳或氧再次發生的反應。主要反應式為 一次反應
     C+O2─→CO2+Q1           ⑴
     2C+O2─→2CO+Q2          ⑵ 二次反應
     C+CO2─→2CO-Q3          ⑶
     2CO+O2─→2CO2+Q4         ⑷
式⑴、⑵、⑶為氣固異相反應,式⑷為氣相放熱反應。當溫度不斷升高時,反應⑶的速率增加最快,所以溫度較高時碳表面以反應⑶為主,這時反應生成物CO由碳表面向環境擴散,在氣相空間中遇到O2再氧化成為CO2。O2的擴散往往到不了碳表面,中途上被CO的反應耗盡。氣相反應⑷生成的CO2向碳表面的擴散起著輸送氧的作用。焦炭燃燒率取決於流體動力學和化學反應動力學兩方面的因素,前者可用對流擴散係數hD表徵,後者可用反應率常數k表徵。用K圀表示碳表面耗氧率(即單位時間單位面積上耗氧量),其數學表達式為

燃燒

式中C燃燒為遠離碳表面處氧濃度;hD主要取決於流速及顆粒尺寸;k主要取決於壓力和溫度。當溫度或壓力低而流速高或顆粒不大時,燃燒,K圀只由較低的化學反應率所決定,稱為動力燃燒。上式可近似地改寫成

燃燒

當溫度或壓力高而流速低或顆粒較大時,燃燒K圀只由較低的對流擴散率所決定,稱為擴散燃燒。耗氧率表達式可近似地改寫成

燃燒

介於動力和擴散燃燒之間的為擴散-動力燃燒,這時hD和k都對燃燒率K圀有影響。
  參考書目
 A. M. Kanury, Introduction to Combustion Phenomenɑ Gordon and Beach,London-New York,1975.
 A.Stambuleanu, Flam Combustion Processes in Industry, Abacus Pr.,1977.

3 燃燒 -配圖

 

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