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燃烧

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[拼音]：ranshao

[外文]：combustion

燃料与氧化剂发生强烈化学反应并伴有发光发热的现象。各种与氧化类似的强放热反应(如氮化、氟化、氯化)、分解反应（如联氨分解），或轻金属（如钠）加水的反应，也可称为燃烧。燃烧时除产生高温（常为600～3000℃范围）和光辐射外，还产生自由基、原子、电子和离子。燃烧不单纯是化学反应，同时还存在流动、传热、传质等物理现象并与化学反应相互作用。

气体燃料燃烧

气体燃料燃烧是各种不同形态燃料燃烧中最简单也是最基本的一种，它的规律对液体和固体燃料燃烧也有普遍意义。

着火与熄火

可燃物的反应放热和散热的综合作用使反应自动加速、升温从而出现燃烧，称为着火。反之则称为熄火。着火不是物质的固有特性，不存在固定不变的着火温度。一般专业手册中给出的着火温度是在特定条件下得到的。着火和熄火过程不是可逆的，熄火过程往往存在滞后现象。

用火花、电弧、炽热体等使可燃物质的一部分受到强烈加热而着火称为点燃。可燃物整体受热到某一温度而着火称为自燃。关于着火有两种理论──热理论和链式反应理论。热理论认为着火是由于反应放热大于向环境的散热，热量不断积累导致温度不断升高和反应自动加速。由此可得出着火的温度与压力间的临界关系（图1），和对应于某一温度的着火浓度范围或浓度界限(图2)。常规条件下，大多数气体燃料着火规律都符合热理论。但某些低压下着火实验（如 H₂+O₂，CO+O₂的着火）出现的“半岛形”着火规律（图3）和低温下的“冷焰”现象等，则与热理论不相一致。这时往往可以用链式反应理论解释。链式反应理论认为，分枝链式反应中活化中心（原子、自由基等中间产物）的积累可以使反应自动加速而着火。

大多数燃烧室不是靠自燃来起动，而是靠热物体或小火焰点燃。燃烧产生后需要维持火焰稳定。用旋流、钝体障碍、突扩、逆向射流等方法产生回流区，能使高温燃烧产物不断返回到燃料和空气的初始混合处，形成连续点火源，维持火焰稳定。火焰稳定条件也就是熄火条件，熄火条件的临界关系类似于着火条件。

火焰

有燃烧反应的发光发热气体。燃料与氧化剂边混合边燃烧的称为扩散火焰，如酒精灯火焰、液滴和煤粒火焰。燃料与氧化剂在燃烧前就已混合均匀的称为预混火焰，如本生灯火焰（图4）。预混火焰能够以一种固有的速度在可燃混合气中自行传播。火焰相对于未燃气体的运动速度称为火焰传播速度。火焰传播有缓燃和爆震两种形态。缓燃（即火焰正常传播）靠燃烧反应区向未燃混合气传热来传播火焰，其传播速度为每秒几十厘米到几米。爆震靠燃烧本身形成的激波的压缩和点燃作用来传播火焰，其传播速度为每秒几千米。

火焰还可分成层流火焰和湍流火焰。层流火焰厚度很薄（常压下几毫米），有鲜明的发光边界，其中有很大的温度梯度和浓度梯度。火焰中还有一定数量的离子。层流火焰传播速度随气体导热率和化学反应率的增大而增大。湍流火焰比层流火焰短，厚度大，发光边界模糊，有明显的噪声，电离程度比层流火焰弱。湍流火焰传播速度受湍流干扰影响较大，受反应动力学因素影响较弱。早期的湍流燃烧理论有表面理论和容积理论两种。近代的湍流燃烧理论则有旋涡破碎理论、概率密度统计理论、随机旋涡理论和相干结构理论等。

液体燃料燃烧

常见的有液雾、预蒸发和液膜燃烧3种方式。其中最常见的是液体燃料通过喷嘴雾化后形成液滴并随着伴有燃料汽的液雾燃烧，普遍用于各种燃烧室和炉子中。液体燃料先汽化成气态再燃烧的称为预蒸发燃烧，常用于喷灯、汽油机、蒸发管型燃烧室等。某些柴油机中为促进蒸发汽化而将油喷到燃烧室壁上，形成液膜燃烧。

液雾燃烧机理

液体燃料表面温度通常近于沸点而远低于着火温度，因而总是先蒸发而后在气相中燃烧，一般没有液相表面反应。按气流温度高低、雾的粗细、燃料挥发性的不同，液雾有不同的燃烧机理。当液雾中的液滴为自身的扩散火焰所包围时，液滴边蒸发边燃烧，称为滴群扩散燃烧，如雾化粗的重油雾在进口温度不高的空气中燃烧。这时燃烧率取决于蒸发率，蒸发完毕燃烧基本上也就完毕。有时液雾先蒸发成气态，与空气形成混合气后再燃烧，如雾化细的轻油雾在进口温度高的空气中燃烧。这种燃烧接近于气体湍流燃烧，受湍流扰动和反应动力学因素的支配。工程中最常见的是混合型燃烧，即小滴到达火焰区之前已蒸发完毕，与空气混合后形成气体火焰，大滴在气体火焰中继续进行扩散燃烧。这时的燃烧率与蒸发率、气体湍流扰动以及反应动力学因素都有关系。

液雾和气流的混合

液雾和空气混合越均匀，则燃烧越快或完全度越高，但有时某种程度的混合不均匀反而有助于火焰稳定。影响混合均匀性的因素除喷嘴结构和进风结构外，还有雾化细度和粒度分布、液雾蒸发快慢和气流的湍流状况等。

液滴蒸发率

气态氧化剂环境中液滴蒸发率（单位时间内蒸发的质量）是

式中凚为液滴蒸发率;d_p为液滴直径；Nu为努塞尔数;k为气体热导率；c_p为气体定压比热容;q_e为蒸发热；T_S为液滴表面温度；T_g为气体环境温度或者火焰温度。Nu变化不大时可以得到蒸发的滴径平方的线性递减律（也称d²定律）

式中t为时间;d_p0为初始滴径；K为蒸发常数或燃烧常数。

液雾和液滴的着火和熄火

对于同种燃料和同样的混合比，液雾往往比蒸气易于着火而不易熄火。液雾过粗或过细都不利于着火。液雾中燃料气着火时，细雾比粗雾好;液雾中液滴着火时，粗雾比细雾好。因而液雾中存在有利于着火的最佳细度。液滴的着火是蒸发因素和反应动力学因素相互作用的结果。图5给出了液滴着火和熄火时滴径d_p与吹气速度u 公式符号、环境温度T_g和环境氧浓度Y_oX，间的临界关系，过渡区表示该情况下不能发生着火，而一旦已产生燃烧则不会熄灭。环境温度对着火的影响比对熄火的影响大，而氧浓度对熄火的影响则比对着火的影响大。

固体燃料燃烧

煤是最常用的固体燃料。煤的燃烧主要有煤块的层状燃烧、煤粒的流化床燃烧(沸腾燃烧)和煤粉的火炬燃烧（悬浮燃烧）3种方式。

煤的燃烧机理

煤的燃烧由受热干燥、挥发分析出和着火燃烧、焦炭着火和燃烧等阶段组成。煤在火焰中受热首先升温，水分蒸发逸出；当温度继续上升到一定程度时，即释放出碳氢化合物、H₂、CO等气体，称为挥发分析出；剩余的可燃质称为焦炭。挥发分的析出量和成分与温度和温升速率有关，对煤的着火和燃烧影响很大。挥发分较高的烟煤比较容易着火，其含碳量较少，燃尽时间短；含挥发分低的无烟煤着火比较困难，其含碳量高，燃尽时间较长。挥发分燃烧所放出的热量对焦炭着火有影响。此外，挥发分释放的快慢还会影响焦炭的多孔性，从而影响焦炭燃烧的完全程度。另一方面，焦炭燃烧时间往往占煤的燃尽时间的90％以上，因此焦炭燃烧的快慢对燃烧设备的热力特性起着决定性作用。设计无烟煤这类低挥发分燃料的炉子时，应采取有利于焦炭着火和燃尽的措施，才能缩短煤的燃尽时间，缩小炉子尺寸，提高燃烧效率。此外，煤的含灰量直接影响发热量，也对煤的着火和燃烧有影响。灰的熔融特性还会影响炉子的结渣和受热面的传热。煤中含硫量会引起低温受热面腐蚀，加重堵灰和污染环境。煤粒粗细也影响着火和燃烧，较细的煤粉有助于难燃燃料的着火和缩短其燃尽时间。

焦炭燃烧

焦炭的燃烧反应是其内外炭表面与 O₂、CO₂等气体间发生的气固异相反应，一般分成一次反应和二次反应。一次反应是碳和氧生成 CO或CO₂的氧化反应；二次反应是 CO和CO₂与碳或氧再次发生的反应。主要反应式为　一次反应

C+O₂─→CO₂+Q₁　　　　　　　　　　 ⑴

2C+O₂─→2CO+Q₂　　　　　　　　　　⑵　二次反应

C+CO₂─→2CO－Q₃　　　　　　　　　 ⑶

2CO+O₂─→2CO₂+Q₄　　　　　　　　　⑷式⑴、⑵、⑶为气固异相反应，式⑷为气相放热反应。当温度不断升高时，反应⑶的速率增加最快，所以温度较高时碳表面以反应⑶为主，这时反应生成物CO由碳表面向环境扩散，在气相空间中遇到O₂再氧化成为CO₂。O₂的扩散往往到不了碳表面，中途上被CO的反应耗尽。气相反应⑷生成的CO₂向碳表面的扩散起着输送氧的作用。焦炭燃烧率取决于流体动力学和化学反应动力学两方面的因素，前者可用对流扩散系数h_D表征，后者可用反应率常数 k表征。用K圀表示碳表面耗氧率（即单位时间单位面积上耗氧量），其数学表达式为

式中C_∞ 公式符号为远离碳表面处氧浓度；h_D主要取决于流速及颗粒尺寸； k主要取决于压力和温度。当温度或压力低而流速高或颗粒不大时，，K圀只由较低的化学反应率所决定，称为动力燃烧。上式可近似地改写成

当温度或压力高而流速低或颗粒较大时，公式符号 K圀只由较低的对流扩散率所决定，称为扩散燃烧。耗氧率表达式可近似地改写成

介于动力和扩散燃烧之间的为扩散-动力燃烧，这时h_D和k都对燃烧率K圀有影响。

参考书目

A. M. Kanury，　Introduction　to　Combustion Phenomenɑ Gordon and Beach，London-New York，1975.
A.Stambuleanu，　Flam Combustion　Processes in Industry， Abacus Pr.，1977.

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