2.4　燃燒的基本過程

任何燃料的燃燒都必須滿足的條件：一是必須要有足夠的溫度，使燃料達到其著火點后才能開始燃燒；二是必須要有足夠的氧化劑（一般是空氣），以保證燃燒的正常進行。也就是說，一切可燃混合物的正常燃燒過程都是由著火和燃燒本身兩個階段所組成，即必須著火后才能燃燒。

2.4.1　著火

所謂著火，就是由于物質本身加速化學反應，可燃物質開始燃燒而產生火焰的過程。

（1）自發著火

使燃料達到某一溫度和壓力狀態，便發生著火，整個燃料同時爆炸式地燃燒，這種現象叫做自發著火或自身著火。

（2）點火

可燃混合物同外部的高溫熱源接觸而著火燃燒叫“著火”，也稱“被迫點火”。

點火的實質是首先使部分可燃混合物著火，然后使燃燒傳向其余部分，點火時無需對整個系統進行加熱，因而具有重要的實用意義。

點火的難易程度與所引進的熱源的溫度有關，溫度越高越容易點火。在熱源面積較大時也可以在較低溫度下點著，但溫度不能低于物質的著火溫度。強制點火有高溫固體點火、高溫氣體點火和火花放電點火三種方法。

高溫固體點火時著火所需要的物體表面溫度通常比這種燃料的最低著火溫度要高些。火源的尺寸越小，燃料的溫度和壓力越低，流速越大，則所需要的該物體表面溫度就越高。

高溫氣體點火是用點火燒嘴的火焰使燃料著火的方法，這種方法是工業燃燒裝置上比較常用的一種點火方法。一般來說，用點火火焰使燃料著火，最重要的因素是火焰溫度、火焰的大小以及接觸時間。

火花放電點火就是在火花塞的電極間加上電壓進行放電，利用這種放電的能量進行點火的方式。它可以應用在大多數的燃燒裝置上。火花放電產生的火花是由火花能量的熱效果引起的。在火花核與周圍的混合氣體之間進行熱的傳導以及活化粒子的擴散，如果與火焰區相接近的沒有燃燒的混合氣體層接受到足夠能量，火焰便進行傳播，不久就會過渡到穩定的火焰傳播。從火花產生到著火反應開始的時間叫做著火延時，而在這段時間內冷卻和反應進行著相反的作用，如果能夠生成產生火焰所需要的一定量的活性物質，就會著火。

實際生產中常常是對流動氣體點火，如氣流速度超過火焰傳播速度則不能點著，所以點火應在較低流速下進行。可作為點火的熱源有引導火焰、電熱體、放電火花及高溫爐壁等。一般爐子點火多用引導火焰（火炬），自動化點火系統或燃燒裝置則多用電點火器。放電火花的溫度極高，因此電點火時采用電火花較好。

（3）著火延時

把從火花產生至一定條件開始著火的時間叫做著火延時。一般來說，溫度和壓力越高，著火延時越短。著火延時也受蒸發、擴散和混合過程的影響，但是可以用阿累尼烏斯反應方程式來近似表征。

（4）燃點

通常可燃混合物系統在較低溫度時仍可有緩慢的氧化反應存在，若反應產生的熱量大于系統向外擴散的熱量，則系統溫度會自行不斷上升并使反應加速，從而導致著火燃燒。這樣的著火過程即是熱力著火。常壓下可燃系統需在一定溫度時才能達到這個能量條件并引起燃燒，這個溫度就是可燃物本身的著火溫度，也稱燃點。燃點受壓力和燃料組成的影響，也因測定用的容器形狀、尺寸和材質而有所不同，因此必須明確這些基本條件。氣體燃料中通常燃點隨著壓力的上升而降低，除了氫和甲烷以外，還隨著燃料濃度的增加而稍有降低的傾向。

低于著火溫度時，可燃系統的散失熱量大于反應熱量，因而會很快降溫，不會著火燃燒。理論上的著火點是在散失的熱量等于反應放出的熱量時，但實際上此時也是不會燃燒的。實際的著火溫度是散失熱略小于反應熱時的溫度，但即使在此時多數可燃混合物需要停留一段時間才能著火燃燒。這段時間是一個反應由慢至激烈的加速時期，稱為感應期（孕育期）。感應期的長短同溫度有關，通常以能引起著火的最低溫度為著火溫度，此時感應期最長。

（5）著火濃度極限

常溫下可燃氣體同空氣混合后的混合物只在一定含量范圍內才能燃燒，這個可燃的混合范圍便是著火濃度極限。

濃度極限以可燃氣體在混合物中所占的體積分率表示。最高比率為上限，最低比率為下限。高于濃度極限上限和低于下限的混合物之所以不能燃燒可用熱力理論解釋，即兩種情況均因反應熱不足以抵償熱損失而使燃燒不能維持。提高混合物的溫度則濃度極限會擴大，在溫度達到著火溫度以上時，任何比率的混合物均能發生反應，即濃度極限趨于0～100%。

壓力對濃度極限的影響情況較復雜。當壓力高于常壓時，多數情況是壓力增高使濃度極限縮小。壓力低于常壓時可燃混合物的濃度極限變化無統一的規律性。在濃度、溫度固定而壓力變化時，可出現多個壓力極限，即混合物在某一壓力范圍內可燃，相鄰的范圍內不可燃，以后繼續變化壓力則混合物又在另一范圍內可燃，并多次出現這種反復變化。

應當注意可燃濃度極限和混合物能否在空氣中燃燒是兩個概念。低于濃度下限的混合物不能在管內點燃，也不可能在離開管口后于空氣中點著，高于上限的混合物雖不能在管內點燃，卻可在空氣中點著燃燒。

2.4.2　燃燒

燃燒是可燃元素或物質的氧化反應，反應的同時釋放出大量的熱量。

按反應物所處的形態是否相同，燃燒有均相燃燒與非均相燃燒之分。氣體燃料的燃燒是均相燃燒，液體燃料和固體燃料屬于非均相燃燒。

均相燃燒可分為兩個基本過程：燃料與氧化劑分子進行質量交換的擴散過程及混合物發生反應的過程。前者是物理過程，后者是化學過程。如果物理過程長，燃燒時間主要取決于擴散時間，這種燃燒就稱為“擴散燃燒”，反之，如果燃燒時間主要取決于化學反應速率（化學動力學因素），則燃燒就稱為“動力燃燒”。

在實際燃燒的高溫條件下化學反應速率是很快的，如果分別供給燃料與空氣，并使之在進入爐內后混合與燃燒，則無論怎樣強化混合過程，擴散時間仍比化學反應時間長得多，所以此時的燃燒屬擴散燃燒。如果擴散時間為零，則不論化學反應進行得如何快，它也是決定燃燒時間的主要因素，所以此時的燃燒為動力燃燒。不過應注意的是，動力燃燒并非只在預混情況下才能獲得。燃料在空氣中緩慢氧化時，反應時間就比擴散時間長，此時的燃燒應為動力燃燒。但在實際燃燒的高溫條件下，動力燃燒需要預先將燃料氣與全部助燃空氣混合才能達到，這樣的動力燃燒習慣上稱為預混燃燒。

工業燃燒是在氣體流動的情況下進行的，燃燒的氣流即為火焰。根據氣流狀態，火焰有層流火焰與紊流火焰之分。作為第二級特征的流動狀態不會改變燃燒類型，因此，擴散燃燒和預混燃燒都可分別出現兩種火焰，于是共有四種火焰：預混層流火焰、預混紊流火焰、層流擴散火焰和紊流擴散火焰。

非均相燃燒可視作在均相燃燒的基礎上有更多物理、化學變化的燃燒現象，情況更復雜，但在類型特征上它們屬擴散燃燒，并且主要采用紊流擴散燃燒形式。

燃料燃燒時無如明顯的火焰，則這種火焰為“暗焰”。暗焰黑度小，輻射能力很差。燃燒火焰中產生大量可見光時，火焰明亮，則該火焰為“輝焰”。輝焰黑度大，輻射能力大為增強。燃氣的燃燒產物主要是二氧化碳和水蒸氣。這兩種氣體本身的輻射光譜中并無可見光，亮度很小，但當燃燒產物中懸浮大量固態小炭粒時，火焰就能持續輻射出大量可見光，使火焰亮度和輻射能力大大增加，從而火焰成為“輝焰”。一般來說，輝焰的輻射傳熱效率可比暗焰的提高20%～120%，有的還可使火焰輻射能力增大3倍。

2.4.3　熄火

熄火（清焰）是著火的逆過程，是使可燃物質產生的火焰熄滅的現象。通常在離具有一定溫度的固體表面非常近的區域里，沒有火焰存在，例如兩個平行平板的間距如果小到一定程度時，火焰就不能通過這個間隙進行傳播，把這個間隙的臨界值叫做熄火距離。在火花點火時，該熄火距離與火焰核（火星）的臨界直徑、固體壁附近燃燒速率受到影響的距離以及火焰表面的厚度等因素有著密切的關系。

2.4.4　火焰穩定化

在燒嘴等連續燃燒裝置中，燃料和空氣是連續供給的，欲使燃燒穩定進行，必須認真考慮火焰穩定化這一燃燒的基本問題。如果發生脫火現象，那么燃燒就會完全中斷。

在燃燒過程中，如果流動場內形成低速流動的高溫區的話，這個區域則成為熱源，使得可燃性氣體中傳播的火焰容易形成，采用這種方法就可以使燃燒的火焰穩定化。這個流速緩慢的區域有以下幾種：物體后方的流動；壁面的凹陷外；高溫物料表面的邊界層；對向射流等。

圖2-2所示為火焰穩定化的模型。在V形穩焰器的背后存在循環渦流區，幾乎完全燃燒的高溫氣體在中心軸附近回流而形成渦旋運動，它起到使主流部分的混合氣體穩定著火的熱源作用。這種方法通常用作沖壓式噴射發動機的燃燒器以及渦輪噴氣發動機輔助燒嘴等燃燒裝置的穩焰器。

圖2-2　物體后方的環流區使火焰穩定化

在實際使用的燒嘴上，通常采用穩焰板或旋流器，通過其后方燃燒氣體的回流而使火焰穩定。

2.4.5　脫火及其防止措施

火焰穩定性是由燃燒速率和噴出速度的大小決定的。對于燒嘴來說，如果混合氣體的燃燒速率小于噴出速度，不會產生脫火現象。如果燒嘴火焰不容易脫火，則燃燒范圍以及空氣過剩系數的允許范圍都可放寬，此外還可以加快燒嘴的噴出速度，從而帶來很多好處。

內焰的根部比焰孔直徑大，而且要稍許離開燒嘴頭一段距離才能燃燒，通常把這段距離叫做靜區。將半徑等于靜區的焰孔直徑叫做臨界直徑。若焰孔直徑小于臨界直徑的話，則容易脫火。

在研究燒嘴脫火的時候，內焰比焰孔直徑大是個重要的因素。如果大的這部分被二次空氣等吹掉的話，則燒嘴便完全脫火。噴頭型燒嘴之所以容易脫火就是這個道理。總的來說，防止脫火的措施主要有以下幾種。

①加大內焰的根部，也就是強化“火焰根子”。若采取平口凹槽式結構的話，焰孔便會急劇擴大，在擴大部分形成渦流，可以大大降低噴出速度。因此，平口凹槽式燒嘴頭開槽深，效果好，火焰穩定。但是開槽過深會因燒嘴頭過熱而容易損壞，因此在燃燒城市煤氣時，開槽深度通常為5mm，在燃燒天然氣時為10mm。

如果采用袖火式的結構，“火焰根子”得到擴大，會使火焰穩定。但是從直焰孔側壁中間分出袖火孔，如果分支不夠大的話，則袖火的燃燒量就不足，因此得不到穩定火焰的良好效果。

②更加難以脫火的有斯得庫塔以特型燒嘴。它是增加袖火的燃燒量，與平口凹槽式并用的一種形式。這種燒嘴的內壓力即使達到100mmH₂O時也不脫火，可以穩定地燃燒。這與燒嘴在內壓力在0.5mmH₂O時就完全脫火的大氣式本生燒嘴相比，就意味著可以將噴出速度提高到數十倍。

這種形式燒嘴的火焰之所以穩定，是因為將主焰孔做成噴頭型，增加袖火的燃燒量達到主火焰燃燒量的20%～30%，并且使袖火射在凹槽的管壁上，大大降低了噴出速度，這樣一來，袖火就不會脫火，擴大了袖火的燃燒范圍。通過袖火加熱主火焰，起到連續著火的作用。

在斯得庫塔以特型燒嘴中，縮口式斯得庫塔以特型燒嘴是袖火的燃燒量大、袖火火焰最穩定的燒嘴，其火焰的穩定性最好。若將主焰孔直徑相等、燒嘴頭部焰孔直徑不等的兩個燒嘴相比較，則燒嘴頭部焰孔直徑大的袖火燃燒量大，燒嘴頭部焰孔壁附近的噴出速度小，因此火焰比較穩定。而當燒嘴頭外徑受到限制的情況下，直筒式斯庫塔以特型燒嘴比縮口式不容易脫火。

③除了射到管壁上降低袖火噴出速度的方法以外，還有一種方法就是將袖火的焰孔面積取為袖火供給孔面積的數十倍，使袖火焰孔部位的噴出速度為主火焰的數十分之一。外緣穩定型燒嘴就是這種形式的燒嘴。

主焰孔直徑為1mm時，主火焰長度在40～60mm的燒嘴有皮昂型燒嘴，已廣泛用于玻璃加工和錫焊等方面。但無論是外緣穩定型還是皮昂型，如果袖火焰孔縫隙寬度超過1mm的話，袖火都會回火，因此要增加袖火的燃燒量是比較困難的。

為了增加袖火的燃燒量，在皮昂型燒嘴上采用齒型或雙重袖火型等結構，可以大大提高火焰穩定的效果。

④像管式燒嘴那樣，將直徑為1.5～3.0mm的火焰排也橫排，形成這種火焰的燒嘴有下述兩種：一種是使袖火射在擋板上的縫式燒嘴；另一種是用供給孔和焰孔面積比來降低袖火噴出速度的謝潑德型燒嘴。

⑤將一定形狀的物體置于沒有燃燒的氣流中，通過在其后方形成的高溫渦流區——再循環區，而使燒嘴連續著火，這就是障礙物式燒嘴。EC燒嘴就是這種形式的燒嘴。EC燒嘴用圓棒作為障礙物體，因其阻力小，所以與零壓調節器-文丘里混合器相組合，使一次空氣量占總空氣量的30%～50%，以進行溫度控制。這種形式燒嘴是用在高溫爐上的一種不脫火的低壓煤氣燒嘴。

除上述噴嘴外，還有一種使混合氣體以高速噴射在熾熱的耐火材料上進行連續著火的杯式輻射燒嘴，但這種燒嘴的內壓力達到100mmH₂O也不會脫火。

2.4.6　回火及其防止措施

對于燒嘴來說，如果混合氣體的燃燒速率大于噴出速度，就會產生回火現象。

難于脫火，但是容易回火的燒嘴，其燃燒范圍也不會寬。例如，倘若焰孔比較大，一般來說難于脫火，但是容易回火，因此比較難處理。為了防止回火，通常采取下列措施。

①使焰孔小而深（在焰孔負荷不變的情況下增加焰孔數），由焰孔壁的冷卻作用而使孔壁附近氣體的燃燒速率降低。多噴口燒嘴、謝潑德型燒嘴以及皮昂型燒嘴等，都屬于這種方式。

②如果燒嘴頭接受的熱量傳導到燒嘴內部的話，沒有燃燒的混合氣體就會被這部分熱量所預熱，因此最好采用導熱性差的陶瓷材料制造燒嘴頭，如過熱型燒嘴、陶瓷帶式燒嘴等。在縫式輻射燒嘴中，將焰孔以外的整個燒嘴頭覆蓋上一層陶瓷纖維［纖維棉、纖維板，熱導率為0.13W/（m·℃）］，可提高隔熱效果。

③在燒嘴頭中離開爐體一段距離處進行冷卻。不僅要使焰孔小而深，而且燒嘴頭進行水冷或空冷，這樣冷卻效果更大。通常使燒嘴頭離開爐體10～25mm。爐子上使用預混型燒嘴時，原則上也采用這種方法。

④有袖火的燒嘴，因為袖火首先回火，所以減小袖火的焰孔（狹縫在1mm以下），進行冷卻，使袖火速度稍微降低些，對于預防脫火也有好處。例如，在謝潑德型燒嘴上，將點火燒嘴水冷，可提高防止回火的效果。

⑤一次空氣量由理論空氣量的90%減到70%、50%、40%時，燃燒速率就從70cm/s降低到50cm/s、20cm/s、10cm/s，因此可以用減少一次空氣量、增加二次空氣量的方法來防止回火，這方面的例子很多。在爐子上使用預混型燒嘴時，原則上將一次空氣比取為40%左右。

⑥如果保持較高的噴出速度的話，則不會回火，但在這種情況下，燃燒量的調節范圍變窄。杯式輻射燒嘴的內壓力通常在25mmH₂O以上。

⑦防止回火的最根本措施是采用噴頭混合型燒嘴（即在燒嘴部分、煤氣和空氣中邊混合邊燃燒）。