论 随后发生的长大和凝聚有关的现象，对于研究火焰燃烧时烟的产生具有非常重要的意义。与 蜡烛火焰有关的其他物理瑰象还有：在疏松的蜡烛芯中发生的导热以及对液化石蜡和硬脂酸 的毛细抽吸作用等。以上所述火焰中发生的所有基本现象相互紧密关联，并各自在总的燃烧 过程中起普自已的一份作用 图1-1所示为蜡烛火焰结构的简化示意图。蜡烛的化学反应区将包含氧化性气体的气 态介质（火焰之外）与包含还原性气体的气体混合物（火焰中蜡烛芯周围）分制开来，形成 所谓“扩散火焰”或称“非预混火焰”。然而，工程燃烧中上述的各种物理化学现象之间相 互作用方式并非均与蜡烛火焰相同，所产生的火焰也并非均为扩散火焰。在蜡烛燃烧过程 中，参与燃烧的是两种不同类型的物质，即空气（氧化剂）和由蜡烛产生的蒸气态燃料（还 原剂)。它们由不同的空间位置进人燃烧反应区，并相互接触而发生燃烧反应。事实上，工 业燃烧设备中经常出现另一种火焙形式，即预混火焰。对于预混火焰，参与燃烧的氧化剂 (通常为空气)和还原剂（燃料）在到达反应区之前已完成混合过程，即混合过程先于燃烧 过程。预混火焰的结构与扩散火焰有者相当大的差异，其根本原因在于蚕混火焰和扩散火焰 在各自燃烧过程中化学反应、传热和传质三种基本现象之间的相互作用方式不同。 图1-2所示为一简单的预混火焰燃烧实验。首先，在空玻璃瓶中充满打火机燃气（主 要成分为CH),然后用搅拌的方法使瓶子中的空气和燃气充分混合，并堵住瓶口，以防止 气体外泄，最后点燃打火机并将其火焰置于已开启的玻璃瓶口前。点燃瓶口处混合燃气后， 可以看见在瓶颈处形成一呈蓝色薄平面的火焰， 并朝瓶底方向传播。显然，这种蓝色火焰是一种 可# 发光的高温反应区，它像一个固定面一样在混合 d 燃气中传播，其结构与蜡烛产生的扩散火烙有者 火始神方育 相当大的差异，但这种预混火焰在燃烧过程中所 发生的物理化学基本现象与扩散火焰类似。 炽热燃饶产物 首先，上述实验中的燃烧化学反应也是在火 焰中发生的。这种O2与CH,之间的反应与蜡烛 图1-2质混可燃气体混合物中火焰的传播 火焰的情况非常相似。此外，火焰的蓝色特征也表明反应区中CH原子团的存在。如果玻璃 瓶中CH,的含量很高，则所产生的火焰也将发出黄光（由炽热烟炱颗粒引起）。 其次，与蜡烛燃烧时所发生的传热过程不同，此时燃烧产生的火焰并非用于照明或者使 燃料蒸发，而是用于加热包括预混的空气和CH在内的气体介质。实验开始时，打火机火 焰加热瓶口附近的可燃混合物，使其温度提高并着火。只有当火焰通过传热使附近的可燃混 合物温度提高并达到其着火温度，才能使燃烧反应延续下去，火格才得以向瓶底方向传播 因此，燃烧过程中形成一个向瓶底方向迁移的火焰峰面，将其下游区域中的可燃混合物与其 上游区域中的燃烧产物隔开。炽热的燃烧产物和火焰本身通过导热，将火焰峰面前方附近可 燃混合物的温度提高并点燃。这个过程不断延续下去，火焰峰面不断向瓶底方向迁移，直到 瓶中可燃混合物完全燃尽。 火焰传播过程中出现两方面的传质现象。首先，燃烧产物(CO,和水蒸气)在传热的 同时，向火焰峰面前方附近的可燃混合物中扩散，其次，加热引起的气体体积膨胀，使得瓶 内气体加速喷出瓶口。 随着工业发展和技术进步，人们在应用火焰和燃烧的同时研制了多种类型的工程燃烧设
6 工程脑烧学 备并开发了许多燃烧新技术。可以说，了解扩散火焰和预混火焰两种火焰的基本形式及其相 关的物理化学现象是理解实际工程然烧设备原理的基础。 1.2,2工程燃烧设备 火焰和燃烧在能源、电力、航空、航天、化工、治金、建材等诸多工业领城中得到广泛 应用。在实际应用中，燃料（煤炭、石油、天然气等）和氧化剂（空气或氧气）通过一定的 途径输送至燃烧空间（炉膛、燃烧室等燃烧设备）中，并使它们按照预定方式混合，进而发 生然烧反应并释放出大量热量，以满足预定工业过程的需要。因此，工程燃烧是通过有效的 人为控制并在确定的燃烧设备中进行的燃烧过程 燃料类型及其性质对于工程燃烧的组织以及燃烧设备的选用具有决定性的影响。人类生 产过程和日常生活所使用的燃料按照其状态可分为固体燃料、液体燃料和气体燃料三大类， 固体燃料主要是烟煤、无烟煤、褐煤等天然矿物质燃料，此外还包括木柴、焦炭、木炭、植 物秸秆等；液态燃料主要是石油及其炼制加工产品，包括汽油、煤油、柴油、重油和渣油， 此外还有甲醇、乙醇、植物油等：气体燃料主要包括天然气（气田气、油田气）、液化石油 气、人造煤气（焦炉煤气、发生炉煤气、高炉煤气）、沼气等人工燃料。 根据不同的燃料类型和性质，需要采用不同的燃烧组织方法并选用不同类型的燃料和氧 化剂输送方法和燃烧方式。气体燃料流动性好，而且与工程燃烧过程常用的氧化剂空气同为 气相，两者均可通过管道送入燃烧空间中。气体燃料的燃烧设备主要包括燃烧器和炉膛（或 燃烧室)两部分，其中燃烧器是组织燃烧反应物混合并喷人炉膛或燃烧室的装置，炉膛（或 燃烧室)是发生燃烧反应的空间 液体燃料的流动性也较好，但由于液体燃料的沸点低于其燃点，因而液态燃料必须先发 生蒸发，生成燃料蒸气，然后与氧化剂空气混合，进而发生燃烧。因此，为了保证液体燃料 与空气之间有效地混合，提高燃烧效率，工程燃烧通常采用燃烧器（油烧嘴）将液体燃料破 蹄成大盘拉径为几微米至几百微米的小液滴，使其最浮干帘气中边蒸发边特生歇楼 固体燃料的基本然烧方式主要分为三种：火床（层状）燃烧、流化床（沸腾）燃烧和火 室（悬浮）燃烧。将煤块破碎为几十毫米的煤粒时，可采用层状（火床）燃烧方式。层状燃 烧时，煤粒在炉样上静止不动，或者靠机械外力作用（非气流作用）而移动，所对应的燃烧 设备主要有固定炉排、链条炉排、往复炉排、振动炉排等。当燃用煤粒的粒径在IOmm以 下，且大部分为0.2~3mm的碎屑时，宜采用介于层状燃烧和悬浮燃烧之间的流化床（沸 腾)燃烧方式。沸腾燃烧时，加入炉膛的煤粒受到气流的作用迅速与灼热料层中颗粒混合， 并在上下翻滚运动中着火和燃烧。当煤粒细小呈粉状时（粒径<100um) 可采用煤粉燃烧 器组织煤粉气流，喷人炉膛中进行悬浮燃烧。由燃烧器喷人炉触的空气煤粉气固两相混合 物在运动中完成升温、着火和燃烧等过程，形成类似于气体燃料燃烧时其有明显轮廓的 火焰。 对燃用气体、液体和固体燃料所获取的热能，可采用两种基本方式加以利用。第一种利 用方式是采用热机，直接利用燃烧反应产生的高温高压燃气作为工质推动活塞（活塞式内燃 机，如柴油机、汽油机、煤气机等)或叶轮（燃气轮机），将热能转变为机械功。活塞式内 燃机和燃气轮机中的燃烧空间一般容积不大，统称为燃烧室。另一种利用方式是采用燃烧 炉，利用火焰以及燃烧生成物来产生蒸汽或热水（蒸汽或热水锅炉），进而推动蒸汽轮机输 出机械功或者用于供暖；或者利用火焰以及燃烧生成物加热物料（工业炉窑），以满足金属
论 冶炼、锻造加工、热处理以及玻璃、陶瓷、建材等熔化、煅烧、烧成、烧结、干燥等材料加 工处理过程的需要。燃烧加热炉的燃烧空间一般容积较大，通常称为炉雕。 一、锅斯 锅的基产生燕汽或热水的热能动力设备，它由锅和炉两大部分组成（图1-3）。锅是容 纳水和蒸汽并传递热量的容器，包括锅筒和由大量钢管制成的炉膛水冷壁、过热器、再热器 等。炉是燃料燃烧的空间，即锅炉炉膛。燃料在炉膛中燃烧所产生的高温烟气，通过辐射、 对流和导热三种传热方式，将烟气中的热量传递给锅内的水，从而产生热水或素汽。 按照用途不同，锅护可分 为供暖锅炉、工业锅炉、舰船 6 锅炉和电站锅炉：按照所燃用 的燃料不同，锅炉可分为燃煤 锅炉、燃油锅炉和燃气锅炉 按照锅炉蒸发受热面中工质循 环方式不同，锅炉可分为自然循 环锅炉、多次强制循环锅炉、直 流锅炉和复合循环锅炉：按照燃 烧方式不同，锅炉可分为火床 盘 (层燃)炉、流化床（沸腾）炉 和火室（室燃）炉。 图1-3煤粉锅炉设备原理 燃用不同燃料或者采用不同 一护雅水冷盛： 一过： 一再热器，4一省煤：5一空气预热 的燃烧方式时，锅炉需要选用不 降管： 8燃烧器9排被装量110一集箱：11一始嫩机+ 同的燃烧设备。燃煤锅炉可根据 一警煤机：13一排粉机：14送风机：15一引风机，16除尘器， 17一省煤器出口集箱：18一过热蒸汽，19一给水，20一进口 燃用煤粒的大小，分别采用层 再热蒸汽，21一出口再热燕汽：22一捧烟 燃、沸腾和室燃方式。 (1)燃用煤粉的室燃炉称为煤粉炉是目前电站锅炉主要的燃烧设备。在煤粉炉中，煤粉 和空气通过燃烧器喷人炉腔，全部燃料在炉膛空间内悬浮燃烧，形成火炬并产生高温烟气。 煤粉燃烧器按其出口流动特性可分为旋流撚烧器和宜流燃烧器两大类。燃烧器的主要作用是 组织煤粉气流，加强一、二次风气流的混合，保证煤粉气流及时、稳定者火以及煤粉火焰的 稳定 (2)层燃炉相应的燃烧设备主要有翻转炉排、链条炉排、往复炉排、振动炉排等。在层 燃炉中，大部分煤在炉排上的燃料层中燃烧，少量煤粒或可燃气体在燃料层上方空间中增 烧。某些锅炉采用的燃烧方式介于层燃和室燃之间，如风力抛煤机炉、机械抛煤机炉、抛煤 机链条炉等。抛煤过程对燃料造成分选作用，使许多细小煤粒悬浮在炉膛空间中燃烧，而较 粗的煤粒则落在火床上进行燃烧。因此，采用抛煤机的炉子中实际上是层燃与悬浮燃烧的综 合燃烧过程，形成火炬一层燃炉。 (3)采用流化床（沸腾）燃烧方式的燃煤锅炉又称为沸腾炉，其主要燃烧设备有布风装 置（炉算）和炉胜。布风装置的主要作用是均匀地分配空气，使其沿着炉障底部截面均匀地 进人炉内，以保正煤粒的均匀流化。由进料口加人炉子沸腾段的煤粒受到气流的流化作用迅 速与沸腾、燃烧者的燃烧层中的颗粒混合，形成沸腾床，并在上下翻滚运动中着火和燃烧
8 工程然烧学 一部分细粉被上升气流吹出沸腾段，进人沸腾段之上的悬浮段，并在那里进行悬浮燃烧， 燃油锅炉和燃气锅炉均为室燃炉，炉膛结构与煤粉炉基本上相同，燃油和气体燃料全部 在炉膛空间内做悬浮燃饶。在燃油锅炉中，燃油总是先雾化成细小油滴后再喷入炉膛内进行 燃烧的。这是为了极大地增大燃料的表面积，以便通过空间燃烧达到燃烧迅速和完全的目 的。泊燃烧器是将燃油雾化并进行合理配风的装置，主要由雾化器和配风器组成。燃油通过 雾化器雾化成细小油滴，以一定的雾化角喷入炉膛。同时，具有一定形状和速度分布的空气 流由配风器送入，形成有利的空气动力场，使空气与雾化油滴流相混合，达到及时着火，充 分燃尽。燃油锅炉采用的雾化器主要有机械式雾化器（包括离心式和旋杯式）和介质式雾化 器（以蒸汽或空气为介质）两大类，以采用离心式机械雾化器为最多。配风器按照气流流动 的方式可分为旋流式和直流式两大类。其中，旋流式配风器根据旋流叶片的结构可分为轴向 叶片式和切向叶片式：直流式配风器又可分为平流式和纯直流式两种。对于油燃烧器，必须 “提高雾化质量、保证均匀配风、保持雾化器在配风器中的合理位骨、使雾化特性与空气动力 特性相适应，才能保证获得稳定、完金、低污染的燃烧。 燃气锅炉燃用的气体燃料主要是天然气和高炉煤气。由于气体燃料的燃烧属气相反应， 其着火和燃烧要比固体燃料容易得多，燃烧速度和燃烧的完全程度主要取决于气体燃料与空 气的混合。气体燃料的燃烧方式主要有扩散燃烧和动力燃烧两种。其中，扩散燃烧是指气体 燃料与空气在燃烧前无混合的燃烧，而动力燃烧是气体燃料与空气在者火前即混合。所采用 的燃烧器有旋流式天然气燃烧器、多枪进气平流式天然气燃烧器、中心管进气天然气燃烧 器、高炉煤气无焰燃烧器等」 二、工业炉密 工业炉窑是对物料进行加热的设备，加热的目的是改变物料的物理、化学和机械性质 使物料便于加工成所需要的产品。 工业炉窑主要用于钢铁和有色金属工业、机械工业、建材海瓷工业以及化学工业等领域 中，以完成材料的熔化、精炼、热加工、热处理以及烧成、烧结等工艺过程。因此，工业炉 密的应用比锅炉更加广泛，其类型样式也更多。在实际应用中，习惯上将用于金属加热、熔 化、熔炼和热处理的设备称为工业炉，而将用于水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐类材料加热、煅 烧、熔化、烧成、烧结的设备称为炉窑。图1-4为一用于金属工件锻造或热处理的室式加 热炉结构简图（室式热处理炉或锻造炉）。 2800 图1-4室式加热炉 1一护架：2一煤气烧嘴，3一水冷炉门，4一排烟道：5一煤气借
1 论 9 按照用途不同，工业炉窑可分为加热炉和熔炼炉两大类。加热炉是在炉内使某种物料得 到加热的设备，如轧制加热炉、锻造加热炉、热处理炉、焙烧炉、炼焦炉、煤气发生炉、裂 解炉、干燥炉等熔炼炉是在炉内使物料加热并熔炼的设备，如高炉、转炉、冲天炉、玻璃 熔窑等。 按照应用工业领域和被加热物料类型不同，工业炉密可分为金属熔炼熔化炉、金属加热 炉、化学工业炉、水泥密、玻璃和陶瓷容。 按照加热热源不同，工业炉密可分为燃料炉和电加热炉。燃料炉又可分为燃用煤、焦 炭、粉煤等的固体燃料炉，燃用重油、柴油等的液体燃料炉，以及燃用天然气、煤气等的气 体燃料炉。在燃料炉中，加热过程依幕燃烧火焰来实现，按照加热方式不同，燃料炉又可分 为直接加热和阿接加热。直接加热（即明火加热）是指燃烧生成物直接与被加热物料相接 触，间接加热是指燃烧生成物不直接接触被加热物料，而是侍助于某种间壁式元件（如辐射 加热管、对流加热管、马弗罩等)实现热量传递。 一般来说。工业炉窑的炉温多数比锅炉炉 温高，而且在大多数情况下，要求炉内温度分布比较均匀。 燃用气体燃料的工业炉窑以各种可燃气体作为燃料，采用煤气燃烧器'（或称煤气烧 嘴)使之与空气混合燃烧。煤气烧嘴与油喷嘴相比，种类非常多。煤气烧嘴一般按煤气 与空气的混合方式来进行分类，有内部混合、外部混合和半混合式烧嘴三大类。其中， 内部混合式（或称完全预混型）烧嘴的特点是煤气燃烧所需要的全部空气已预先在烧嘴 内完全混合好，可燃气体混合物由烧嘴喷出后即可燃烧，因此不需要用二次空气助燃， 这种烧嘴又称无焰烧嘴，它产生无色火焰，并能快速燃烧。通过设定煤气与空气的混合 比例，采用这种烧嘧可形成所需要的炉内气氛。煤气和空气在烧嘴外部以扩散方式混合 并燃烧的烧嘴称为外部混合式（或称扩散燃烧型）烧嘴，有时也称为有焰烧嘴。这种烧 嘴的燃烧调节范围较宽，而且没有回火的危险。半混合式（或称部分预混型）烧嘴是使 煤气和一部分助燃空气预先混合并从喷头喷出烧嘴，再将必要数量的二次空气在烧嘴外 于以补足后进行燃烧。一次空气量占助燃空气总量的30%一70%，调节一次空气量可改 变火焰长度和亮度。 工业炉窑采用的油喷嘴，多数按照雾化方法进行分类，但是油喷嘴的种类比煤气烧嘴 少，配风器的类型和构造与煤气烧嘴大体相同。油喷嘴的主要类型有高压雾化喷嘴、低压空 气雾化喷嘴、油压雾化（机械雾化）喷嘴和转杯式喷嘴等，其中采用压缩空气或蒸汽作为雾 化介质的高压雾化喷嘴又分为内混式和外混式高压雾化喷嘴。 一般来说，工业炉窑的炉内温 度要高于锅炉炉脸内温度，因此工业炉窑使用的油喷嘴和煤气烧嘴本体多数采用耐热结构， 如在烧嘴壳体内表面衬以耐火材料。 工业炉窑除了一部分燃用气体燃料和燃料油外，还大量直浅以煤、焦炭、粉煤等固体燃 料作为热源。工业炉窑中固体燃料的燃烧方式可分为层状燃烧和粉煤燃烧两大类型。层状增 烧方式类似于层燃锅炉中的情况，即不将煤粉碎而直接输送至炉排上燃烧。这种燃烧方式可 用于热处理加热炉、锻造加热炉等，常用燃烧没备有手烧炉排、水平往复炉排、阶梯式往复 炉排、链条炉排以及下绞煤机等。粉煤燃烧方式类似于煤粉锅炉中的燃烧，即将煤粉碎成细 微煤粒并在空气中悬浮燃烧。这种燃烧方式可用于水泥回转窑、高炉和石化工业加热炉等， 但相比油烧嘴和煤气烧嘴较少采用。常用的粉煤喷嘴，按喷口形状不同分为圆形和扁形口喷 嘴；按粉煤气流流动情况不同分为直流和涡流两种类型：按送风方式不问有单管、双管和多