2.3 火焰炉内热过程分析——火焰的基本特征在线视频

接下来我们学习一下火焰炉内

火焰的基本特征

火焰也称火炬

是一股炽热的正在燃烧的气流

其温度比周围炉气高

并呈现出明亮的轮廓

看起来有一定的外形和长度

火焰是炉气的一部分

工程计算中为简化起见

往往把火焰和周围的炉气

看成一个整体

用其平均温度和性质进行计算

火焰作为炉内热源项

其温度 形状和性质

会在很大程度上

影响炉内热过程

在炉子热工领域

大多数火焰都属于复杂

紊流扩散火焰

实际的生产中

火焰的特性对加热速度

加热均匀性有着相当大的影响

技术人员

需要很好地控制这些特性

来满足工艺要求

那么火焰的基本特征包括哪些呢

一 火焰的几何特征

第二 火焰的析热规律

三 火焰的辐射特性

我们下面分别进行阐述

火焰的几何特征包括哪些呢

主要包括火焰的张角 形状和长度

这些参数对于炉内火焰的辐射特性

都有着重要的影响

对于火焰的张角而言

冷等温自由射流的张角

一般在18-22°

火焰由于燃烧反应的影响

气流受热膨胀后密度下降

体积增加 张角也随之增加

此时火焰张角能达34°左右

旋流火焰的张角

比无旋火焰的张角要大一些

旋流数越大 张角越大

火焰的外观形状

不像自由射流那样呈锥形扩张角

而是有各种形状

它取决于燃料

和空气流的速度及速比

气流旋转和混合情况

喷出口直径等因素

通常对于无旋或弱旋燃烧气流来说

火焰形状是先扩张

当接近火焰末端处又收缩

而强旋流火焰往往呈现为

空心截头锥形

我们这个图

就是一个天然气自由

火焰的几何特征图

图中线1为自由射流下半部边界线

曲线2为可见火焰的外部轮廓线

火焰的长度一般是指

火焰的可见长度

可按肉眼观察来决定

但很不准确

还可按从喷嘴出口至火焰轴线处

不安全燃烧程度为1-2%处的火焰

来定义

同时将在火焰轴线处

空气消耗系数等于1时

所达到的长度

定义为火焰的化学计量长度

理论上在火焰的化学计量长度处

燃烧应该结束

但实际情况并非如此

测定结果表明

在这个地方仍有12-16%

未反应的燃料量存在

因此实际火焰长度

要比它的化学计量长度要长

如图所示

火焰的实际长度

约为化学计量长度的1.4倍

之所以会出现这种情况

是因为对混合气体取样时

引入的误差造成的

实际上在采样处

燃料和空气的混合

从微观上看并不均匀

也就是说

还没有达到分子混合均匀程度

但经过采样操作

却在取样管内混合均匀了

结果以为

该处空煤气混合浓度

既然已达到化学计量浓度的比例

那就必定是燃烧完全了

其实还没有燃烧完毕

所以实际火焰长度

要比预想长一些

具体长多少根据不同情况而定

而不都是上述的1.4倍

从理论上很难确定这个定量的关系

只能由实验来确定

总之 火焰的几何特征参数

即火焰的张角 形状和长度

都不是独立特性

而是相互关联的

影响火焰几何特征的因素有很多

燃烧器的结构

燃烧器的尺寸

旋流数 喷口形状等

燃料的特性包括

燃料的成分 温度 压力

液体燃料的粘度等等

助燃空气的介质特性

包括助燃空气的温度 压力

富氧燃烧情况 富氧率等等

还有组织燃烧的空间情况

比如说炉膛的形状

烧嘴的排布 排烟口的位置等等

接下来我们

学习一下火焰的析热规律

火焰的形成过程

表明燃料燃烧的过程是逐步进行的

因此热量释放的过程也是如此

即按照一定的析热规律进行的

知道燃烧装置的火焰析热规律

是很重要的

其是进行区域热平衡

及炉气温度分布计算

所必不可少的数据

由于燃烧种类 燃烧器结构

以及热过程等的不同

火焰的析热规律也不同

对于扩散式燃烧

工程上一般认为

它服从指数规律

即qx等于q0

括号1减去x除以L0括号的p次方

qx为离烧嘴出口x处

燃料不完全燃烧的百分数

q0为在火焰开始端

燃料不完全燃烧的热量

占燃料化学热的百分数

L0指的是火焰的长度

p为燃烧速度特性指数

p越大表明燃烧速度越快

如均匀缓慢燃烧时

p等于1

在燃气连续加热炉上

p一般等于3

对于具体某个炉子上

燃烧器的析热规律

由于影响因素太多

要想准确地知道

还需通过专门的实验来确定

接着我们学习一下火焰的辐射特性

火焰的辐射特性

主要包括火焰的发射率、吸收率

火焰的温度、辐射热流等

火焰的辐射特性和

燃烧种类、火焰长短

燃烧的完全程度等密切相关

辐射热流的大小

还和火焰与被加热物体

间的相对位置有关

由于火焰是炉膛内的热源项

火焰辐射热流的大小和分布

对加热速度及加热均匀性

有着重要的影响

必须给予重视

燃烧产物中

二氧化碳 水的含量

以及小碳粒浓度

对火焰发射率的大小

有很大的影响

对于含碳氢化合物

比较少的气体燃料来说

比如高炉煤气

燃烧产物中主要是二氧化碳和

水蒸汽具有辐射能力

这时火焰亮度很小 称为暗焰

火焰的黑度可以依据

二氧化碳和水的辐射图表计算出

对于液体燃料如重油

根据实验结果来看

旁边是一张图

沿火焰长度方向有许多

游离的小碳粒的存在

其浓度值沿着火焰轴线

长度方向迅速降低

对应的火焰黑度如右图所示

可见小碳粒的存在

会使火焰的黑度增加

并最终由于碳粒的燃尽

而趋于二氧化碳和水成分相应的

气体的黑度值

相较于暗焰

此时的火焰为辉焰

火焰明亮、发光

呈黄色或橙色

工程上为了提高火焰的黑度

会对火焰进行增碳处理

所谓火焰增碳

是指提高火焰中小碳粒的浓度

使火焰黑度和辐射能力增大的方法

对于黑度较小的气体燃料的火焰

火焰增碳有以下常用的方法

一 通过向气体燃料中

添加重油来进行增碳

像这个图上所表示的那样

向焦炉煤气中加入部分重油后

火焰的黑度

与总辐射热流的变化

加入重油后

提高了火焰中碳氢化合物的含量

碳氢化合物热裂解

造成火焰中小碳粒浓度升高

使得火焰黑度

和辐射能力均增大了

并且从图中的1到4条可以看出

随着重油比例的增加

黑度和辐射热流也随之增加

二 对煤气预热，进行增碳

也就是将煤气隔离空气

预热到1100度以上

高温使得气体中的甲烷成分

分解形成小碳粒

三 在燃烧时人为

使局部区域空气量不足

造成燃料中碳氢化合物

在高温下热裂解

从而使得火焰自动增碳

表中所示为一些燃料燃烧

火焰的黑度值

在计算时我们可以作为一个参考

总体来看

气体燃料比液体和固体燃料要低

就气体燃料而言

天然气低一些

发生炉煤气要高一些

高焦混合煤气介于二者之间

燃烧方式

影响燃料燃烧火焰的黑度

同样是天然气

预混燃烧比扩散燃烧要低

下面我们学习一下火焰温度

火焰的温度分布是不均匀的

和燃料与空气的混合状况直接相关

图示为重油机械雾化喷嘴

在使用低压空气情况下

火焰形成情况

以及温度分布曲线

从这个图中我们可以看出

火焰呈伞形 空心锥体

使得距离喷嘴出口相当一段距离内

火焰中心温度几乎是最低的

与此相关的

是火焰中心处气体成分中

氧的浓度最高

这一点从距离喷嘴出口2米处

火焰横截面气体成分的分布

可以看出

火焰温度最高处的位置

介于中心和边缘之间

只有在末尾处

火焰中心温度才比周围稍微高一些

如图所示

距离喷嘴出口2米处

火焰横截面气体成分分布图

与同一截面上

火焰温度和混合系数分布图

图中左侧纵坐标为温度

右侧纵坐标为混合系数

图中实线为温度分布曲线

虚线为混合系数的分布曲线

可以看出当理论燃烧时

也就是说m等于1

对应的温度并不是最高的

最高温度在m稍小于1的情况

也就是说空气消耗系数

稍小于1的情况下获得

当m值比1大得多或小得多时

都会使火焰温度下降

如何才能获得火焰的温度值呢

主要有两种方法

一种是通过专门的仪器进行测量

如热电偶 辐射高温计等

二者是通过理论方法进行计算

理论计算的主要思路

是将火焰进行空间离散

对每一个离散单元

建立组分输运方程

动量守恒方程

能量守恒方程

辐射传递方程

再结合具体的定解条件

求解方程组获得温度值

理论计算中

有些参数是难以获得的

如射流与回流的质量交换量

火焰析热

和辐射力 黑度的大小等等

这就需要做专门的一些实验

并加上一些适当的简化条件后

才能计算出近似的结果来

最后是火焰的辐射力

火焰的辐射力

用下面的公式来表示

qf等于εf

σTf的4次方

我们知道由于火焰长度方向上的

析热场的存在

造成火焰黑度和温度分布的不均匀

因此辐射热流的大小也就不同

在燃料种类一定的情况下

火焰的长度和它的温度

分布曲线有着密切的关系

对于辉焰来说

还跟其黑度分布有关

那么我们首先分析一下

影响火焰长度的因素

如图所示

为重油在不同雾化角下

得到的火焰长度

可以看出

随着雾化角的增加

火焰长度缩短

随着燃料量的增加

火焰长度增加

这张图表示的是

不同重油火焰长度时

辐射热流的分布

可以看出随着雾化角的增大

火焰变短

火焰高温区向火焰根部收缩

火焰辐射热流密度最大点内移

随着雾化角的增大

距离喷嘴相同位置的

辐射热流密度减小

同时火焰总的辐射热流密度减小

实际生产中

除了要考虑辐射热流密度的大小外

对火焰长度的控制

还需考虑工艺加热的均匀性

过短的火焰热量过于集中

加热的均匀性就差

过长的火焰往往会导致

较大的不完全燃烧

增加了废气带走的热量

因此要根据具体工艺要求

综合进行考虑

下面对本节作一个小结

火焰的基本特征

主要包括火焰的几何特征

析热规律和辐射特性

三者相互关联

共同影响炉内传热

影响火焰基本特征的因素

有燃烧器结构

主要是燃烧器的尺寸

旋流速 张角等

燃料特性

主要是燃料的化学组成

压力 温度 粘度等

空气特性主要是助燃空气的温度

压力 富氧率等

最后是燃烧空间情况

主要是炉膛形状 烧嘴排布

排烟口位置等等

以上就是今天的内容

谢谢大家