燃烧的方式

5.1.7　燃烧的方式

燃烧方式有两种含义。其一是指燃烧火焰的组织方式，即火焰的类型；其二是指燃料与氧气（空气）的相对运动方式。

1.火焰的类型

前已叙及，按反应物所处的形态是否相同，可将燃烧分为均相燃烧与非均相燃烧。气体燃料的燃烧是均相燃烧，液体燃料与固体燃料属非均相燃烧。

均相燃烧可概括为两个基本过程：燃料与氧化剂分子进行质量交换的扩散过程及混合物发生反应的过程。前者是物理过程，后者是化学过程。如果物理过程长，燃烧时间主要取决于扩散时间，这种燃烧就称为“扩散燃烧”；反之，如果燃烧时间主要取决于化学反应速率（化学动力学因素），则燃烧就称为“动力燃烧”。

在实际燃烧的高温条件下化学反应速度是很快的。如果分别供给燃料与空气并使之在进入炉内后混合与燃烧，则无论怎样强化混合过程，扩散时间仍比化学反应时间长得多，所以此时的燃烧属扩散燃烧。如果预先将燃气同全部助燃空气均匀混合，然后送入炉内燃烧，因扩散时间为零，则不论化学反应进行得如何快，它也是决定燃烧时间的主要因素，所以此时的燃烧为动力燃烧。动力燃烧并非只在预混情况下才能获得。燃料在空气中缓慢氧化时，反应时间就比扩散时间长，此时的燃烧应为动力燃烧。但在实际燃烧的高温条件下，动力燃烧需要预先将燃料气与全部助燃空气混合才能达到，这样的动力燃烧习惯上称为预混燃烧。

工业中的实际燃烧是在气体流动的情况下进行的，燃烧的气流即为火焰。根据气流状态，火焰有层流火焰与紊流火焰之分。作为第二级特征的流动状态不会改变燃烧类型，因此扩散燃烧和预混燃烧都可分别出现两种火焰，于是共有四种火焰形式：预混层流火焰，预混紊流火焰，层流扩散火焰和紊流扩散火焰。

非均相燃烧可视作在均相燃烧基础上有更多物理、化学变化的燃烧现象，情况更复杂。但在类型特征上它们属扩散燃烧，并且主要为紊流扩散燃烧。

2.燃料与空气的相对运动方式

将固体燃料颗粒置于一块既能使气体通过又能在床层静止或流体速度较小时不使颗粒落下的托板上，那么，不断提高通过床层的气体速度，燃料层就会随着气流速度的增大而相继出现不同的状态。

在一下部带有筛板的柱管内装填一定量的床料（床料的筛分不宜太宽），筛板上布置有均匀的小孔，筛板下是一个风室，空气由风室通过筛板小孔进入装有床料的柱管内。当空气流速不大时，空气穿过床料颗粒间隙由上部流出，床料高度不发生明显的变化，这种状态称为固定床（如图5.10（a））。火床燃烧就是指这种状态下的燃烧。

图5.10　料层的几种状态

（a）固定床；（b）流动床；（c）鼓泡床；（d）湍流床；（e）快速床；（f）喷流床

当空气流速继续增大，床料开始膨胀，料层高度发生变化。气体对固体颗粒产生的作用力与固体颗粒所受的其他外力相平衡，固体颗粒呈现出类似流体的性质。这种当流体以一定的速度向上流过固体颗粒层时，固体颗粒层呈现出类似于流体状态的现象称为流态化现象。如果这时床料内未产生大量的气泡，扰动并不强烈，把这种流化状态称为流动床（如图5.10（b））。流动床在工业上有一定的意义，因为它具有流体的某些特性。

当空气流速再继续增加，床料内将产生大量气泡，气泡不断上移，小气泡聚集成较大气泡穿过料层并破裂，这时气（空气）－固（床料）两相有比较强烈的混合，与水被加热沸腾时的情况相似（如图5.10（c））。由于这时的床料中产生有大量的气泡，故这时的流化状态称为鼓泡床，床内呈鼓泡床流化状态的锅炉就称为鼓泡床锅炉，或者叫做沸腾炉。尽管鼓泡床的床料膨胀增加很大，但料层还可看到比较清晰的界面。鼓泡床锅炉如果一次风调整不当，风量过小或床料发生变化也会出现流动床的状态。鼓泡床的流化速度（空截面速度）为1～3m/s。在鼓泡床的基础上再继续增大空气流速，将依次出现三种状态：

（1）床料内气泡消去，气－固混合更加剧烈，看不清料层界面，但床内仍存在一个密相区和稀相区，下部密相区的床料浓度比上部稀相区的浓度大得多。这时的流化状态称为湍流床（如图5.10（d）），湍流床的流化速度为4～5m/s。

（2）随着流化速度的增大，床料上下浓度更趋于一致，但细小的床料颗粒将聚成一个个小颗粒团上移，在上移过程中有时小颗粒团聚集成较大粒团，较大粒团一般沿流动方向呈条状（如图5.10（e）），这时的流化状态称为快速床，快速床在宽筛分床料时（d＝0～15mm），床内床料浓度也并非均匀。由快速床形成的快速循环床锅炉炉膛内，一般下部物料浓度仍大于上部，而且床内中间的浓度小于四壁附近的物料浓度。快速床的流化速度为6～10m/s。

（3）当空气速度再增加时，床料将均匀地、快速地全部喷出床外（如图5.10（f）），这时的流化状态称为喷流床，也称为气力输送。如果在这种状态下燃烧，就称为悬浮燃烧，例如煤粉炉中煤粉的燃烧。液体燃料和气体燃料只能采用悬浮燃烧方式。

不论是流动床，还是鼓泡床、湍流床以及快速床，都可称为流化床。流化床内的固体颗粒具有许多类似流体的性质。形成各流化状态的流化速度与床料颗粒大小、密度以及粘性等许多因素有关。更多内容将在§5.5节中介绍。