二、部分预混层流火焰的稳定

　　如前所述，火焰稳定的必要条件就是火焰传播速度sn与新鲜可燃混合气的流速。的相对平衡。对于预混层流火焰，为了维持火焰稳定，火焰锥面上各点的sn和v必须满足“余弦定律”，而火焰锥根部必须具备有“点火环”作为一固定点火源。
　　然而，点火环存在是有条件的，只有燃烧器在一定范围内工作时才能产生。如果燃烧强度不断加大，由于v=sn的点更加靠近管口，点火环就逐渐变窄。最后点火环消失，火焰脱离燃烧器出口，在一定距离以外燃烧，发生离焰。若气流速度再度增大，火焰就被吹熄了，称为脱火。
　　如果进入燃烧器的燃气流量不断减少，即气流速度不断减小，蓝色锥体越来越低，最后由于气流速度小于火焰传播速度，火焰将缩进燃烧器，出现回火。
　　脱火和回火现象都是不允许的，因为它们都会引起不完全燃烧，产生一氧化碳等有毒气体。对炉膛来说，脱火和回火引起熄火后，形成爆炸性气体，容易发生事故。因此，研究火焰的稳定性，对防止脱火和回火具有十分重要的意义。
　　对于某一定组成的燃气／空气混合物，在燃烧时必定存在一个火焰稳定的速度上限，气流速度达到此上限值便产生脱火现象，该上限称为脱火速度极限；另一方面，燃气／空气混合物还存在一个火焰稳定的速度下限，气流速度低于下限值便产生回火现象，该下限称为同火速度极限。只有当燃气／空气混合物的速度在脱火极限和回火极限之间时，火焰才能稳定。
　　在图3—5—7是按试验资料绘出的天然气／空气混合物燃烧时的稳定范围。从图中可以看出混合物的组成对脱火和回火极限影响很大。随着一次空气系数的增加，混合物的脱火极限逐渐减小。这是因为燃气浓度高时，点火环处有较多的燃气向外扩散，与大气中扩散而来的二次空气混合而燃烧，能形成一个较有力的点火环。反之，若混合物中空气较多，从火孔出来的燃气较少，二次空气将进一步稀释混合物，使点火环的能力削弱，所以脱火速度也下降。燃烧器出口直径越大，气流向周围的相对散热越少，火焰传播速度就越大，脱火极限就越高。
　　回火极限随混合物组成变化的情况与火焰传播速度曲线相象。在其它条件相同时，火焰传播速度越大，回火极限速度也越大。燃烧器出口直径较小时，管壁相对散热作用增大，回火可能性减小。为了防止回火，最好采用小直径的火孔。当火孔直径小于极限孔径时，便不会发生回火现象。
　　图3—5—7还绘出了光焰区。当一次空气系数较小时，由于碳氢化合物的热分解，形成碳粒和煤烟，会引起不完全燃烧和污染。所以，部分预混式燃烧的一次空气系数不宜太小。
 

 

图9—5—7 天然气和空气的燃烧稳定范围
1一火焰曲线；2—脱火曲线；3一回火曲线；
4—火焰区；5—脱火区；6一回火区

　　脱火和回火曲线的位置，取决于燃气的性质。燃气的火焰传播速度越大，此两曲线的位置就越高。所以火焰传播速度较大的焦炉煤气容易回火，而火焰传播速度较小的天然气则容易脱火。
　　火焰稳定性还受到周围空气组成的影响。有时周围大气中氧化剂被惰性气体污染，脱火和回火曲线的位置就会发生变化。由于空气中含氧量较正常为少，使燃烧速度降低，从而增加了脱火的可能性。
　　此外，火焰周围空气的流动也会影响火焰的稳定性，这种影响有时是很大的，它取决于周围气流的速度和气流与火焰之间的角度。
　　鉴于燃烧稳定性在燃烧理论和技术中的重大意义，国内外学者对其进行了大量的研究。国际上，对于燃气燃烧稳定理论较为系统的研究始于19世纪40年代，刘易斯和冯·埃尔柏的边界速度梯度理论代表了这一阶段的主要成果。它第一次从理论上系统地分析了本生预混火焰回火和脱火等现象。在50年代，继续进行了大量的实验研究来验证和发展了边界速度梯度理论。
　　图3—5—8为靠近燃烧器火孔壁面的可燃混合气速度和燃烧速度变化示意图。决定火焰是否稳定的区域是紧靠喷管(或火孔)边缘的区域，该区域祢为火焰稳定区，即使对于燃烧速度很慢的甲烷—空气混合物来说，其宽度也只有lmm左右。由于这个宽度比喷口管径小得多，所以该区域内的气流速度变化可看成线性变化，即
 

　　式中 X——离喷口内壁的径向距离；
　　　　g——气流速度随x的变化率，称为边界速度梯度，因假定空气流速度为线性变化，故g为常数；
　　　　V——离喷口内壁距离。处的气流速度。
　　设在该气流中，有一本生内焰焰面存在，如图3—5—9所示。实验证明，在本生火焰中，除了火焰顶端和底部以外，在大部分焰面上的燃烧速度是相同的。在火焰顶端，由于温度和活化中心对燃烧反应的有利影响，燃烧速度较大。在火焰底部，由于管壁的冷却作用，燃烧速度逐渐减小。当离火孔内壁的径向距离小于某一极限距离，燃烧速度降低为零，这一距离称为熄火距离。
 

 

图3-5-8 层流气流中的火焰稳定示意图

图3-5-9 本生火焰内焰的燃烧速度变化曲线

　　发生回火和脱火的机理可用图3—5—10所示曲线来阐述。图中(a)直线1、2、3分别表示边界速度梯度g不同时，气流速度随离孔壁距离变化的曲线。s表示火孔边缘燃烧速度的变化曲线。如前所述，火焰稳定区是在离孔壁很近的火孔边缘地带。
 

 

图3-5-10 阐明回火的脱火机理的示意图
(a)回火机理；(b)脱火机理；(c)火焰状况

　　当速度曲线为直线1时，曲线s与直线1相割，这说明在火焰底部的某些部位燃烧速度大于气流速度，发生回火。
　　当提高边界速度梯度，使速度曲线变为直线2时，曲线s与直线2相切。在切点处的气流速度等于燃烧速度，因此焰面底部可以在这点稳定。这时的边界速度梯度就是防止回火所需的最低边界速度梯度，也即回火极限边界速度梯度gf。
　　当继续提高边界速度梯度，使速度曲线为直线3时，曲线s与直线3不再有交点，这说明火焰任何一点的气流速度均大于燃烧速度。这时火焰就被气流推离火孔。图(b)中直线2和曲线sA相当于图(a)中的直线2和曲线s，也即回火极限工况。这时火焰底部的位置为图(c)中的位置A。
　　当提高边界速度梯度而使速度曲线为3时，由于3上每一点都v>s_A,所以火焰底部被推离到位置B。在位置B，火焰底部离开火孔的距离增大，火孔壁面对火焰底部的冷却作用减弱。同时，在气流边界层可燃混合物与空气的相互扩散增强，使边界层附近可燃混个物的—次空气系数增加，燃烧速度增大。因此，图(b)中的sA向气流边界移动到sR。因为sB与直线3相切，所以焰面底部能够在位置B重新稳定。
　　同样，当速度梯度继续增大，使速度成为4线时，焰面继续被推离到位置C，由于壁面冷却作用进一步减弱和稀释作用的影响，燃烧速度继续增大，曲线由s_R移动到s_C。当曲线s_C与直线4相切时，火焰底部就能够在位置C重新稳定。
　　当边界速度梯度再继续增大，使速度曲线变为直线5时，火焰又进一步被推离火孔。这时由于可燃混合物与空气的相互扩散过程，使得气流边界层附近的可燃混合物被空气过分稀释，导致该处的燃烧速度下降，使燃烧速度曲线sc不是继续向左推移，而是反过来向右推移到s_D。这时直线5与曲线s_D再也找不到切点，即在火焰底部任何一点上的气流速度都大于燃烧速度，于是火焰就被无限制推离火孔，产生脱火。
　　显然，直线4和曲线s_C所代表的工况，即为防止脱火的极限工况，这时的边界速度梯度g_b即为脱火极限边界速度梯度。
　　当可燃混合物在空气中燃烧时，可燃混合物中的燃气浓度越大，脱火极限边界速度梯度也越大。这是因为这种可燃混合物与空气相互扩散时，在开始阶段能形成燃烧速度增大的气流边界层。然而，当燃气浓度大的可燃混合物不是在空气中而是在惰性气体中燃烧时，脱火极限边界速度梯度就比较小。
　　刘易斯和冯·埃尔柏认为，回火与脱火边界极限速度梯度gf、gb是可燃混合物本身的特性。因此他们认为，只要提出边界速度梯度理论时所作的几条假设符合实际情况，那么gf、gb就应与火孔孔径、孔深和孔型无关。这样，对于每一种可燃混合物就可以用一个gf和一个gb来表示在不同火孔中的燃烧稳定性。
　　从以上分析可以认为，脱火和回火的极限决定于靠近气流周边处的气流速度线的斜率，或者说取决于周边速度梯度。