《工厂热工设备》课程教学资源（讲义）第二讲 火焰炉内热过程分析

4.火焰炉内热过程分析 4.1概述 火焰炉 炉料(被加热对象、物料) 火焰、炉气(燃烧产物)」 炉料(被加热对象、物料) 炉衬〔炉(内)墙〕了炉墙积热 炉(外)墙散热 火焰炉内热过程:①气体流动+燃料燃烧十传热过程+传质过程 ②物理过程(主要)+物理化学过程 ③以传热为中心(目的) 火焰炉内热过程分析:①定性物理描述(物理本质是什么?) ②定量的数学描述 不等温空间流动 (相互影响) 热流 空间温度场 炉衬为主要边界条件 (耦合) 流体力学 基础理论燃烧学 炉子理论 传热学 传质学 特殊规律+耦合作用

4.火焰炉内热过程分析 4.1 概述 火焰炉： 炉料（被加热对象、物料） 火焰、炉气（燃烧产物） 炉料（被加热对象、物料） 炉衬〔炉（内）墙〕 炉墙积热 炉（外）墙散热 火焰炉内热过程：①气体流动＋燃料燃烧＋传热过程＋传质过程 ②物理过程（主要）＋物理化学过程 ③以传热为中心（目的） 火焰炉内热过程分析：①定性物理描述（物理本质是什么？） ②定量的数学描述 不等温空间流动 （相互影响） 热流场 空间温度场 炉衬为主要边界条件 （耦合） 流体力学 基础理论 燃烧学 炉子理论 传热学 传质学 特殊规律＋耦合作用

4.2炉内气体运动及再循环 气体射流运动 炉膛内气体运动 气体回流运动 气体射流运动研究: 传统研究方法(实验研究方法) ∵炉膛内气体射流≈紊流射流 又∵紊流自由射流具有相似性 实验路径 冷流体自由射流匚冷流体限制射流匚♂冷流体半限制射流 匚→冷热流体射流差别 模型实验理论(相似理论) 数学模拟方法(数值计算方法 炉子实际状态典型化L物理模型/化 分析 模拟 数学模型算结果分析 射流的研究情况(自由作业,影响平时成绩): 査阅有关书目、资料,说明前人从那些角度研究射流?研究了 那些射流形态?

4.2 炉内气体运动及再循环 气体射流运动 炉膛内气体运动 气体回流运动 气体射流运动研究： 传统研究方法（实验研究方法） ∵炉膛内气体射流 ≈ 紊流射流 又∵紊流自由射流具有相似性 ∴ 实验路径 冷流体自由射流 冷流体限制射流 冷流体半限制射流 冷热流体射流差别 模型实验理论（相似理论） 数学模拟方法（数值计算方法）： 分析 简化 模拟 典型化 计算 射流的研究情况（自由作业，影响平时成绩）： 查阅有关书目、资料，说明前人从那些角度研究射流？研究了 那些射流形态？ 炉子实际状态 物理模型 数学模型 结果分析

气体回流运动研究: 内部再循环(自然再循环) 结构作用 气体再循环的方式外部再循环(结构再循环) 设备作用 钝体再循环 再循环现象示意图 (=)L 图2-1炉气再循环方式 a)内部再循环;(b)、(c)外部再循环;(a)钝体再循环

气体回流运动研究： 内部再循环（自然再循环） 结构作用 气体再循环的方式 外部再循环（结构再循环） 设备作用 钝体再循环 再循环现象示意图：

气体再循环的流动特征(图) 6案回 回流区 外壁 IC 喷嘴 有效宽度 再循环边界 射流边界 图22流通管道内轴对称射流流谐图

气体再循环的流动特征（图）

气体循环指标;厚循环率,再循环倍率 再循环率 再循环气体流率(kg/h) 从喷嘴流出气体的质量流率(kg/h)十从喷嘴周围供入的气体质量流率(kg/h) 再循环率=再循环气体流率(kg/h)/{从喷嘴流出气体的质量流率(kg/h) 十从喷嘴周围供入的气体质量流率(kg/h)十再循环气体流率(kg/h) m+m +m 再循环倍率={从喷嘴流出气体的质量流率(kg/h) 十从喷嘴周围供入的气体质量流率(kg/h)十再循环气体流率(kg/h)} 从喷嘴流岀气体的质量流率(kg/h)十从喷嘴周围供入的气体质量流率(kg/h)} R=二0 缩短火焰,减少火焰中小碳粒的浓度, 提高火焰温度 炉气再循环对燃烧的影响 延长火焰,增加火焰中小碳粒的浓度, 降低火焰温度 影响参数:r火焰根部的温度T 可燃混合物中氧的浓度

气体再循环指标：再循环率，再循环倍率 o a r m m m r kg h kg h kg h ＋ ＝ 从喷嘴流出气体的质量流率（ ／ ）＋从喷嘴周围供入的气体质量流率（ ／ ） 再循环气体流率（ ／ ） 再循环率＝ o a r r m m m m r kg h kg h kg h kg h ＋ ＋ ＝ ＋从喷嘴周围供入的气体质量流率（ ／ ）＋再循环气体流率（ ／ ）｝ 再循环率＝再循环气体流率（ ／ ）／｛从喷嘴流出气体的质量流率（ ／ ） ‘ o a o a r m m m m m R kg h kg h kg h kg h kg h ＋ ＋ ＋ ＝ ｛从喷嘴流出气体的质量流率（ ／ ）＋从喷嘴周围供入的气体质量流率（ ／ ）｝ ＋从喷嘴周围供入的气体质量流率（ ／ ）＋再循环气体流率（ ／ ）｝／ 再循环倍率＝｛从喷嘴流出气体的质量流率（ ／ ） 缩短火焰，减少火焰中小碳粒的浓度， 提高火焰温度 炉气再循环对燃烧的影响 延长火焰，增加火焰中小碳粒的浓度， 降低火焰温度 影响参数： 火焰根部的温度 T 可燃混合物中氧的浓度

几何特征 4.3火焰的基本特征{析热特征(吸热规律) 辐射特征 火焰(火炬)定义:炽热的正在燃烧的气流流股。 特点:①温度比周围炉气高 ②有明亮轮廓的外形。 ③是炉气的一部分。 工程计算处理方法:①分别研究火焰和炉气的作用。 ②将火焰和炉气作为具有某种平均温度的炉气。 火焰的张角 火焰的几何特征{火焰的形状 火焰的长度 08010012014010u8022020Y/Do 离喷嘴出日轴向距离x/Do 图2-5火焰边界图(天然气自由火焰,喷口直径Do,v≈200m/s) 1—气体动力学边界;2—燃烧区边界(按=2%计);3-燃烧火焰化学当量浓度 区域边界(按n=1计);4—没有燃烧时天然气射流和空气混合化学当量浓度区域 边界;Ⅰ及L一没有燃烧及燃烧火焰化学当量长度+L火焰全长

几何特征 4.3 火焰的基本特征 析热特征（吸热规律） 辐射特征 火焰（火炬）定义：炽热的正在燃烧的气流流股。 特点：①温度比周围炉气高。 ②有明亮轮廓的外形。 ③是炉气的一部分。 工程计算处理方法：①分别研究火焰和炉气的作用。 ②将火焰和炉气作为具有某种平均温度的炉气。 火焰的张角 ⚫ 火焰的几何特征 火焰的形状 火焰的长度

张角:由几个关系来说明:α(冷等温自由射流)<α(实际火焰) a(无旋射流) a(旋流火焰) 形状(由边界面确定):流速和空气消耗系数 枣核状和空心截头锥状 可见火焰长度(肉眼观察)(定义之一:不完全 燃烧程度q=1%-2%处) 长度:三种指标〈火焰的化学当量长度La(轴线上空气消耗系数n 1时的位置) 实际火焰长度L

张角：由几个关系来说明： α（冷等温自由射流）＜α（实际火焰） α（无旋射流） ＜α（旋流火焰） 形状（由边界面确定）：流速和空气消耗系数 枣核状和空心截头锥状 可见火焰长度（肉眼观察）（定义之一：不完全 燃烧程度 qh＝1%－2%处） 长度：三种指标 火焰的化学当量长度 Lst（轴线上空气消耗系数 n ＝1 时的位置） 实际火焰长度 Lf

●火焰的析热特征(析热规律) 析热规律之一:9=(1-x) qn离烧嘴出口ⅹ处燃料不完全燃烧百分数; 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 火焰长度(即燃烧带长度,从喷嘴出口至q=0处的长度; P一一指数,代表燃烧速度的特性,P值越大表明燃烧进行得愈快。 0.2 0,20.40.60.81.0 fO 图2-6火焰的析热规律 析热规律之二:=1-ex(-ax) 燃尽程度φ=1-qn x一一沿火焰轴线的距离m a-一经验数据m-b b-当qn=1%时,b=1;当qn=2%时,b

⚫ 火焰的析热特征（析热规律） 析热规律之一： p h f h L x q q (1 ) 0 0 = − h q _____离烧嘴出口 x 处燃料不完全燃烧百分数； qh0 _______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； Lf 0 ――火焰长度（即燃烧带长度，从喷嘴出口至 h q ＝0 处的长度）； P－－指数，代表燃烧速度的特性，P 值越大表明燃烧进行得愈快。 析热规律之二： 1 exp( ) b  = − −ax  ――燃尽程度  =1− qh x――沿火焰轴线的距离 m a――经验数据 b m − b――当 qh =1% 时，b＝1；当 qh = 2% 时，b＝2

火焰的发射率(黑度) ●火焰的辐射特征火焰温度 火焰的辐射热流密度 火焰的发射率(黑度) 提高火焰发射率的主要途径: 火焰增碳(重油加入,碳氢化物含量↑热裂解小炭粒浓度↑e↑) 增加火焰中的小炭粒的浓度 火焰自动增碳「焦炉煤气预热1100以上热裂解小炭粒浓度↑e↑ 使火焰中局部空气不足热裂解小炭粒浓度↑e↑ 火焰中增碳 辉焰 火焰中无炭粒 暗焰 曾华 相对距离 图27沿火焰轴线方向小炭粒浓度变化

火焰的发射率（黑度） ⚫ 火焰的辐射特征 火焰温度 火焰的辐射热流密度 火焰的发射率（黑度） 提高火焰发射率的主要途径： 火焰增碳（重油加入，碳氢化物含量↑ 热裂解 小炭粒浓度↑ε↑） 增加火焰中的小炭粒的浓度 ， 火焰自动增碳 焦炉煤气预热 1100℃以上热裂解 小炭粒浓度↑ ε↑ 使火焰中局部空气不足热裂解 小炭粒浓度↑ ε↑ 火焰中增碳 辉焰 火焰中无炭粒 暗焰

33×10 0 离开烧嘴的距离/rm 图2-8当加入不同量燃料油对焦炉煤气进行增碳后火焰总辐射热 流密度(A)及总发射率(B)随距离的变化情况 1-100%油;2-40%油,60%焦炉煤气;3-20%油,80%焦炉煤气;4-100%焦炉煤气