燃料与燃料燃烧-燃料燃烧

三、燃料燃烧

所谓燃烧，是指可燃物质与氧化合，并同时放出光和热的现象。亦可称之为燃烧反应。

燃烧是一个化学变化的过程。在这个变化过程中，能够使物质产生燃烧的基本条件是：可燃物（燃料），助燃物（氧气），着火点（着火温度，火种）。

燃料燃烧的前提条件是着火。而着火是指，促使可燃混合物达到某一温度时，混合物能够自动着火并达到燃烧状态。亦可称为“自然着火”。

当可燃混合物的化学反应可以自动加速而到达自然着火时，从燃烧开始的瞬间进入到燃烧发展过程时的温度。通常被称之为燃料的着火温度。

当燃料与氧化剂均匀混合后，从开始产生化学反应到温度升高，达到激烈的燃烧反应之前的过程被称之为燃料的着火过程。这个着火的过程，是由缓慢的氧化反应转变到猛烈的氧化反应的发展过程。

将燃料在空气存在的条件下进行加热，在不使用点火源点火而开始燃烧时的最低温度。被称为该燃料的自燃点，而在使用点火源点火，开始燃烧时的最低温度则被称为该燃料的燃点。

焦炉煤气是一种大型冶炼工业生产中常见的，使用广泛的气体燃料。它与其它气体燃料一样，是由若干种成份单位所组成的混合气体。如：CO （一氧化碳），H₂（氢）， CH₄（甲垸），O₂（氧气）， N₂（氮气）， CO₂（二氧化碳）， CmHn （碳氢化合物）等。

CH₄：属于无色气体。微有臭味，难容于水，火焰呈微弱亮光。

分子量：  16.04

比重：  0.175

热值：  8530大卡/m³

着火温度：650～750℃

爆炸范围：4.4～15%，

H₂：无色无臭气体，难容于水。

分子量：  2.016

比重：  0.899

热值：  2570大卡/m³

着火温度：580～590℃

爆炸范围：4.2～7.4%

其中，可燃成份主要是H₂和CmHn。它们的燃烧方程式为：

2H₂ + O₂ = 2H₂O

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O

CHm + （N+ m/4）O₂ = NCO₂ + m/2H₂O。

在此之中，煤气中不可燃的成份有：O₂、N₂、CO₂。而对燃烧不利的成份则为：N₂、CO₂.。

凡是气体燃料在使用过程中往往都具有：燃烧爆炸性，扩散性，压缩和膨胀性，带电性，毒害性和腐蚀性等特性。

燃料发生燃烧的过程一般可分为：混合，着火，燃烧三个基本阶段。其中，以气体燃料的燃烧较具有这一过程的代表性。

所谓完全燃烧：是指燃料中的可燃元素成份与氧结合后，因燃烧变化而生成了 CO₂（二氧化碳）， SO₂（二氧化硫）和H₂O（水蒸气）等新的物质并不再有可燃物质存在时。若燃烧产物中还存在有可燃物质，即燃料中的可燃物质未能与氧结合并完成燃烧反应的状态则被称之为不完全燃烧。

造成燃料燃烧过程不完全燃烧的因素一般有，机械不完全燃烧：由机械带出和漏损等原因造成燃料损失。化学不完全燃烧：由于空气不足或燃料与空气混合不好，使燃烧反应未完全进行，在燃烧产物中存有少量的可燃成分两种状态。

当燃料的可燃分子与氧化剂分子相接触，在一定的温度环境和浓度条件下，发生燃烧反应并放出一定的热量的现象被称之为燃烧现象。

氧气O₂为无色无臭气体。

分子量：32

比重：1.429

CO₂ 又称碳酸气。常温状态下为无色、无臭（略有气味）气体，易容于水，空气中的CO₂含量达到25 mg/l时对人体有害，含量达到162 mg/l时即可致人死亡。

分子量：44.01

比重：1.977

SO₂又称无水亚硫酸或亚硫酸酐。为无色、有刺激气味，不燃烧，常温下4个大气压即可液化的气体。

分子量：  64.07

气体比重：2.3

液体比重：1.5。

通常决定气体燃料燃烧速度和燃烧程度的主要因素是与空气的混合速度和混合程度。

气体燃料燃烧过程热平衡的基本内容包括：

—— 燃料的化学热，即燃料的发热量

—— 空气带入的物理热

—— 燃料带入的物理热

—— 燃烧产物得到的物理热

—— 燃烧产物传给周围介质的热量

—— 由于不完全燃烧损失的热量

—— 由于燃烧产物中某些气体在高温下热分解反应消耗的热量

影响燃烧速度的主要矛盾不是燃料本身的反应，而是煤气与空气的混合以及混合以后，可燃气体被加热的升温速度。将空气与煤气的预热，对提高燃烧速度和煤气的充分燃烧都是很有益的。

气体燃料的燃烧状态，一般可分为动力燃烧状态和扩散燃烧状态。

动力燃烧状态，亦可称为无焰燃烧或预混合燃烧状态。它是指：燃料（煤气），空气在进入燃烧室（窑内）或烧嘴以前，预先进行了混合。当通过烧嘴喷出时便直接开始产生燃烧。这一燃烧状态的速度极快，喷出烧嘴后，便会很快完成燃烧。这一燃烧状态的火焰很短，常常会看不到火焰。

由于动力燃烧状态对煤气与空气的混合存在着压力、预热温度、纯度等方面的要求，在燃烧时，它具有易回火、不易控制、易烧坏烧嘴和易产生爆炸的缺点。因此，常常不被采用。

扩散燃烧状态，亦可称为有焰燃烧状态。它是指：燃料（煤气）、空气在通过烧嘴时，不经过混合。而是以各自的通道，分别通过烧嘴喷出后，边混合边燃烧并形成火焰。这一燃烧状态因受混合因素的影响，火焰长度会相对地较长。

由于扩散燃烧状态在使用时，具有火焰辐射能力强，温度分布均匀，火焰状态可以调整。煤气压力可低值使用，纯度质量要求不高，不易发生回火等特点。在回转窑和其它窑炉上得到了普遍地采用。

与此同时，燃料（特别是煤气）在燃烧时，存在着需要大于燃料本身数倍的助燃空气进行混合帮助燃烧时，因燃料或空气的质量因素，需要较大的燃烧空间。因空气系统（风机）不足或异常时，易产生燃烧不完全，回火燃烧和爆炸的缺点。

总之，扩散燃烧的特点及缺点的关键表现是：燃料（煤气）与空气的混合质量，即混合程度和混合速度。混合程度决定燃烧的完全程度，混合速度决定燃烧速度。

由于燃烧反应比混合过程快，燃料与空气的混合程度和混合速度（助燃空气的配比量、被加热的温度），决定了燃烧的速度和燃烧的完全程度。

对气体燃料（主要指焦炉煤气）的燃烧过程而言，获得迅速、完全、热利用率高的基本方法是：

a、  与空气形成分子状完全混合。这是保证燃烧开始的首要条件。

b、  在高温环境中进行燃烧。高温环境能够加速燃烧反应，着火容易，能够保证燃烧过程的稳定。

c、  形成较大的火焰传播效果。扩大火焰前焰面，着火前，混合体的预热是发生在离开火焰前焰面极近的距离内。扩大前焰面能够加快预热速度，产生迅速着火。

d、  保证实现燃料燃烧过程的持续和稳定。获得高温状态下燃料与空气可持续混合的环境。