阴燃波的稳定性及其向火焰燃烧的转化机理

阴燃是可燃固体孔隙材料与空气接触后发生的一种无焰放热燃烧反应，常以阴燃波的形式沿固体表面或在其内部传播，在某些条件下，它可以突然转化为火焰燃烧。因其对于火灾安全的重要意义，使得阴燃向火焰燃烧的转化机理成为阴燃研究的中心课题之一。为了理解这种转化机理，在前期工作的基础上，本课题提出了一个新的视角与思路，即三维失稳很有可能是实现阴燃向火焰燃烧转化的途径之一。这一设想已经在前期关于反向阴燃波的稳定性研究中得到了初步验证。在本课题中，我们将会采用理论分析与数值计算相结合的形式，运用活化能渐近分析、分叉理论、以及高精度有限差分等数学和数值计算方法，通过对各种结构的正向阴燃波稳定性的系统研究，来更全面、深入地理解稳定性在阴燃向火焰燃烧转化过程中所起的作用。 2100433B

W型火焰锅炉主要燃烧低挥发份煤种，因此锅炉的炉膛结构，燃烧器布置、送风方式、粉风配比等因素都按照符合低挥发份煤的燃烧特点来设计。

1、W型火焰锅炉的燃烧器布置在前、后墙的拱上，上部炉膛深度小，火焰流向与W型火焰锅炉平行，不旋转，炉膛出口烟气温度场与速度场较均匀，因此炉膛不易结焦，而且过热器与再热器的热偏差较小。并且通过前后墙二次风对撞增加炉内的扰动，既加强了炉内的混合，又克服了火焰刷墙等缺点

2、煤粉着火后向下自由伸展，在距一次风口数米处才开始转弯向上流动，不易产生煤粉分离现象，并且火焰行程较长，炉内充满度好，延长了煤粉在炉内的停留时间，符合无烟煤燃烧速度较慢的特点，有利于煤粉的燃烬。

3、 切圆燃烧方式是四角互燃，因此着火稳定性与整个炉膛负荷有关，当负荷较低时，难以保证四角风粉均匀，所以容易燃烧不稳定。W型火焰锅炉各燃烧器之间关联度相对较小，而且调节手段较多，如改变煤粉浓度、风温、卫燃带的数量与位置以及燃烧器自身的调节等。因此，W型火焰锅炉负荷调节范围较大。国内W型火焰锅炉较多采用旋流煤粉浓缩燃烧器，提高了一次风中的煤粉浓度，降低了一次风进入炉膛的风速，增强了煤粉气流卷吸高温烟气的能力，有利于煤粉着火。

4、在着火区，设计较小的送风量，提高了火焰根部的温度，有利于低挥发份无烟煤的着火和稳定燃烧。一般一次风率较低，约为15%-20%。由干一次风本身的风量和风率无法获得足够的穿透深度，所以必须在拱部送人大量的二次风，利用二次风的引射，保证一次风具有较好的穿透深度。一般二次风率约为75%-85%。当配风不当时，会造成火焰短路，火焰直接进人辐射炉室，引起飞灰含碳量较高，影响锅炉经济性。

激烈进行发光、放热反应的界面或空间称为火焰，其亮度取决于可燃物的性质。炽热的烟气发光较弱，形成白色火焰。如果燃烧区内有固体微粒(如碳黑)，就会出现发光强烈的火焰。

火焰锋面在可燃混合物中的传播形成燃烧波。燃烧 波的传播有两种方式:一种为正常燃烧，是通过热量传递使未燃气体温度升高而引起燃烧，或由于活性中间物质扩散到未燃气体中引起反应而燃烧。正常燃烧典型的火 焰速度约50厘米/秒，常压下火焰厚度为数毫米，燃烧在燃烧波内完成。通常的燃烧设备和喷气发动机内的燃烧即属此类。另一类为爆震(又称爆轰),是靠极薄的激波 传播的，波面两侧压力和温度可相差十倍，甚至更多，使可燃物在激波后的燃烧区迅速完成反应。爆震的传播速 度可达每秒2〜5千米（气体爆炸物）或8〜9千米(固体和液体爆炸物），因而具有很强的破坏力。在正常燃烧中通常遇到的火焰有：

预混火焰 可燃气体和空气或氧气按化学当量比预先混合后燃烧时所形成的火焰，又称动力燃烧火焰。化学反应局限在很窄的火焰锋面内，以一定的速度向可燃气体传播。火焰锋面位移的法向速度称为正常火焰传播速 度υ_n(厘米/秒），可表示为：

式中

层流火焰 静止或处于层流运动的可燃混合物燃烧 时形成的火焰。它以正常速度扩展，火焰锋面光滑而明显，可燃气体在锋面各点的法向分速均等于正常火焰传播速度（见图)。

层流火焰和湍流火焰 左边为长时间曝光照片 右边为纹影照片 上部为层流火焰 下部为湍流火焰

湍流火焰 可燃混合物达到湍流工况后燃烧时所形成的火焰。工业上应用的大都是使可燃混合物从喷嘴流出的速度达到湍流工况后燃烧所形成的火焰。由于气流的脉动，湍流火焰锋面厚度比层流火焰大得多(见图，下 左为长时间曝光照片)。当气流脉动速度不大且脉动微团的平均尺寸小于层流火焰锋面厚度(通常为0.01 〜1.0毫米）时，称为小尺度湍流火焰(雷诺数为2300～6 000) ；这时火焰锋面呈波纹状（见图，下右纹影照片），用湍流的物性参量代人层流火焰扩展的理论公式即可求解。当气流脉动速度不太大，但脉动微团的平均尺寸大于层流火焰锋面厚度时，称为大尺度端流火焰(雷诺数≥6000)；此时火墙锋面弯曲得很利害，使反应表面积大增。根据湍流火焰传播的理论，燃烧速度和火焰的锋面面积成比例，故湍流燃烧速度比层流燃烧速度大得多。如果雷诺数更高，气流脉动和湍流微团尺寸都很大，火焰锋面就被撕得四分五裂，不再以连续面出现。部分被撕裂的可燃物火焰锋面和高温烟气合并到新形成的微团内，使微团内也出现燃烧，这是湍流容积燃烧理论的设想。此时燃烧速度和气流脉动速度成比例。但实验发现湍流燃烧速度往往要比气流脉动速度大好几倍，这是因为在火焰锋面中温度剧增，气流膨胀和可燃物浓度降低导致火焰锋面内产生很大的速度、温度和浓度梯度，从而使脉动速度显著增加，使燃烧速度也相应增加。不过总的说来，湍流燃烧理论还不够成熟。湍流燃烧速度ut (米/秒)主要通过实验来确定，通常可表为；

式中为气流脉动速度；A、B、m、n为实验常数，对常见的可燃气体，A→0，B=2.5～5. 3，m=1. 0～0. 8，n=0～0.2。

扩散火馅 未经预先混合的可燃物和氧气（或空气）燃烧时形成的火焰。这种火焰锋面把可燃物和氧气分隔开，两者均需依靠浓度梯度向火焰锋面进行分子扩散和湍流扩散（见扩散），因此火焰的形状和燃烧的速度主要取决于可燃物和氧的热量、质量交换和混合的速度，而不是化学反应速度。扩散火焰可分为均相和非均相两类；前者如气体燃料的扩散燃烧形成的火焰，后者如固体或液体燃料的燃烧形成的火焰。固体燃料燃烧时，往往要经历预热、干燥、挥发成分的析出和着火、焦炭的着火和燃烧等阶段。这些阶段互有重叠，其中以焦炭燃烧所需时间为最长。温度较低时，对燃烧速度起决定作用的是化学反应速度；当温度足够高、化学反应速度已很快时，燃烧速度便取决于氧向固体燃料表面的扩散速度和燃烧产物的离去速度。焦炭燃烧时的生成物CO和CO₂在扩散离去时还可能产生二次反应。

故只有温度较低时，氧才有可能扩散到焦炭表而，而在温度较高时，氧在扩散途中就与CO反应而被消耗殆尽。同时高浓度的CO₂反而向焦炭表面扩散，进行二次反应。液体燃料的燃烧也靠扩散，但对于轻质燃料，液滴表面只有蒸发而无反应，因为它的沸腾温度低于着火温度。对于重质燃料，沸程宽，在液滴内便进行裂解，产生的可燃气体在向外扩散过程中进行燃烧。直径为如d0（厘米）的煤粒或油滴燃烧所需时间t₀（秒）可用下述经验公式表达：

式中K为由燃料特性、流动工况、炉温所决定的经验常数（秒/厘米）；n为常数。理论值n=2；实验值n=1.5～2.0。

火焰的稳定 为使燃烧持续，火焰锋面需稳定在某一位置上，其必要条件是可燃物向锋面流动的速度等于火焰锋面向可燃物扩展的速度。可燃物流速如果高于后者，火焰即被吹脱，此时的速度称为吹脱速度。由于工业燃烧装置中可燃物的流速大大高于火焰扩展速度，因此大多采用一些流体力学的手段来稳定火焰。常用的方法有：使用引燃火炬，不断对高速可燃气流进行点燃；设计非流线型物体作为稳燃器或使用产生高速旋转射流的燃烧器，使其后部出现低速的回流区并吸引高温燃烧产物回流以稳定火焰。