燒嘴：燃燒原理擴散火焰與預混火焰
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火焰是燃氣與氧化劑（空氣或氧氣）進行劇烈氧化反應的反應區，伴隨有高溫和發光現象。根據燃氣是否預混空氣，可將燃燒方式分為擴散燃燒和動力燃燒（預混燃燒），兩種燃燒方式所形成的火焰分別稱為擴散燃燒火焰（簡稱為擴散火焰）和動力燃燒火焰（預混火焰）；按照由于氣體介質流速引起的流態的不同，火焰還可分為層流火焰和湍流火焰。
一、燃燒方式與火焰結構：
一般來說，氣體燃料燃燒所需的全部時間由兩部分組成，即氣體燃料與空氣混合所需的時間Tmix和燃料氧化的化學反應時間Tch。如果不考慮這兩種過程在時間上的重疊，整個燃燒過程所需的時間為
T=Tmix+Tch
燃料與空氣的混合有分子擴散及湍流擴散兩種方式，因此燃料與空氣混合的時間可寫成式中，Tm、Tt分別是分子擴散時間、湍流擴散時間。
若擴散混合的時間與氧化反應時間相比非常小而可以忽略，即當Tmix《Tch時，則整個燃燒時間即可近似地等于氧化反應時間，T≈Tch。也就是說，燃燒過程將強烈的受到化學反應動力學因素的控制，例如可燃混合氣的性質、溫度、燃燒空間的壓力和反應物濃度等；而一些擴散方面的因素，如氣流速度、氣流流過的物體形狀與尺寸等對燃燒速率的影響很小。這種燃燒成為化學動力燃燒或動力燃燒。預混可燃氣體的燃燒屬于動力燃燒。
反之，如果燃燒過程的擴散混合時間大大超過化學反應所需時間，即當Tmix》Tch時，則整個燃燒時間近似等于擴散混合時間，即T≈Tmix。這種情況可稱為擴散燃燒或燃燒在擴散區進行，此時燃燒過程的進展與化學動力因素關系不大，而主要取決于流體動力學的擴散混合因素。例如在大多數工業燃燒設備中，燃料和空氣分別供入燃燒室，邊擴散混合邊燃燒。此時爐內溫度很高，燃燒化學反應可在瞬間完成，而擴散混合則幾乎占了整個燃燒過程。在擴散燃燒中，燃料所需的氧化劑是依靠空氣的擴散獲得的，因而擴散火焰顯然產生于燃料與氧化劑的交界面上。燃料和空氣分別從火焰的兩側擴散到交界面，而燃燒所產生的燃料反應產物則向火焰兩側擴散開去。所以對于擴散火焰來說，不存在火焰的傳播。
可燃混合氣由燃燒器（天然氣燒嘴）出口流出而著火，將產生圓錐形形狀的火焰。對于一定的燃燒器形式，火焰的結構（形狀和長短）取決于燃氣與空氣在燃燒器中的混合方式。
1.在由燃燒器出口送入燃燒室或爐膛進行燃燒之前，燃氣與燃燒所需的空氣已完全預先混合均勻。所產生的的火焰由內、外兩個圓錐體構成，其中內焰錐稍暗，溫度較低，外焰錐較明亮，溫度較高。可燃混合氣在內錐體內*不斷加熱，然后著火、燃燒。圖5-1a所示，這種火焰的燃燒區寬度*薄，稱為動力燃燒火焰（又稱完全預混火焰或預混火焰）。
- 燃氣與燃燒所需的部分空氣（一次風）預先混合好后，噴入燃燒室或爐膛燃燒，所形成的的火焰結構如圖5-1b所示，由內錐、外錐和肉眼看不見的外焰膜三部分組成。預混的燃氣和一次風混合氣在內錐燃燒，該區域由于空氣不足而含有大量未燃的燃氣及氧化反應中間產物，屬于還原性的預混火焰；火焰外錐是上述未燃盡的物質依靠周圍空氣（二次風）的擴散繼續燃燒，從而形成的氧化性擴散火焰；*，高溫煙氣在外錐的外側形成透明的高溫外焰膜。這種火焰稱為部分預混火焰或半預混火焰。有事也將部分預混火焰歸類于擴散燃燒火焰。
- 燃氣完全不與任何空氣預先混合而送人爐膛，其燃燒時所需空氣完全由周圍空間的空氣擴散來供給，如圖5-1c所示。產生的火焰由內、外兩個椎體組成，燃燒區較厚，火焰*長，稱為擴散燃燒火焰。
- 氣體燃料的預混燃燒：
如果燃氣與空氣預先混合后再送入燃燒室燃燒，這種燃燒稱為氣體燃料的預混燃燒。此時在燃燒前已與燃氣混合的空氣量與該燃氣燃燒的理論空氣量之比，稱為一次空氣系數，常用α1表示，其數值的大小反映了預混氣體的混合狀況。
依據一次空氣系數α1的大小，預混氣體燃燒又有兩種情形。當0<α1<1，即預混氣體中的空氣量小于燃氣燃燒所需的全部空氣量時，稱為部分預混燃燒或半預混燃燒；如果α1≥1，即預混氣體中的空氣量大于或等于燃氣燃燒所需的全部空氣量時，稱為全預混燃燒、部分預混燃燒火焰通常包括內焰和外焰兩部分。內焰為預混火焰，外焰為擴散火焰。當α1較小時，內焰的下部呈深藍色，其頂部為黃色，而外焰則為暗紅色。隨著α1的增大，內焰的黃焰尖逐漸消失，其顏色逐漸變淡，高度縮短，外焰越來越不清晰。當α1大于1時，外焰完全消失，內焰高度有所增加，如圖5-2所示。
如果燃氣與空氣預先混合均勻，則預混氣體的燃燒速率主要取決于著火和燃燒反應速率，此時的火焰沒有明顯的輪廓，故又稱無焰燃燒。與此對應，半預混燃燒又稱為半無焰燃燒。
在預混可燃混合氣的燃燒過程中，火焰在氣流中以一定的速度向前傳播， 傳播速度的大 小取決于預混氣體的物理化學性質與氣體的流動狀況。
- 層流預混火焰傳播與火焰結構
將靜止的預混可燃混合氣用點火源B (電火花或熾熱物體)點燃后，火煙會向四周傳播開來，形成按同心球面傳播的火焰鋒面，球體*B就是火焰*，如圖5-3所示。球形火焰面A上的微分單元面dA=Ao的火焰傳播速度方向為沿著球體半徑方向，稱為微分單元面上的層流火焰傳播速度W1。假如球形火焰鋒面傳播的每一個半徑方向均為假想的流管Z的對稱軸方向，流管斷面上的平均火焰傳播速度則可認為是層流火焰傳播速度。在火焰面前面是未燃的預混可燃混合氣(I)，在其后面則是溫度很高的燃燒反應產物(II)。它們的分界面是一層薄薄的火焰面，在其中進行著強烈的燃燒化學反應，同時發出光和熱。它與鄰近層之間存在著很大的溫度和濃度梯度。這層火焰面稱為火焰前鋒(前沿)或火焰波，其厚度通常在1mm以下。
在實際的燃燒室中，可燃混合氣并非靜止而是在連續流動過程中發生燃燒的。另外，火焰的位置應該穩定，即火焰前鋒應該駐定而不移動。在圖5-4所示的管道中，可燃混合氣以速度Wga流動。點火后所形成的火焰面將向可燃混合氣的來流方向傳播。對于傳播速度為W1的層流火焰，火焰的完全速度▲w為
▲w=Wga-W1 （5-3）
由此可見，火焰前鋒相對于管壁的位移將有三種可能的情況：
- 若Wga＜W1，即火焰的完全速度▲w＜0，火焰面將向可燃混合氣來流方向移動。
- 若Wga＞W1，即火焰的完全速度▲w＞0，火焰面將向氣流下游方向移動，即將被氣流吹向下游。
- 若Wga=W1，即火焰的完全速度▲w=0，火焰面將駐定不動，即火焰穩定。
典型的穩定層流火焰前鋒可在本生燈的火焰中觀察到。如果在本生燈直管內的預混可燃混合氣的流動為層流，則在管口處可*穩定的近正錐形火焰前鋒(圖5-5)。如上所述，在靜止的預混可燃混合氣中局部點火形成球面火焰前鋒。如果層流火焰在管道內傳播，則焰鋒呈拋物線形；若在管內的層流預混可燃混合氣中安裝火焰穩定器，則會形成倒錐形焰鋒(圖5-6)。
工程實踐中，通常要求預混火焰穩定在燃燒器的噴口附近，形成穩定的圓錐形火焰鋒面。為了保證火焰駐定在噴口處，火焰面上各點的火焰傳播速度w1應等于焰面法線方向上的氣流速度Wga (圖5-7)，Wga 與可燃混合氣噴出速度Wga1之間的關系為
W ga1Cosφ= Wga1sinθ=Wga =W1 （5-4）
式中，φ是火焰面法線與主氣流方向的夾角(°); θ是火焰錐半頂角(°)， θ=90°-φ。
式(5-4) 稱為Gouy- Michelson定律，或稱余弦等式。
由圖5-5可見，錐形火焰鋒面（內焰）的根部連在噴口附近。由于可燃混合氣的壓力稍高于大氣壓力，噴出后將膨脹而向外散開，所以內焰錐底面較噴口斷面略大，且稍許離開噴口才燃燒，通常將這段距離稱為靜區。內焰錐底端邊界面處的氣流速度很低，火焰鋒面的傳播速度由于受到周圍環境的冷卻作用也很低，因而在邊界面處火焰傳播速度與壁面邊界層中氣流速度直接達到平衡W1=Wga1。
點火后，靜區處形成- -點火圈，火焰方可連在噴口上穩定燃燒。這是因為氣流在火焰鋒面切線方向的分速度Wga1sinφ本來要使鋒面上任一質點沿切線方向向氣流下游移動，如果未在錐底連續點火，火焰的切線方向就無法穩定而將熄滅。為了穩定燃燒，就需連續點火，該點火圈即起到了連續點火的作用。
錐形內焰的呈圓滑形而非尖頂，其頂點的切線為水平線。由式(5-4)可知，在錐形內焰頂點，火焰傳播速度與氣流速度直接達到平衡，即w1=Wga1(φ=0)。為此，火焰傳播速度在錐形內焰的*軸線處要增大許多才能滿足平衡條件。由于內焰*處的可燃混合氣*了預熱，且有較多的活性*由位置較低的反應區擴散至火焰頂端，因此火焰傳播速度在內焰頂端將增大。
層流預混火焰長度隨著可燃混合氣噴出速度或噴口管徑的增大而增大，卻隨著火焰傳播速度的增大而減小。這意味著:
1)當燃燒器噴口尺寸和可燃混合氣成分一定時，若增大體積流量qv，則將使火焰長度L增大。
2)在噴口尺寸和體積流量相同的情況下，火焰傳播速度較大的可燃混合氣(例如H2)的燃燒火焰，要比火焰傳播速度較小的（例如CO）短。
火焰長度實際上代表著錐形火焰前鋒面的大小。當流量增加時，需要更大的火焰前鋒面才能維持燃燒，因此火焰長度自然增大。火焰傳播速度較大的可燃混合氣在燃燒時需要較小的火焰前鋒面，此時火焰長度便較短。
- 火焰的穩定性
當可燃混合氣噴出速度Wga1變化時，火焰面可通過改變φ的大小來維持式（5-4） 的成立，以維持自身的穩定。
當Wga1增大時，φ也隨之增大（θ減小）。但如果φ直到增大至接近90°而無法滿足式（5-4），則火焰面無法繼續保持穩定，火焰將被吹離噴口。此時，火焰可能出現三種現象：
1)若火焰脫離噴口，懸舉在噴口上方，但不熄滅，這種現象稱為離焰。
2)發生離焰時，火焰雖不立即熄滅，但此時火焰將吸人更多的二次空氣，使懸舉的火焰中燃氣濃度降低。若可燃混合氣流速繼續增大，火焰則會出現吹熄現象。
3)若火焰脫離噴口并熄滅，這種現象稱為脫火。顯然，脫火主要是由于噴口出口氣流速度過高而引起的，故又常稱為吹脫。
相反，當Wga1減小時，φ也隨之減小(θ增大)。但如果φ直到減小至接近0也無法滿足式（5-4）， 則火焰面也無法繼續保持穩定。此時，火焰將縮入燃燒器噴口內，在噴口內燃燒，這種現象稱為回火。
在燃燒技術中，如何保證燃氣或可燃混合氣在引燃后能夠持續燃燒而不再熄滅，是一個十分重要的問題，即要求噴口上方的火焰能夠穩定在某個位置上，使燃燒過程穩定地繼續下去。如果燃燒條件（如燃氣流量、一次空氣量等）發生變化或者燃燒過程受到外界因素干擾，則將影響燃燒工況，往往可能造成火焰不穩定，出現離焰、吹熄、脫火、回火等現象。
燃燒器在工作時，不允許發生離焰、吹熄、脫火或回火問題。吹熄和脫火將造成燃氣在燃燒室及其周圍環境中的累積，一旦再遇到明火便會使大量燃氣迅速著火，從而造成大規模爆燃，同時燃氣也會對人員造成毒害作用。回火則可能燒毀燃燒器，甚至引起燃燒器或儲氣罐發生爆炸，也可能導致火焰熄滅，從而造成嚴重后果。
三、氣體燃料的擴散燃燒
氣體燃料的擴散燃燒是指燃氣和空氣未經預先混合，一次空氣系數α1=0, 由燃燒器噴口流出的燃氣依靠周圍空氣的擴散作用進行燃燒反應。
當燃氣剛由噴口流出的瞬間，燃氣流股與周圍空氣相互隔開。然后，燃氣和空氣迅速相互擴散，形成混合的氣體薄層并在該薄層里燃燒，所形成的燃燒反應產物向薄層兩側擴散。因此，燃氣-空氣混合物薄層在引燃后，燃氣與空氣再要相互接觸就需通過擴散作用，穿透已燃的薄層燃燒區所形成的燃燒反應產物層。對于層流擴散火焰，燃氣與空氣的混合是依靠分子擴散作用進行的;對于湍流擴散火焰，擴散過程則是以分子團狀態進行的。
按照燃料和空氣供人燃燒室的不同方式，擴散燃燒可以有以下幾種情況:
(1)自由射流擴散燃燒氣體燃料以射流形式由燃燒器噴人大空間的空氣中，形成自由射流火焰，如圖5-8a所示。
(2)同軸伴隨流射流擴散燃燒氣體燃料 和空氣分別由環形噴管的內管與外環管噴人燃燒室，形成同軸擴散射流，如圖5-8b所示。由于射流受到燃燒室容器壁面的限制和周圍空氣流速的影響，為受限射流擴散火焰。
(3)逆向射流擴散燃燒氣體燃料 和空氣噴出的射流方向正好相反，形成逆向噴流擴散火焰， 如圖5- 8c所示。
按照射流的流動狀況可分為層流擴散燃燒和湍流擴散燃燒。
1.層流擴散燃燒和火焰結構
在層流燃燒過程中，氣流處于層流狀態，燃氣經引燃面形成的燃燒區即為層流打散火焰，其燃燒速率取決于氣休的擴散速度。由于分子擴散速度緩慢，而燃燒反應速率很快，所以擴散火焰厚度很薄，可視為焰面。焰面各處的做氣與空氣按化學當量比進行反應，因此焰面保持穩定。如果空氣量過大，則燃燒反應剩余的氧將繼續向焰面內擴散，繼而與焰面內燃氣反應，焰面因此內移;若空氣不足，未燃的燃氣將繼續向外擴散，繼而與氧反應，使焰面外移。焰面上的燃燒反應產物濃度*，向兩側擴散。
圖5-9為層流擴散火焰結構示意圖。這種層流擴散火焰可分為四個區域，即*的純燃料區、外圍的純空氣區、火焰面外側的燃燒反應產物和空氣的混合區，以及火焰面內側的燃燒反應產物和燃料的混合區。圖5-9中分別給出了火焰錐某一截面a—a上燃料、空氣及燃燒反應產物的濃度分布。在α=1 處為火焰面，在火焰面上燃料和空氣完全反應，兩者濃度皆為零(Cg=Co2=0)，而燃燒反應產物的濃度Ccp達到*，并向兩側擴散。離火焰面越遠，燃燒反應產物的濃度越低，而氧濃度越高;在火焰面內部，越靠近軸線燃氣濃度越高，而燃燒反應產物濃度越低。
層流火焰面的外形大體上呈圓錐形，這是由于射流的外層燃料較易與氧氣混合和反應，而位于軸線附近的燃料則要穿過較厚的混合物區才能與氧氣混合反應。在這段時間內，燃料氣體將向前移動一段距離，從而使火焰拉長。隨著燃燒邊向前移動邊進行，純燃氣量越來越少，*在射流的*線某處完全燃盡，形成火焰錐尖。
在燃燒區的可燃氣體與氧氣所形成的可燃混合氣因火焰鋒面傳遞熱量而著火燃燒，所生成的燃燒反應產物向兩側擴散，稀釋并加熱可燃氣體與空氣。因此，在火焰的外側只有氧氣和燃燒反應產物而沒有可燃氣，為氧化區;而火焰的內側只有可燃氣和燃燒反應產物而沒有氧氣，為還原區。
由于燃燒區內化學反應速率非常大，因而到達燃燒區的可燃混合氣實際上在瞬間即燃盡，因此在燃燒區內其濃度為0，其厚度（即焰鋒寬度）將變得很薄。理想的層流擴散火焰表面可看作厚度為0的表面，在該表面上可燃氣體向外的擴散速度與氧氣向內的擴散速度之比等于完全燃燒時的化學當量比。
實際上擴散火焰的焰鋒面有一定的厚度 ，如圖5-10 所示。實驗表明，在主反應區，燃燒溫度達到*值，各種氣體處于熱力平衡狀態。在主反應區的兩側為預熱區，其特征是具有較陡的溫度梯度。燃料和氧化別在預熱區有化學變化、因為幾手很少有氧氣能通過主反應區進人燃料射流中，所以燃料在顧熱區中受到熱傳導和高溫燃燒反應產物的擴散作用面被加熱會發生熱解而析出發照粒子。溫度越高，熱解越困烈。與此同時，還可能會增加重碳氨化合物的含量，從而增加不完全燃燒損失。因此，擴散燃燒的顯著特點是會產生不完全燃燒損失。
2.層流擴散火焰結構的分析
在圖5- 11所示的層流擴散燃燒系統中，氣體燃料和空氣以相同速度分別由環形噴管的內管(半徑形成同為r1)與外環管(半徑為r2) 噴人燃燒室，形成同軸伴隨流射流擴散燃燒。
此時，觀察到的擴散火焰外形有兩種類型。類型1為呈封閉收斂狀的錐形擴散火焰，如圖5-11中曲線1所示，此時由外環管所供給的空氣量足夠多，超過內管提供的燃料完全燃燒所需要的空氣量，或者燃料射流噴入大空間的靜止空氣中，將形成一個向內管*匯集的火焰面;類型2為呈擴散的倒喇叭形火焰，如圖5-11中曲線2所示，此時由外環管所提供的空氣量不能滿足內管中噴出的燃料射流完全燃燒所需，火焰將向外管的壁面擴展。由此可見，層流擴散火焰的形狀取決于燃料與空氣的混合濃度。
此外，當Qvf一定時，不論噴口尺寸的大小，火焰長度均相同。因此，為了在單位時間內燃燒掉同樣體積流量的燃料，應該采用多只燃燒器的方案。這樣可以減少流經每只燃燒器的體積流量，達到縮短燃燒火焰長度、提高燃燒熱強度的目的。
火焰長度常采用實驗方法來確定。日本學者功刀等采用同心套管做成燒嘴，使煤氣和空氣分別從內管和外管以不同的流速垂直向上噴人爐內。他們針對五種不同尺寸的燒嘴，測定了火焰長度。不同煤氣燒嘴結構和不同煤氣流Re下，空氣噴出速度對火焰長度的影響如圖5-13所示。
由圖5-13可見，各種燒嘴下，當煤氣流速增大，即Re增加則火焰長度隨之增大;空氣噴出速度越大，則火焰長度越短。當煤氣流速增大至Re=4500時，空氣噴出速度對火焰長度的影響則比較小。這是因為此時已不再是層流擴散燃燒，煤氣的流動已隨著煤氣流速的增大從層流過渡至湍流，演變成湍流擴散燃燒。
由此可見，湍流擴散燃燒的火焰長度與可燃混合氣體的流速無關，僅與燃燒器噴口的尺寸成正比。因此，對于湍流擴散燃燒過程，也可采用多個小管徑的燃燒器，可達到縮短燃燒火焰長度、提高燃燒熱強度的目的。
3. 擴散火焰的穩定性
擴散燃燒時，燃氣和空氣未經預先混合，-次空氣系數α1=0。 燃氣由噴口噴出后方與周圍空氣混合燃燒，噴口內不存在空氣，因此火焰不可能縮人噴口內。可見，擴散燃燒不存在回火問題，其穩定性問題主要是離焰、吹熄和脫火。
在進行擴散燃燒的情況下，燃氣與周圍空氣的混合隨著燃氣由噴口噴出速度的增大而增強。當燃氣噴出速度增大至一定數值時，火焰即脫離噴口，在其上方呈懸舉狀態，出現離焰現象。如果噴出燃氣的流態為層流，在懸舉火焰的底端則形成完整圓環；如果為湍流火焰，則出現不規則底端形狀。若燃氣噴出速度繼續增大，火焰離開噴口的距離也增大，火焰錐隨之縮小，直至熄滅。
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