五、可燃物质的实际燃烧过程

这里主要讨论三种常见的可燃物质的燃烧情况，主要包括固体燃料、液体燃料和气体燃料的燃烧过程，这也是当前火化机中常见的燃料燃烧过程。

（一）固体燃料的燃烧过程

火化机固体燃料一般主要是指煤和遗体。固体燃料的燃烧过程，实质是固体燃料中的可燃成分与空气中的氧气发生强烈的化学反应的过程。一般这个过程可分为三个阶段：着火阶段、燃烧阶段、燃尽阶段。这里以煤为例来说明这三个阶段进行的过程。

1.着火阶段

煤投入火化炉内，加热到100℃时，煤中的水分基本蒸发完毕，加热到271～300℃时可产生硫化氢气体，温度达到600～700℃时煤中挥发成分和氧气绝大部分已逸出，700℃以上挥发物已全部逸出。本阶段的特征是使煤受热、干燥，以及挥发物的分解。这个阶段主要是“吸热”为主，不需要提供氧气。

这个阶段固体燃料的着火温度，取决于固体燃料中所含挥发物的多少，挥发物与着火温度成正比，如煤的着火温度为700～800℃。

2.燃烧阶段

着火阶段结束后，开始进入燃烧阶段。此时煤中挥发物和焦炭因达到一定的温度而开始进行急剧的燃烧。

这个阶段的特征是挥发物和碳进行急剧的燃烧后，将放出大量的热，这时需要外界供给足够的空气量，以保证燃烧能充分进行。

3.燃尽阶段

固体燃料经过燃烧后，绝大部分物质都变成了灰渣。灰渣中还残留了一些焦炭和其他一些可燃物质，这些物质在这个阶段中将继续燃烧，直至燃尽。

这个阶段的特征是燃烧微弱，所需空气量相应减少。

由于燃烧过程比较复杂，以上三个阶段不可能明显进行区分，有时这三者之间还可能相互交叉进行，所以，燃烧过程处于哪个阶段并不能一概而论，要视具体情况而定。

（二）液体燃料的燃烧过程

液体燃料是目前火化机使用最多的燃料，常见的液体燃料包括天然液体燃料（如石油及加工产品）和人造燃料（如煤、油页岩提炼出来的燃料油）等。石油通过分馏或裂解，获得汽油、柴油、重油、煤油、渣油等燃料。考虑单位燃料燃烧产生的热量及价格等因素，火化机中的液体燃料一般采用轻柴油。

液体燃料根据其在着火燃烧前发生蒸发与气化的特点，可将其燃烧分为以下几种。

（1）液面燃烧

液体燃料表面有热源或火源，使液体表面蒸发，当燃料蒸气与周围空气形成一定浓度的混合气，并达到着火温度时，便可发生液面燃烧。如果燃料蒸气与空气混合不良，则将导致燃料严重裂解，其中的重成分不发生燃烧反应，会产生大量黑烟，严重污染环境。例如油罐火灾、海面浮油火灾等。

（2）灯芯燃烧

灯芯燃烧是利用灯芯将燃油抽吸出来，在灯芯表面生成油蒸气，油蒸气和空气混合发生燃烧。如煤油炉、煤油灯等。

（3）预蒸发型燃烧

燃料进入燃烧空间之前蒸发为油蒸气，以不同比例与空气混合后进入燃烧室中燃烧。燃烧方式与气体燃料燃烧原理相同，适合于黏度、沸点不高的轻质液体燃料。例如汽油机装有汽化器，燃气轮机装有蒸发管。

（4）喷雾型燃烧

液体燃料通过喷雾器雾化成一股由微小油滴组成的雾化锥气流，在雾化的油滴周围存在空气，当雾化锥气流在燃烧室被加热，油滴边蒸发、边混合、边燃烧。动力行业多采用此种燃烧方式，是工程实际中主要的液体燃料燃烧方式。

根据火化机的工作要求，其轻柴油的燃烧一般都是采用喷雾型燃烧。

液体燃料的喷雾型燃烧过程可为分三个阶段：油的雾化、油滴的蒸发和油滴的燃烧。

1.油的雾化

用雾化器将燃油分裂成许多微小而分散的油滴，以增加燃油单位质量的表面积，使其能和周围空间的氧化剂更好地进行混合，在空间达到迅速和完全的燃烧。雾化的方法可分为机械式雾化和介质式雾化。

（1）雾化过程

从图2-1（a）中可以看出，燃油从喷嘴喷出时形成油流，由于初始湍流状态和空气对油流的作用，使油流表面发生波动，在外力作用下，油流开始变为薄膜并碎裂成细油滴。从图2-1（b）图可看出，已分裂出的油滴在气体介质中还会继续再分裂。油滴在飞行过程中，受外力（油压形成的推进力、空气阻力和重力）和内力（内摩擦力和表面张力）作用，只要外力大于内力，油滴便会产生分裂。直到最后内力和外力达到平衡，油粒不再破碎。

（2）雾化方法

①机械式雾化　如图2-2所示，燃油在高压下通过雾化片的特殊机械结构将燃油雾化，通过喷油嘴喷出。按该原理工作的雾化器有直流式、离心式和转杯式。

雾化后的油滴直径随雾化器内油压的增大而减小，p_转>p_离>p_直。

②介质式雾化　如图2-3所示，燃油靠附加的雾化介质（蒸气或压缩空气）的能量来雾化。根据其压力的不同，分为高压雾化、中压雾化和低压雾化。

2.油滴的蒸发

如图2-4所示，油滴的蒸发是一个很复杂的问题，在蒸发过程中，油滴直径、油滴相对于气流的运动速度、换热系数、油滴温度与其相应的饱和蒸气压力、油滴表面与周围气体间的温差、油气扩散条件以及其他因素都同时在发生变化。

3.油雾的燃烧过程

油雾的燃烧过程大致分为图2-5所示几个阶段：雾化、蒸发、热解和裂化、混合、着火，但各阶段之间是相互联系、相互制约的。在火焰中，各个阶段之间并不存在明显的界限。

①雾化；②蒸发；③热解和裂化；④混合；⑤着火，形成火焰

大多数油滴在燃烧室中边蒸发、边混合、边燃烧，在油滴表面附近形成一个球形火焰面，在火焰面上蒸气与空气相遇而进行燃烧。如果油滴和周围气体之间没有相对运动，那么在油滴的周围形成一同心的球状扩散火焰，称为全周焰。当油滴与周围气体之间有相对运动时，火焰形状变为椭圆形，而且随着气流速度增大，椭圆形火焰会沿着气流方向被拉长，当速度继续增大，火焰首先会在油滴的迎风面上熄灭，然后渐向油滴后方转移，直到油滴尾部某个位置为止，形成所谓的后流焰。如图2-6所示。

一颗油滴燃烧完全所需的时间与其直径的平方成正比，其计算公式如下：

式中　r₀——油滴直径；

        k——燃烧常数；

        t——油滴燃烧时间。

燃烧时间与油滴的直径关系如图2-7所示。

（三）气体燃料的燃烧过程

气体燃料要选用合适的燃烧器才能取得良好的燃烧效果。

一般在火化炉中使用的燃烧器主要有火炉燃烧器、扩散燃烧器和无焰燃烧器等多种燃烧器，其中以无焰燃烧器的效果最好。

气体燃烧过程比较简单，关键是在燃烧过程中要保持气体供应的稳定性，要注意防止脱火与回火现象的发生。

所谓脱火是指火焰受到影响，离开火孔而造成熄火的现象。造成脱火的原因很多，一般来讲空气量过大或可燃气体增加、气体流速超过燃烧量允许的极限值以及燃烧器位置不当等原因都可能造成脱火。

所谓回火是指当可燃气体与空气混合时，在燃烧面上的速度小于火焰传播的速度，火焰可能产生反击，退缩到火孔内，这种现象就称为回火。

脱火和回火现象都是十分有害的，严重的可能会发生爆炸事故。因此，在操作中一定要防止这两种现象的发生。

以上是固体、液体和气体三种燃料的燃烧过程的简介。在实际操作中，往往在同一炉膛中是多种燃料共存燃烧的过程，所以要根据实际的操作情况对各种供给量进行合理的配置，以达到最佳的燃烧效果，提高可燃物质的燃烧速度。

可燃物质在实际燃烧过程中，影响物质燃烧速度的因素主要有以下几个方面：

①相同可燃固体物质的燃烧速度取决于燃烧表面的比例，燃烧表面积对体积的比例越大，它的燃烧速度就越大；

②物质的燃烧速度取决于其组成成分，物质中含碳、氢、硫、磷等可燃性元素越多，燃烧的速度越快；

③物质燃烧速度与其氧化功能有关，氧化功能越大者，燃烧速度越快。