2.4 燃烧的基本过程
任何燃料的燃烧都必须满足的条件：一是必须要有足够的温度，使燃料达到其着火点后才能开始燃烧；二是必须要有足够的氧化剂（一般是空气），以保证燃烧的正常进行。也就是说，一切可燃混合物的正常燃烧过程都是由着火和燃烧本身两个阶段所组成，即必须着火后才能燃烧。
2.4.1 着火
所谓着火，就是由于物质本身加速化学反应，可燃物质开始燃烧而产生火焰的过程。
（1）自发着火
使燃料达到某一温度和压力状态，便发生着火，整个燃料同时爆炸式地燃烧，这种现象叫做自发着火或自身着火。
（2）点火
可燃混合物同外部的高温热源接触而着火燃烧叫“着火”，也称“被迫点火”。
点火的实质是首先使部分可燃混合物着火，然后使燃烧传向其余部分，点火时无需对整个系统进行加热，因而具有重要的实用意义。
点火的难易程度与所引进的热源的温度有关，温度越高越容易点火。在热源面积较大时也可以在较低温度下点着，但温度不能低于物质的着火温度。强制点火有高温固体点火、高温气体点火和火花放电点火三种方法。
高温固体点火时着火所需要的物体表面温度通常比这种燃料的最低着火温度要高些。火源的尺寸越小，燃料的温度和压力越低，流速越大，则所需要的该物体表面温度就越高。
高温气体点火是用点火烧嘴的火焰使燃料着火的方法，这种方法是工业燃烧装置上比较常用的一种点火方法。一般来说，用点火火焰使燃料着火，最重要的因素是火焰温度、火焰的大小以及接触时间。
火花放电点火就是在火花塞的电极间加上电压进行放电，利用这种放电的能量进行点火的方式。它可以应用在大多数的燃烧装置上。火花放电产生的火花是由火花能量的热效果引起的。在火花核与周围的混合气体之间进行热的传导以及活化粒子的扩散，如果与火焰区相接近的没有燃烧的混合气体层接受到足够能量，火焰便进行传播，不久就会过渡到稳定的火焰传播。从火花产生到着火反应开始的时间叫做着火延时，而在这段时间内冷却和反应进行着相反的作用，如果能够生成产生火焰所需要的一定量的活性物质，就会着火。
实际生产中常常是对流动气体点火，如气流速度超过火焰传播速度则不能点着，所以点火应在较低流速下进行。可作为点火的热源有引导火焰、电热体、放电火花及高温炉壁等。一般炉子点火多用引导火焰（火炬），自动化点火系统或燃烧装置则多用电点火器。放电火花的温度极高，因此电点火时采用电火花较好。
（3）着火延时
把从火花产生至一定条件开始着火的时间叫做着火延时。一般来说，温度和压力越高，着火延时越短。着火延时也受蒸发、扩散和混合过程的影响，但是可以用阿累尼乌斯反应方程式来近似表征。
（4）燃点
通常可燃混合物系统在较低温度时仍可有缓慢的氧化反应存在，若反应产生的热量大于系统向外扩散的热量，则系统温度会自行不断上升并使反应加速，从而导致着火燃烧。这样的着火过程即是热力着火。常压下可燃系统需在一定温度时才能达到这个能量条件并引起燃烧，这个温度就是可燃物本身的着火温度，也称燃点。燃点受压力和燃料组成的影响，也因测定用的容器形状、尺寸和材质而有所不同，因此必须明确这些基本条件。气体燃料中通常燃点随着压力的上升而降低，除了氢和甲烷以外，还随着燃料浓度的增加而稍有降低的倾向。
低于着火温度时，可燃系统的散失热量大于反应热量，因而会很快降温，不会着火燃烧。理论上的着火点是在散失的热量等于反应放出的热量时，但实际上此时也是不会燃烧的。实际的着火温度是散失热略小于反应热时的温度，但即使在此时多数可燃混合物需要停留一段时间才能着火燃烧。这段时间是一个反应由慢至激烈的加速时期，称为感应期（孕育期）。感应期的长短同温度有关，通常以能引起着火的最低温度为着火温度，此时感应期最长。
（5）着火浓度极限
常温下可燃气体同空气混合后的混合物只在一定含量范围内才能燃烧，这个可燃的混合范围便是着火浓度极限。
浓度极限以可燃气体在混合物中所占的体积分率表示。最高比率为上限，最低比率为下限。高于浓度极限上限和低于下限的混合物之所以不能燃烧可用热力理论解释，即两种情况均因反应热不足以抵偿热损失而使燃烧不能维持。提高混合物的温度则浓度极限会扩大，在温度达到着火温度以上时，任何比率的混合物均能发生反应，即浓度极限趋于0～100%。
压力对浓度极限的影响情况较复杂。当压力高于常压时，多数情况是压力增高使浓度极限缩小。压力低于常压时可燃混合物的浓度极限变化无统一的规律性。在浓度、温度固定而压力变化时，可出现多个压力极限，即混合物在某一压力范围内可燃，相邻的范围内不可燃，以后继续变化压力则混合物又在另一范围内可燃，并多次出现这种反复变化。
应当注意可燃浓度极限和混合物能否在空气中燃烧是两个概念。低于浓度下限的混合物不能在管内点燃，也不可能在离开管口后于空气中点着，高于上限的混合物虽不能在管内点燃，却可在空气中点着燃烧。
2.4.2 燃烧
燃烧是可燃元素或物质的氧化反应，反应的同时释放出大量的热量。
按反应物所处的形态是否相同，燃烧有均相燃烧与非均相燃烧之分。气体燃料的燃烧是均相燃烧，液体燃料和固体燃料属于非均相燃烧。
均相燃烧可分为两个基本过程：燃料与氧化剂分子进行质量交换的扩散过程及混合物发生反应的过程。前者是物理过程，后者是化学过程。如果物理过程长，燃烧时间主要取决于扩散时间，这种燃烧就称为“扩散燃烧”，反之，如果燃烧时间主要取决于化学反应速率（化学动力学因素），则燃烧就称为“动力燃烧”。
在实际燃烧的高温条件下化学反应速率是很快的，如果分别供给燃料与空气，并使之在进入炉内后混合与燃烧，则无论怎样强化混合过程，扩散时间仍比化学反应时间长得多，所以此时的燃烧属扩散燃烧。如果扩散时间为零，则不论化学反应进行得如何快，它也是决定燃烧时间的主要因素，所以此时的燃烧为动力燃烧。不过应注意的是，动力燃烧并非只在预混情况下才能获得。燃料在空气中缓慢氧化时，反应时间就比扩散时间长，此时的燃烧应为动力燃烧。但在实际燃烧的高温条件下，动力燃烧需要预先将燃料气与全部助燃空气混合才能达到，这样的动力燃烧习惯上称为预混燃烧。
工业燃烧是在气体流动的情况下进行的，燃烧的气流即为火焰。根据气流状态，火焰有层流火焰与紊流火焰之分。作为第二级特征的流动状态不会改变燃烧类型，因此，扩散燃烧和预混燃烧都可分别出现两种火焰，于是共有四种火焰：预混层流火焰、预混紊流火焰、层流扩散火焰和紊流扩散火焰。
非均相燃烧可视作在均相燃烧的基础上有更多物理、化学变化的燃烧现象，情况更复杂，但在类型特征上它们属扩散燃烧，并且主要采用紊流扩散燃烧形式。
燃料燃烧时无如明显的火焰，则这种火焰为“暗焰”。暗焰黑度小，辐射能力很差。燃烧火焰中产生大量可见光时，火焰明亮，则该火焰为“辉焰”。辉焰黑度大，辐射能力大为增强。燃气的燃烧产物主要是二氧化碳和水蒸气。这两种气体本身的辐射光谱中并无可见光，亮度很小，但当燃烧产物中悬浮大量固态小炭粒时，火焰就能持续辐射出大量可见光，使火焰亮度和辐射能力大大增加，从而火焰成为“辉焰”。一般来说，辉焰的辐射传热效率可比暗焰的提高20%～120%，有的还可使火焰辐射能力增大3倍。
2.4.3 熄火
熄火（清焰）是着火的逆过程，是使可燃物质产生的火焰熄灭的现象。通常在离具有一定温度的固体表面非常近的区域里，没有火焰存在，例如两个平行平板的间距如果小到一定程度时，火焰就不能通过这个间隙进行传播，把这个间隙的临界值叫做熄火距离。在火花点火时，该熄火距离与火焰核（火星）的临界直径、固体壁附近燃烧速率受到影响的距离以及火焰表面的厚度等因素有着密切的关系。
2.4.4 火焰稳定化
在烧嘴等连续燃烧装置中，燃料和空气是连续供给的，欲使燃烧稳定进行，必须认真考虑火焰稳定化这一燃烧的基本问题。如果发生脱火现象，那么燃烧就会完全中断。
在燃烧过程中，如果流动场内形成低速流动的高温区的话，这个区域则成为热源，使得可燃性气体中传播的火焰容易形成，采用这种方法就可以使燃烧的火焰稳定化。这个流速缓慢的区域有以下几种：物体后方的流动；壁面的凹陷外；高温物料表面的边界层；对向射流等。
图2-2所示为火焰稳定化的模型。在V形稳焰器的背后存在循环涡流区，几乎完全燃烧的高温气体在中心轴附近回流而形成涡旋运动，它起到使主流部分的混合气体稳定着火的热源作用。这种方法通常用作冲压式喷射发动机的燃烧器以及涡轮喷气发动机辅助烧嘴等燃烧装置的稳焰器。
图2-2 物体后方的环流区使火焰稳定化
在实际使用的烧嘴上，通常采用稳焰板或旋流器，通过其后方燃烧气体的回流而使火焰稳定。
2.4.5 脱火及其防止措施
火焰稳定性是由燃烧速率和喷出速度的大小决定的。对于烧嘴来说，如果混合气体的燃烧速率小于喷出速度，不会产生脱火现象。如果烧嘴火焰不容易脱火，则燃烧范围以及空气过剩系数的允许范围都可放宽，此外还可以加快烧嘴的喷出速度，从而带来很多好处。
内焰的根部比焰孔直径大，而且要稍许离开烧嘴头一段距离才能燃烧，通常把这段距离叫做静区。将半径等于静区的焰孔直径叫做临界直径。若焰孔直径小于临界直径的话，则容易脱火。
在研究烧嘴脱火的时候，内焰比焰孔直径大是个重要的因素。如果大的这部分被二次空气等吹掉的话，则烧嘴便完全脱火。喷头型烧嘴之所以容易脱火就是这个道理。总的来说，防止脱火的措施主要有以下几种。
①加大内焰的根部，也就是强化“火焰根子”。若采取平口凹槽式结构的话，焰孔便会急剧扩大，在扩大部分形成涡流，可以大大降低喷出速度。因此，平口凹槽式烧嘴头开槽深，效果好，火焰稳定。但是开槽过深会因烧嘴头过热而容易损坏，因此在燃烧城市煤气时，开槽深度通常为5mm，在燃烧天然气时为10mm。
如果采用袖火式的结构，“火焰根子”得到扩大，会使火焰稳定。但是从直焰孔侧壁中间分出袖火孔，如果分支不够大的话，则袖火的燃烧量就不足，因此得不到稳定火焰的良好效果。
②更加难以脱火的有斯得库塔以特型烧嘴。它是增加袖火的燃烧量，与平口凹槽式并用的一种形式。这种烧嘴的内压力即使达到100mmH2O时也不脱火，可以稳定地燃烧。这与烧嘴在内压力在0.5mmH2O时就完全脱火的大气式本生烧嘴相比，就意味着可以将喷出速度提高到数十倍。
这种形式烧嘴的火焰之所以稳定，是因为将主焰孔做成喷头型，增加袖火的燃烧量达到主火焰燃烧量的20%～30%，并且使袖火射在凹槽的管壁上，大大降低了喷出速度，这样一来，袖火就不会脱火，扩大了袖火的燃烧范围。通过袖火加热主火焰，起到连续着火的作用。
在斯得库塔以特型烧嘴中，缩口式斯得库塔以特型烧嘴是袖火的燃烧量大、袖火火焰最稳定的烧嘴，其火焰的稳定性最好。若将主焰孔直径相等、烧嘴头部焰孔直径不等的两个烧嘴相比较，则烧嘴头部焰孔直径大的袖火燃烧量大，烧嘴头部焰孔壁附近的喷出速度小，因此火焰比较稳定。而当烧嘴头外径受到限制的情况下，直筒式斯库塔以特型烧嘴比缩口式不容易脱火。
③除了射到管壁上降低袖火喷出速度的方法以外，还有一种方法就是将袖火的焰孔面积取为袖火供给孔面积的数十倍，使袖火焰孔部位的喷出速度为主火焰的数十分之一。外缘稳定型烧嘴就是这种形式的烧嘴。
主焰孔直径为1mm时，主火焰长度在40～60mm的烧嘴有皮昂型烧嘴，已广泛用于玻璃加工和锡焊等方面。但无论是外缘稳定型还是皮昂型，如果袖火焰孔缝隙宽度超过1mm的话，袖火都会回火，因此要增加袖火的燃烧量是比较困难的。
为了增加袖火的燃烧量，在皮昂型烧嘴上采用齿型或双重袖火型等结构，可以大大提高火焰稳定的效果。
④像管式烧嘴那样，将直径为1.5～3.0mm的火焰排也横排，形成这种火焰的烧嘴有下述两种：一种是使袖火射在挡板上的缝式烧嘴；另一种是用供给孔和焰孔面积比来降低袖火喷出速度的谢泼德型烧嘴。
⑤将一定形状的物体置于没有燃烧的气流中，通过在其后方形成的高温涡流区——再循环区，而使烧嘴连续着火，这就是障碍物式烧嘴。EC烧嘴就是这种形式的烧嘴。EC烧嘴用圆棒作为障碍物体，因其阻力小，所以与零压调节器-文丘里混合器相组合，使一次空气量占总空气量的30%～50%，以进行温度控制。这种形式烧嘴是用在高温炉上的一种不脱火的低压煤气烧嘴。
除上述喷嘴外，还有一种使混合气体以高速喷射在炽热的耐火材料上进行连续着火的杯式辐射烧嘴，但这种烧嘴的内压力达到100mmH2O也不会脱火。
2.4.6 回火及其防止措施
对于烧嘴来说，如果混合气体的燃烧速率大于喷出速度，就会产生回火现象。
难于脱火，但是容易回火的烧嘴，其燃烧范围也不会宽。例如，倘若焰孔比较大，一般来说难于脱火，但是容易回火，因此比较难处理。为了防止回火，通常采取下列措施。
①使焰孔小而深（在焰孔负荷不变的情况下增加焰孔数），由焰孔壁的冷却作用而使孔壁附近气体的燃烧速率降低。多喷口烧嘴、谢泼德型烧嘴以及皮昂型烧嘴等，都属于这种方式。
②如果烧嘴头接受的热量传导到烧嘴内部的话，没有燃烧的混合气体就会被这部分热量所预热，因此最好采用导热性差的陶瓷材料制造烧嘴头，如过热型烧嘴、陶瓷带式烧嘴等。在缝式辐射烧嘴中，将焰孔以外的整个烧嘴头覆盖上一层陶瓷纤维［纤维棉、纤维板，热导率为0.13W/（m·℃）］，可提高隔热效果。
③在烧嘴头中离开炉体一段距离处进行冷却。不仅要使焰孔小而深，而且烧嘴头进行水冷或空冷，这样冷却效果更大。通常使烧嘴头离开炉体10～25mm。炉子上使用预混型烧嘴时，原则上也采用这种方法。
④有袖火的烧嘴，因为袖火首先回火，所以减小袖火的焰孔（狭缝在1mm以下），进行冷却，使袖火速度稍微降低些，对于预防脱火也有好处。例如，在谢泼德型烧嘴上，将点火烧嘴水冷，可提高防止回火的效果。
⑤一次空气量由理论空气量的90%减到70%、50%、40%时，燃烧速率就从70cm/s降低到50cm/s、20cm/s、10cm/s，因此可以用减少一次空气量、增加二次空气量的方法来防止回火，这方面的例子很多。在炉子上使用预混型烧嘴时，原则上将一次空气比取为40%左右。
⑥如果保持较高的喷出速度的话，则不会回火，但在这种情况下，燃烧量的调节范围变窄。杯式辐射烧嘴的内压力通常在25mmH2O以上。
⑦防止回火的最根本措施是采用喷头混合型烧嘴（即在烧嘴部分、煤气和空气中边混合边燃烧）。