燃烧室设计学习DAY5：预混燃烧VS扩散燃烧：效率提升之谜
目录
预混燃烧与非预混燃烧的深度解析：机理差异与效率探讨
摘要
第一章 绪论
1.1 燃烧科学背景
1.2 问题的提出
第二章 燃烧的基本物理化学基础
2.1 Damköhler数与燃烧模式
2.2 层流与湍流的影响
第三章 非预混燃烧（扩散燃烧）详解
3.1 定义与机理
3.2 火焰结构与特征
3.3 非预混燃烧的优缺点分析
第四章 预混燃烧详解
4.1 定义与机理
4.2 火焰结构与特征
4.3 预混燃烧的优缺点分析
第五章 预混与非预混的核心区别
5.1 控制机理的差异：扩散 vs 动力学
5.2 混合分数与当量比的分布
5.3 火焰稳定性的机制
第六章 预混会调高燃烧效率吗？为什么？
6.1 微观机理：分子尺度的接触概率
6.2 宏观表现：燃烧速度与停留时间
6.3 燃烧效率的量化对比
6.4 必须考虑的“反面”与局限性
6.5 结论：为什么预混能提高效率
第七章 环境特性与排放的深度对比
7.1 氮氧化物（NOx）的生成
7.2 碳烟的生成
第八章 工程应用案例分析
8.1 燃气轮机
8.2 汽油机与柴油机
8.3 工业锅炉
第九章 总结与展望
9.1 总结
9.2 技术挑战与发展趋势
预混燃烧与非预混燃烧的深度解析：机理差异与效率探讨
摘要
燃烧学作为热科学与能源动力工程的核心学科，其研究重点在于如何高效、清洁地将燃料的化学能转化为热能。在众多的燃烧方式中，预混燃烧与非预混燃烧（即扩散燃烧）是两种最基本、最典型的燃烧模式。这两种模式在混合机理、火焰结构、稳定性特征以及污染物生成等方面存在显著差异。本文将从流体力学与化学动力学的耦合角度出发，深入剖析预混与非预混燃烧的本质区别，重点论证预混燃烧对燃烧效率的影响及其内在物理化学机制。通过对Damköhler数、火焰传播速度、混合分数等关键参数的讨论，揭示预混燃烧如何通过优化分子尺度的混合来提升反应完全度，并客观分析其在工程应用中的优势与挑战。
第一章 绪论
1.1 燃烧科学背景
能源是现代工业文明的血液，而燃烧则是目前乃至未来很长一段时间内获取能源的主要手段。从燃气轮机的旋转动力到内燃机的活塞往复，从锅炉的蒸汽产生到航空发动机的推力生成，燃烧过程无处不在。然而，燃烧不仅仅是简单的“着火”过程，它是一个涉及剧烈放热化学反应、流体流动、传热传质以及湍流相互耦合的复杂物理化学现象。
在工程设计与优化中，燃烧工程师面临的核心问题始终围绕两个维度：一是效率，即如何最大限度地提取燃料中的能量；二是排放，即如何最小化燃烧产物对环境的负面影响。这两个维度在很大程度上取决于燃料与氧化剂的混合方式。根据燃料和氧化剂在进入燃烧反应区之前是否预先混合，我们将燃烧方式划分为预混燃烧和非预混燃烧（扩散燃烧）。
1.2 问题的提出
在实际应用中，选择何种燃烧模式往往是一个权衡的过程。家用燃气灶通常采用部分预混方式以获得稳定的蓝色火焰和较高的热效率；而工业窑炉和大型燃气轮机则历史上更多采用非预混方式以确保安全。然而，随着环保法规的日益严苛和对能源利用效率要求的不断提高，预混燃烧技术因其低排放特性和高燃烧效率潜力，正受到越来越多的关注。
理解预混与非预混的区别，不仅仅是教科书上的定义之争，更是指导燃烧器设计、优化运行参数的关键。本文将详细阐述这两种燃烧模式的定义、物理图像、控制机理，并深入回答“预混是否会提高燃烧效率”这一核心问题，从微观分子混合到宏观能量平衡进行全方位的解读。
第二章 燃烧的基本物理化学基础
在深入对比两种燃烧模式之前，必须建立描述燃烧过程的基础理论框架。燃烧过程受到两个时间尺度的控制：混合时间尺度（τmixτmix）和化学反应时间尺度（τchemτchem）。这两个尺度的比值定义了燃烧学中极其重要的无量纲数——Damköhler数（Da数）。
2.1 Damköhler数与燃烧模式
Damköhler数（Da）定义为流体力学时间尺度与化学动力学时间尺度之比，即：
或者更具体地表示为混合时间与反应时间之比：
- 当 Da≫1Da≫1 时，化学反应速度远快于混合速度。这意味着只要燃料和氧化剂相遇，瞬间就能反应完毕。此时，燃烧过程受“混合控制”，反应速率取决于流体如何快速地将燃料和氧化剂输运到一起。
- 当 Da≪1Da≪1 时，混合速度远快于化学反应速度。此时，燃料和氧化剂已经充分混合，但反应进行得很慢。燃烧过程受“动力学控制”或“反应控制”。
在大多数实际工程燃烧设备中，碳氢燃料与空气的反应速度非常快，通常处于 Da≫1Da≫1 的高区。因此，混合过程往往成为制约燃烧性能的关键瓶颈。
2.2 层流与湍流的影响
无论预混还是非预混，流动状态（层流或湍流）都对燃烧有巨大影响。湍流通过涡旋运动极大地增强了组分的扩散能力和热量的传递速度。在湍流燃烧中，湍流涡旋的破碎作用增加了燃料与氧化剂的接触面积，从而显著缩短了混合时间尺度 τmixτmix，进一步拉大了Da数，使得燃烧过程在绝大多数情况下都处于混合控制区。
第三章 非预混燃烧（扩散燃烧）详解
3.1 定义与机理
非预混燃烧，又称扩散燃烧，是指燃料和氧化剂在进入燃烧室之前是分开的，它们在燃烧室内通过边混合边燃烧的方式进行反应。在这种模式下，燃料流和氧化剂流被一层隔开，反应只能在两者接触的界面上发生。
“扩散”一词的由来，是因为分子扩散和湍流扩散是决定燃料和氧化剂相遇速率的主要机制。化学反应发生在混合厚度极薄的区域内，这个区域通常被称为火焰面。
3.2 火焰结构与特征
经典的层流扩散火焰模型是Burke-Schumann解所描述的图像。燃料从喷嘴喷出，周围是静止或流动的空气。火焰呈锥形或长条形。
- 火焰面位置：火焰面位于燃料和氧化剂按化学恰当比混合的地方。在此处，混合分数（Mixed Fraction, ZZ）等于化学恰当比混合分数（ZstZst）。
- 反应区极薄：由于反应速度极快（Da数大），实际发生剧烈化学反应的区域非常薄，可以看作是一个无限薄的表面。
在湍流扩散火焰中，火焰面不再是光滑的，而是褶皱的、破碎的。湍流涡旋卷吸周围的空气进入燃料流，极大地增加了燃烧强度。但即便如此，其核心特征依然是“混合控制”。
3.3 非预混燃烧的优缺点分析
优点：
- 安全性高：这是非预混燃烧最大的优势。由于燃料和空气在进入燃烧室前是分离的，不存在在管道或混合器内发生回火甚至爆炸的风险。
- 燃烧稳定性好：火焰的根部通常附着在喷口附近，燃烧速度易于控制，不易发生吹脱。
- 燃料适应性强：几乎可以使用任何气体或液体燃料，无需精确控制预混比例。
缺点：
- 燃烧不完全：由于混合速度限制，容易出现局部富燃料区（缺氧）和局部贫燃料区（氧过剩）。在富燃料区，碳氢化合物高温裂解容易产生碳烟；在贫燃料区，虽然氧气充足，但由于温度较低或混合不均，可能产生未燃尽碳氢化合物。
- 氮氧化物排放高：扩散火焰通常在混合比接近化学恰当比的位置产生最高温度，且局部高温区（热点）容易导致热力型NOx的快速生成。
- 火焰长度长：需要足够的空间来完成混合和燃烧过程，导致燃烧室体积较大。
第四章 预混燃烧详解
4.1 定义与机理
预混燃烧是指燃料和氧化剂在进入燃烧反应区之前已经预先按照一定比例（通常是化学恰当比或贫油状态）充分混合。在进入燃烧室时，混合气已经是均匀的燃料-空气混合物。
在这种模式下，燃烧不再主要受限于扩散过程，而是受限于化学反应动力学和火焰的传播速度。火焰通过热传导和活性自由基的扩散，将未燃的冷混合气点燃，使其转变为高温燃烧产物。
4.2 火焰结构与特征
预混火焰的典型特征是存在明确的火焰前锋。以本生灯为例，当空气和燃气在灯管内预混后点燃，我们会看到一个呈锥形的蓝色火焰前锋。
- 火焰传播：火焰前锋相对于未燃气体以特定的速度传播，这个速度称为层流火焰传播速度（SLSL）或湍流火焰传播速度（STST）。
- 整体反应：与非预混不同，预混燃烧的反应区可以占据较大的空间体积（尤其是在湍流情况下，火焰刷厚度增加）。
- 自着火与爆轰：在特定的高温高压条件下，预混气可能不通过火焰传播的方式，而是由于自燃导致爆炸甚至爆轰，这是预混燃烧需要极力避免的破坏性工况。
4.3 预混燃烧的优缺点分析
优点：
- 燃烧效率高：由于预先混合，燃料分子与氧分子在微观上接触的机会大大增加，反应更加完全，化学不完全燃烧损失极低。
- 低污染排放潜力：可以通过控制混合气的当量比（ϕϕ）使其处于贫燃状态，从而降低燃烧温度，有效抑制热力型NOx的生成。同时，良好的混合减少了碳烟的生成。
- 火焰紧凑：燃烧速度快，热释放率高，可以在较短的 distances 内完成燃烧，有利于设备小型化。
缺点：
- 回火风险：这是预混燃烧最主要的安全隐患。如果火焰传播速度大于混合气流出喷嘴的速度，火焰就会顺着管道传播回混合器，引发爆炸。
- 燃烧范围窄：预混气只能在特定的当量比范围内（介于贫油熄火极限和富油熄火极限之间）才能被点燃和维持稳定燃烧。
- 容易发生振荡燃烧：预混火焰对流动波动和压力波动非常敏感，容易与燃烧室的声学模态耦合，产生高频燃烧不稳定性，导致设备结构损坏。
第五章 预混与非预混的核心区别
为了更清晰地理解这两种模式，我们需要从多个维度进行深度的对比分析。
5.1 控制机理的差异：扩散 vs 动力学
这是两者最本质的区别。
- 非预混：燃料和氧分子是“老死不相往来”，直到它们扩散到同一个微团内。因此，整体燃烧速率取决于扩散速率。在工程上，通过加强湍流（如增加射流速度、使用旋流器）可以强化扩散，从而提高燃烧强度。
- 预混：燃料和氧分子已经是“一家人”，就在同一个微团内。整体燃烧速率取决于化学反应动力学，即温度和压力条件下的反应速率。因此，提高温度、压力或增加湍流火焰传播速度是强化预混燃烧的关键。
5.2 混合分数与当量比的分布
- 非预混：燃烧场内的混合分数（ZZ）在空间上是连续分布的，从纯燃料（Z=1Z=1）到纯空气（Z=0Z=0）。火焰面位于特定的等值面（Z=ZstZ=Zst）上。这意味着在空间中，同时存在富燃料区和贫燃料区。
- 预混：理想的预混燃烧场中，当量比（ϕϕ）在进入反应区前是均匀分布的。整个火焰前沿面对的混合气浓度几乎相同。这使得燃烧温度场分布相对均匀。
5.3 火焰稳定性的机制
- 非预混：依靠扩散火焰根部的环形回流区或高速射流卷吸周围高温烟气形成的“热点”来持续点燃新鲜燃料。由于燃料源源不断地喷出，只要不停气，火焰很难熄灭，但也很难发生回火（因为管内没有空气）。
- 预混：依靠火焰传播速度与气流速度的平衡来稳定火焰。如果在某个区域气流速度小于火焰传播速度，火焰就会逆流而上；反之，火焰会被吹灭。因此，预混燃烧需要精心设计的稳焰器（如钝体、旋流器）来创建局部低速回流区，以此“锚定”火焰。
第六章 预混会调高燃烧效率吗？为什么？
这是本文的核心问题。结论是明确的：在理想的工况和合理的设计下，预混燃烧确实会提高燃烧效率。 但这并非绝对的物理定律，还需要结合具体条件进行分析。我们将从微观机理、宏观表现以及影响因素三个层面来阐述“为什么”。
6.1 微观机理：分子尺度的接触概率
燃烧效率（ηcηc）通常定义为燃料实际释放的热量与燃料完全燃烧所能释放的低热值之比。影响燃烧效率的主要因素是“化学不完全燃烧损失”，即烟气中含有未燃尽的碳氢化合物（UHC）、一氧化碳（CO）和碳烟（Soot）。
- 非预混的瓶颈：在非预混（扩散）火焰中，燃料和氧化剂分别从不同的路径进入反应区。在湍流流场中，虽然有强烈的卷吸作用，但在微观层面上，燃料微团和氧化剂微团之间仍然存在着浓度梯度的界面。在燃料核心区，由于缺氧，燃料在高温下会发生热裂解，生成乙炔、多环芳烃等中间体，并最终聚合成碳烟。这些碳烟颗粒如果在离开反应区前未能遇到足够的氧气继续燃烧，就会以黑烟的形式排出，造成了大量的能量损失。此外，局部富油区生成的CO若未完全氧化，也会随烟气排走。
- 预混的优势：在预混燃烧中，燃料分子和氧分子在燃烧发生前已经在分子水平上进行了充分的物理混合。当预混气进入反应区并被点燃时，每个燃料分子周围都大概率存在氧分子。这种“均匀的接触”极大地消除了局部缺氧的区域。
- 消除裂解：由于氧气充足且分布均匀，碳氢燃料倾向于直接被氧化为CO2和H2O，避免了高温缺氧下的热裂解路径，从而从根本上抑制了碳烟的生成。
- 反应完全：对于中间产物CO，预混火焰的高温氧化区能迅速将其转化为CO2。
因此，预混通过物理手段（预先混合）解决了化学不完全燃烧的物理障碍，使得燃烧反应更接近于理论上的完全反应状态。
6.2 宏观表现：燃烧速度与停留时间
燃烧效率不仅取决于反应是否完全，还取决于反应是否能在有限的时间和空间内完成。
- 反应速度：预混燃烧的化学反应速度通常快于扩散燃烧。这是因为预混火焰可以直接发生在混合物最易反应的浓度下（通常是化学恰当比附近）。而扩散火焰中，混合比在空间上变化，只有处于ZstZst的那一小部分区域燃烧最剧烈，其他区域反应较慢。
- 停留时间：在工业燃烧室中，气体在高温区的停留时间是有限的。预混燃烧由于反应速率快、火焰紧凑，能在很短的距离内完成绝大部分反应。这意味着在给定的燃烧室长度内，预混燃烧有更充足的“余量”来保证燃尽。相反，扩散燃烧如果设计不当，可能在火焰尾部仍有未燃尽的燃料，导致效率下降。
6.3 燃烧效率的量化对比
根据多项实验研究和数值模拟数据，在相同的燃料和相同的热负荷下，预混燃烧的燃烧效率通常可以达到98%甚至99%以上，而传统的扩散燃烧效率可能在90%~96%之间，特别是在低负荷工况下，扩散燃烧由于混合弱化，效率下降更为明显。
6.4 必须考虑的“反面”与局限性
虽然预混倾向于提高燃烧效率，但必须指出，如果设计或控制不当，预混燃烧的效率也会降低。
- 吹脱与熄火：预混燃烧存在稳定性的极限。如果流速过快或混合气过贫，火焰可能被吹脱，导致燃烧完全中断，此时效率为零。而非预混火焰在这一点上更“皮实”。
- CO排放的权衡：虽然预混能减少碳烟，但如果为了降低NOx排放而将混合气调节得过稀（贫预混），虽然温度降低了，但反应速率也会下降。这可能导致CO氧化不完全（2CO+O2→2CO22CO+O2→2CO2 反应受阻），反而增加了CO排放，从而降低了燃烧效率。这是现代低NOx燃烧器设计中的一个主要矛盾点。
- 混合均匀度的影响：预混的前提是“混得匀”。如果预混系统设计不佳，导致进入燃烧室的混合气浓度不均匀（有的地方富，有的地方贫），那么这种“预混”就退化成了类似扩散的工况，不仅失去了预混的高效率优势，还保留了回火的风险。
6.5 结论：为什么预混能提高效率
综上所述，预混燃烧之所以能调高燃烧效率，根本原因在于它将燃烧过程中的限制环节从“质量传递（混合）”转移到了“化学反应”。通过在反应前消除燃料与空气的浓度梯度，它确保了反应物在分子层面的最佳配比，最大程度地减少了因缺氧导致的碳烟生成和不完全燃烧产物（如CO、UHC）的排放，从而将更多的化学能转化为了热能。
第七章 环境特性与排放的深度对比
燃烧效率并非孤立存在，它与排放特性紧密相关。现代燃烧技术的发展往往受制于环保法规，因此理解预混与非预混在排放上的差异至关重要。
7.1 氮氧化物（NOx）的生成
NOx的生成主要有三种机理：热力型、快速型和燃料型。
- 非预混（扩散燃烧）：由于存在局部高温区（焰锋处恰当当量比混合），且该区域氧气和氮气浓度都较高，极易生成热力型NOx。此外，在火焰前锋的富燃料侧，会通过Fenimore机理生成快速型NOx。因此，扩散火焰的NOx排放通常较高。
- 预混燃烧：采用贫预混是降低NOx的最有效手段之一。通过在燃料中加入过量的空气（如ϕ<0.7ϕ<0.7），使得整个燃烧区域的温度均匀且低于1800K（热力型NOx急剧生成的门槛温度）。虽然温度降低可能导致CO略微升高，但在控制NOx方面效果显著。
7.2 碳烟的生成
碳烟是燃料在高温缺氧条件下裂解并聚合的产物。
- 非预混：由于不可避免的局部富燃料区，碳烟生成是扩散火焰的固有特征。特别是燃烧重油或高碳烃燃料时，碳烟问题非常严重。
- 预混：只要总体混合比恰当（不是极其富油），预混火焰几乎不产生碳烟。这就是为什么家用天然气灶采用预混燃烧时火焰是蓝色的，而燃烧不充分时火焰会变黄或发黑。
第八章 工程应用案例分析
理论必须联系实际。我们来看看不同领域是如何利用这两种燃烧模式的特性。
8.1 燃气轮机
早期的燃气轮机燃烧室多采用非预混（扩散）模式，因为它结构简单、工作范围广、不易熄火。但随着对排放的要求提高，现代重型燃气轮机（如GE的HA级机组、Siemens的HL级机组）普遍采用了干式低NOx（DLN）或干式低排放（DLE）技术。其核心就是多级预混燃烧。
- 工作原理：燃料被分配到多个喷嘴，在进入燃烧区前与大量的空气预混，形成均匀的贫油混合气。
- 效率提升：这种设计使得透平进口温度得以提高（效率提升的关键），同时由于燃烧完全且高温均匀，不仅降低了NOx，也保证了极高的燃烧效率（接近100%）。
- 挑战：主要困难在于避免回火和燃烧振荡，这需要复杂的主动或被动控制系统。
8.2 汽油机与柴油机
这是两种燃烧模式在内燃机领域的典型代表。
- 汽油机（火花点火）：理论上汽油机采用预混燃烧。燃油在进气道或气缸内与空气预先混合，由火花塞点燃。为了追求高效率，现代汽油机越来越多地采用稀薄燃烧技术，即提高空燃比，这与前述的贫预混原理一致，提高了燃烧效率并降低了排放。
- 柴油机（压燃式）：柴油机本质上是非预混（扩散）燃烧。燃油在压缩冲程末期被高压喷入已高温高压的空气中，边混合边燃烧。柴油机的热效率通常高于汽油机，但这主要归功于其高压缩比和无节流损失，而非燃烧模式本身的化学效率高。事实上，柴油机燃烧初期存在剧烈的预混燃烧阶段，随后进入漫长的扩散燃烧阶段。扩散阶段产生的碳烟是其主要颗粒物（PM）排放的来源。
8.3 工业锅炉
在工业锅炉中，为了兼顾成本和效率，常采用部分预混燃烧器。这种燃烧器在喷口处设置一次风和燃料的预混，形成稳定的蓝色火焰根部（保证着火稳定），然后再补充二次风进行进一步燃烧。这种方式既利用了预混燃烧稳定和高效率的优点，又保留了非预混燃烧的安全性和调节范围。
第九章 总结与展望
9.1 总结
通过前文的详细论述，我们可以对预混与非预混的区别以及预混对燃烧效率的影响得出清晰的结论：
-
本质区别：
- 非预混燃烧：燃料与氧化剂分道扬镳，边混合边燃烧。过程受混合速率控制，特征是有明显的火焰面，存在局部浓度梯度，安全性高但易产生碳烟和NOx。
- 预混燃烧：燃料与氧化剂预先混合均匀，整体进入反应区。过程受化学反应速率控制，特征是火焰传播，存在回火风险，但燃烧紧凑且清洁。
-
关于燃烧效率：
- 预混燃烧确实能够调高燃烧效率。
- 原因：预混消除了物理混合的限制，实现了分子层面的均匀接触，避免了局部缺氧导致的热裂解和碳烟生成，使得化学反应更趋近于完全燃烧（C→CO2C→CO2，H→H2OH→H2O）。反应速率的加快也缩短了燃尽时间，减少了未燃尽物质随烟气排出的机会。
9.2 技术挑战与发展趋势
尽管预混燃烧在效率和排放上优势明显，但在工程推广中仍面临挑战：
- 稳定性与安全性：如何在大功率、高压力工况下同时避免回火和燃烧振荡，是科研人员面临的难题。
- 负荷调节性：预混燃烧的稳定工作范围较窄，在低负荷时容易熄火，需要先进的控制系统来调节分级燃烧。
未来的燃烧技术正向着复合模式发展。例如，MILD燃烧（Moderate or Intense Low-oxygen Dilution combustion，中度强低氧稀释燃烧）就是一种结合了预混和非预混优点的新型燃烧技术。它通过高度稀释和预热，使反应区弥散，既没有明显的火焰面，又保持了极低的燃烧温度和极高的燃烧效率。此外，微尺度燃烧和催化燃烧也是利用预混原理提高效率的重要方向。
综上所述，预混燃烧作为一种高效的能量转化方式，其核心在于“混合”。在人类追求能源利用极限的道路上，对预混燃烧机理的深入理解和工程化应用的不断优化，将持续推动动力机械与热能设备的升级换代。通过精细控制混合过程、反应动力学和流体力学，我们不仅获得了更高的燃烧效率，也守护了人类共同的蓝天。
