燃烧理论及基础 06第六章 液体燃料燃烧

1、第六章第六章 液体燃料燃烧液体燃料燃烧第一节第一节 液体燃料燃烧特性液体燃料燃烧特性 一、燃烧方式一、燃烧方式n液体燃料的燃烧方式可分为两类：一类为预液体燃料的燃烧方式可分为两类：一类为预蒸发型；另一类为喷雾型。蒸发型；另一类为喷雾型。二、重油燃烧过程二、重油燃烧过程n当重油油滴进入高温炉膛空间后，油滴被烟当重油油滴进入高温炉膛空间后，油滴被烟气加热。气加热。n蒸发出来的油汽在足够高的温度下燃烧。蒸发出来的油汽在足够高的温度下燃烧。n油滴燃烧所需时间主要由两段组成：重油油油滴燃烧所需时间主要由两段组成：重油油滴蒸发产生的油汽燃烧所需时间，及其焦炭滴蒸发产生的油汽燃烧所需时间，及其焦炭核燃烧所需

2、时间。核燃烧所需时间。图图6-1 重油旋转气流燃烧过程重油旋转气流燃烧过程 三、强化液体燃料燃烧的措施三、强化液体燃料燃烧的措施1、强化液体燃料的蒸发过程、强化液体燃料的蒸发过程2、强化液体燃料与空气的混合过程、强化液体燃料与空气的混合过程3、防止或减少液体燃料化学热分解（热裂解）、防止或减少液体燃料化学热分解（热裂解）第二节第二节 液体燃料雾化理论液体燃料雾化理论 n液体燃料的雾化是液体燃料喷雾燃烧过程的液体燃料的雾化是液体燃料喷雾燃烧过程的第一步。第一步。一、雾化原理一、雾化原理n雾化过程就是把液体燃料破碎成细小液滴群雾化过程就是把液体燃料破碎成细小液滴群的过程。的过程。雾化过程可分为以下

3、几个阶段：雾化过程可分为以下几个阶段：n液体首先由喷嘴流出形成液体柱或液膜；液体首先由喷嘴流出形成液体柱或液膜；n分离为液体碎片或细丝，液体碎片或细丝收分离为液体碎片或细丝，液体碎片或细丝收缩成球形液滴；缩成球形液滴；n大液滴进一步碎裂成小液滴。大液滴进一步碎裂成小液滴。n液滴的变形和破碎的程度取决于作用在液滴液滴的变形和破碎的程度取决于作用在液滴上的外力和形成液滴的液体表面张力之间的上的外力和形成液滴的液体表面张力之间的比值，此值常用维泊（比值，此值常用维泊（Weber）数（或称破）数（或称破碎准则）来表示。其定义为：碎准则）来表示。其定义为：2112g/udduWeg液滴内力作用于液滴表面

4、的外力n实验表明，实验表明，We数增大，液滴碎裂的可能性增数增大，液滴碎裂的可能性增加。对于油滴，当加。对于油滴，当We14时，油滴变形严重，时，油滴变形严重，以致碎裂。上式表明，燃烧室中的压力增高、以致碎裂。上式表明，燃烧室中的压力增高、相对速度增加以及液体的表面张力减小，均相对速度增加以及液体的表面张力减小，均对雾化过程有利。对雾化过程有利。 二、雾化方式和喷嘴二、雾化方式和喷嘴n按照油的雾化机理，工程上油的雾化方式分按照油的雾化机理，工程上油的雾化方式分为：压力式、旋转式和气动式等。前两种又为：压力式、旋转式和气动式等。前两种又称为机械式雾化。如下图所示。称为机械式雾化。如下图所示。1、

5、压力式雾化喷嘴、压力式雾化喷嘴n压力式雾化喷嘴又称为离心式机械雾化器。压力式雾化喷嘴又称为离心式机械雾化器。它可以用在航空喷气发动机、燃气轮机、柴它可以用在航空喷气发动机、燃气轮机、柴油机以及锅炉和工业窑炉上。根据使用的对油机以及锅炉和工业窑炉上。根据使用的对象、容量以及其它具体情况，这种喷嘴可以象、容量以及其它具体情况，这种喷嘴可以采用不同的结构形式和压力范围，如表采用不同的结构形式和压力范围，如表6-1所所示，但他们的工作原理是相同的。示，但他们的工作原理是相同的。 表表6-1 压力式雾化喷嘴的压力范围压力式雾化喷嘴的压力范围 锅炉、锅炉、工业工业炉炉燃气轮燃气轮机机柴油机柴油机航空发航空

6、发动机动机压力范压力范围围/MPa23.55815301002、旋转式雾化喷嘴、旋转式雾化喷嘴n压力油流通过空心轴进入喷嘴头部高速旋转压力油流通过空心轴进入喷嘴头部高速旋转的转杯内，其转速约为的转杯内，其转速约为30006000rpm，高速，高速旋转产生的离心力，使油流从转杯内壁向出旋转产生的离心力，使油流从转杯内壁向出口四周的切线方向甩出，因速度较高使油膜口四周的切线方向甩出，因速度较高使油膜被空气雾化成细滴。旋转杯式喷嘴的结构示被空气雾化成细滴。旋转杯式喷嘴的结构示于图于图6-5所示。所示。 3、气动式雾化喷嘴、气动式雾化喷嘴n气动式雾化喷嘴又称介质式雾化喷嘴。它利气动式雾化喷嘴又称介质式

7、雾化喷嘴。它利用压缩空气或高压蒸汽为雾化介质，将其压用压缩空气或高压蒸汽为雾化介质，将其压力转化为高速气流，使液体喷散成雾状气流。力转化为高速气流，使液体喷散成雾状气流。n采用蒸汽为介质的雾化喷嘴又分为纯蒸汽雾采用蒸汽为介质的雾化喷嘴又分为纯蒸汽雾化和蒸汽化和蒸汽机械（压力）综合雾化两类喷嘴。机械（压力）综合雾化两类喷嘴。 n纯蒸汽雾化的供油压力用得较低，甚至只需纯蒸汽雾化的供油压力用得较低，甚至只需用高位油箱的压头即可，这种喷嘴常用在小用高位油箱的压头即可，这种喷嘴常用在小型工业锅炉上。型工业锅炉上。n蒸汽蒸汽机械喷嘴则在电站锅炉上用得较多，机械喷嘴则在电站锅炉上用得较多，其油压、汽压接近，

8、约在其油压、汽压接近，约在0.52.0MPa，它依，它依靠油流和蒸汽具有的能量将燃油破碎成油滴，靠油流和蒸汽具有的能量将燃油破碎成油滴，故要求的油压可以比机械雾化喷嘴低，汽耗故要求的油压可以比机械雾化喷嘴低，汽耗率也较低。率也较低。三、雾化性能参数三、雾化性能参数n一般可用一些特性参数来表征喷嘴的雾化性一般可用一些特性参数来表征喷嘴的雾化性能。即雾化气流（或称雾化锥）中液滴群的能。即雾化气流（或称雾化锥）中液滴群的雾化细度、雾化气流的扩张角度（雾化角）、雾化细度、雾化气流的扩张角度（雾化角）、雾化气流的流量密度分布、射程及流量等。雾化气流的流量密度分布、射程及流量等。其中雾化细度、雾化角和流量

9、密度分布较常其中雾化细度、雾化角和流量密度分布较常用。用。1、雾化细度、雾化细度n雾化气流中液滴大小各不相同，液滴直径越雾化气流中液滴大小各不相同，液滴直径越小则总表面积越大，蒸发、混合及燃烧速度小则总表面积越大，蒸发、混合及燃烧速度也就越快。也就越快。n液滴分布常用质量百分数表示，设总质量为液滴分布常用质量百分数表示，设总质量为g（g）的液滴群中，直径大于）的液滴群中，直径大于x（单位为（单位为m）的液滴质量为的液滴质量为gx（g），则直径大于），则直径大于x的液滴的液滴质量分数质量分数Rx为为%100ggRxxn为了用一个平均滴径数表示雾化颗粒的分布为了用一个平均滴径数表示雾化颗粒的分布情

10、况，常用平均当量直径表示，情况，常用平均当量直径表示，般有下列般有下列两种表示方法。两种表示方法。（1）质量平均当量直径）质量平均当量直径dmiiimdmdm（2）索太尔平均当量直径）索太尔平均当量直径dsmd23smdiiiidndnd2、雾化角、雾化角n喷嘴出口处的燃料细油滴组成雾化锥（见图喷嘴出口处的燃料细油滴组成雾化锥（见图6-7），喷出的雾化气流不断卷吸炉内高温气），喷出的雾化气流不断卷吸炉内高温气体并形成扩展的气流边界。体并形成扩展的气流边界。 图图6-7 雾化锥示意图雾化锥示意图 图图6-8 雾化角雾化角 n有出口雾化角和条件雾化角之分。有出口雾化角和条件雾化角之分。（1）出口雾

11、化角。在喷嘴出口处作雾化锥外边）出口雾化角。在喷嘴出口处作雾化锥外边界的切线，切线的夹角即为出口雾化角界的切线，切线的夹角即为出口雾化角，可，可用用或或2表示其大小。表示其大小。 （2）条件雾化角。以喷口中心为圆心，距离）条件雾化角。以喷口中心为圆心，距离x为半径（一般为半径（一般x取取200mm）作弧，与边界线得）作弧，与边界线得两交点，连接喷口中心与两边界线交点的连两交点，连接喷口中心与两边界线交点的连线，这两连线间的夹角称为条件雾化角，可线，这两连线间的夹角称为条件雾化角，可用用x或或2x表示。显然表示。显然x，其差值可达，其差值可达20以上。以上。3、流量密度、流量密度n单位时间内通过

12、垂直于油雾速度方向的单位单位时间内通过垂直于油雾速度方向的单位面积上燃油流量面积上燃油流量qv称为流量密度，其单位为称为流量密度，其单位为cm3/(cm2s)。图图6-9 机械雾化流量密度分布机械雾化流量密度分布 图图6-10 介质雾化流量密度分布介质雾化流量密度分布 四、燃油设备对配风的要求四、燃油设备对配风的要求n为保证燃料油燃烧得好，除喷嘴应具有良好为保证燃料油燃烧得好，除喷嘴应具有良好的雾化性能外还需得到合理的配风。对配风的雾化性能外还需得到合理的配风。对配风的原理及配风器（也称通风器）应提出以下的原理及配风器（也称通风器）应提出以下一些基本要求，从而设计出合理的配风器结一些基本要求，

13、从而设计出合理的配风器结构。构。 （1）为防止燃料油在高温下热裂解，必须在火）为防止燃料油在高温下热裂解，必须在火焰根部送入一部分空气，称为一次风，。焰根部送入一部分空气，称为一次风，。（2）燃油雾化气流的扩张角与空气射流的扩张）燃油雾化气流的扩张角与空气射流的扩张角度应合理匹配。角度应合理匹配。 （3）采用旋转气流。）采用旋转气流。（4）加强风、油后期的混合。）加强风、油后期的混合。第三节第三节 液体燃料扩散燃烧液体燃料扩散燃烧 一、液滴的蒸发一、液滴的蒸发n单个液滴的蒸发和燃烧规律对液体雾化气流单个液滴的蒸发和燃烧规律对液体雾化气流燃烧是很重要的基础理论。大量试验证明，燃烧是很重要的基础理

14、论。大量试验证明，液滴燃烧一般为扩散燃烧。即液滴蒸发的燃液滴燃烧一般为扩散燃烧。即液滴蒸发的燃料气体的反应速度比传热、传质速度快得多，料气体的反应速度比传热、传质速度快得多，因而其燃烧过程由传热、传质速度所决定。因而其燃烧过程由传热、传质速度所决定。1、斯蒂芬（、斯蒂芬（Stefan）流）流n在相界面上存在物理或化学变化（如液滴的蒸在相界面上存在物理或化学变化（如液滴的蒸发或燃烧过程），而且这种变化在不断产生或发或燃烧过程），而且这种变化在不断产生或消耗质量流，在这种物理或化学的变化过程与消耗质量流，在这种物理或化学的变化过程与气体组分扩散的综合作用下，则在相界面的法气体组分扩散的综合作用下，

15、则在相界面的法线方向产生一股与扩散物质流有关的总质量流，线方向产生一股与扩散物质流有关的总质量流，这是一股宏观的物质流动，以速度这是一股宏观的物质流动，以速度ug离开液滴离开液滴表面。这一现象是斯蒂芬在研究水面蒸发时首表面。这一现象是斯蒂芬在研究水面蒸发时首先发现的，故称斯蒂芬流。先发现的，故称斯蒂芬流。 n假设液滴为规则球体，半径为假设液滴为规则球体，半径为r1，由于斯蒂芬，由于斯蒂芬流引起的燃料蒸汽向外对流，其数量为：流引起的燃料蒸汽向外对流，其数量为：osggmmruq2142、相对静止环境中液滴的蒸发、相对静止环境中液滴的蒸发n相对静止环境指液滴与周围气体间无相对运相对静止环境指液滴与

16、周围气体间无相对运动。即：动。即：oosgrrogmmmDrrmDrq124/dd41n相对静止环境中液滴完全蒸发所需的时间相对静止环境中液滴完全蒸发所需的时间0为：为：n称为直径平方直线定律。称为直径平方直线定律。Kd200041ln8dqcBKmpg3、强迫气流中液滴蒸发的折算薄膜理论、强迫气流中液滴蒸发的折算薄膜理论n把液滴周围不规律的边界层折算成理想情况把液滴周围不规律的边界层折算成理想情况下的均匀边界层，只是折算的薄膜半径与理下的均匀边界层，只是折算的薄膜半径与理想情况不同。想情况不同。 图图6-12 气流速度对液滴边界层的影响气流速度对液滴边界层的影响 n随着相对速度增大，随着相对

17、速度增大，Nu数增大，使得数增大，使得K1增大，增大，因而蒸发时间比静止环境中明显缩短。因而蒸发时间比静止环境中明显缩短。 1200Kd)1ln(41BcNuKp二、液滴的扩散燃烧二、液滴的扩散燃烧n液滴的燃烧是一个涉及同时发生热量、质量液滴的燃烧是一个涉及同时发生热量、质量和动量交换以及化学反应的复杂过程。影响和动量交换以及化学反应的复杂过程。影响液滴燃烧的主要因素有：液滴尺寸、燃料成液滴燃烧的主要因素有：液滴尺寸、燃料成分、周围气体成分、温度、压力和液滴与周分、周围气体成分、温度、压力和液滴与周围气体间的相对速度等。围气体间的相对速度等。1、相对静止环境中液滴的扩散燃烧、相对静止环境中液滴

18、的扩散燃烧n相对静止的燃料液滴燃烧时，可看成液滴被相对静止的燃料液滴燃烧时，可看成液滴被一对称的球形火焰包围，火焰面半径一对称的球形火焰包围，火焰面半径rf通常比通常比液滴半径液滴半径r1大得多。静止条件下的液滴燃烧大得多。静止条件下的液滴燃烧属于扩散燃烧。其模型如图属于扩散燃烧。其模型如图6-13所示。所示。图图6-13 液滴扩散燃烧模型液滴扩散燃烧模型 n形式上虽然和液滴蒸发时间关系式相同，但形式上虽然和液滴蒸发时间关系式相同，但K0比前述的比前述的K1多考虑了氧的扩散影响。由此多考虑了氧的扩散影响。由此可见，燃油的雾化质量对燃烧的影响是很大可见，燃油的雾化质量对燃烧的影响是很大的。的。

19、02120Kdd22201ln8OOOobwfppmDLTTccK2、强迫对流环境中液滴的扩散燃烧（折、强迫对流环境中液滴的扩散燃烧（折算薄膜理论）算薄膜理论）Kd2002221ln4OOOobwfppmDLTTccNuK三、液滴群的蒸发与燃烧三、液滴群的蒸发与燃烧n液滴群的燃烧主要可分为预蒸发式燃烧、液液滴群的燃烧主要可分为预蒸发式燃烧、液滴群扩散燃烧、复合式燃烧等三类。滴群扩散燃烧、复合式燃烧等三类。 1、预蒸发式燃烧、预蒸发式燃烧n这种燃烧情况相当于雾化液滴很细，周围介这种燃烧情况相当于雾化液滴很细，周围介质温度高或喷嘴与火焰稳定区间距离长，使质温度高或喷嘴与火焰稳定区间距离长，使液滴进

20、入火焰区前已全部蒸发完，燃烧完全液滴进入火焰区前已全部蒸发完，燃烧完全在无蒸发的气相区中进行，这种燃烧情况与在无蒸发的气相区中进行，这种燃烧情况与气体燃料的燃烧机理相同，液滴蒸发对火焰气体燃料的燃烧机理相同，液滴蒸发对火焰长度的影响不大。长度的影响不大。 2、液滴群扩散燃烧、液滴群扩散燃烧n周围介质温度低或雾化颗粒较粗（或蒸发性周围介质温度低或雾化颗粒较粗（或蒸发性能差），在燃烧区的每个液滴周围有薄层火能差），在燃烧区的每个液滴周围有薄层火焰包围，在火焰面内是燃料蒸汽和燃烧产物，焰包围，在火焰面内是燃料蒸汽和燃烧产物，火焰面外是空气和燃烧产物，液滴蒸汽各自火焰面外是空气和燃烧产物，液滴蒸汽各自

21、供应液滴周围火焰并和氧气相互扩散进行燃供应液滴周围火焰并和氧气相互扩散进行燃烧反应，即液滴群中每一液滴独立地进行燃烧反应，即液滴群中每一液滴独立地进行燃烧。烧。3、复合式燃烧、复合式燃烧n这种燃烧情况介于预蒸发式燃烧和液滴群扩这种燃烧情况介于预蒸发式燃烧和液滴群扩散燃烧之间。散燃烧之间。四、液雾燃烧的理论模型四、液雾燃烧的理论模型n液雾燃烧是紊流中的化学反应过程，又是两液雾燃烧是紊流中的化学反应过程，又是两相流动，在发展计算模型中遇到了很大的困相流动，在发展计算模型中遇到了很大的困难。根据对问题的认识深度以及采用假定的难。根据对问题的认识深度以及采用假定的不同，模型有很多种。从简单的经验公式到

22、不同，模型有很多种。从简单的经验公式到复杂的两相紊流的燃烧模型。复杂的两相紊流的燃烧模型。1、经验公式、经验公式2、液滴轨迹模型、液滴轨迹模型3、一维模型、一维模型4、搅拌反应器模型、搅拌反应器模型5、局部均匀流（、局部均匀流（LHF）模型）模型6、两相流模型（分离流、两相流模型（分离流SF模型）模型）7、雾群燃烧模型、雾群燃烧模型第四节第四节 液体燃料乳化燃烧液体燃料乳化燃烧 n在燃烧过程中，乳化油与纯油相比具有明显在燃烧过程中，乳化油与纯油相比具有明显的优点。现在，我国已投产了的优点。现在，我国已投产了600MW等级乳等级乳化油发电机组。化油发电机组。一、油的乳化一、油的乳化n在燃油中掺入

23、少量乳化剂，再通过乳化装置在燃油中掺入少量乳化剂，再通过乳化装置的搅拌，则可获得稳定和均匀的油水乳化液。的搅拌，则可获得稳定和均匀的油水乳化液。这种混合液体称为乳化油，有两种类型的乳这种混合液体称为乳化油，有两种类型的乳化油：一是使水成为分散相，水被分裂成许化油：一是使水成为分散相，水被分裂成许多微细的水珠均匀悬浮在油中，称为油包水多微细的水珠均匀悬浮在油中，称为油包水型乳化液；二是油为分散相，油被分裂成许型乳化液；二是油为分散相，油被分裂成许多微细的油珠均匀悬浮在水中，称为水包油多微细的油珠均匀悬浮在水中，称为水包油型乳化液。乳化油燃烧可以节能、降低污染型乳化液。乳化油燃烧可以节能、降低污染

24、物排放。物排放。 二、乳化油燃烧二、乳化油燃烧n乳化燃料燃烧是个复杂的过程，对其节能降乳化燃料燃烧是个复杂的过程，对其节能降污机理较为成熟的解释是乳化燃料燃烧中存污机理较为成熟的解释是乳化燃料燃烧中存在的在的“微爆微爆”现象和水煤气反应，也就是从现象和水煤气反应，也就是从燃烧的物理过程和化学过程来解释。燃烧的物理过程和化学过程来解释。n乳化油燃烧过程的物理作用即所谓乳化油燃烧过程的物理作用即所谓“微爆微爆”作用。作用。图图6-14 普通油和乳化油的燃烧过程普通油和乳化油的燃烧过程 n化学作用即水煤气反应。在高温条件下，部化学作用即水煤气反应。在高温条件下，部分水分子与未完全燃烧的炽热的炭粒发生

25、水分水分子与未完全燃烧的炽热的炭粒发生水煤气反应，形成可燃性气体，反应式如下：煤气反应，形成可燃性气体，反应式如下： C+H2O CO+H2 C+2H2O CO2+2H2 CO+H2O CO2+H2 2H2+O2 2H2O n上述这些反应，减少了火焰中的碳粒，提高上述这些反应，减少了火焰中的碳粒，提高了油的燃烧程度，改善了燃烧状况，提高了了油的燃烧程度，改善了燃烧状况，提高了油的燃烧效率。在缺氧条件下，燃料中由于油的燃烧效率。在缺氧条件下，燃料中由于高温裂解产生的碳粒子，能与水蒸气反应生高温裂解产生的碳粒子，能与水蒸气反应生成成CO和和H2，使碳粒子能充分燃烧，提高了燃，使碳粒子能充分燃烧，提高了燃烧率，降低了排烟中的烟尘含量，另一方面，烧率，