液体燃料燃烧解析课件

1、第六章 液体燃料燃烧第1页，共58页。第一节 液体燃料燃烧特性 一、燃烧方式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。第2页，共58页。二、重油燃烧过程当重油油滴进入高温炉膛空间后，油滴被烟气加热。第3页，共58页。蒸发出来的油汽在足够高的温度下燃烧。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，及其焦炭核燃烧所需时间。第4页，共58页。图6-1 重油旋转气流燃烧过程 第5页，共58页。三、强化液体燃料燃烧的措施1、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3、防止或减少液体燃料化学热分解（热裂解）第6页，共58页。第二节 液体燃料雾化理论

2、 液体燃料的雾化是液体燃料喷雾燃烧过程的第一步。第7页，共58页。一、雾化原理雾化过程就是把液体燃料破碎成细小液滴群的过程。第8页，共58页。雾化过程可分为以下几个阶段：液体首先由喷嘴流出形成液体柱或液膜；分离为液体碎片或细丝，液体碎片或细丝收缩成球形液滴；大液滴进一步碎裂成小液滴。第9页，共58页。第10页，共58页。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比值，此值常用维泊（Weber）数（或称破碎准则）来表示。其定义为：第11页，共58页。实验表明，We数增大，液滴碎裂的可能性增加。对于油滴，当We14时，油滴变形严重，以致碎裂。上式表明，燃烧室中的压

3、力增高、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。 第12页，共58页。二、雾化方式和喷嘴按照油的雾化机理，工程上油的雾化方式分为：压力式、旋转式和气动式等。前两种又称为机械式雾化。如下图所示。第13页，共58页。1、压力式雾化喷嘴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，这种喷嘴可以采用不同的结构形式和压力范围，如表6-1所示，但他们的工作原理是相同的。 第14页，共58页。表6-1 压力式雾化喷嘴的压力范围 锅炉、工业炉燃气轮机柴油机航空发动机压力范围/MPa23.55815301

4、00第15页，共58页。第16页，共58页。2、旋转式雾化喷嘴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30006000rpm，高速旋转产生的离心力，使油流从转杯内壁向出口四周的切线方向甩出，因速度较高使油膜被空气雾化成细滴。旋转杯式喷嘴的结构示于图6-5所示。 第17页，共58页。3、气动式雾化喷嘴气动式雾化喷嘴又称介质式雾化喷嘴。它利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。采用蒸汽为介质的雾化喷嘴又分为纯蒸汽雾化和蒸汽机械（压力）综合雾化两类喷嘴。 第18页，共58页。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

5、常用在小型工业锅炉上。蒸汽机械喷嘴则在电站锅炉上用得较多，其油压、汽压接近，约在0.52.0MPa，它依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，汽耗率也较低。第19页，共58页。三、雾化性能参数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。其中雾化细度、雾化角和流量密度分布较常用。第20页，共58页。1、雾化细度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、混合及燃烧速度也就越快。第21页，共58页。液滴分布常用质量百分数表示，设总质量为

6、g（g）的液滴群中，直径大于x（单位为m）的液滴质量为gx（g），则直径大于x的液滴质量分数Rx为第22页，共58页。为了用一个平均滴径数表示雾化颗粒的分布情况，常用平均当量直径表示，般有下列两种表示方法。（1）质量平均当量直径dm第23页，共58页。（2）索太尔平均当量直径dsmd第24页，共58页。2、雾化角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体并形成扩展的气流边界。第25页，共58页。有出口雾化角和条件雾化角之分。（1）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，可用或2表示其大小。 第26页，共58页。（2）条件雾

7、化角。以喷口中心为圆心，距离x为半径（一般x取200mm）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线，这两连线间的夹角称为条件雾化角，可用x或2x表示。显然x，其差值可达20以上。第27页，共58页。3、流量密度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qv称为流量密度，其单位为cm3/(cm2s)。第28页，共58页。四、燃油设备对配风的要求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构。 第29页，共58页。（1）为防止燃料油在高温下热裂解，必须在火焰根部送入

8、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角度应合理匹配。 第30页，共58页。（3）采用旋转气流。（4）加强风、油后期的混合。第31页，共58页。一、液滴的蒸发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，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，因而其燃烧过程由传热、传质速度所决定。第32页，共58页。1、斯蒂芬（Stefan）流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，则在相界面的法线方向产生一

9、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ug离开液滴表面。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。 第33页，共58页。假设液滴为规则球体，半径为r1，由于斯蒂芬流引起的燃料蒸汽向外对流，其数量为：第34页，共58页。2、相对静止环境中液滴的蒸发相对静止环境指液滴与周围气体间无相对运动。即：第35页，共58页。相对静止环境中液滴完全蒸发所需的时间0为：称为直径平方直线定律。第36页，共58页。3、强迫气流中液滴蒸发的折算薄膜理论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想情况不同。 第37页，共58页。随着相对速度增大，N

10、u数增大，使得K1增大，因而蒸发时间比静止环境中明显缩短。 第38页，共58页。二、液滴的扩散燃烧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、压力和液滴与周围气体间的相对速度等。第39页，共58页。1、相对静止环境中液滴的扩散燃烧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rf通常比液滴半径r1大得多。静止条件下的液滴燃烧属于扩散燃烧。其模型如图6-13所示。第40页，共58页。图6-13 液滴扩散燃烧模型 第41页，共58页。形式上虽然和液滴蒸发时间关系式相同，但K0比前述

11、的K1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的。 第42页，共58页。2、强迫对流环境中液滴的扩散燃烧（折算薄膜理论）第43页，共58页。三、液滴群的蒸发与燃烧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。 第44页，共58页。1、预蒸发式燃烧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。 第45页，共58页。2、液滴群扩散燃烧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

12、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，火焰面外是空气和燃烧产物，液滴蒸汽各自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。第46页，共58页。3、复合式燃烧这种燃烧情况介于预蒸发式燃烧和液滴群扩散燃烧之间。第47页，共58页。四、液雾燃烧的理论模型第48页，共58页。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复杂的两相紊流的燃烧模型。第49页，共58页。1、经验公式2、液滴轨迹模型3、一维模型4、搅拌反应器模型5、局部均匀流（LHF）

13、模型6、两相流模型（分离流SF模型）7、雾群燃烧模型第50页，共58页。第四节 液体燃料乳化燃烧 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600MW等级乳化油发电机组。第51页，共58页。一、油的乳化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。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、降低污染物排放。 第52页，共58页。二、乳化油燃烧乳化燃料燃烧是个复杂的过程

14、，对其节能降污机理较为成熟的解释是乳化燃料燃烧中存在的“微爆”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。第53页，共58页。乳化油燃烧过程的物理作用即所谓“微爆”作用。第54页，共58页。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水煤气反应，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 第55页，共58页。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，能与水蒸气反应生成CO和H2，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，由于乳化水的蒸发作用，均衡了燃烧时的温度场，从而抑制了NOx的形成。通过上述的微爆及水煤气反应，乳化油燃料可获得减轻大气污染和节约能源的双重效果。 第56页，共58页。目前，乳化燃烧技术在我国已进入工业应用阶段。东方锅炉厂于2003年自主开发设计制造了世界上首台专门燃用奥里乳化油的600MW亚临界自然循环电站锅炉，已在湛江中粤能源有限公司成功投入商业运行，目前有两台奥里乳化油锅炉投运。奥里油是产于委内瑞拉诺科河地带的一种超重原油，常温下粘