A04液体燃料的燃烧技术

第4章液体燃料的燃烧技术《燃烧与污染控制技术》林其钊2012年9月1§4-1液体燃料的雾化由于液体燃料的运输、贮存方便，发热量高，操作控制方便，污染较少等，因而广泛用于交通运输、化工、冶金和动力等工业部门液体燃料的燃烧方法通常有蒸发燃烧和雾化燃烧两种对于容易蒸发的液体燃料，例如汽油，在燃烧前燃料先气化，与空气混合后着火燃烧，这种燃烧接近于均相燃烧对于难于蒸发的液体燃料，例如柴油和重油，一般采用雾化燃烧，在燃烧室中边雾化、边蒸发、边着火燃烧，这种燃烧属于非均相燃烧我们主要讨论雾化燃烧2液体燃料雾化燃烧过程经历雾化、蒸发、混合、着火和燃烧几个阶段由于液体燃料的沸点比着火温度低得多，在着火前燃料已经蒸发气化，因此液体燃料的燃烧速率决定于蒸发速率然而，提高蒸发速率的关键又在于扩大单位质量燃料的蒸发表面积雾化颗粒越细，单位质量燃料的蒸发表面积越大，燃烧速率也越大，因而雾化好坏，对燃烧过程起着决定性作用液体燃料雾化是为了增加单位质量燃料的表面积，以加快蒸发速率使雾化流朝适当的方向分散，加速与周围空气的混合，从而提高燃烧室的容积热强度和燃烧的完全程度使液体燃料雾化的装置称喷嘴或雾化器3§4-1-1雾化方法根据雾化原理，工程上常见的雾化方法有三种，即：压力式、气动式和旋转式1压力式（又称机械式）它利用油压以高速从喷孔中喷出油压一般为(14.7~19.6)105

Pa，有的高达78.5105

Pa，甚至更高如图4-1所示。有直流式和离心式两种图4-1雾化方法示意图42气动式（又称介质式）它利用空气或蒸汽作雾化介质，将喷出的油流雾化见图4-1b。有高压和低压两种高压：用(2.94~11.77)105

Pa蒸汽或(2.94~6.86)105

Pa的压缩空气作雾化介质低压：用300~1000mmH2O柱的空气作雾化介质3旋转式（又称转杯式）它利用转杯高速旋转产生的离心力将油流雾化见图4-1c转杯转速一般为3000~6000rpm液体燃料雾化的其它方法：对冲式：它利用两股高速液体射流互相冲击或一股高速射流与金属板冲击进行雾化振动式：它利用声波、超声波等作用，使液体振动、分裂而雾化5§4-1-2雾化机理液体燃料的雾化机理是非常复杂的当流油或油滴在气体介质中高速运动时，会受到外界空气动力（包括阻力、拉伸力）和液体燃料内力（表面张力和粘性力）的相互作用空气动力使流油或油滴扭曲变形，在紊流作用下，油流回油滴表面的突出部分会脱离油滴主体，并分裂成小油滴液体燃料的内力则力图抵抗扭曲变形，并保持油流或油滴表面的完整性，以阻止分裂不难理解，当空气动力超过油流或油滴内力的作用时，油流或油滴就会分裂，一直分裂到各油滴的内力与外力达到平衡时为止6离心式机械喷嘴，由喷嘴喷出的油膜边界面近似呈双曲线形用闪光照相发现，喷嘴出口处，有一段很短、尚未雾化和扰动比较弱的射流初始段初始段后，油膜会出现振幅越来越大的扰动波如图2所示7油膜上存在两组扰动波第一组波是沿着射流运动方向发展的在射流边界上能够清楚地看到这种波齿的轮廓，这组波力图把油膜分裂成为贯穿于喷嘴轴线上的一系列环圈第二组波则是沿着切线方向发展的它与第一组波相互垂直，具有横向运动的特点这组波力图把油膜分裂成为由喷嘴轴线向外分散的扇形射流图2可以看到这两组波的走向和出现环圈状的分裂现象显然这种环圈是一种不稳定的运动形式，在外力作用下，它将分裂成为液滴并且随着相对速度的增大，不稳定扰动的波长将会缩短，环圈的厚度变薄，从而可以获得较细的油滴由环圈分裂出来的油滴，以一定的速度运动，由于空气动力的作用，将进一步破碎成更细的油滴，直到油滴内力与外力达到平衡，油滴不再破碎为止8§4-1-3雾化质量指标液体燃料雾化质量的好坏对燃烧性能有很大影响一般有下面几项质量指标：1喷雾锥角把喷嘴出口到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角定义为喷雾锥角，或称雾化角，以表示喷雾炬离开喷口后，都有一定程度的收缩，对一个喷雾质量好的喷嘴，不宜过分收缩工程上常用条件喷雾锥角来补充表示喷雾炬喷雾锥角的大小条件喷雾锥角系指以喷口为中心，l为半径的圆弧，和外包络线相交点与喷口中心联线的夹角，以tj表示，如图3所示对于大流量喷嘴：取l=100~150mm对于小流量喷嘴：取l=40~80mm如果取l=100~150mm，则条件喷雾锥角用100表示94-310喷雾锥角的大小对燃烧的影响，一般应根据燃烧室尺寸和燃料与空气的混合条件来选择大型燃烧室：燃料与空气不容易均匀混合，所以喷雾锥角取的大一些（例如90°~120°），以便吸入较多的空气，改善颗粒细度但是，喷雾锥角也不宜过大，以免燃料喷射到燃烧室壁面上，造成积炭和结焦小型燃烧室：喷雾锥角更不宜大，一般为50°~80°，对于燃烧渣油尤为重要但是，喷雾锥角也不宜过小，否则燃料会集中地喷射到缺氧的回流区，产生更多的热分解112喷雾射程喷雾射程是指水平方向喷射时，喷雾液滴丧失动能时所能到达的平面与喷口之间的距离喷雾锥角大和雾化很细的喷雾炬，射程比较短密集的喷雾炬，由于吸入的空气量较少，射程比较远一般射程长的喷雾炬所形成的火焰长度也长3燃料的分布特性燃料的分布特性系指射流某截面上燃料流量密度沿径向的变化规律流量密度：表示单位面积和单位时间内喷射的油量，单位为g/(cm2·s)或cm3/(cm2·s)燃料的分布特性与喷嘴结构、喷射参数有关12图4(a)、图4(b)分别表示离心式机械喷嘴喷出的喷雾炬，在两个截面上的燃料分布特性试验表明，流量密度分布呈马鞍形离喷口越远，流量密度分布越均匀图4(c)为直流式机械喷嘴的燃料分布特性其流量密度分布呈高斯型，轴向的流量密度最大流量密度曲线的起伏程度反映了油量分布的均匀程度如果流量密度分布不对称，则表明喷嘴结构有问题134-4144雾化颗粒细度表示喷雾炬液滴粗细的程度实际喷雾炬的油滴尺寸大小不一，为了分析方便，常采用平均滴径的概念这里介绍平均滴径的两种表示方法：索特平均直径（SMD）它是按平均直径计算的假想液滴群的总体积与总表面积的比值，恰好和实际液滴群的总体积与总表面积的比值相等来确定的。SMD值小，表明喷雾炬液滴的平均直径细SMD相当于液雾炬的全部液滴容积与全部表面积之比质量中间直径（MMD）图5是液雾炬液滴尺寸的分布特性曲线横坐标表示液雾炬中液滴的直径，纵坐标表示大于di的所有液滴的质量占全部液滴总质量的百分数，以R表示质量中间直径dm系指R

=50%所对应的液滴直径试验表明，最大滴径约为质量中间直径的两倍最大直径是指R=5%所对应的液滴尺寸154-516雾化液滴直径不宜过粗：过粗会使燃烬时间延长，可能来不及燃烧完就被气流带出燃烧室过粗还会减小单位质量燃料的蒸发表面积，从而降低整个雾化燃烧的速率雾化液滴直径不宜过细：否则液滴的穿透能力太小，不能有效地扩散到整个燃烧室空间去，容易产生局部地区燃料过浓或过稀，使燃烧不稳定5雾化颗粒的均匀度系指燃料雾化后液滴颗粒尺寸的均匀程度如果雾化液滴的尺寸都相同，称为理想的均一喷雾实际上要达到理想的均一喷雾是不可能的显然，液滴间尺寸差别越小，雾化颗粒均匀度就越好图5的两条曲线，曲线1在横坐标上的宽度比曲线2窄，表明曲线1的颗粒均匀度比曲线2好176雾化颗粒尺寸分布特性用平均滴径来评价喷嘴的雾化质量并不完善，比较完善的方法应该是既能表示滴径的平均大小，又能表示不同滴径的数量或质量，这可以用雾化颗粒尺寸分布特性来表示雾化颗粒尺寸分布特性的数学表达式有多种，应用比较广的有罗斯-罗曼关系式： R=100exp[-d/

]h%式中R表示直径大于d的液滴质量百分数；

表示尺寸常数由式（2）知道，当d=时，R=36.8%

就是罗斯-罗曼分布曲线上与d=相对应的颗粒直径越小，表明颗粒越细h为颗粒分布特征常数，一般在2~5之间，可根据R-di试验结果由图解法求得18将式（2）两边取对数，得到：

ln[ln(100/R)]=h(ln

dln

)=h

ln

dC式中，C为常数把R-d的试验数据按照ln[ln(100/R)]~lnd关系作图可得到该直线的斜率h当一定时，h值越大，表明喷雾越均匀按照罗斯-罗曼关系式求得的颗粒尺寸分布曲线与实际喷雾炬的颗粒分布特性有一定的差别因为，根据这个关系式，喷雾炬中的液滴尺寸可从0变到但是，在实际喷雾炬中，液滴尺寸一般不会小于某个最小值（1~3m），也不会大于某个最大值大多数离心式喷嘴的液滴尺寸分布大致符合罗斯-罗蔓分布规律19§4-2液体燃料的雾化燃烧过程工程中广泛采用雾化燃烧，并扩大使用低质液体燃料以及代用燃料本节将介绍：雾化燃烧过程的组织低质液体燃料以及乳化燃料燃烧的特性§4-2-1雾化燃烧过程的组织雾化燃烧经历雾化、蒸发、混合着火和燃烧等几个阶段液体燃料雾化过程在出喷口不远处就基本完成雾化的油滴被加热、蒸发，并与空气混合，当油蒸汽与空气混合物的浓度达到一定值时，在高温条件下，可燃混合物立即发生着火、燃烧20雾化燃烧有几种类型：对于易蒸发的细油滴和气流进口温度高的情况，油雾在出喷口很短距离内就蒸发完毕，这时的雾化燃烧类似于均相紊流扩散火焰对于不易蒸发的粗油滴，各油滴独立地进行燃烧，其燃烧接近于油滴群的扩散燃烧通常雾化器喷雾的油滴是不均匀的，细油滴在燃烧前已经蒸发完毕，而粗油滴则边蒸发、边燃烧因此，实际上两种燃烧情况兼而有之本节主要回答：怎样才能使雾化燃烧有一个稳定的燃烧过程？怎样才能使雾化燃烧有一个燃烧强度大的燃烧过程？怎样才能使雾化燃烧有一个放热效率高的燃烧过程？211保证雾化质量良好良好的雾化质量会加速雾化燃烧由于液体燃料燃烧燃烧速率取决于液滴的蒸发速率，而蒸发速率又决定于单位质量燃料的蒸发面积因此，所谓良好的雾化质量，首先是指雾化颗粒细度小，雾化均匀度好影响雾化颗粒直径的因素很多，从雾化机理分析，油滴主要受两个力（内力和外力）的影响影响内力的因素主要是液体燃料的粘性力及表面张力，在燃料种类一定的条件下，它们主要受温度控制影响外力的因素主要是油流或油滴的运动速度以及遇到周围介质的阻力，它们涉及到喷嘴结构、油压以及喷雾介质的压力及流量等因素下面分别讨论喷嘴结构、喷油压力、油的物理性质以及雾化介质的物理性质对雾化质量的影响22（1）喷嘴结构喷嘴的结构参数、形式及加工质量对雾化质量影响很大例如，对离心式机械喷嘴，油离开喷嘴时的切向速度和径向速度的比值大小对雾化质量有决定性的影响增大切向分量，会增大喷雾锥角，缩短射程，燃料将比较均匀地分布到燃烧空间中去，而且由于能卷吸较多的空气参与雾化过程，因而雾化颗粒细度较小（2）喷油压降提高喷嘴前后压差会提高喷油速度，增加喷油量对离心式机械喷嘴，油压越高，雾化越细油压增加，喷雾锥角增大但油压过高时，旋转运动引起的摩擦损失增加很快，使油流中切向速度的增加赶不上轴向速度的增长23（3）油的物理性质影响雾化质量的油的物理性质主要是粘度及表面张力，以粘度的影响最大提高温度，可以降低油的粘度和表面张力，使雾化更细下面讨论油的物理性质对雾化质量的影响以离心式机械喷嘴为例：在雾化的初始阶段：粘度的影响将起决定性作用，因为油流所具有的切向和径向速度的大小对雾化质量起到关键作用；随着粘度的降低，燃料在旋流室中的旋流强度增大，雾化质量变好在雾化中期：表面张力的影响将起主要作用，油膜将克服表面张力的作用而分裂成为许多纤细丝和液滴；表面张力减小，分裂过程更容易进行，所形成的细丝和液滴尺寸更小在雾化后期：粘度和表面张力将共同作用，因为已形成液滴的进一步分裂决定于油的表面张力、粘性力、油滴惯性力和空气动力的相互作用；减小表面张力和粘度，增大惯性力和空气动力，都将有利于提高雾化质量24（4）雾化介质的物理性质对采用雾化介质的喷嘴，雾化介质的喷出速度、温度及流量对雾化质量都有影响雾化介质速度越高，雾化介质与油流的相对速度越大，则雾化越细，所以高压喷嘴的雾化质量较低压喷嘴的好雾化介质流量对雾化质量也有明显的影响减少雾化介质流量将使雾化质量变差对于不依靠介质来雾化的机械式和旋转式喷嘴，雾化空间的气体性质对雾化质量有一定的影响是因为油的雾化在某种程度上要依靠介质来分散，提高介质速度，可提高喷雾液滴的分散程度252油雾与空气混合良好雾化后油滴或油雾与空气的混合对雾化燃烧起着重要的作用由于1kg液体燃料完全燃烧需要的空气量很大（大约为10~11Nm3/kg），所以合理组织空气流动，加速油雾与空气的混合过程就成为强化雾化燃烧以及提高燃烧完全程度的一个关键如果混合速度慢，则火焰拉的很长，并且容易产生不完全燃烧损失在雾化燃烧时，空气流动组织的基本原则是：（1）早期混合要强烈（2）要有一个合适的回流区（3）加强后期混合（4）保持燃烧空间有较高的温度水平26（1）早期混合要强烈油雾在缺氧、高温情况下，会发生热分解，产生难燃的碳黑为了减少碳黑的形成，在喷嘴出口到着火之前必须有一部分空气与油雾先行混合，混合速度要尽可能快这里要注意空气流和油雾流的配合问题如果空气流扩散角过大在喷嘴出口后空气流会移向油雾流的外侧这时空气流的扰动虽然很强烈，但是与油雾流并未混合，这种扰动对混合是无用的显然这样的空气流组织是不理想的，如图6（a）空气流与油雾流配合适当如图6（b），空气流就会以较高的速度进入油雾，产生强烈混合274-628（2）要有一个合适的回流区回流区的大小和位置对着火燃烧有影响：如果回流区过大，一直伸展到喷口，则不仅容易烧坏喷嘴，而且对早期混合也不利，使燃烧恶化如果回流区太小，或位置太后，会使着火推迟，火焰拉长，不完全燃烧损失增加通常利用旋转射流或钝体产生回流区，来稳定火焰（3）加强后期混合一般从喷嘴中喷出的油雾分布是不均匀的，在流量密度大的地方，油滴和空气不可能混合的均匀此外，油滴直径大小也不均匀，即使油滴和空气混合很均匀，在大油滴集中的地方也容易缺氧因此，在雾化燃烧中，不可避免地要发生热分解，产生不完全燃烧产物为了使不完全燃烧产物在炉内完全燃烧，不仅要求早期混合强烈，而且还要求整个火焰直至火焰尾部混合都强烈用提高二次风速可加强后期混合29空气流的组织一般通过调风器（工业窑炉中称风套）来实现调风器主要由稳焰器和调风器叶片两部分构成装设稳焰器的目的是用来稳定火焰，防止火焰吹熄在雾化燃烧中最常见的稳焰器有旋流器型和稳焰板型两大类旋流器型是利用旋流叶片使空气旋转，在喷口下游产生回流区，以稳定火焰按旋流器结构可分为轴流式、径流式及混流式，如图7所示30稳焰板的原理和钝体的原理一样所不同的是在稳焰板沿径向开了几道狭缝使少量空气沿稳焰板内表面流入以冷却稳焰板和防止积炭、结焦如图8所示31图9（a）和（b）是装有稳焰板和旋流器的调风器通过稳焰器的部分空气称为一次风，主要起到稳定火焰的作用其余大部分空气将通过稳焰器和外壁之间的通路送入燃烧室，这部分空气称为二次风，主要用来控制燃烧二次风可以直流进入燃烧空间，但在大多数情况下均装有调风叶片，以产生适当地旋转，如图9（c）所示调风叶片有固定式和可变式两种改变可变式调风器的叶片开度，可使空气的旋转速度和方向发生变化，以控制火焰形状（4）保持燃烧空间有较高的温度水平较高的温度能保证稳定着火和燃烧完全32T4-933§4-2-2低质燃料油（渣油、重油）的燃烧渣油是炼油工业的一种残渣它的特点是分子结构复杂，因而粘度大，沸点高，挥发性差，并且含有较多的灰分，对燃烧设备的操作与维护将产生一定的困难主要问题有：1生成不完全燃烧产物一般轻质油的不完全燃烧产物主要是气态烃分解生成的碳黑而渣油不完全燃烧产物则除碳黑外，还容易发生积炭、结焦现象渣油属于高分子碳氢化合物，燃烧时，如果空气供应不充分，或油滴分子与空气分子混合不均匀，则有一部分高分子碳氢化合物在高温缺氧条件下发生热分解而生成碳黑碳黑的化学活性差，燃烧缓慢，不易燃烬，常冒黑烟此外，渣油中沥青成分也会由于缺氧而分解成固体油焦、油焦破裂后形成焦粒34渣油粘度大，雾化质量差，产生的粗油滴很容易未经燃烬就离开高温区，并积存在壁面上，经高温烘烤，逐渐形成积炭、结焦如果喷雾锥角过大，油滴甩到壁面时，同样会出现积炭、结焦现象2喷嘴积炭如果喷嘴出口处积炭、结焦，会使燃料和空气流受到阻塞，喷雾质量变坏，在气流冲刷下会造成周期性的积炭、脱落及生长3结垢由于渣油中含有S、Na、K、Pb、V等元素，在燃烧过程中会化合成为熔点较低的钒氧化物、碱性硫化物和碱性钒酸盐构成的灰分当这些低熔点的灰分在流经温度较低的壁面时，就会粘结在上面，并以它们为基点，把悬浮在高温区的其它灰分吸收进去，逐渐形成一层熔融状态的灰垢354腐蚀低质燃料油一般含硫较多，燃烧时生成SO2，是低温腐蚀的主要来源此外，如果在金属面上（如燃气轮机的叶片、内燃机的活塞环等）产生结垢，能起到一种电解质的作用，造成电化学腐蚀在这种腐蚀效应中，熔融状态的结垢可以部分地或全部地把腐蚀过程中产生的化合物从金属表面熔掉，从而暴露出新的金属表面，使腐蚀继续下去，这就是所谓的高温腐蚀为此燃用低质油时，在燃烧技术上，可以采取下列技术措施：（1）预热渣油或重油（2）选用适宜于低负荷运行的烧嘴配风系统、回流区、温度分布等36（1）预热渣油或重油将油的粘度降低到喷嘴允许的最大粘度以下，使雾化良好表4-1列出了典型喷嘴前油的最大粘度和推荐粘度表4-1喷嘴前燃油粘度最大粘度推荐粘度156105形式蒸汽雾化喷嘴高、低压空气雾化喷嘴机械雾化喷嘴63.537低质油中可能含有一定数量的机械杂质及水分，会引起喷嘴堵塞或结垢，必须充分沉淀和过滤后才能使用防止结垢和腐蚀，必须从根本上消除渣油或重油中所含的Na、S、V等元素（特别是Na盐）因为这些元素会引起结垢、腐蚀，而结垢又为腐蚀提供了条件有两种消除结垢的方法：用软水清洗燃油，因为这些盐类大都能溶解于水添加腐蚀阻化剂，抑制V、Pb的腐蚀作用渣油和重油中的硫化物是一种难于从燃油中分离出去的物质，所以含硫多的低质油，更要注意防腐38（2）选用适宜于低负荷运行的烧嘴如用回油式机械喷嘴、空气出口可调式低压喷嘴等因为渣油、重油的积炭或结焦主要出现在低负荷，出现在温度低于1000°C的燃烧区要选择合适的喷雾锥角喷雾锥角不宜太小，否则油会过多地喷入回流区，产生黑烟但喷雾锥角也不能太大，以防止被甩到壁面上形成积炭一定要根据炉型和大小来选择喷雾锥角要选用优质材料制造喷嘴例如采用3Cr13材质，并作硼化处理，以减少喷嘴磨损此外，可选择合适的配风系统以控制回流区的位置和大小，获得比较合理的温度分布，从而改善低质油的燃烧39§4-2-3乳化燃烧乳化油与纯油相比，在燃烧机理上有三个特点1产生二次雾化乳化燃料雾化炬中的分散油滴绝大部分是油包水型颗粒，油滴直径大约是50~100m，其中水珠直径约2~5，所以在一个油滴内有多个水珠，并均匀地分布在油滴内在高温环境下，靠近液滴表面的水珠最先被加热、汽化，使油滴膨胀变形，水汽在克服油的表面张力以后，将冲破油膜喷出，同时油膜被爆破离表面较远的水珠，则由于包围的油膜较厚，需要克服更大的附加压力后，油膜才会爆破温度越高，油膜爆破越剧烈40因油膜爆破引起微滴从大滴表面崩出的现象称为二次雾化二次雾化的油滴大多在15m以下试验表面，二次雾化与乳化质量、掺水量、环境温度、压力和氧浓度等因素有关如果乳化油只6的水珠过细（小于1m），则因水珠生成的蒸汽压力不足以克服外层油膜的表面张力，油膜不会发生破裂如果掺水量过少（<3~5%），同样不能产生二次雾化由于二次雾化，使油滴进一步细化，增加了油滴群总表面积，提高了雾化质量加速了蒸发过程此外，二次雾化能促进油雾与空气的强烈混合，加速了燃烧过程412减少碳黑乳化燃烧的二次雾化，使油滴细化，促进了油雾与空气的强烈混合，使燃烧更为完善，减少了碳黑的生成此外，由于炉内水蒸气含量增加，产生的碳黑与水分子接触的机会增多，在高温下水分子与赤热碳黑发生水煤气反应而形成可燃气体，从而减少了烟气中碳黑含量，这样减少了对大气的污染其化学反应如下： C+H2O———CO+H2 >900°C C+2H2O———CO2+2H2 <900°C CO+H2O———CO2+H2实验证明，掺水率为8~15%时，乳化燃烧可以节约燃油6~8%使用乳化燃烧，可以减少烃类、固体碳粒90~95%，烟尘减少72%由于乳化燃烧雾化质量好，混合均匀，可避免产生局部高温，氮氧化物（NOX）排放量可减少50~70%3防爆性好与纯油燃烧相比，乳化油的火焰传播速度有所降低，爆炸界限的下限有所提高，这样以来，会部分地抑制化学反应的产生及发展，说明乳化油比一般燃油的贮存安全42§4-3喷嘴喷嘴又称喷雾器或雾化器，其作用是使液体燃料破裂成一定细度及一定均匀度的液滴，并按所要求的喷雾锥角及燃料分布特性将燃料送入炉内§4-3-1机械式喷嘴机械式喷嘴利用液体燃料的压力达到雾化的目的，故又称压力式喷嘴，其喷油压力视用途而定，例如：工业炉、锅炉，一般油压为2~3.5MPa燃气轮机为5~8MPa柴油机为15~30MPa航空发动机有时高达100MPa43图4-10为离心式机械喷嘴的结构示意图压力油以速度wqk切向进入旋流室，受圆形壁面作用形成旋转运动，并以切向速度wqx

和轴向速度wzx

从喷口高速流出喷出的油流由于失去了壁面对它的约束力，依靠离心力的作用将油甩开试验表明，当燃油在旋流室中高速旋转时，在旋流室轴线附近形成一个半径为rk

的空气旋涡，使油流有效截面减少喷油量可以写成：

（4-4）式中rp

和rk

分别为喷口半径和空气旋涡半径；wzx表示喷嘴出口油流的轴向速度；y表示油流密度44图4-10离心式机械喷嘴1—分流片； 2—旋流片； 3—雾化片45令

1rk2/rp2，称为喷孔截面充满系数，则式（4-4）可以写成：喷雾锥角取决于出口断面的平均切向速度和平均轴向速度的比值由于油流的切向速度是沿喷口半径方向变化的，因而喷嘴出口断面上不同半径处的油流的喷雾锥角各不相同为了近似估计喷雾锥角大小，引入平均喷雾锥角的概念取喷口径向rm

=0.5(rk

+rp)处，油流的喷雾锥角作为喷嘴的平均喷雾锥角，以表示，因而：式中wqx

,m和wzx

,m分别为喷口rm

=0.5(rk

+rp)处油流的切向速度和轴向速度可见，如果能够确定wqx,m、wzx,m和，就可求得理论喷油量B及平均喷雾锥角（4-5）（4-6）461喷嘴出口切向速度分布根据理想流体动量矩守恒定律，任何流体微团对喷嘴轴线的动量矩，从喷嘴进口直至出口始终保持不变，即：

wqxr

=常数 （4-7）式中wqx

为任意半径r处的流体微团的切向速度由式（4-7）可知，半径r越小，即离轴线越近，流体微团的切向速度越大根据伯努利方程，该处的净压力就越低靠近轴线处（r0），切向速度达到无穷大，静压力达到负的无穷大，显然这是不可能的因为当喷口轴线处压力低于周围环境压力时，气体将从周围环境进入喷口，从而使喷口中心部分形成空气旋涡，这样油流就不可能充满整个喷口根据式（7）可以写出喷口半径rp

和空气旋涡半径rk

处的动量守恒喷口rm

=0.5(rk

+rp)向速度的平均值可以写成（8）（9）472喷嘴出口的轴向速度分布在喷嘴出口截面上取宽度为dr的流体微元环，见图4-11微元圆环所受到的压力差dp是由离心力产生的，即：简化后，得：对伯努利方程式=常数，并求导得：将式（10）代入或者：由动量守恒定律知道，故式（14）即 wzx=常数它表示喷嘴出口截面上任意半径处的流体的轴向速度都相等48（12）（13）（14）（15）（16）（11）（10）483喷油量的确定（阿博拉莫维奇理论）列出喷嘴进出口伯努利方程（忽略位能）则喷嘴进出口油压差：式中p为喷嘴进口截面油流的总压，包括净压力和动能；p0为喷嘴出口处环境压力；wqx

·k和wzx

·k分别为喷口处空气旋涡边界上的切向速度和轴向速度由式（18）求得喷嘴出口处轴向速度：将上式代入式（5）得：由式（7）可以写出：式中R为切向孔中心线到喷口中心线之间距离，wqk为切向孔的油流速度（17）（18）（19）（20）（21）49油流量式中fqk为切向孔总面积，m2将式（21）和式（22）代入式（20），得：经整理后得：式中为流量系数A为几何特性系数，仅与喷嘴和喷口直径和切向孔面积有关，对于一定尺寸的喷嘴，A是定值，即：fp为喷口面积：

fp=rp2（22）（23）（24）（25）（26）50由式（25）可知，在给定A值下，流量系数为的函数即=f()，值过大或过小，流量都不会增大由式（5）知道，当过小时，喷油有效截面减小，流量B减小；当过大时，空气旋涡半径减小，切向速度wqx

·k加大，由式（19）可知，喷嘴出口处的轴向速度wzx减小，因而B值不可能大根据最大流量原理，可求出流量系数为最大值时对应的值，对式（25）求导，并使d/d=0，可得到：将式（27）代入式（25）得：利用式（25）、式（27），可画出、和A

的关系曲线，这样在计算喷油量B

时，可先按照喷嘴的结构参数算出几何特性参数A值，再由图12查出流量系数值，然后用式（24）计算B值由图所示，增大几何特性系数A，会使充满系数和流量系数降低（27）（28）51图12、、与A的关系曲线524喷雾锥角的确定由前面讨论知道，在喷嘴出口处，轴向速度为常数，不沿径向变化，由式（5）：而喷嘴出口切向速度是沿径向变化的，如前述，一般取平均半径：处的切向速度wqx

·m作为计算依据根据动量守恒定律：由充满系数=1rk2/rp2，可得：将式（22）、式（30）和式（32）代入式（31），得：将式（29）和式（33）代入式（6）得：平均喷雾锥角与几何特性系数A之间的关系表示在图12上当几何特性系数A增加时，喷雾锥角增大，喷雾射程缩短（29）（32）（30）（33）（31）（34）535理论计算的修正以上计算是基于油流是理想流体的假设，忽略了粘性力的影响实际上，燃油是有粘性的，存在摩擦损失和局部阻力损失粘性的存在，增加了油层间的摩擦力，使油流切向速度wqk减少，从而引起空气旋涡半径rk缩小，充满度增大粘性越大，实际的wqk和rk偏离理论计算值越大因而，喷嘴的实际喷油量和实际喷雾锥角与理论值都有一定差别通常实际喷油量比理论喷油量大，实际喷雾锥角则比理论值低因此，必须采用半经验的，甚至纯经验的方法进行修正离心式机械喷嘴的雾化颗粒尺寸分布特性符合Rosin-Rammler分布，见式（2）Longwell通过实验得到下列公式：（35）54图13为简单离心式机械喷嘴的结构图。55上页图13为简单离心式机械喷嘴的结构图。其工作原理为：压力油经分流片1的几个进油孔汇合到环形均油槽中，由此进入旋流片2的切向槽，获得很高速度后，以切线方向进入旋流片中心的旋流室，油在旋流室内形成强烈的旋转最后从雾化片3的喷口喷出，形成一个空心圆锥形雾化炬其流量密度分布呈马鞍形，见图4a\b简单离心式机械喷嘴的射程较短，但是喷雾锥角较大，约为80~12056图14为压力差的平方根p

与索特平均直径ds和流数N的关系曲线57上页图14为压力差的平方根p

与索特平均直径ds和流数N的关系曲线喷嘴流数N定义为：由图看出，对于一定的喷嘴结构，压力差p降低，将使索特平均直径ds增大，雾化质量变坏因为喷油量和喷嘴前后压力差p的平方根成正比，所以改变负荷（即油量）是依靠改变p（因喷嘴出口压力等于燃烧室压力，其值一般不变，故改变p亦即改变进油压力）来实现的，这将影响雾化质量如果假定保证雾化质量所需要的喷嘴最小压力为1MPa，所要求的调节比为5，则达到最大喷油量时的压力差p将高达25MPa显然，这种调节负荷的方法不尽合理因此，简单离心式机械喷嘴的调节比一般较小例如：工业炉用喷嘴调节比为1.2~1.4，燃气轮机为2~2.5所以，这种简单离心式机械喷嘴比较适用于负荷比较稳定的场合或适用于可改变喷嘴数（装有多哥喷嘴时）来调节负荷的燃烧室58为了扩大喷嘴的调节幅度又不影响雾化质量，可以使用离心式机械回油喷嘴回油方法分内回油和外回油两种图15为内回油喷嘴图。其结构特点在于：在旋流室后面开了一个通道，经过分油嘴使油回流低负荷时，在压力和总流量不变的情况下，用增加回流量的办法可达到减少喷油量的目的这种喷油嘴的雾化质量能达到要求，调节比也大例如用于工业炉和锅炉的喷嘴调节比可达4用于燃气轮机燃烧室的喷嘴调节比可达40~50这种喷嘴适用于负荷变化幅度大且变化频繁的炉子59图15回油式机械喷嘴60回油式喷嘴存在如下缺点：（1）喷嘴工作特性受回流道阻力特性变化的影响，即喷油量对回油流道的变化比较敏感因此，当采用几个回油喷嘴同时工作时，由于各回油流道阻力特性不相同，喷嘴之间的油量分配有很大的偏差（2）增加了油泵的能耗（3）用渣油时要预先加热，而回油需送回储油罐，使储油罐的温度升高，因此要防止自燃（4）不宜采用容易形成析碳的热裂化渣油，否则回油流道会被析碳堵塞（5）高负荷时，喷雾锥角减小很多，容易把大量的油喷到缺氧的回流区中机械式喷嘴还有其它一些型式：双油路双喷嘴机械离心喷嘴它通过控制主游管主喷嘴（高负荷时投入）和副油管副喷嘴（低负荷时投入）来控制喷嘴调节比针形阀离心式喷嘴它是通过移动针形阀，改变喷嘴有效断面来调节喷嘴负荷61离心式机械喷嘴的共同优点是：（1）结构简单、紧凑（2）操作方便，不需雾化介质（3）空气预热温度不受限制（4）噪音小缺点是：（1）加工精度要求高（2）小容量喷嘴容易积炭堵塞（3）雾化细度受油压影响大，要求雾化得细，则要求有很高的油压机械式喷嘴广泛应用于柴油机、燃气轮机燃烧室，也适用于锅炉和回转窑等大型炉子但在工业炉和锅炉中，常用机械式喷嘴所采用的压力情况下，其雾化细度较其它类型的喷嘴粗、火焰长，需要较大的燃烧空间62§4-3-2气动式喷嘴这种喷嘴是利用空气或蒸汽作为雾化介质，将其压力能转化为高速气流，使油流喷散成雾化炬这种喷嘴可按介质压力的不同分为两类：低压喷嘴和高压喷嘴1低压喷嘴它以空气作为雾化介质，空气压力为300~1200mmH2O柱，由于压力低，雾化介质消耗量较多，约为理论空气量的50%~100%，因此空气和油雾的混合条件好，燃烧速度快，火焰短需要的过量空气系数小（一般=1.10~1.15），理论燃烧温度较高燃烧时噪音小，雾化费用低低压喷嘴适用于中、小型工业窑炉或工业锅炉63低压喷嘴的缺点是：（1）由于喷雾介质压力低，单个喷嘴的容量（喷油量）不易过大一般不超过150~300kg/h如果单个喷嘴容量过大，空气喷口截面就太大，不容易保证雾化质量（2）低压喷嘴的预热温度不宜太高否则，油管内温度高，容易产生裂解反应，生成碳黑，以至堵塞油管一般空气预热温度不超过300°C，如果有二次空气，则预热温度不受限制（3）调节比较小低压喷嘴的油压一般为0.02~0.15MPa若油压太高，则油流速度太快，以至穿透雾化介质，使油流得不到良好的雾化此外，当油压太高时，在喷油量不变的情况下，油喷口截面太小，容易引起堵塞64低压喷嘴用的空气既作为雾化介质，又作为助燃空气因此，当喷油量减少时，喷射的空气量相应减少，这时如果空气喷口截面不变，则空气流速降低，这将影响雾化质量所以，低压喷嘴的空气喷口截面常做成可调的，以保证雾化质量低压喷嘴的喷头结构有：直流式和旋流式喷嘴；单级喷嘴和多级喷嘴图4-16a为单级喷嘴在这种喷嘴中，空气和油流的交角以及它们的相对速度对雾化与混合的质量影响很大若交角大，相对速度大，则雾化颗粒较细，火焰较短但交角也不宜过大，一般不超过5065将雾化介质流旋转，有利于提高雾化质量，加速混合过程，得到短而粗的火焰，所产生的回流区，有利于火焰稳定图4-16b为单级旋流式低压喷嘴，提高旋流速度，对改善雾化和混合过程有利但不能过大，否则会脱离油流，不利于雾化和混合图4-16

低压介质喷嘴66为提高雾化和混合质量，可采用多级喷嘴图4-17为三级低压介质式喷嘴它将雾化空气分三级与油流相遇，为调节空气量，油流量与空气量按比例变化，可以改变二次、三次雾化空气喷口截面低压喷嘴的喷油量可以按式（24）计算，其流量系数由实验确定低压雾化介质的消耗量可按不可压缩流体计算，其计算公式与计算喷油量公式雷同，即：式中fw为介质喷口断面积，m2；为雾化介质的流量系数，由实验确定；pw为喷嘴前雾化介质压力（相对压力Pa）；w为雾化介质实际密度，kg/m367图4-17

三级低压气动式喷嘴1、2、3分别为一次、二次、三次雾化空气流682高压喷嘴它一般用压缩空气（0.3~0.7MPa）或蒸汽（0.3~1.2MPa）作为雾化介质，也可以用氧气或高压煤气作雾化介质因压力高，雾化介质喷出速度接近音速或超过音速，噪音大而且压力高，雾化介质用量少，仅占总流量的2~10%因而油流雾化条件差，空气与油流的混合条件也差，形成较长的火焰故一般适用于大型炉子采用蒸汽作雾化介质，会降低理论燃烧温度但由于蒸汽比压缩空气便宜，故仍被广泛应用，这时燃烧所需的全部空气由风机单独供给因为高压气体经喷嘴绝热膨胀后，温度降低，使油的粘度增加，甚至析出水分，雾化质量下降所以，对高压喷嘴，应采用过热蒸汽（过热度为200~300C）或预热的压缩空气69高压喷嘴与低压喷嘴相比有如下优点：（1）可以采用较高的蒸汽过热度及空气预热温度因为高压喷嘴的雾化介质用量小，对油管的加热影响不大不会产生油裂化而堵塞油管（2）单个高压喷嘴的容量（喷油量）大，大型喷嘴每小时喷油量可达几千公斤（3）调节比大，一般为4~5，有的高达10高压介质式喷嘴的喷头结构有：直流式、旋流式喷嘴单级、多级喷嘴内混式、外混式喷嘴70图4-18a和b分别为高压外混式直流和旋流喷嘴从外形上看，高压介质式雾化介质流的通道断面比低压的小得多外混式喷嘴的油喷口与雾化介质喷口基本上是在同一横截面上油流与雾化介质在喷嘴外相遇雾化其工作特点是边雾化、边混合、边燃烧，火焰较长由于喷嘴暴露在工作空间，容易受到燃烧室的高温辐射，易积炭，造成堵塞为防止油嘴积炭，将它置于雾化管内部，油流与雾化介质在混合室内先雾化混合成油汽乳状液，然后喷出燃烧室，使之进一步雾化成细滴，这种喷嘴称为内混式喷嘴71图4-18高压外混式喷嘴72图4-19a所示为高压内混式喷嘴按雾化要求，混合室压力一般为0.5~0.6MPa油压相应接近于雾化介质压力，否则油流会被雾化介质流封住而喷不出来为了改善雾化质量，还可以采用多喷口的喷嘴图49b为Y型喷嘴它是油孔道、汽孔道和混合孔道三者相交呈Y形的内混式蒸汽喷嘴油流和蒸汽流在混合孔内相遇撞击、破碎成乳状油汽混合物该喷嘴的主要优点：由于油、汽是通过多个分散的细孔道混合的，所以油雾化良好，油滴平均直径为50m此外，它的调节比大，可达6~10在低负荷条件下其喷雾锥角不变喷孔加工光洁度对雾化质量影响不敏感雾化所需蒸汽量少，仅为普通蒸汽介质喷嘴的四分之一它的缺点是：易堵塞，有噪音73图4-19高压内混介质式喷嘴74为了提高雾化质量，还可以采用多级喷嘴图4-20为高压拉伐尔式双级喷嘴一级雾化采用拉伐尔管，它可以充分利用高压气体的能量拉伐尔管后的扩张收缩管可使油粒分布及速度分布更加均匀图4-20高压拉伐尔式双级喷嘴75高压雾化介质流属于可压缩流体，对于渐缩型喷嘴，其雾化介质流量可按下式计算：式中为喷雾介质流的流量系数，由实验确定p0和pw分别为燃烧空间压力和雾化介质压力PaK为绝热指数，为定压比热与定容比热之比对压缩空气K

=1.4对饱和蒸汽K=1.135对过热蒸汽K=1.3

fw

为雾化介质喷口截面积，m2

；

w表示在雾化介质压力pw下的实际雾化介质密度，kg/m3

；ww为雾化介质喷口出口流速，m/s(37)(38)76式（38）所示的G与p0/pw的关系如图4-21所示由图可见：当p0/pw逐渐降低时，雾化介质流量G逐渐增大（a~b段）当p0/pw降至某一值时，雾化介质流量达到最大值Gmax若再降低p0/pw，则最大雾化介质流量值不变，（b~c段）达到最大雾化介质流量时，喷口速度等于当地音速，喷口的压力为临界压力若将式（4-38）对p0/pw取导数，并令其等于0，即可求得最大雾化介质流量时的进出口压力之比1，即所谓临界压力比由此可知，临界压力比只是绝热指数K的函数，而与雾化介质的初始状态无关对压缩空气，1=0.528对饱和蒸汽，1=0.577对过热蒸汽，1=1.3（39）77图4-21G--p0/pw关系78将式（4-39）代入式（4-38），得到最大雾化介质流量：由此可知，最大雾化介质流量只和雾化介质的性质、压力以及雾化介质出口截面积有关缩放型（拉伐尔型）喷嘴的雾化介质流量的计算顺序：用式（4-40）计算最小截面（喉部）处的雾化介质流量（即最大介质流量），其中fw取最小截面（喉部）的面积式（4-38）用来计算拉伐尔喷嘴出口截面积拉伐尔管的扩散段长度取决于扩张角大小，一般取=5~10（40）79上述计算公式也可用于内混式喷嘴采用日本前沢等人的研究结果：将式（38）和式（40）中雾化介质压力pw及密度w变换成气液混合流的压力ph及密度h气液混合流的密度近似为：式中G、B分别为雾化介质及油流的质量流量，kg/s气液混合流体的压力式中Rh为混合流体的表观气体常数，m2/(s2K)Th为混合流体的温度，K(41)(42)80§4-3-3旋转式喷嘴旋转式喷嘴把油供给旋转体，借助于离心力以及周围的空气动力使油雾化旋转式喷嘴，大体分为旋转体型和旋转喷口型两种旋转体形喷嘴使油在旋转体表面形成油膜，进而雾化成细滴旋转喷口型喷嘴在旋转体上开设数个喷口，油从喷口中呈射流状喷出工程上，旋转体型喷嘴使用较广旋转体型喷嘴，按旋转体的形状可分为转板型和转杯型两大类旋转式喷嘴的特点是：（1）结构比较简单，如小于250kg/h的喷嘴不需要安装风机和风管系统，不需要高压油源（2）有良好的雾化特性，平均粒度较细，一般为40~50m，均匀度好（3）流量密度分布均匀，喷雾锥角大，为60~80（4）火焰短而粗，火焰是旋转的，有利于炉内传热（5）对燃料适应性好，对不同类型炉子的适应性也好（6）出油管由孔较大，不易堵塞（7）油的调节比值较大，一般为4~5缺点是：噪音和振动大811转板式喷嘴如图4-22所示，向转板中心喷出的油，借助油和转板之间的摩擦以及离心力作用，展延成薄的油膜，在转板上铺展开来由于油与转板间有滑动产生，因而油膜表面上液体粒子的运动轨迹呈螺旋形当油量少或粘度小时，油流在转板上呈丝状流动，降低了雾化质量由图4-22，在转板周围开有齿形缺口（图内阴影部分），空气从转板四周的齿形缺口和转板外缘的环状缝隙以高速喷出，与具有离心力的油膜相碰撞，油膜破裂、雾化，并与空气均匀混合根据试验，在相同条件下，具有齿形深度a

=

(r2

r1)

/r2

的转板，要比简单转板喷嘴的火焰长度短一半，且雾化的质量好82图22转板式喷嘴832转杯式喷嘴如图4-23所示，转杯高速旋转，油从中空轴流入转杯内壁，在离心力的作用下，转杯内表面形成油膜，由于油流运动路程长，油膜逐渐减薄，直至雾化成细粒脱离杯口，这是第一次雾化细粒脱离杯口后，与油流旋转方向相反的一次风相遇，在一次风的冲击下，细小的油粒再次雾化，显然，一次风能够促进雾化和混合良好，限制雾化火炬扩张，使火焰稳定通常要求一次风速大于油粒的旋转运动速度，一般取50~100m/s采用重油时，转杯内表面容易积炭结焦这是因为在停止燃烧后，残留在空轴内的油落入杯内，在炉内辐射烘烤下所形成的而转板式喷嘴，平滑的转板是垂直放置的，而且油管装在前方，其水平段长度很短，不会因燃料残滴的滴落而引起积炭结焦84图4-23转杯式喷嘴85§4-4液体燃料的燃烧装置液体燃料燃烧装置主要由油喷嘴（又称喷射器、油枪）和调风器组成此外，还有点火及调节装置等辅助部件图4-24为燃用重油的燃烧装置采用简单的离心式喷嘴（见图4-13）喷头处装有稳焰板调风器为径流可调叶片旋流器，通过改变叶片角度可以调节空气量及其旋转强度空气由共用风箱供给在主喷嘴旁装有点火喷嘴一般锅炉上按照有多个喷嘴，用控制喷嘴个数的方法来控制喷油量对停用的喷嘴，应将喷嘴及稳焰板一起抽回到后面的位置上，以防止炉内辐射热烧坏喷嘴86图4-24燃用重油的燃烧装置87图4-25为大型锅炉使用的重油燃烧装置采用回油式机械喷嘴（见图4-15），在喷嘴旁，设有点火设备，喷嘴外有冷却套管调风器为轴向叶片式旋流器一次风经稳焰器5后旋转进入炉内稳焰器为轴向叶片式旋流器，改变稳焰器叶片轴向位置可以调节一次风旋流度一次风量由风门来控制二次风经轴向旋流器8后旋转进入炉内，二次风旋转方向与一次风旋转方向相同二次风轴向旋流器套在一次风管外面，有操纵机构带动，沿轴向做前后移动，以改变二次风的旋流度一、二次风的总风门由操纵机构控制88图4-25回油式机械喷嘴89§4-5液体燃料喷嘴的设计计算喷嘴的计算可分为：设计计算与较核计算喷嘴的计算目的是：确定喷嘴的主要尺寸下面介绍：单级离心式机械喷嘴气动式喷嘴的设计计算方法§4-5-1机械式喷嘴根据喷嘴最大喷油量B、最大喷油压降

p及雾化锥角来确定雾化片及旋转片的主要尺寸，（见图4-10）901雾化片计算（1）喷嘴几何特性系数A根据试验，合理选择喷雾锥角根据式（34）和式（27）计算充满系数及几何特性系数A，或通过图12由查、A（2）喷口直径dp由式（24）可求得喷口截面积，从而求得喷口直径即：式中为流量系数，由式（25）计算或由图12查得y为t°C时油密度式中20为20°C时重油密度，一般为920~980kg/m3；为油的体积膨胀系数，=0.0025~0.002·20，这里20的单位是t/m3；ty为油温，°C；B为喷油量，kg/s；

p为喷嘴前后油的压差，Pa（43）（44）91（3）喷口长度l若l太长，将使雾化锥角缩小，雾化质量降低l太短，喷嘴容易磨损，降低喷嘴寿命一般l取(0.5~2.0)rp（4）旋流室到喷孔的过渡锥角一般取90°对桃形旋流室，可取60°2旋流片计算（1）切向孔数目n根据加工的可能性，以及使用时不堵塞为原则来选取切向孔半径rqk和孔数n一般取n=2~492（2）切向孔直径dqk

由式（26）几何特性系数从而得到切向孔总截面积式中rp为喷口直径，mm；R为切向孔中心线到喷口中心线之间距离，mm单个切向孔的截面积：式中dqk为单个切向孔直径，mm这里，R/rp一般情况下取2~6若R/rp值大，旋流度就大（45）（46）（47）93（3）切向孔深度hh太浅会使油偏离切线方向h太深会增加阻力损失一般取h=(1.5~4)dqk（4）旋流室宽度H稍大于dqk（5）旋流室直径D D=(R/rp

)dp+dqk如果切向孔非圆形，则：切向槽高取b=1.5~2.5mm槽长s=(1~2)b槽面积fqk=nbs94例题：已知某燃气轮机燃烧室采用的离心式机械喷嘴的几何尺寸为：R=5.0mm，rp=0.6mm；n=3，rqk=0.69mm。其中最大压力降pmax=50105Pa，最小压力降pmin=5105Pa，重油的密度为920kg/m3。试求该喷嘴的最大最小喷油量与喷雾锥角解：喷嘴几何特性系数由式（27）：求得=0.491由式（28），有：由式（24），有：对应pmax下最大喷油量：对应pmin下最小喷油量：由式（34）可计算喷雾锥角：油导管计算和下面举例的介质式喷嘴计算方法相同。95§4-5-2气动式喷嘴在已知单个喷嘴容量、油温、油压及雾化介质、温度、压力的情况下，确定喷嘴的油喷口直径、雾化介质流通截面积、导油管及雾化介质导管直径气动式喷嘴有高压和低压之分，在这两种喷嘴的计算方法中，除雾化介质喷口截面计算不同以外，其余个部分基本相同1油喷口直径dy式