液體燃料燃燒解析課件

1、第六章 液體燃料燃燒第1頁，共58頁。第一節(jié) 液體燃料燃燒特性 一、燃燒方式液體燃料的燃燒方式可分為兩類：一類為預(yù)蒸發(fā)型；另一類為噴霧型。第2頁，共58頁。二、重油燃燒過程當(dāng)重油油滴進(jìn)入高溫爐膛空間后，油滴被煙氣加熱。第3頁，共58頁。蒸發(fā)出來的油汽在足夠高的溫度下燃燒。油滴燃燒所需時(shí)間主要由兩段組成：重油油滴蒸發(fā)產(chǎn)生的油汽燃燒所需時(shí)間，及其焦炭核燃燒所需時(shí)間。第4頁，共58頁。圖6-1 重油旋轉(zhuǎn)氣流燃燒過程 第5頁，共58頁。三、強(qiáng)化液體燃料燃燒的措施1、強(qiáng)化液體燃料的蒸發(fā)過程2、強(qiáng)化液體燃料與空氣的混合過程3、防止或減少液體燃料化學(xué)熱分解（熱裂解）第6頁，共58頁。第二節(jié) 液體燃料霧化理論

2、 液體燃料的霧化是液體燃料噴霧燃燒過程的第一步。第7頁，共58頁。一、霧化原理霧化過程就是把液體燃料破碎成細(xì)小液滴群的過程。第8頁，共58頁。霧化過程可分為以下幾個(gè)階段：液體首先由噴嘴流出形成液體柱或液膜；分離為液體碎片或細(xì)絲，液體碎片或細(xì)絲收縮成球形液滴；大液滴進(jìn)一步碎裂成小液滴。第9頁，共58頁。第10頁，共58頁。液滴的變形和破碎的程度取決于作用在液滴上的外力和形成液滴的液體表面張力之間的比值，此值常用維泊（Weber）數(shù)（或稱破碎準(zhǔn)則）來表示。其定義為：第11頁，共58頁。實(shí)驗(yàn)表明，We數(shù)增大，液滴碎裂的可能性增加。對(duì)于油滴，當(dāng)We14時(shí)，油滴變形嚴(yán)重，以致碎裂。上式表明，燃燒室中的壓

3、力增高、相對(duì)速度增加以及液體的表面張力減小，均對(duì)霧化過程有利。 第12頁，共58頁。二、霧化方式和噴嘴按照油的霧化機(jī)理，工程上油的霧化方式分為：壓力式、旋轉(zhuǎn)式和氣動(dòng)式等。前兩種又稱為機(jī)械式霧化。如下圖所示。第13頁，共58頁。1、壓力式霧化噴嘴壓力式霧化噴嘴又稱為離心式機(jī)械霧化器。它可以用在航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)以及鍋爐和工業(yè)窯爐上。根據(jù)使用的對(duì)象、容量以及其它具體情況，這種噴嘴可以采用不同的結(jié)構(gòu)形式和壓力范圍，如表6-1所示，但他們的工作原理是相同的。 第14頁，共58頁。表6-1 壓力式霧化噴嘴的壓力范圍 鍋爐、工業(yè)爐燃?xì)廨啓C(jī)柴油機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓力范圍/MPa23.55815301

4、00第15頁，共58頁。第16頁，共58頁。2、旋轉(zhuǎn)式霧化噴嘴壓力油流通過空心軸進(jìn)入噴嘴頭部高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯內(nèi)，其轉(zhuǎn)速約為30006000rpm，高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，使油流從轉(zhuǎn)杯內(nèi)壁向出口四周的切線方向甩出，因速度較高使油膜被空氣霧化成細(xì)滴。旋轉(zhuǎn)杯式噴嘴的結(jié)構(gòu)示于圖6-5所示。 第17頁，共58頁。3、氣動(dòng)式霧化噴嘴氣動(dòng)式霧化噴嘴又稱介質(zhì)式霧化噴嘴。它利用壓縮空氣或高壓蒸汽為霧化介質(zhì)，將其壓力轉(zhuǎn)化為高速氣流，使液體噴散成霧狀氣流。采用蒸汽為介質(zhì)的霧化噴嘴又分為純蒸汽霧化和蒸汽機(jī)械（壓力）綜合霧化兩類噴嘴。 第18頁，共58頁。純蒸汽霧化的供油壓力用得較低，甚至只需用高位油箱的壓頭即可，這種噴嘴

5、常用在小型工業(yè)鍋爐上。蒸汽機(jī)械噴嘴則在電站鍋爐上用得較多，其油壓、汽壓接近，約在0.52.0MPa，它依靠油流和蒸汽具有的能量將燃油破碎成油滴，故要求的油壓可以比機(jī)械霧化噴嘴低，汽耗率也較低。第19頁，共58頁。三、霧化性能參數(shù)一般可用一些特性參數(shù)來表征噴嘴的霧化性能。即霧化氣流（或稱霧化錐）中液滴群的霧化細(xì)度、霧化氣流的擴(kuò)張角度（霧化角）、霧化氣流的流量密度分布、射程及流量等。其中霧化細(xì)度、霧化角和流量密度分布較常用。第20頁，共58頁。1、霧化細(xì)度霧化氣流中液滴大小各不相同，液滴直徑越小則總表面積越大，蒸發(fā)、混合及燃燒速度也就越快。第21頁，共58頁。液滴分布常用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示，設(shè)總質(zhì)量為

6、g（g）的液滴群中，直徑大于x（單位為m）的液滴質(zhì)量為gx（g），則直徑大于x的液滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)Rx為第22頁，共58頁。為了用一個(gè)平均滴徑數(shù)表示霧化顆粒的分布情況，常用平均當(dāng)量直徑表示，般有下列兩種表示方法。（1）質(zhì)量平均當(dāng)量直徑dm第23頁，共58頁。（2）索太爾平均當(dāng)量直徑dsmd第24頁，共58頁。2、霧化角噴嘴出口處的燃料細(xì)油滴組成霧化錐（見圖6-7），噴出的霧化氣流不斷卷吸爐內(nèi)高溫氣體并形成擴(kuò)展的氣流邊界。第25頁，共58頁。有出口霧化角和條件霧化角之分。（1）出口霧化角。在噴嘴出口處作霧化錐外邊界的切線，切線的夾角即為出口霧化角，可用或2表示其大小。 第26頁，共58頁。（2）條件霧

7、化角。以噴口中心為圓心，距離x為半徑（一般x取200mm）作弧，與邊界線得兩交點(diǎn)，連接噴口中心與兩邊界線交點(diǎn)的連線，這兩連線間的夾角稱為條件霧化角，可用x或2x表示。顯然x，其差值可達(dá)20以上。第27頁，共58頁。3、流量密度單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于油霧速度方向的單位面積上燃油流量qv稱為流量密度，其單位為cm3/(cm2s)。第28頁，共58頁。四、燃油設(shè)備對(duì)配風(fēng)的要求為保證燃料油燃燒得好，除噴嘴應(yīng)具有良好的霧化性能外還需得到合理的配風(fēng)。對(duì)配風(fēng)的原理及配風(fēng)器（也稱通風(fēng)器）應(yīng)提出以下一些基本要求，從而設(shè)計(jì)出合理的配風(fēng)器結(jié)構(gòu)。 第29頁，共58頁。（1）為防止燃料油在高溫下熱裂解，必須在火焰根部送入

8、一部分空氣，稱為一次風(fēng)，。（2）燃油霧化氣流的擴(kuò)張角與空氣射流的擴(kuò)張角度應(yīng)合理匹配。 第30頁，共58頁。（3）采用旋轉(zhuǎn)氣流。（4）加強(qiáng)風(fēng)、油后期的混合。第31頁，共58頁。一、液滴的蒸發(fā)單個(gè)液滴的蒸發(fā)和燃燒規(guī)律對(duì)液體霧化氣流燃燒是很重要的基礎(chǔ)理論。大量試驗(yàn)證明，液滴燃燒一般為擴(kuò)散燃燒。即液滴蒸發(fā)的燃料氣體的反應(yīng)速度比傳熱、傳質(zhì)速度快得多，因而其燃燒過程由傳熱、傳質(zhì)速度所決定。第32頁，共58頁。1、斯蒂芬（Stefan）流在相界面上存在物理或化學(xué)變化（如液滴的蒸發(fā)或燃燒過程），而且這種變化在不斷產(chǎn)生或消耗質(zhì)量流，在這種物理或化學(xué)的變化過程與氣體組分?jǐn)U散的綜合作用下，則在相界面的法線方向產(chǎn)生一

9、股與擴(kuò)散物質(zhì)流有關(guān)的總質(zhì)量流，這是一股宏觀的物質(zhì)流動(dòng)，以速度ug離開液滴表面。這一現(xiàn)象是斯蒂芬在研究水面蒸發(fā)時(shí)首先發(fā)現(xiàn)的，故稱斯蒂芬流。 第33頁，共58頁。假設(shè)液滴為規(guī)則球體，半徑為r1，由于斯蒂芬流引起的燃料蒸汽向外對(duì)流，其數(shù)量為：第34頁，共58頁。2、相對(duì)靜止環(huán)境中液滴的蒸發(fā)相對(duì)靜止環(huán)境指液滴與周圍氣體間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)。即：第35頁，共58頁。相對(duì)靜止環(huán)境中液滴完全蒸發(fā)所需的時(shí)間0為：稱為直徑平方直線定律。第36頁，共58頁。3、強(qiáng)迫氣流中液滴蒸發(fā)的折算薄膜理論把液滴周圍不規(guī)律的邊界層折算成理想情況下的均勻邊界層，只是折算的薄膜半徑與理想情況不同。 第37頁，共58頁。隨著相對(duì)速度增大，N

10、u數(shù)增大，使得K1增大，因而蒸發(fā)時(shí)間比靜止環(huán)境中明顯縮短。 第38頁，共58頁。二、液滴的擴(kuò)散燃燒液滴的燃燒是一個(gè)涉及同時(shí)發(fā)生熱量、質(zhì)量和動(dòng)量交換以及化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜過程。影響液滴燃燒的主要因素有：液滴尺寸、燃料成分、周圍氣體成分、溫度、壓力和液滴與周圍氣體間的相對(duì)速度等。第39頁，共58頁。1、相對(duì)靜止環(huán)境中液滴的擴(kuò)散燃燒相對(duì)靜止的燃料液滴燃燒時(shí)，可看成液滴被一對(duì)稱的球形火焰包圍，火焰面半徑rf通常比液滴半徑r1大得多。靜止條件下的液滴燃燒屬于擴(kuò)散燃燒。其模型如圖6-13所示。第40頁，共58頁。圖6-13 液滴擴(kuò)散燃燒模型 第41頁，共58頁。形式上雖然和液滴蒸發(fā)時(shí)間關(guān)系式相同，但K0比前述

11、的K1多考慮了氧的擴(kuò)散影響。由此可見，燃油的霧化質(zhì)量對(duì)燃燒的影響是很大的。 第42頁，共58頁。2、強(qiáng)迫對(duì)流環(huán)境中液滴的擴(kuò)散燃燒（折算薄膜理論）第43頁，共58頁。三、液滴群的蒸發(fā)與燃燒液滴群的燃燒主要可分為預(yù)蒸發(fā)式燃燒、液滴群擴(kuò)散燃燒、復(fù)合式燃燒等三類。 第44頁，共58頁。1、預(yù)蒸發(fā)式燃燒這種燃燒情況相當(dāng)于霧化液滴很細(xì)，周圍介質(zhì)溫度高或噴嘴與火焰穩(wěn)定區(qū)間距離長，使液滴進(jìn)入火焰區(qū)前已全部蒸發(fā)完，燃燒完全在無蒸發(fā)的氣相區(qū)中進(jìn)行，這種燃燒情況與氣體燃料的燃燒機(jī)理相同，液滴蒸發(fā)對(duì)火焰長度的影響不大。 第45頁，共58頁。2、液滴群擴(kuò)散燃燒周圍介質(zhì)溫度低或霧化顆粒較粗（或蒸發(fā)性能差），在燃燒區(qū)的每個(gè)

12、液滴周圍有薄層火焰包圍，在火焰面內(nèi)是燃料蒸汽和燃燒產(chǎn)物，火焰面外是空氣和燃燒產(chǎn)物，液滴蒸汽各自供應(yīng)液滴周圍火焰并和氧氣相互擴(kuò)散進(jìn)行燃燒反應(yīng)，即液滴群中每一液滴獨(dú)立地進(jìn)行燃燒。第46頁，共58頁。3、復(fù)合式燃燒這種燃燒情況介于預(yù)蒸發(fā)式燃燒和液滴群擴(kuò)散燃燒之間。第47頁，共58頁。四、液霧燃燒的理論模型第48頁，共58頁。液霧燃燒是紊流中的化學(xué)反應(yīng)過程，又是兩相流動(dòng)，在發(fā)展計(jì)算模型中遇到了很大的困難。根據(jù)對(duì)問題的認(rèn)識(shí)深度以及采用假定的不同，模型有很多種。從簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式到復(fù)雜的兩相紊流的燃燒模型。第49頁，共58頁。1、經(jīng)驗(yàn)公式2、液滴軌跡模型3、一維模型4、攪拌反應(yīng)器模型5、局部均勻流（LHF）

13、模型6、兩相流模型（分離流SF模型）7、霧群燃燒模型第50頁，共58頁。第四節(jié) 液體燃料乳化燃燒 在燃燒過程中，乳化油與純油相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在，我國已投產(chǎn)了600MW等級(jí)乳化油發(fā)電機(jī)組。第51頁，共58頁。一、油的乳化在燃油中摻入少量乳化劑，再通過乳化裝置的攪拌，則可獲得穩(wěn)定和均勻的油水乳化液。這種混合液體稱為乳化油，有兩種類型的乳化油：一是使水成為分散相，水被分裂成許多微細(xì)的水珠均勻懸浮在油中，稱為油包水型乳化液；二是油為分散相，油被分裂成許多微細(xì)的油珠均勻懸浮在水中，稱為水包油型乳化液。乳化油燃燒可以節(jié)能、降低污染物排放。 第52頁，共58頁。二、乳化油燃燒乳化燃料燃燒是個(gè)復(fù)雜的過程

14、，對(duì)其節(jié)能降污機(jī)理較為成熟的解釋是乳化燃料燃燒中存在的“微爆”現(xiàn)象和水煤氣反應(yīng)，也就是從燃燒的物理過程和化學(xué)過程來解釋。第53頁，共58頁。乳化油燃燒過程的物理作用即所謂“微爆”作用。第54頁，共58頁?；瘜W(xué)作用即水煤氣反應(yīng)。在高溫條件下，部分水分子與未完全燃燒的熾熱的炭粒發(fā)生水煤氣反應(yīng)，形成可燃性氣體，反應(yīng)式如下： C+H2O CO+H2 C+2H2O CO2+2H2 CO+H2O CO2+H2 2H2+O2 2H2O 第55頁，共58頁。上述這些反應(yīng)，減少了火焰中的碳粒，提高了油的燃燒程度，改善了燃燒狀況，提高了油的燃燒效率。在缺氧條件下，燃料中由于高溫裂解產(chǎn)生的碳粒子，能與水蒸氣反應(yīng)生成CO和H2，使碳粒子能充分燃燒，提高了燃燒率，降低了排煙中的煙塵含量，另一方面，由于乳化水的蒸發(fā)作用，均衡了燃燒時(shí)的溫度場(chǎng)，從而抑制了NOx的形成。通過上述的微爆及水煤氣反應(yīng)，乳化油燃料可獲得減輕大氣污染和節(jié)約能源的雙重效果。 第56頁，共58頁。目前，乳化燃燒技術(shù)在我國已進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。東方鍋爐廠于2003年自主開發(fā)設(shè)計(jì)制造了世界上首臺(tái)專門燃用奧里乳化油的600MW亞臨界自然循環(huán)電站鍋爐，已在湛江中粵能源有限公司成功投入商業(yè)運(yùn)行，目前有兩臺(tái)奧里乳化油鍋爐投運(yùn)。奧里油是產(chǎn)于委內(nèi)瑞拉諾科河地帶的一種超重原油，常溫下粘