工程燃烧学-液体燃料的燃烧.ppt

,,,,第六章液体燃料的燃烧,,,,,一、液体燃料燃烧的特点,液体燃料的沸点低于着火温度，先蒸发后燃烧，总是燃烧其蒸气。燃烧过程分为三步–蒸发较慢；–混合油蒸汽与氧相互扩散，较快；–燃烧燃烧速度高，油燃烧速度取决于最慢的蒸发速度。液体燃烧不同于固体燃烧的异相化学反应，只能在表面蒸发，并在离液滴表面一定距离的火焰面上燃烧，液体表面无火焰，内部无火焰液体燃料的燃烧不同于气体燃料的均相扩散燃烧液体燃料在和空气混合前存在蒸发气化过程，油滴在蒸发气化过程中如果处于高温缺氧状态，将发生热裂解,,,,,二、燃烧方式,根据液体燃料在着火燃烧前发生蒸发与气化的特点，将其燃烧分为1、液面燃烧液体表面有热源或火源，使液体表面蒸发，当燃料蒸气与周围空气形成一定浓度的卡然混合气，并达到着火温度时，便可发生液面燃烧。如果燃料蒸气与空气混合不良，则将导致燃料严重裂解，其中的重成分不发生燃烧反应，会产生大量黑烟严重污染环境。例如油罐火灾、海面浮油火灾等。2、灯芯燃烧利用灯芯将燃油抽吸出来，在灯芯表面生成油蒸气，油蒸气和空气混合发生燃烧。如煤油炉、煤油灯等。3、预蒸发型燃烧燃料进入燃烧空间之前蒸发为油蒸气，以不同比例与空气混合后进入燃烧室中燃烧。燃烧方式与气体燃料燃烧原理相同。适合于黏度、沸点不高的轻质液体燃料。例如汽油机装有汽化器，燃气轮机装有蒸发管。4、喷雾型燃烧把液体燃料通过喷雾器雾化成一股由微小油滴组成的雾化锥气流，在雾化的油滴周围存在空气，当雾化锥气流在燃烧室被加热，油滴边蒸发，边混合，边燃烧。动力行业多采用此种燃烧方式，是工程实际中主要的液体燃料燃烧方式。,,,,,三、液体燃料的喷雾燃烧,油的雾化油滴的蒸发油滴的燃烧过程,,1、油的雾化,用雾化器将燃油分裂成许多微小而分散的油滴，以增加燃油单位质量的表面积，使其能和周围空间的氧化剂更好地进行混合，在空间达到迅速和完全的燃烧。雾化的方法可分为机械式雾化和介质式雾化。,,,,,燃油雾化过程可简单地描述成燃油从喷嘴喷出时形成油流，由于初始湍流状态和空气对油流的作用，使油流表面发生波动，在外力作用下，油流开始变为薄膜并被碎裂成细油滴。,已分裂出的油滴在气体介质中还会继续再分裂。油滴在飞行过程中，受外力（油压形成的推进力、空气阻力和重力）和内力（内摩擦力和表面张力）作用，只要外力大于内力，油滴便会产生分裂。直到最后内力和外力达到平衡，油粒不再破碎。,（1）雾化过程,,,,,,（2）雾化方法,机械式雾化,燃油在高压下通过雾化片的特殊机械结构将燃油雾化，通过喷油嘴喷出。按该原理工作的雾化器有直流式、离心式和转杯式,雾化后的油滴直径随雾化器内油压的增大而减小,,,,,介质式雾化,靠附加的雾化介质（蒸气或压缩空气）的能量来雾化的。根据其压力的不同，分为高压雾化（1x105Pa以上）、中压雾化（1x1041x105Pa）和低压雾化（3x1031x104Pa）。,,,,,（3）提高雾化质量的途径,保证燃油的喷射压力。压力越高，雾化油滴越细；降低燃油的粘性和表面张力。如对重油进行预热处理；提高油滴对空气的相对速度；增强油流本身的湍流扰动；减小雾化喷嘴直径，油膜薄，雾化好；增大雾化喷嘴旋转强度，油膜薄，雾化好。,（4）燃油雾化质量指标,雾化颗粒平均粒径为保证燃烧的迅速与完全，雾化细度愈细愈好，但为了燃烧的完全与稳定又不宜过细；雾化角雾化角即油雾炬的张角，宜控制在60100；雾化均匀度油滴粗细差别越小，雾化均匀度越高，机械雾化器为24；流量密度单位时间内通过垂直于燃油喷射方向的单位横截面上的燃油体积。分布越均匀越有利于燃烧；油雾射程水平喷射时油粒降落前在轴线方向移动的距离。一定程度上可以反映火焰的长度。,,,,,2、油滴的蒸发,油滴的蒸发是一个很复杂的问题，油滴群的蒸发由于涉及到油滴间的影响就更复杂。在蒸发过程中，油滴直径、油滴相对于气流的运动速度、换热系数、油滴温度与其相应的饱和蒸气压力、油滴表面与周围气体间的温差、油气扩散条件以及其他因素都同时在发生变化。,,,,,3、油雾的燃烧过程,燃烧过程大致分为图示几个阶段，但各阶段之间是相互联系，相互制约的。在火焰中，各个阶段之间并不存在明显的界限。,,,,,（1）油滴燃烧,大多数油滴在燃烧室中边蒸发、边混合。边燃烧，在油滴表面附近形成一个球形火焰面，在火焰面上蒸气与空气相遇而进行燃烧。如果油滴和周围气体之间没有相对运动，那么在油滴的周围形成一同心的球状扩散火焰，称为全周焰。,当油滴与周围气体之间有相对运动时，火焰形状变为椭圆形，而且随着气流速度增大，椭圆形火焰会沿着气流方向被拉长，当速度继续增大，火焰首先会在油滴的迎风面上熄灭，然后渐向油滴后方转移，直到油滴尾部某个位置为止，形成所谓后流焰。,一颗油滴燃烧完全所需的时间与其直径的平方成正比。直径平方直线定律。,,,,,工程上液体燃料的燃烧是一群粒度不同的液体组成的油雾在燃烧。,（2）油雾燃烧,a.油雾燃烧的特点–油滴大小不均匀；–油滴有一定速度，处于强迫流动；–除导热外，还有对流换热，温度高时还有辐射换热；–油滴间互相传热，减少了油滴的热量损失，进而促使油滴的蒸发和燃烧；–相邻油滴同时燃烧竞争氧气，妨碍了氧气的扩散，使燃烧速度变慢；–小油滴易燃尽，大油滴不易燃尽。,,,,,轻质油基本符合直径平方直线定律；重质油（重油）燃烧时首先受热产生碳黑壳，接着内部气化、膨胀、破裂，再燃烧，但最终总结果，燃尽时间基本符合直径平方直线定律关系。,b.油雾的燃烧规律,,,,,（1）加强雾化，减小油滴直径，选用合适的雾化器；（2）增加空气与油滴的相对速度。相对速度越大，越有利于燃料和空气之间的扩散、混合，加强燃烧；（3）及时、适量供风–及时供风，避免高温、缺氧造成燃料热分解；–适量供风，提高燃烧效率。（4）供风原则–少量一次风送入火焰根部，在着火前与燃料混合，防止油在高温下热分解；–保证后期混合，提高风速，使射流衰减变慢；–在着火区制造适当的回流区，保证着火；–燃烧中保证油雾与空气强烈混合，气流雾化角与油雾扩散角相适应。,4、强化油燃烧的途径,,,,,如何强化油雾与空气的混合,a.使空气与油雾成交角相遇；b.使空气成旋转气流与空气相遇；c.使空气分两次与空气相遇。,,,,,,四、燃油烧嘴,1、对燃油烧嘴的基本要求具有一定的燃烧能力；能保证雾化质量，为空气和油雾的混合提供良好条件；燃烧稳定、火力可调；设计合理、使用方便、工作可靠、检修容易。,,,,,,2、燃油烧嘴的基本分类,,,,,,3、几种按雾化方法分类的燃油烧嘴的工作原理,（1）气体介质雾化式低压油烧嘴以鼓风机供给的空气作雾化剂。此时，油的喷口相对空气喷口的位置对油的雾化质量关系密切。,影响雾化质量的因素油嘴结构、设计参数；油压；气压等。,,,,,,（2）气体介质雾化式高压油烧嘴,用高压气体介质作雾化剂。,压缩空气或蒸气氧气天然气,,,,成本低对金属损害不大,,,,图中表示的是一种结构最为简单的高压油烧嘴。雾化剂与油流股成25交角以强化雾化效果，雾化剂喷出的速度低于临界状态下的音速。,烧嘴形成的火焰外形细而长,小嘴火焰长2-4米；燃烧能力7-10kg/h大嘴火焰长7米；燃烧能力350-400kg/h,,,,,,,上图是采用拉瓦尔管制成的油烧嘴。一次雾化雾化剂经一段扩张管后和重油相遇；二次雾化二次雾化剂与一次混合后的燃料进一步混合。优点油粒在气流断面上分布更加均匀；速度分布也更加均匀。,,,,,,多喷口高压油烧嘴是内混式的，有多个向外倾斜一定角度的油雾喷口，可以形成一个大张角的油雾炬。喷口的倾斜角和喷口间距应相互配合，使形成的火焰形成一个空心圆锥体，确保火焰的稳定。,,,,,,靠重油在本身压力能的作用下由烧嘴喷出而雾化。,此时，不需要雾化剂。燃烧所需的全部空气由鼓风机另行供给。,简单型油压烧嘴的油量调节是调节供油管道上的阀门。油压降低会直接导致雾化质量下降，使得该种烧嘴的调节倍数小，只适合热负荷变化不大的炉子。,内回油型油压烧嘴在供油压力不变的情况下，可以改变回油量的办法来调节烧嘴能力。,（3）油压式烧嘴,,,,,,油压式烧嘴不需要雾化剂，烧嘴结构简单紧凑，使用时噪音小，空气预热温度不受限制。但雾化颗粒直径比高压和低压油烧嘴大，且要求油压很高。油压式喷嘴的烧嘴头容易堵塞。因此，结构上要求拆卸方便，易于清理。油压式烧嘴被广泛应用于锅炉上，而在冶金、机械生产过程中的炉子上应用较小。,,,,,,（4）转杯式油烧嘴,靠转杯的高速旋转产生的离心力，并加上空气流的冲击摩擦而将油进行雾化。雾化质量取决于转杯的转速。燃烧重油时，要求高于4000r/min才能保证雾化质量。,1-转轴2-油路3-转杯4-风路,转杯烧嘴多用于中小型锅炉，也可用于热处理炉和某些窑炉。,,,,,,五、水煤浆的燃烧,水煤浆的燃烧过程和原理与燃油锅炉类似，但又因其特殊的物理化学特性，对燃烧系统有特殊要求。制备好的水煤浆在锅炉的燃烧系统中应经过下列重要过程,防止发生沉淀的炉前搅拌系统；滤去杂质的炉前过滤系统；供浆系统；炉前水煤浆雾化喷嘴；水煤浆燃烧器；雾化后的水煤浆喷入炉内完成燃烧；除灰、排渣系统等。,,,,,,实验指出，水煤浆的燃烧过程大致分为四个阶段升温水分蒸发挥发分析出与燃烧残炭燃烧,水煤浆中含30左右的水分蒸发所损耗的热量，仅占煤浆热值的3-4，水分蒸发所占的时间仅占全部燃烧时间的1.2-1.4。,水煤浆燃烧中所含的水分对燃烧过程并未造成多大的影响，但水却使固态燃料（煤）变成了液态燃料，方便了燃料的输送、提高了燃烧质量、提高了燃烧热的利用率并降低了燃烧对环境的污染程度。,,,,,,水煤浆比燃油难以雾化。,图示为一种低压旋流型喷嘴。,旋流体外围刻有螺旋槽，槽的流通面当量直径为最大煤粒（300-200μm）的8-10倍。,煤浆经中心孔进入，经分配孔及螺旋槽形成旋流进入旋流室，接着在雾化室与切向进入的雾化介质相遇并雾化成细小的液滴从喷嘴喷出。,,,,,,实验与工业应用已经证明,在工业上大规模推广水煤浆是可行的，与燃油锅炉相比经济效益显著；水煤浆在燃烧时燃烧效率在98以上，负荷调节幅度大，操作安全方便，优于煤粉炉；能有效地控制环境污染，降低飞灰含量。,