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1、第七章 颗粒燃料的燃烧,刘雪玲 天津大学热能工程系,PM2.5,PM2.5：particulate matter 颗粒物，是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。它的直径还不到人的头发丝粗细的1/20。,根据PM2.5检测网的空气质量新标准： 优：035 良：3575 轻度污染：75115 中度污染：115150 重度污染：150250 严重污染：250及以上,12月8日，预报PM2.5指数最高值达到395。 图为记者在济南市山大路拍到的街景。（中新社发 邱江波 摄）,发动机中喷射的汽油和柴油燃料,（一）液体燃料燃烧,（一）液体燃料燃烧,航空燃气（涡）轮（发动）机,（一
2、）液体燃料燃烧,运载火箭发动机（美国阿波罗土星推进器，中国神九长征2号运载火箭液体助推器）,雾化,液滴汽化、蒸发,燃料与空气混合,液滴燃烧,（一）液体燃料燃烧,液体燃料燃烧过程 （较气体复杂）,雾化概念及过程,雾化概念：用物理方法使液体燃料碎裂成细小液滴 群的过程。,1) 液体由喷嘴流出形成液柱或液膜。 2) 由于液体射流本身的初始湍流以及周围气体对 射流的作用（脉动、摩擦等），使液体表面产 生波动、褶皱，并最终分离出液体碎片或细丝。 3) 在表面张力的作用下，液体碎片或细丝收缩成球 形油珠。 4)在气动力作用下，大油珠进一步碎裂。,注意：雾化是物理过程、雾化后不是气体,雾化过程：,液体燃料的
3、雾化,作用：,1、雾化角,R=100mm,雾化角：又称油雾炬的张角，指喷嘴出口到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角。,液体燃料的雾化特性（评价指标）,r,条件雾化角：以喷嘴为圆心，r为半径的圆弧和外包络线交点与喷口中心连线的交角。,雾化角的大小对燃烧完善程度和经济性有很大影响，是雾化器设计的一个重要参数。,R=100mm,液体燃料的雾化特性（评价指标）,r,雾化角对燃烧影响： 过大：油滴穿出湍流最强区域，混合不良，燃烧不完全，降低燃烧效率。 过小：液滴不能有效分布在这个燃烧室空间，造成局部过剩空气系数过大，燃烧温度下降、着火困难、燃烧不良。,雾化角对火焰的影响： 过大：火焰粗而短； 过小：细而
4、长。,液体燃料的雾化特性（评价指标）,2、雾化液滴细度,Sauter平均直径：假设每个液滴直径相等时，按所测得的所有液滴的总体积V与总表面积S计算出来的液滴直径。,液体燃料的雾化特性（评价指标）,质量中间直径MMD： D50: Mass-median-diameter (MMD). The log-normal distribution mass median diameter. The MMD is considered to be the average particle diameter by mass,假设存在一中间直径dm，大于与小于dm的油珠的总质量相等。,液体燃料的雾化特性（评价
5、指标）,3、雾化均匀度,n 均匀度指数，n=14,燃料雾化后液滴颗粒尺寸的均匀程度。,Rosin-Rammlar分布,:特征尺寸R=36.8的液滴直径,R： 液滴质量(体积)占取样总质量(体积)的百分数,例：R90=32:大于 90m的颗粒占总颗粒的32,液体燃料的雾化特性（评价指标）,4、流量密度分布,单位时间内在油滴运动的法线方向上，单位面积上通过的油滴的流量。 判断油雾断面上油量分布的均匀程度。,液滴集中在油雾距轴线附近，燃烧时间长、火焰长,液滴分布较均匀，与空气混合好，燃烧快、火焰短,液体燃料的雾化特性（评价指标）,雾化对燃烧影响：,雾化越细，烧越充分； 雾化的好坏，是组织好燃料燃烧的
6、前提。,油粒的蒸发与燃烧,蒸发 受热产生油蒸气 热解和裂化 油蒸汽高温下受热分解，产生固体碳和氢气。 液体油粒也会裂化出较轻的分子，剩下较重的分子。 着火燃烧 油蒸汽、热解和裂化产物与氧接触、达到着火温度时，着火燃烧。,单个液滴的燃烧模型,油粒燃烧过程特点,整个燃烧过程的速度,油的蒸发速度,油的燃烧速度,油粒的蒸发与燃烧,油粒的蒸发与燃烧,油滴的净导热量：,油滴气化潜热：,油蒸气升温：,稳定蒸发过程的热平衡方程：,油滴升温：,稳态时：,油粒的蒸发与燃烧,边界条件：,蒸发速率,引入传输系数：,BT ， mv ,油粒燃烧时间,根据质量守恒：蒸发速率液滴单位时间质量减少量,油粒燃烧时间,用油粒直径表
7、示：,进一步简化：,蒸发速率常数,rs 0 燃尽时间b:,物性参数的选择：,例题： 直径为500m的正乙烷（C6H14）在热的滞止氮气中蒸发，压力为常压1atm。氮气温度850K，确定正乙烷液滴的寿命和蒸发速率。 已知：正乙烷液体密度659kg/m3， 蒸汽的定压比热容2872J/(kg.k)， 导热系数0.0464W/(m.k)， 汽化潜热335kJ /(kg.k)， 常压下，正乙烷沸点温度为342K。,油雾燃烧(液滴群燃烧),油雾燃烧模型,预蒸发型燃烧、滴群扩散燃烧、复合燃烧,预蒸发型燃烧,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
8、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。,周围介质温度低或雾化颗粒较粗，蒸发性能差，进入燃烧区时油珠基本未蒸发，形成滴群的扩散燃烧。燃烧形式以单颗液滴燃烧形式进行。燃烧和蒸发几乎同步，蒸发过程决定整个燃烧过程，反应动力学因素影响不大。,滴群扩散燃烧,油雾燃烧(液滴群燃烧),复合燃烧,介于预蒸发型气体燃烧和滴群扩散燃烧之间。如较常见的喷雾液滴燃烧，因喷出的雾滴大小不均匀，其中较小的液滴在火焰区前方已蒸发完，形成预混型气体火焰，较粗的液滴到达火焰区时尚未蒸发完毕，产生滴群扩散火焰。这时蒸发因素、反应动力学因素、湍流因素都将对燃烧过程产生影响。,液滴群
9、燃烧特点； 1)液滴群燃烧过程的扩展主要是借助于液滴的不断着火、燃烧； 2)液滴群燃烧速度一般比均匀混合气燃烧速度小； 3）液滴群燃烧的着火界限和稳定工作范围较均匀可燃混合气燃烧宽。,作业题： 试计算在常压、960的环境温度下，直径为0.1mm的汽油雾滴在相对静止条件下的完全蒸发时间。 已知：汽油密度820kg/m3， 汽化潜热320kJ /(kg.k)， 常压下，汽油的沸点温度为342K； 油蒸汽定压比热容2.48kJ/(kg.k)， 油蒸汽导热系数3.0510-5kW/(m.k)。,(二)固体燃料燃烧,煤的燃烧过程：,煤干燥(水分蒸发)热解(挥发分析出)焦炭燃烧,焦炭的燃烧占煤燃尽时间的9
10、0% 煤燃烧中焦炭的燃烧起决定性作用,焦炭成分：固定碳矿物质 固定碳的燃烧决定了焦炭的燃烧过程,碳粒燃烧,碳粒燃烧过程的 5个环节： （1）氧分子扩散到达碳的表面 （2）氧被碳吸附，形成活化络合物CXOY。 （3）CXOY在高温下分解为CO2和CO，也可与氧发生反应形成CO2和CO。 （4）燃烧产物（CO2、CO）从固体炭表面解吸（脱离吸附） （5）解析后的燃烧产物（CO2、CO）从固体表面向周围扩散。,碳粒燃烧,碳粒表面气体消耗速率计算：,反应气体向反应表面的扩散速度：,碳表面气体（氧）燃烧反应速度：,稳定燃烧时：,碳粒燃烧,碳的燃烧速度：,g碳/cm2.s,碳的燃烧减少量：,碳粒燃烧的时间
11、：,碳粒燃尽的时间：,煤的燃烧方式,层状燃烧 燃料放在炉篦或炉排之上，通过炉篦或炉排的缝隙将空气送入燃烧层，使之进行燃烧，高温燃烧产物进入炉膛进行换热，燃尽的灰渣通过炉篦缝隙或排渣口排出。如：工业链条炉。,煤的燃烧方式,悬浮燃烧 燃料与空气的混合物喷入燃烧室或炉膛内，则燃料将在这个空间内以悬浮状态完成燃烧过程。例如：大型电站锅炉,优点： 煤粉体积小，与空气接触面积增大，着火条件大大改善，燃烧效率大大提高。,煤的燃烧方式,沸腾燃烧,介于层状燃烧与悬浮燃烧之间的燃烧方式。通过炉排的空气气流速度大于煤粉颗粒的沉降速度时，煤粉颗粒上下翻腾运动，呈现处类似开水“沸腾”的状态。例如：沸腾炉、沸腾床,属低污染燃烧技术，粉碎的石灰石或白云石送入炉中，脱硫效率达80%，沸腾段燃烧温度800900之间，NOx排放量少 沸腾燃烧中风速较高，颗粒运动强烈，强化了换热效果； 烟气中飞灰含量增大，受热面磨损、电耗增大； 循环流化床锅炉，设置分离器将未燃尽的颗粒重新送回沸腾段，烟气中飞灰含量降低，燃烧效率提高。,沸腾炉燃烧特点,煤的燃烧方式,旋风燃烧,燃料悬浮于旋转空气中的燃烧方式。,改善了空气和燃料混合条件，延长了燃料在燃烧室内逗留时间，燃烧强度达，燃烧温度高，炉温达16001700； 液体排渣，飞灰大大减少； 积灰严重； 液态灰渣热损大。,旋风炉燃烧特点,
