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1、耐火材料与燃料燃烧,第14章 液体燃料的燃烧,目前使用的液体燃料大多是石油产品。由于长期以来石油资源的大量开采和消耗，石油储量已急剧减少。因此，科技工作者的任务是：既要尽可能以其它燃料(如煤炭)代替石油燃料，也应从节能角度出发改善燃烧装置的性能，提高燃烧效率，使液体燃料的能量得到充分的利用。 在液体燃料(燃油)的燃烧中，燃料和氧化剂分属不同物态，因此是非均相燃烧。一般地说，液体燃料燃烧时，其化学反应速率比其扩散和混合的速率快得多，因此它属于一种非均相的扩散燃烧。 在燃油炉中，液体燃料通过供油系统输送到炉前，需经过雾化器雾化成细滴后进入燃烧室燃烧。在管路中设有加热器加热液体燃料，降低其粘度，以保
2、证良好的雾化效果和流动性。雾化器又称喷油嘴或烧嘴，它与燃烧室等组成燃烧系统，即燃烧装置。,耐火材料与燃料燃烧,14.1 液体燃料燃烧过程的特点,目前，液体燃料的主体是石油制品，因此讨论液体燃料的燃烧主要涉及燃油的燃烧。它的燃烧具有以下特点： (1) 液体燃料在蒸气或气化状态下燃烧 液体燃料的着火温度往往高于其蒸发气化温度，因此液体燃料在着火前实际上已先蒸发气化。所以，液体燃料的燃烧实质上是燃料蒸气(油气)和空气的有效接触，并最终完成混合燃烧。因此燃料的蒸发气化和混合过程对液体燃料的燃烧起着决定性的作用。加快燃料的蒸发气化是强化其燃烧的主要手段。 轻质液体燃料的气化基本上属物理过程，但重质液体燃
3、料的气化，还包括化学裂解过程，使燃料裂解成轻质可燃气体和碳质残渣。在分析燃烧过程时必须考虑这些特点。,耐火材料与燃料燃烧,(2) 液体燃料具有扩散燃烧的特点 在一般情况下，液体燃料燃烧时的化学反应极为迅速，相对而言，其蒸发气化以及与空气的扩散和混合却慢得多，因此液体燃料的燃烧速率取决于后者，故其燃烧属于扩散燃烧类型。 (3) 液体燃料需雾化后再燃烧 如上所述，液体燃料燃烧属于扩散燃烧，对燃烧起制约作用的因素是燃料的蒸发和扩散，而其蒸发速率除了与燃料性质和热交换条件有关外，在很大程度上与液体燃料的蒸发表面积有关，如果将油破碎成细小油滴，可大大增加其蒸发表面积。通过计算知道，如果将直径lmm的油滴
4、破碎成l0m的油滴，则有106个小油滴，其蒸发面积可增大100倍，油滴燃尽时间，前者如果为1s，则后者仅为10-4s。由此可见，将燃油破碎得越细，蒸发速率就会越快，燃烧速率也会加快。这种使液体燃料粉碎成细滴，并在空气中弥散成燃料雾化炬的过程就称为雾化。,耐火材料与燃料燃烧,(4) 液体燃料的热分解特性 液体燃料是由不同类型的烃所组成，它在受热后会蒸发气化和热分解，在氧气充足的情况下对燃料加热，这些烃类将由于氧化而变成甲醛，这给燃油的完全燃烧创造了条件。也就是说，在以后的燃烧过程中就不会产生难以着火和难以燃尽的重碳氢化合物和碳黑，这时，即使局部氧气不足，也不过生成一些CO和H2，只要在其流出炉膛
5、以前，使CO和H2再与氧气混合，是易于完全燃烧的。如果空气供应不充分或与燃油混合不均匀，就会有一部分高分子烃在高温缺氧的条件下发生裂解，分解出碳黑。重油燃烧时获得发光火焰就证明了这一点。碳黑是直径小于lm的固体粒子，它的化学性质不活泼，燃烧缓慢，所以一旦产生碳黑就不易燃尽，使烟囱冒黑烟。因此燃烧重油必须及时供应燃烧所需的空气，以尽可能减少重油的高温缺氧分解。故燃烧系统需备有适当的配风器。,耐火材料与燃料燃烧,另外，还必须指出，液体燃料在500-600C下进行热分解时，所得产物为易于着火的轻质碳氢化合物，而在650C以上进行热分解时，则产物中除了有轻质碳氢化合物外，还有难于着火的重碳氢化合物，最
6、后甚至析出碳黑。为此，在材料燃烧的初始阶段，应将足够的空气集中送入火焰根部，使燃料周围拥有充分的氧气和进行氧化过程，以避免由于氧气不足发生碳氢化合物的热分解。同时当足够的空气集中地送入火焰根部后，燃料周围的温度得以适当降低，这样即使是发生热分解，亦只在低温下进行的热分解，得到的是易于着火的轻质碳氢化合物，这对提高液体燃料的燃尽程度是有利的。,耐火材料与燃料燃烧,14.2 液体燃料的雾化过程,把液体燃料破碎成细小油珠群的过程称为雾化过程，液体燃料的雾化，不仅可以加速燃料的蒸发气化过程，而且还有利于燃料与空气的混合，从而保证燃料迅速而完全的燃烧。液体燃料的雾化是通过雾化器实现的。因此雾化器性能的好
7、坏对液体燃料的燃烧过程起着决定性的影响。,14.2.1 液体燃料的雾化机理 雾化过程是一个复杂的物理化学过程。以工业炉常用的离心式雾化器为例，说明液体燃料(以下简称燃油)的雾化机理。在离心式雾化器中，液体燃料获得旋转动量，流出喷嘴时燃油呈锥形油膜状，由于湍流的横向扰动，油膜表面带有若干波纹(皱纹)，离喷口愈远，油膜愈薄，因而容易失稳。在扰动作用下，当油膜失稳后将分裂成若干环形油圈，油圈的稳定性很差，很容易再碎裂成若干大小不一的油滴，如图14-1所示。此外，当喷嘴进出口间的压力差较小时，射流微弱，液膜破碎点远离喷嘴，但当压力很大时，几乎一离开喷口即被破碎雾化。,耐火材料与燃料燃烧,图14-1 离
8、心式雾化器锥形油膜破裂示意图,耐火材料与燃料燃烧,由于还存在气体与油膜的相对运动，这时的气体流线(如图14-2所示)由于波纹迎向气流一方的气流受到阻力，速度降低而压力增高(以+号表示)，而背向气流一方的压力则下降(以号表示)。显然在上述压差作用下，燃油膜凸出部分将更加突出，当压差足够大(即相对速度差足够大)，凸出部分将脱离油膜而形成油滴。破裂的油滴在气体中运动时，由于受到燃油表面张力(使油滴保持球状)和气动力(使油滴压扁变形，失稳以致破裂的外力)的作用，还会使油滴进一步碎裂。图14-3表示出油滴周围的流线和气动力作用方向(以箭头表示)。如果气动力很大，能够克服表面张力而引起油滴变形，则大油滴可
9、碎裂成小油滴。图14-4表示出了这种碎裂过程。作用于油滴的气动力正比于 ，其中为气体密度，W为油滴与周围气体的相对速度。,耐火材料与燃料燃烧,油滴的碎裂条件常用韦伯数We(或称碎裂准则)表示。其定义为We,表面张力使油滴内部产生一正压力P，图14-5表示出作用在油滴上的表面张力(为表面张力系数)与正压力的平衡关系，即 (14-1),(14-2),式中d为油滴直径。,耐火材料与燃料燃烧,图14-2 由于气动力作用使油膜破裂示意图,耐火材料与燃料燃烧,图14-3 油滴周围气流流场和它受气动力示意图,耐火材料与燃料燃烧,图14-4 油滴在气动力作用下的破碎过程,图14-5 油滴内力分析,耐火材料与燃
10、料燃烧,实验表明，We增大，油滴碎裂可能性增加。当We14，油滴将严重变形而碎裂(可参看图14-4)。在喷油嘴中也就是采用各种措施来提高W，从而达到燃油雾化的目的。 根据雾化理论，燃油雾化过程可分为以下几个阶段： (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，大油珠进一步破碎。,耐火材料与燃料燃烧,14.2.2 雾化质量的主要指标 雾化质量的好坏，直接影响燃油的燃烧过程。衡量雾化质量的主
11、要指标有：雾化粒度，雾化均匀度，雾化角和流量密度的分布等。 14.2.2.1 雾化粒度 燃油雾化后所产生的油滴大小是评定雾化质量的一个重要指标，这一指标称为雾化粒度。在油雾中，油滴的大小是不均匀的，最大的与最小的可能差50-100倍，因此只能用平均直径来表示雾化粒度。通常采用以下两种平均方法。,耐火材料与燃料燃烧,(1) 质量中间直径法 所谓质量中间直径是一个假设的直径，认为大于这一直径的所有油滴的总质量正好等于小于这一直径的所有油滴的总质量，即 显然，质量中间直径越小，雾化就越细。,(14-3),耐火材料与燃料燃烧,(2) 索太尔(Sauter)平均直径法 它是将由不同直径油滴组成的油雾假想
12、成由单一直径(即索太尔平均直径dSMD)油滴组成的油雾，而油雾的总表面积和总体积都保持与实际油雾相同，即 式中 N油雾中总油滴数； Ni具有直径di的油滴数。,(14-4),耐火材料与燃料燃烧,由dSMD的定义可以看出 即dSMD越小，则油滴的表面积越大，这对液体燃料的蒸发气化是有利的。因此，从dSMD的大小可以分析燃料的燃烧工况。,(14-5),另外还有平均直径法和条件平均法等。用平均直径法评定雾化质量时，一般要求统计5000滴以上的油滴，然后再平均，这样才有代表性。如果用条件平均法(在油雾最密集处取样，计算它们的平均直径)也需要取200滴以上。因此在统计和整理数据方面工作量很大。有些文献还
13、建议采用较简单的用最大直径法来评定雾化质量，它规定只测量样片上一些较大的油滴，并由此推算出最大直径，作为评定雾化质量的标准。因为燃烧过程的快慢最终决定于最大油滴，因此采用这种方法也有一定道理。,耐火材料与燃料燃烧,14.2.2.2 雾化均匀度 燃油经过雾化后产生的油滴是不均匀的，因此仅用液滴平均直径来表达雾化质量不够全面。比较完善的表达方法，应当既表示其直径的大小，又表示出不同直径油滴的数量和质量，即采用液滴尺寸分布表达式来表示油滴特点，但至今还没有从理论上得到这个表达式。目前所采用的油滴分布表达式均属经验公式。目前用得较多的Rosin-Rammler关系式： 式中 R尺寸大于di的油滴的质量
14、占全部油滴质量的百分数； di油滴直径； n反映油滴分布均匀性的指数，由实验确定，通常1.8n4； 尺寸常数。 由式(14-6)可知，当 时，则R=36.8%，因此 就是关系式中与R=36.8%相对应的油滴直径。显然R=36.8%越大，雾化粒度越粗。,(14-6),耐火材料与燃料燃烧,图14-6 Rosin-Rammler理论计算曲线,d,d,耐火材料与燃料燃烧,由于当时，R=50%，因此可以得出 (14-7) 图14-6为Rosin-Rammler的理论计算曲线，由图可以看出，油滴分布较为均匀，因此可以用n来表示雾化的均匀性。对式(14-3)取对数可得出,(14-8),耐火材料与燃料燃烧,如
15、果由实验已得出对应于直径d1和d2的R1和R2，且实验结果符合 Rosin-Rammler关系式，则由式(14-8)可求出均匀性指数n，因为 目前对雾化均匀度与燃烧特性之间的关系研究还不够，一般认为dm相同时，如雾化均匀度差，可缩短燃油点燃延迟时间，但均匀度高的油雾蒸发速率高，燃尽时间短。,(14-9),耐火材料与燃料燃烧,14.2.2.3 雾化锥角,燃油由雾化器喷出后，形成一油雾锥。由于燃油射流的卷吸作用，在油雾锥中心的气体压力有所下降，使油雾锥角在离开雾化器一定距离后有收缩现象，图14-7为油雾锥的示意图。为了表征油雾锥的特征，常采用雾化锥角这一参数。所谓雾化锥角就是油雾锥的张角。油雾锥角
16、是雾化器的一个重要参数，它可以在一定程度上表示燃油在空间的分布。雾化锥角对燃烧完善程度有很大影响，若雾化锥角过大，油滴可能穿出湍流最强的空气区域造成混合不良，降低燃烧效率，此外它还会因燃油喷射到炉墙或燃烧室墙上造成结焦或积碳。若雾化角过小，则油滴不能有效地分布到整个燃烧室空间，造成与空气混合不好，导致燃烧效率下降。雾化锥角还直接影响火焰长度和形状，雾化锥角大则火焰短而粗，锥角小则火焰长而细。一般雾化锥角约在60-120范围内。,耐火材料与燃料燃烧,图14-7 雾化锥角示意图,雾化锥角有不同的表示方法，下面介绍两种常用的表示方法。,耐火材料与燃料燃烧,图14-8 雾化器流量密度分布曲线 (a) 离心式雾化器 (b)蒸气或空气雾化器,(1) 出口雾化角 在雾化器出口处，作油雾边界的切线，两根切线的夹角即定义为出口雾化锥角，即图14-7中的角，它和理论计算值比较接近。,耐火材料与燃料燃烧,(2) 条件雾化角 在离雾化器一定距离x处，作一垂直于油雾锥中心线的直线(或以出口中心为圆心作一圆弧)，它们与液雾边
