第6章 液体燃料的燃烧6.1 油燃烧特点 6.2 油的雾化 6.3 油滴燃烧过程 6.4 油雾炬燃烧 6.5 油燃烧的组织及调风器1 16.1 油燃烧特点雾化燃烧油燃烧是一个复杂的物理化学过程，由于油沸点低于其燃点，因此油滴总是先蒸 发成气体，并以气态的方式进行燃烧2 2l雾化：包含：雾化、受热蒸发、扩散混合、着火燃烧燃料→细滴→油雾炬，雾滴↓，表面积↑有利于油滴的气化过程，同时也有利于与空气的混合，保证燃烧质量3 3l蒸发：油滴受热后表面开始蒸发→油蒸汽l扩散混合：燃油蒸汽与周围空气互相扩散 与混合 l燃烧：油蒸汽与空气混合物达到着火温度后 ，开始燃烧 在燃烧过程中，油滴内部继续受热蒸发→扩散混 合→新油气空气混合物取代已散逸燃烧产物→继 续燃烧→油滴燃尽4 41.油滴 2.油蒸汽区 3.燃烧区 4.外部5.油蒸汽浓度 6.氧气浓度 7.温度55 5限制油滴燃烧的主要因素是与空气的混合速度，即取决于空气向油滴表面扩散所需的时间，属扩散燃烧物理化学过程：雾化→三传→受热蒸发→着火→燃尽6 6雾化效果影响了油燃烧的快慢及燃烧质量，因此油的雾化是其燃烧过程中一个重要因素。
6.2 油的雾化1、雾化评价指标2、雾化器7 76.2.1 雾化评价指 标 ① 雾化粒度：表示油滴颗粒大小的指标 ( <100m )表示油滴颗颗粒大小的指标标，有平均直径，最大直径，中值值直径等，常用平均直径法（又包含算术术平均法，表面积积平均法，体积积平均法，质质量平均法径等）索太尔平均直径（S.M.D） （体面积平均直径） 8 8粒度分布的表达形式–表格形式（离散） –直方图（离散） –函数形式（连续）9 9l微分型（频率分布） l积分型（累积分布）1010l累积分布又分为筛上分布和筛下分布筛上分布筛下分布R(dp)+D(dp)=1工程破碎过程常使用Rosin-Rammler分布积分分布 微分分布1111② 雾化油滴均匀性粒度均匀性指标Rd：液滴群中，颗粒直径大于d的质量分数n：均匀系数，一般数值2~4 愈大，均匀性好：特征尺度（定义为 时油滴直径） 6.2.1 雾化评价指标积分分 布函数微分 分布 函数1212③ 雾化角：• 出口雾化角：在喷嘴出口处，做雾化锥边界切线，夹角为出口雾化角 。
• 条件雾化角：离开喷嘴一定距离x处，做垂直于油雾化锥中心线的垂 线，与雾化锥边界相交于两点，两 点与喷嘴中心相连得两线，夹角为 6.2.1 雾化评价指标1313④ 流量密度：单位时间内，流过垂直于油雾方向的单位面积上的燃油体积 1、雾化评价指 标1414① 雾化粒度② 雾化油滴均匀性③ 雾化角：④ 流量密度：雾化评价指 标1515雾化原理l油射流或薄膜由于射流紊流、周围气体的气动力 作用、液体中可能夹杂气体、喷枪的振动及喷嘴表 面不光滑等因素，不可避免地要经受扰动扰动使 薄膜或射流产生变形，特别是在气动压力和表面张 力作用下，使得表面变形不断加剧，以致于射流或 薄膜产生分裂，形成液滴或不稳定的液带，液带随 之也破裂成液滴若作用在液滴上的作用力相当大 ，足以克服表面张力时，较大的液滴就会破裂成较 小的液滴，这种现象称为“二次雾化” 1616雾化原理l射流雾化：射流的紊流作用在射流表面的气动力 起主要作用，形成短波扰动，引起部分流体不断从 射流表面剥离而形成细小的液滴随着射流速度增 加，会在波长较短的扰动波作用下产生射流破碎， 比低速射流破碎得更快，形成的液滴更细，且液滴 从射流表面分离的时间比低速射流时整个流束破碎 的时间短得多，几乎是在射流喷出后就立即开始雾 化，并在整个射流长度上连续进行。
1717雾化原理l液膜雾化：离心喷嘴喷出空心锥形液膜具有向外 扩张的惯性，而表面张力克服不了此惯性，于是液 膜继续向外扩张，液膜越来越薄，同时，表面张力 形成的表面位能也越来越高，使液膜越不稳定结 果表明，液膜破裂成液丝或液带，并在表面张力作 用下继续分裂成液滴；流速较大时，除了表面张力 、惯性力及粘性力起作用外，由于相对于周围气体 的运动速度加大，气动力对液膜的作用也加大，致 使液膜扭曲和起伏形成波纹，再被甩成细丝，继而 形成小滴；流速很大时，液体离开喷口便立即被雾 化 1818控制雾化的准则数——韦伯数Weber number l其中ρ为流体密度，v为特征流速， l为特征长度， σ为流体的表面张力系数 l韦伯数代表惯性力和表面张力效应之比，韦伯数 愈小代表表面张力愈重要，譬如毛细管现象、肥皂 泡、表面张力波等小尺度的问题一般而言，大尺 度的问题，韦伯数远大于1.0，表面张力的作用便可 以忽略 19196.2.2 雾化器l常用的油雾化喷嘴可以简单分为两类：– 机械式雾化器（离心式，旋杯式等）– 介质式雾化器（以蒸汽或空气作介质）① 机械式雾化器依靠油泵的压力将液体燃料的压力提高，使以较高的压力喷进燃烧室 2020介质压力越高，破碎的液滴也越细，但消耗的能量也越多。
如用蒸汽做雾化介质，则还可以在雾化同时降低油的粘度，故进入喷嘴的燃油粘度越高时仍能保证雾化质量，采用空气作介质时，空气压力低，雾化质量较差②介质式雾化器21212222离心式–利用高压泵使油具有很高的压力（20~200bar），并以一定的角度沿切向方向进入喷嘴的旋转室，或者通 过具有旋转槽的喷嘴芯进入旋转室 –油的部分压能转换为动能，液体旋转运动，根据自 由旋涡动量矩守恒定律，旋转速度与旋涡半径成反比， 因此越近轴心，旋转速度越大，静压愈小，结果在喷嘴 中央形成一股压力等于大气压的空气旋流，而液体则形 成使空气芯旋转的环形薄膜从喷嘴喷出，然后液膜伸长 变薄并拉成细丝，最后细丝断裂为小液滴，这样形成的 液雾为空心圆锥形2323Ø 雾化器的性能主要还是通过实验测定来完成的Ø 对于上述简单机械雾化器，其出力调节只能调节进油压力的方法进行，负荷↓必须降低Po↓→雾化质量下降回流雾化器就是为解决此问题提出的）2424回油雾化器如图，回油式喷嘴漩流室前后各有一个通道:一个通向喷孔; 一个通向回油管.两个简单机械雾化器并联使用.2525l总油量=喷油+回油l进油压力保持不变,则总进油量保持不变.l改变回油量,喷油量改变.l能保证油在漩流室的旋转强度,进而保证雾 化质量.l宽负荷调节范围.l适宜用于负荷变化大频繁场合.26262727气压 p1油压 p2混合压 p32828Y型喷嘴l油压、汽压均不高，入口油压0.7~2.1MPa ，汽压比油压高1MPa左右.l单只雾化器喷油量大，且雾化质量好，出 力约为3000~7000t/h.l调节比大，耗汽量低，一般为0.07~0.14kg( 汽) / kg(油),应用在燃油锅炉较多。
l保养较难,喷口易堵塞2929低压空气雾化喷嘴l油压较低,0.03~0.1MPa;l空气流速高,80m/s左右,风压2000~7000Pa;l出力2~300kg/hl雾化质量较好(风压低时差),调节范围广,能 耗低.30303131①油滴球形， ，其周围温度场()，浓度场均匀(D)②油滴随气流而动，与气流间无相对运动（Re=0）③油滴表面温度近似等于饱和温度T0=Tb④火焰锋面向内向外导热传递（忽略辐射），向内导热量=产生的油气量+油气温度升高，且忽略斯蒂芬流（油蒸汽穿过锋面逃逸的量）=0⑤O2 从远方扩散而来在锋面上全部消耗掉，锋面O2 的C=0，且O2 扩散到锋面的量符含化学反应中氧与油的化学计量比6.3 油滴燃烧过程 假设： 3232设半径r球面，通过其向内导 热量=油汽化且升温至T所需燃烧过程分析 λ：导热系数常数；T：当地（r）处温度 T0：油滴表面温度（饱和温度） qm：油流量（汽化量） H：单位质量油汽化潜热3333对对上式在（r0,T0）到（r1,Tr）积积分Tr：锋面火焰温度（燃烧温度） (1)3434∵在∞：O2浓度C∞ r=r1,C=0 (2)3535联立（1）（2），消掉r1得qm：气化量，扩扩散火焰单单位时间时间 消耗的燃料量 k：燃烧常数 由试验确定3636k↑ 燃烧过程中油颗粒直径变化3737粒径平方-直线定律3838① 线性变化② 燃尽时间 ，∴如 则 （雾化质量是控制燃烧关键）③ 该定律是针对扩散火焰的。
④ 如果油滴与气体间有相对运动，则两者之间的热质交换都要增强，油滴气化所需热量供应更充足，气化加剧，燃烧强化 3939对于Re=0时，对于Re≠0时， ……3.67（Re=100）4040⑤ 油在扩散到火焰锋面前遇不到氧，不可避免裂解，总是发光火焰⑥ 燃油是多种烃混合物，燃烧时，轻质组分先蒸发燃烧，残渣裂解析碳的焦化甚至残余液滴被半固态粘性外壳包封→受热蒸汽冲破外壳→焦粒按固体燃烧规律燃尽41416.4 油雾炬燃烧油雾由许多粒度不同油滴组成，油滴燃烧时相互很近，一方面它们的扩散燃烧锋面互相传热，另一方面又相互阻碍了氧的扩散 ，温度场、浓度场交叉→不均匀，O2扩散被屏敝，燃烧反应下降遵循直径平方直线定律，要修正k 4242l认为滴群燃烧是以单液滴扩散燃烧进行的， 即认为蒸发与扩散燃烧是同步的，考虑了滴径 分布的不均匀性，忽略油滴与气体间相对运动 Wm=常数；l滴径越细越均匀燃烧最好；l并非所有油滴在一开始都同时着火，而且在 燃尽过程中还有油滴灭火，因此该模型预测的 燃烧速度值大于实际燃烧过程物理模型① 一维滴群扩散4343② 一维滴间燃烧模型该模型认为：液滴蒸发时不形成扩散火焰 ，燃烧是在离滴较远空间进行，并假设： 燃烧室中气速温度不变，液滴与气体速度 相同，初始粒径分布均匀。
③ 考虑了雾炬混合、输运、燃烧的综 合数学模型4444总之，油雾炬的燃烧过程中，燃料与空气的分布及混合，油滴的气化、燃烧以及油滴的颗粒特性都是应考虑的影响因素燃烧过程中，碳黑的形成：①油滴低于饱和温度时的裂解形成残碳型碳黑；②已蒸发的油气在缺氧下气相高温裂解形成气相出型碳黑残碳型（ 10~300m），气相折出型（20~50nm）4545K试验结果， Re=0酒精 k=0.81mm2/s 柴油 0.79 煤油 0.96 苯 0.974646柴油规律好（轻质 油）重油 ：初期 油滴受热膨胀，δ↑ 稳定期 轻质 部分受热蒸发，规律好 后期 重质部分包覆，δ↑ 破裂，δ↓47476.5 油燃烧的组织及调风器l油雾燃烧基本上属于扩散火焰，不会回火 ，也不易脱火 l保持火焰稳定性主要防止脱火：使用钝体 、稳焰器，或者值班火焰l也不应使得火焰根部过于接近喷嘴，这样 容易引起喷嘴积碳（雾化质量下降）甚至烧 坏喷嘴48486.5 油燃烧的组织及调风器l雾化良好l合理配风l充分的混合良好的液体燃料燃烧要求： 调风器的功能：使空气均匀分配，并可调节；使油雾空气混合良好；稳定火焰；油燃烧器有旋流，平流两种4949调风器应：① 有根部风（在油还未着火燃烧之前，在油雾根部已有一部分空气混入油雾中，15~30%一次风）——油料易燃，应该及早与氧气混合② 早期混合要强烈——扩散燃烧，应重点强化空气与油雾的混合③ 有一大小位置适当的回流区——防止脱火④ 加强后期混合——利于残余的难燃组分的燃尽5050本章总结——油的燃烧特点l蒸发：油滴受热后表面开始蒸发→油蒸汽l扩散混合：燃油蒸汽与周围空气互相扩散 与混合 l燃烧：油蒸汽与空气混合物达到着火温度后 ，开始燃烧 。
在燃烧过程中，油滴内部继续受热蒸发→扩散混 合→新油气空气混合物取代已散逸燃烧产物→继 续燃烧→油滴燃尽 51511.油滴 2.油蒸汽区 3.燃烧区 4.外部5.油蒸汽浓度 6.氧气浓度 7.温度12 345675252限制油滴燃烧的主要。