第四篇 燃烧方法与燃烧装置,第十三章 气体燃料的燃烧,第一节 概述,燃烧装置：用来实现燃料燃烧过程的装置在炉膛中合理组织燃料的燃烧过程，以保证炉子的工作合乎工艺、技术和经济的要求 （1）在规定的负荷条件下保证燃料的合理燃烧和燃烧过程的稳定； （2）能组织火焰，使火焰具有一定的方向、外形、刚度等； （3）具有足够的燃烧能力 （4）结构简单，使用方便，坚固耐用气体燃料的燃烧：三阶段 气体燃料的燃烧方法： （1）有焰燃烧法 （2）无焰燃烧法 （3）半无焰燃烧法,第二节 有焰燃烧,煤气和空气的混合条件的改善： （1）多股细流 （2）空气和煤气成角度相遇 （3）旋流装置 有焰烧嘴的种类,主要有焰烧嘴介绍 1、套筒式烧嘴 烧嘴简单，气体流动阻力小，火焰长，空气和煤气需要压力低（784~980Pa） 2、低压涡流式烧嘴 空气和煤气混合好，火焰短，设计煤气压力800Pa，空气压力2000Pa 适合清洁的发生炉煤气，混合煤气和焦炉煤气 ，以及天然气,低压涡流烧嘴的燃烧能力P152表13-1 下列情况燃烧能力要修正： （1）煤气压力变化 （2）煤气或空气预热 3、扁缝涡流式烧嘴 空气和煤气混合好，火焰很短，为出口直径的6~8倍。
烧嘴前煤气和空气压力为1500~ 2000Pa，出口速度10~12m/s 适合发生炉煤气和混合煤气 燃烧能力见表13-3,4、环缝涡流式烧嘴 适合混合煤气、发生炉煤气、焦炉煤气和天然气 煤气和空气压力约为2000~4000Pa，出口速度控制在10~20m/s 5、火焰长度可调式烧嘴 工作原理是改变煤气与空气的混合 6、烧脏煤气的烧嘴 防止煤气喷口堵塞，断面较大,7、天然气烧嘴 空气需要量大，要求混合好 8、平焰烧嘴 圆盘形火焰，强化辐射换热，改善加热质量，提高生产率和降低燃料消耗 9、高速烧嘴 10、自身预热式烧嘴,有焰烧嘴的计算 定型的烧嘴可以根据其使用性能和尺寸选用现成的产品，但在下列两种情况下，要通过计算来确定烧嘴的尺寸和性能 （1）设计新烧嘴 在设计新烧嘴前，需要知道的参数有：煤气热值；煤气工作压力；烧嘴燃烧能力 计算内容有：煤气喷口、空气喷口和混合气体喷口尺寸；烧嘴前空气压力,（2）验算旧烧嘴 主要内容有：根据已知烧嘴尺寸和煤气压力计算烧嘴燃烧能力；根据已知的烧嘴尺寸和所需燃烧能力计算应有的煤气和空气压力 有焰烧嘴计算表见P165表13-5 在进行烧嘴计算时，所需煤气压力和空气压力，必须根据烧嘴的最大负荷来确定，并保留15~20%的后备压力，烧嘴的最大负荷一般取为正常燃烧能力的2.5倍。
第三节 无焰燃烧,喷射式无焰燃烧的特点及喷嘴结构 煤气和空气的混合方式： 压力式、比面积式、喷射式 喷射式烧嘴基本结构： 煤气喷口、空气调节阀、空气吸入口、混合管、扩压管、喷头、燃烧坑道,喷射式烧嘴的优点： 自调性、空气过剩系数小且完全、燃烧速度快、 无风机 喷射式烧嘴的缺点： 尺寸大，煤气压力高、空气和煤气预热受限制、负荷调节比小、对炉况波动敏感 常用喷射式无焰烧嘴： P168-170,喷射式烧嘴的自调性 喷射效率：被喷射介质在喷射器中所获得的有效机械能与喷射介质在喷射器中所消耗的机械能之比 喷射比：混合介质的量（质量或体积）比上喷射介质的量（质量或体积）称为（质量或体积）喷射比 当喷射器两端压力相等时，喷射比将不随喷射介质的流量改变P178图13-33,第四节 其它煤气烧嘴,半喷射式天然气烧嘴 大气式煤气烧嘴 辐射墙式无焰烧嘴 管群式燃烧器 周边供气蜗壳式燃烧器 平流式燃烧器 燃气内燃机供气方式 燃气轮机的燃气喷嘴,练习一,设计低压涡流烧嘴，使用煤气成分为（%）：CO—9.1，H2—57.3，CH4—26.0，C2H4—2.5， CO2—3.0，O2—0.5，N2—1.6，煤气温度t煤=20℃，烧嘴正常燃烧能力为50m3/h，空气消耗系数n=1.1，烧嘴前煤气压力P煤=800Pa，空气温度t空=20℃。
第十四章 液体燃料的燃烧,液体燃料的燃烧属于异相燃烧，扩散燃烧，一般液体的蒸发温度通常比其着火温度低得多因此液体燃料在着火前实际上已先蒸发了，在燃料表面形成一层燃油蒸气，所以液体燃料得燃烧实质上是燃油蒸气和空气得燃烧，是一种气态物质得均相燃烧，因此燃油得蒸发气化过程对液体燃料的燃烧起着决定性的作用第一节 燃料油的燃烧过程,轻质液体燃料的气化过程是一个纯物理过程，而重质液体燃料的气化，还要经历化学裂解过程，裂解成轻质可燃气化物和碳质残渣，所以液体燃料可分为易于蒸发和难于蒸发两类 例如汽车发动机燃用的汽油，在其引入燃烧室之前，先在汽化器中雾化蒸发并与空气混合形成均匀可燃混合气，然后送入发动机中燃烧，因此这种可燃混合气的燃烧就如均匀预混气体燃烧一样对于较难蒸发的燃油在燃烧过程中边蒸发边燃烧，液体燃料在其表面产生一层蒸气，蒸气与空气混合加热着火燃烧，形成火焰，液面从火焰中吸收热量，促使蒸发大大加速，直到建立稳定状态：燃料的燃烧速度和蒸发速度相等，在这个过程中，燃烧速度取决于液体从其表面蒸发的速度 见P126图11-7油粒燃烧示意图,液体表面的质量蒸发速度可写成： =S0·ΔC·β S0 —单位质量液体表面积 ΔC —液体表面与邻近周围介质的蒸气浓度差 β —传质系数 ↑ → S0↑ ΔC↑ β↑,β ：对于稳定扩散过程，当液滴周围的介质处于静止状态时有：对于运动状态液滴， β还取决于相对速度及其特性参数。
ΔC： 等于C表面－C邻近,S0：取得较大蒸发表面积的方法之一是将液体燃料雾化，将液体破碎，喷射并以液滴的形式均匀分散在雾化的空气中，燃料雾化可成倍地扩大蒸发表面积 例如：1kg重油的球形表面积仅为0.05m2，把它粉碎为直径30μm的油滴，其表面积为330m2，蒸发表面积增加了6600倍，此外β值也增加了4200多倍（静止状态），而且还有利于燃料和空气的混合，保证燃烧迅速完全 结论：雾化对燃油燃烧起决定性作用第二节油的雾化,构成液体燃料射流破碎的雾化过程主要有： 1）射流在长度和宽度上发展 2）射流由于碰撞和摩擦而破裂 3）表面张力所引起的破裂 4）在射流内部所产生的湍流运动所引起的破裂 5）液滴由于碰撞而聚合和破裂,我们分析油滴在气体介质中飞行时受到的力，可分为： （见P192~193） 一、外力，是由油压形成的向前推进力、气体的阻力，油滴本身的重力作用组成其作用是使油滴变形 二、内力，是由内摩擦力（宏观表现为粘性）和表面张力其作用是使油滴维持原状 当内力和外力达到平衡时雾化过程终止可以看出提高雾化品质的方法有： （1）要求燃油具有一定的喷射压力，压力越高雾化越细； （2）要求燃油具有较小的粘度和表面张力。
提高油温，可降低燃油的粘度和表面张力，燃油预热是在使用粘度较大重质燃油时提高雾化质量的必要措施 （3）要有一定的气体阻力，提高油滴相对空气的运动速度雾化质量的评定 1、雾化角 就是雾化锥的张角重要参数2、雾化细度 雾化后产生的油滴的大小 由于雾化后液滴的大小极不均匀，最大和最小相差50~100倍，我们只能用液滴的平均直径表示液滴的颗粒细度 质量中间直径d50 或dm：大于和小于直径d50的颗粒质量各占50% 索太尔平均直径d32或dSMD：,3、雾化均匀度 表示雾化后油滴粒径的分布 目前使用较多的是Rossin-Rammler关系式：式中：R：尺寸大于di的油滴占全部油滴质量 的百分数：尺寸常数n：均匀性指数,4、流量密度分布 是指在单位时间内通过以燃料喷射方向相垂直的单位截面上燃油质量（容积）沿半径的分布规律重要指标，决定与空气的混合 见P190图14-7 5、喷雾炬长度 油雾射程（不能等同于火焰长度） 假设：喷雾炬是具有半球形推进锋面的锥形喷雾；喷雾炬是固定不变的；在喷射期间，喷射压力和液体在喷口处的速度不变雾化方式 按照用于破碎液体射流的一次能源的不同划分： 1）机械雾化喷嘴 2）气体介质雾化喷嘴 3）机械气动混合型喷嘴 4）旋转式喷嘴,第三节 燃油烧嘴,1、离心式机械雾化器的设计计算 （1）雾化器出口截面上切向速度分布,假设：燃油无粘性，看作理想流体；在雾化器内流动时无摩擦损耗，且与外界无热交换。
雾化器进出口两截面的伯努力方程为：…①,根据无摩擦损耗的理想流体动量矩守恒可知：…………② 分析方程①②，当r→0，如果2截面充满流体，wt→∞，则P2→-∞，不可能，P2只能降到周围介质的压力P0，如果低于P0 ，周围气体会挤入喷口中心部位流体的位置，形成半径为ra的空气旋涡，其压力为P0 燃油是从空气旋涡和喷口内圆之环状截面喷出，这是离心式机械喷嘴的一个主要工作特点喷口有效截面系数：rc→ra，wt逐渐增大，取平均：,（2）雾化器出口截面轴向速度分布 在喷口截面取一宽度为dr的微元圆环，其内外两侧单位面积上压力差dp由离心力产生：另对伯努力方程求导：,（3）喷油量计算 由于喷口截面任一半径处燃油轴向速度为定值， 对于已知结构特性的雾化器的喷油量：式中和wa为未知量，利用进出口伯努利方程,：流量系数 A：雾化器的几何特性参数 对一定结构尺寸的雾化器，A为一确定值； 是的函数，为未知数当取某一值时，最大，在给定喷油压差和结构尺寸条件下，喷油量也为最大值，也就是最大流量工作状态最大流量工作状态最稳定，过大或过小的值都会使流量不稳定，而有自动恢复到稳定状态的趋势。
这就是最大流量原理此时：稳定流动状态下， 、可由A确定,（4）雾化角的确定 引入平均雾化角的概念：按喷口截面平均半径处的切向分速计算雾化角式中wtm为半径rm=(rc+ra)/2处切向分速5）考虑到燃油的粘性的影响，实际喷油量和雾化角比理论计算值要小工程设计中，一般是在雾化器设计制造完成后，实验测定 、和其它特性，对理论计算校正2、可调离心式机械雾化器P203 离心式机械雾化器有很多优点： 在一般压力下可得到足够好的雾化质量； 消耗能量少，运行经济性较高； 系统结构简单，噪音小，操作检修较方便； 易实现燃烧自动控制 但在运行中也存在一些问题：主要是在低负荷时由于油压下降而导致雾化恶化合负荷的调节受到限制离心式雾化器的喷油量是与压力的平方根成正比，实际上负荷的调节都是靠变更压力来实现的，因而受到压力不能过低的限制，如雾化重质燃油时油压是1~1.5MPa雾化质量很差如果要提高喷油量10倍，就要求喷油压力达到100~150MPa，实际上无法实现 这就要采用可调离心式机械雾化器，主要是带中间回油的离心式机械雾化器3、气体介质雾化喷嘴 又称为二流体喷头，就是用第二种流体使油雾化，作为第二流体，是在压缩时能够储备大量能量的气体，如空气、蒸汽或其他压缩性气体。
（1）分类 如果两种流体在喷头内混合的称作内混型，与此相反，称作外混型 根据气液汇合时液体的形态，可以分为液柱雾化式和液膜雾化式 根据雾化剂的压力大小，又可分为低压和高压，低压喷嘴雾化剂流量大，高压比较少2）流动特性 外混型流动特性比较简单，液体油的喷出时压力和流量的关系：雾化气体必须作为可压缩性流体对待，喷出速度：,内混型射流没有理论方面的研究，不过可以这样认为，液体燃料的容积和雾化用气体相比，其容积可以忽略不计，密度表示为：机械气动混合型喷嘴：混合型喷嘴液体燃料首先被机械压力雾化，然后再被空气或蒸汽射流雾化4、旋转型喷雾器 是把液体供给旋转体，借助于离心力或周围空气形成的空气动力使液体雾化的装置它可以得到比较均匀的液滴，不会产生喷嘴那样的磨损和堵塞，而且不需要高压泵等设备 （1）种类 旋转型喷雾器大体可以分为旋转体型和旋转喷口型 旋转体型按旋转体的形状可分为转板型和转杯型,（2）流动特性 以简单的转板型为例：,实验表明，液体不一定扩展为均匀的液膜，当液量很少以及粘度非常小的情况下，液体在转板上呈现为许多根丝状流动若要得到微细雾滴，其运转条件是一定要使转板边缘形成液膜而不能形成丝状。
（3）雾化特性 通过旋转体使液体雾化有两种作用：由界面空气阻力所支配的速度雾化和由离心力所支配的离心力雾化它们都因旋转速度而不同。