液体燃烧

一. 油类燃料特性
2.石油中的碳氢化合物和胶状沥青物质 (1)碳氢化合物 组成石油的化合物主要是碳氢化合物，在化 学上称为烃。烃的种类很多，但石油中的烃类主要有3类： 烷类、环烷类碳氢化合物、芳香族碳氢化合物。 (2)胶状沥青物质 石油中除了烃类物质以外，还有非烃化合 物，其中含量最大的一类就是胶状沥青物质，高的可达40 ％～50％，一般为百分之几。胶状物质中除碳氢之外，还 含有氧、硫和氮的化合物，是高分子有机化合物，分子量 高达270～1100，不易挥发，绝大部分都集中在石油的残 渣中。燃烧时喷嘴处易产生结焦。
一、 雾化过程及机理
• 射流速度非常低时，液流成滴（如水龙
头滴水）。假如流体速度足够大，但仍 然很低，射流为瑞利破碎，液体惯性与 表面张力竞争，瑞利破碎使液滴直径几 乎为射流两倍。 • 射流速度增加，转化为气力破碎， （weg≈1.0）射流弯曲破碎，液滴直径 接近射流直径。射流速度继续增加，表 面不稳定性助长了螺旋不稳定性，破碎 为一系列不同尺寸的液滴，直径达到射 流器直径。再高的韦伯数（weg＞1040），射流在射流器出口破碎。该状态 也叫做气力雾化，生成非常小的液滴。 假如Ohnesorge数很大（oh>2.4)，粘性 影响使不稳定性减弱进而破碎形成稳定 射流。
50
3.0
70
2.86
Байду номын сангаас
90
2.72
110
2.5
一. 油类燃料特性
• (9)闪点： 设容器内装有温度为t的液体燃料，在
这温度下，燃料以低的蒸发速度蒸发并与空气混 合，当与明火接触时，就发生短暂的闪光(一闪即 灭)，这时的油温称为闪点。油中的轻质组分愈多 其闪点愈低；比重增加时，闪点提高。一般直馏 重油其闪点大多在135～237℃，沸点在196～ 320℃。裂解渣油的闪点为185～243℃，沸点为 240～335℃。一般推荐在无压容器中加热重油时 其加热温度不得超过闪点，而应比闪点低10℃左 右，在压力容器或压力管道内则不受此限制。
t
•
一. 油类燃料特性
• (6)粘度：当两个面积分别为lcm2、相距lcm的两
层油面，以l cm／s的相对速度运动时，液面间产 生的内摩擦力称为动力粘度μ，当内摩擦力等于 1×105 N时，粘度为1Pa· s。运动粘度ν(m2／s)为 = 式中， ρ为油密度。 通常，燃料油的粘度常用恩氏粘度°Et表示。 它是个按一定条件规定的粘度值，即200mm3的 t℃的油从恩氏粘度计小孔流出的时间和同体积 20℃蒸馏水流出的时间之比，它和运动粘度之间 6.31 的关系为： t 7.31 Et
三、 液体燃料雾化性能
第五章 液体燃料燃烧
第五章 液体燃料燃烧
第一节 液体燃料的特性 第二节 液体燃料的雾化
第三节 液滴的蒸发 第四节 液滴燃烧
第一节 液体燃料的特性
一. 油类燃料特性
二、其它液体燃料
一. 油类燃料特性
1.石油的元素组成：组成石油的元素主要是 碳、氢、氧、氮、硫5种，其中主要的是碳 和氢2种元素，碳的含量占84％～87％，氢 的含量占11％～14％。除了上述5种主要元 素外，在石油中还发现有极微量的金属元 素和其他非金属元素。
t 20 4 4 k (20 t）
•
一. 油类燃料特性
• (4)发热量： 由于油的碳氢含量远较煤为多，因此
油的发热量也远较煤为高，通常低位发热量Qnet,ar 为38.5～44MJ／kg。约为煤的1.5～3倍。一般来 说，油越重，相对含氢量越少，发热量也越低。 因此，一般汽油发热量要高一些，而重油的发热 量则要低一些。 (5)比热容： 燃料油的比热容一般为2.0kJ／(kg· ℃) 左右，油的比热容与油温有关，燃料油在t℃的比 热容为 C =1.737+0.0025t
Et
一. 油类燃料特性
• (7)导热系数：对无水粘性为(20～135)×10-6m2／s
的油可用下式计算：
t 20 k (20 t）

(W／m· ℃)
(8)表面张力 各类燃料油的表面张力相差不大， 并随温度的提高而降低，其典型数据如表所示。 表5-2表面张力
油温度，℃
σ , ×10-2N／m
二、其它液体燃料
1.水煤浆： • 水煤浆以煤与何种液体相混合来命名，如油煤浆(COM) 、 煤油水浆(COW)、煤水油浆(CWO) 、水煤混合燃料等。 其中水煤混合燃料因对洗煤厂的煤泥和废液的利用的可能 性更具吸引力。 • 在水煤浆应用过程中，一个严重的问题是磨损。磨损在水 煤浆燃料操作设备，泵、阀门和雾化喷嘴中都有发生，减 少含灰量是一个重要的方面，减小颗粒尺寸也能帮助减少 磨损。另一个要避免的问题是要防止沉淀，特别是在储罐 和管线上，这就要求加入稳定剂以增加稳定性，或将煤破 碎得更细。另外，保持较高的浓度也可减少沉淀和分层的 出现。
第二节 液体燃料的雾化
一、 雾化过程及机理 二、 喷嘴
三、 液体燃料雾化性能
第二节 液体燃料的雾化
• 液体燃料的雾化是液体燃料喷雾燃烧过程
的第一步。液体燃料雾化能增加燃料的比 表面积、加速燃料的蒸发气化和有利于燃 料与空气的混合，从而保证燃料迅速而完 全的燃烧。因此雾化质量的好坏对液体燃 料的燃烧过程起着决定性作用。
前推进力、气体的阻力和液滴本身的重力所组成。一般因液滴质量较小，重力往往可 略去不计；二是内力，有内摩擦力(宏观的表现是粘度)和表面张力，这两种力都将液滴 维持原状。当液滴直径较大且飞行较快时，外力大于内力，液滴发生变形。因外力沿 液滴周围分布是不均匀的，故变形首先从液滴被压扁开始，这样液滴就有可能被分离 成小液，如分裂出来的小液滴所受到的力仍然是外力大于内力，则还可继续分裂下去。 随着分裂过程的进行，液滴直径不断减小，质量和表面积也就不断减少，这就意味着 外力不断减小而内力(表面张力)不断增加。最后内外力达到平衡时雾化过程就停止了。
一. 油类燃料特性
3.石油的炼制 最基本的炼制方法是直接蒸馏法，利用石油中不同成 分具有不同沸点的特点，对石油进行加热蒸馏，可以把石 油分成不同沸点范围(即馏程)的蒸馏产物。每一个馏程内 的产物称为馏分，它仍然是多种烃类的混合物。石油炼制 中，各馏分的名称及温度范围大致如表5-1所列。 此外，石油炼制还有减压蒸馏和深化裂解等方法。
三、 液体燃料雾化性能
• 液体燃料雾化质量的好坏对燃烧过程和燃
烧设备的工作性能有很大的影响。通常评 定燃料雾化质量有如下一些指标：雾化角、 雾化颗粒细度、雾化均匀度、喷雾射程和 流量密度分布等。
三、 液体燃料雾化性能
• 1. 雾化角
雾化角是指喷嘴出口到喷雾 炬外包络线的两条切线之间的夹角， 也称为喷雾锥角，以α表示。喷雾 炬离开喷口后都有一定程度的收缩， 但喷雾质量好的喷嘴，不宜过分收 缩。工程上常用条件雾化角来补充 表示喷雾炬雾化角的大小。条件雾 化角指以喷口为圆心、r为半径的圆 弧和外包络线相交点与喷口中心联 线的夹角，以αr表示，见5-9图。 对大流量喷嘴取r=100～ 150mm；对小流量喷嘴取r=40～ 80mm。
二、其它液体燃料
2.其他合成液体燃料 • 合成液体燃料是由煤、油页岩、油砂、天然气等 经过一系列不同的加工方法得到的一类液体燃料。 合成液体燃料的生产过程较复杂，生产费用较高， 而原油(天然石油)的开采和加工费用较低，故各 种液体燃料大都来源于天然石油。随着天然石油 资源的逐渐减少，合成液体燃料作为一种替代或 补充能源将有其发展前景。
•
一、 雾化过程及机理
• 从液体燃料分离出液滴是雾化的第一步，液滴分离的基本原理是，液体表面不断增大，
直到它变得不稳定并破碎(图a)。液滴从液体产生的过程，依赖于液体在雾化喷嘴中的 流动性质(即是层流还是湍流)、给液体加入能量的途径、液体的物理性质以及周围气体 的性质(图b)。
• 液滴在气体介质中飞行时将受到两种力的作用：一是外力，它是由液体压力形成的向
一. 油类燃料特性
• (2)沸点 ：燃料油也没有一个恒定的沸点，而只有
一个温度范围，它的沸腾从某一温度开始，随着 温度升高而连续变化。实际上石油蒸馏时，就是 收集不同沸点的馏出物。 (3)比重： t℃时油的重度和4℃时纯水的重度之比 称为该油的比重，用符号表示。通常以20℃作为 油的标准比重，在其他温度下 式中，kγ为温度修正系数，单位为1／℃。
轻馏分 馏分 石油气 温度／ ℃ 汽油 煤油 柴油 重瓦斯油 润滑油 渣油
表5-1 石油的馏分组成
中馏分
重馏分
<35
35-190
190-260 260-320
320-360
360-530
>530
一. 油类燃料特性
4.燃油的主要特性 • (1)凝固点 ：液态燃料由液态变为固态是逐渐进行 的，并不具有一定的凝固点，当温度逐渐降低时， 它并不立即凝固，而是变得愈来愈粘，直到完全 丧失流动性为止。故按规定所谓油的凝固点是指 油样在倾斜45°的试管中冷却，一分钟后油面能 保持不变的温度，通常含蜡量或含胶状沥青质油 愈多其凝固点愈高。 油的凝固点对油在低温下的流动性能有影响。 在低温下输送凝固点高的油时，应给予加热或采 取必要的防冻措施。
一. 油类燃料特性
• (10)燃点 ： 当燃料气体一旦被点火火焰点着，火
焰就能连续不断维持下去的温度称为液体燃料的 着火点或燃点(通常连续燃烧的时间≮5s)。例如 某种原油的闪点为39℃，其燃点为54℃；某种重 油的闪点为222℃，其燃点为282℃。着火以后表 面蒸发和气相燃烧相互支持而继续，液体表面从 火焰表面接受热量，反过来又提供更多的蒸汽去 燃烧，至稳定状态时，蒸发速度即等于燃烧速度。 此时，液体表面温度高于闪点，接近但稍低于沸 点。
二、 喷嘴
• 根据雾化的机理不同，工程上常见的雾化方式有 •
• •
压力式、旋转式和气动式，前两种雾化方式有时 又被合称为机械式。 压力式喷嘴是利用喷嘴进出口压差实现液滴从液 体射流中分离； 旋转式喷嘴是利用喷嘴进出、压差和旋转离心力 使液膜失稳而分离出液滴； 气动式喷嘴则是利用空气和蒸汽作雾化介质使液 滴从液体燃料中分离。
图5-4 不同参数下， 不同射流的破碎状况
一、 雾化过程及机理
• 根据雾化过程和机理的分析可以看出，在工程中
• • •
强化液体燃料雾化的主要方法有： 第一，提高液体燃料的喷射压力，压力越高，雾 化得越细。 第二，降低液体燃料的粘度与表面张力，如提高 燃油的温度可降低燃油的粘度与其表面张力。 第三，提高液滴对空气的相对速度。而且增强液 体本身的湍流扰动也可提高雾化效果。
图5-9 雾化角示意图
三、 液体燃料雾化性能
雾化角的大小对燃烧完善程度和经济性有很大的影响。 它是雾化器设计的一个重要的参数。若雾化角过大，油滴 将会穿出湍流最强的空气区域而造成混合不良，以致增加 燃烧不完全的损失，降低燃烧效率，此外还会因燃油喷射 到炉墙或燃烧室壁上造成结焦或积灰现象。若雾化角过小， 则会使燃油液滴不能有效地分布到整个燃烧室空间，造成 与空气的不良混合，致使局部过剩空气系数过大，燃烧温 度下降，，以致着火困难和燃烧不良。 此外，雾化角的大小还影响到火焰外形的长短。如雾 化角过大，火焰则短而粗；反之，则细而长。一般雾化角 约在60°～120°范围内，这可根据需要在设计时选定。 对于小型燃烧室，雾化角不宜太大，一般在60°～ 80°， 这一点对于燃烧渣油来说，尤为重要。但是雾化角也不宜 过小，否则燃料会过于集中地喷射到缺氧的回流区，产生 更多的热分解。
一、 雾化过程及机理
• 雾化过程就是把液体燃料碎裂成细、小液滴群的过程。雾
化过程是一极为复杂的物理过程，它与流体的湍流扩散、 液滴穿越气体介质时所受到的空气阻力等因素有关。研究 表明，液体燃料射流与周围的气体间的相对速度和雾化喷 嘴前后的压力差是影响雾化过程的重要参数。压力差越大， 相对速度越大，雾化过程进行得越快，液滴群尺寸也就越 细。 根据雾化理论，雾化过程可分为以下几个阶段：液体由喷 嘴流出形成液体柱或液膜；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，并最终分离为液体碎片或细丝；在表面 张力的作用下，液体碎片或细丝收缩成球形液滴；在气动 力作用下，大液滴进一步碎裂。