第七章液体燃料的雾化

4r r dr dr K r 2 4r d d r dr r0 dr 碳粒燃烧的时间： r r0 K SC r r K SC r0 dr 碳粒燃尽的时间： 0 r C 0 K S
C S
煤的燃烧方式
层状燃烧
燃烧 方式 悬浮燃烧
沸腾燃烧
旋风燃烧
Q2 0, 稳定蒸发过程的热平衡方程： 稳态时：
dT 4r mv Ll mv C p (T TL ) 0 dr
2
油粒的蒸发与燃烧
mv dr dT 4 r 2 C p (T TL ) Ll
边界条件： r r ， s T TL
r ， T T
油粒燃烧过程特点
提供反应物质
燃烧反应
提供热量
油的蒸发
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
dT •油滴的净导热量： Q1 4r dr •油滴升温： Q 4 r 3 C dT1 2 s l l 3 d
2
•油滴气化潜热：Q3 mv Ll •油蒸气升温： Q4 mvC p (T TL )
M
d dm
M d dm
液体燃料的雾化特性（评价指标）
3、雾化均匀度
燃料雾化后液滴颗粒尺寸的均匀程度。 Rosin-Rammlar分布
di n R 100exp % d
di d 液滴质量(体积)占取 •R： 样总质量(体积)的百分数
碳粒燃烧
碳粒表面气体消耗速率计算：
W k Cb
反应气体向反应表面的扩散速度：
W扩 C0 Cb
稳定燃烧时：
W W扩
W 1 1 k 1 C0
碳表面气体（氧）燃烧反应速度：
碳粒燃烧
C 碳的燃烧速度： KS m
1 1 k
2
1
C0
g碳/cm2.s
碳的燃烧减少量：dG 4r 2 r dr
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。
V

6
3 n d i i
S ni d 2 i
d SMD
V 6 S
n 3 V ni d i d SMD 6 6 2 S ni d 2 i nd SMD
磨煤机 煤粉 (25~50μm)
燃烧器
炉膛 燃烧
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
R
n大
• d :特征尺寸R=36.8的液滴直径 •n 均匀度指数，n=1～4
di
例：R90=32:大于 90μm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。
流量密度
流量密度
注意：雾化是物理过程、雾化后不是气体
液体燃料的雾化
作用：
增加燃料的比表面积 加速燃料的蒸发汽化 有利于燃料与空气的混合 完全燃烧
液体燃料的雾化特性（评价指标）
1、雾化角
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。 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。 αr 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。 α
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。
滴群扩散燃烧
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。
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）
（一）液体燃料燃烧
发动机中喷射的汽油和柴油燃料
（一）液体燃料燃烧
航空燃气（涡）轮（发动）机
（一）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）
液体燃料的雾化特性（评价指标）
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。 αr 雾化角对火焰的影响： α
过大：火焰粗而短；
过小：细而长。
液体燃料的雾化特性（评价指标）
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
固体燃料 （煤）
C p T TL mv 4rs ln 1 Cp Ll

dr ln 1 BT d rC p L
g r r 2 ln1 BT 2a( ) ln1 BT c p, g L L
2 2 0
g
油粒燃烧时间
蒸发速率
C p T TL mv 4rs ln 1 Cp Ll

引入传输系数： B C p T TL T
mv 4rs

Cp
Ll
ln1 BT
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
dm 2 dr mv m f L 4r d d
• 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。 氧气
油气 热解产物 裂化产物
燃烧前沿
含氧介质 燃烧产物
单个液滴的燃烧模型
油粒的蒸发与燃烧
用油粒直径表示：D 2 D 2 8 0 进一步简化：
g
c p,g L
ln1 BT
D 2 D02 k D 2 D02 k
蒸发速率常数 k 8
g
c p, g L
ln1 BT
rs →0 燃尽时间τb:
D02 初始油珠尺寸 2 b k 燃烧速度常数
－R
＋R 0 直流喷嘴油滴流量密度分布曲线
－R
＋R 0 旋流喷嘴油滴流量密度分布曲线
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前提。
油粒的蒸发与燃烧
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：0~35 良：35~75 轻度污染：75~115 中度污染：115~150 重度污染：150~250 严重污染：250及以上
沸腾炉燃烧特点
•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800～900℃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。
3

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。
τb ↑ τb ∝D02， D0↑，
物性参数的选择：
c pg c pg (T ) k g 0.4F (T ) 0.6 (T ) T (Tboil T ) / 2
• 例题： 直径为500μ m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。
液滴群燃烧特点；
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3.05×10-5kW/(m.k)。
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。
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。
旋风炉燃烧特点
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1600~1700℃； 液体排渣，飞灰大大减少； 积灰严重； 液态灰渣热损大。
(二)源自文库体燃料燃烧
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90% 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。
（一）液体燃料燃烧
液体燃料燃烧过程 （较气体复杂）
•雾化 •液滴汽化、蒸发 •燃料与空气混合 •液滴燃烧
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。 雾化过程： 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。