第七章液体燃料的雾化

• 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
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。
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。
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。
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
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
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
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
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。
(二)固体燃料燃烧
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。
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
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。
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
（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。
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)。
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
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）
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
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。
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
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）
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。
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