第十四章 液体燃料的燃烧

第十四章 液体燃料的燃烧
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第一节 液体燃料的燃烧特点
一、液体燃料的燃烧过程
燃油槽车 / 油管工厂油罐过滤油泵烧嘴炉膛或燃烧室 ————— 供油系统 ———————— —燃烧装置—— 燃油的燃烧过程：沸点低于燃点、受热后先蒸发、汽化、然后燃烧 油的雾化油滴蒸发、高温热解与裂解与空气混合着火燃烧 油的蒸发：提供反应需要的可燃物质 油的燃烧：提供油蒸发所需要的热量 蒸发与混合的速度——燃烧速度 当燃油、空气等条件一定时，控制油的燃烧过程主要控制雾化和混 合过程。
本章完
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结构：空气导管 油导管 烧嘴喷头 调节机构
喷头形式： 直流式 旋流式
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1. 低压空气雾化油烧嘴
雾化剂：鼓风机供给的空气 特点：烧嘴前的风压较低；
雾化剂的量较大； 过量空气系数较小。
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（1）直流套管式油烧嘴
结构简单， 调节较方便， 油阀不易实现微量调节， 空气与燃油混合不好， 移动套管要求加工精密。
（5）雾化均匀度
➢积分表示法
将大于某一直径d的所有液滴的质量占全部液滴质量的百分数表示成 液滴直径的函数。
➢微分表示法
将直径在d和d＋Δd之间的所有液滴的质量占全部液滴总质量的百分 数表示成液滴直径的函数。
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第三节 雾化燃烧的组织
雾化燃烧组织过程：
雾化 蒸发 混合 着火
处理燃烧过程：保证充分、合理燃烧 良好的雾化状况
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二、油雾炬的特性参数
（3）燃料的流量密度分布
单位时间内通过与燃料喷射方向相垂直的单位截面上燃 油质量沿半径的分布规律。
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二、油雾炬的特性参数
（4）喷雾射程
喷嘴水平喷射时，油雾液滴丧失水平方向动能的行程。 不同直径油粒的射程也不同。射程取决于轴向速度和颗 粒度。射程的大小影响火焰长度。
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二、油雾炬的特性参数
四、除杂质
喷口直径小<1mm
杂质、机 械杂质
堵塞 磨损 结垢
滤清装置
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第四节 常用燃油烧嘴
燃油烧嘴：液体燃料的燃烧器
要求: 一定的燃烧能力(热负荷) 雾化质量好 空气与油雾混合良好 调节油量性能良好 燃烧稳定、火焰形状、长度符合要求 结构牢靠，自动调节控制，维修方便
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一、气体介质雾化式油烧嘴
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（2） 比例调节式低压油烧嘴
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（3）旋流式低压油喷嘴
雾化好，有空气涡流叶片，空气与油流交角大（7090°），火焰张角大，中心负压区高温烟气回流，连 续点火热源，燃烧稳定。
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2. 高压气体雾化油烧嘴
用压缩空气（0.3-0.7MPa）、氧气、蒸汽或高压煤 气作雾化剂，但高压气体膨胀后会降温，使油粘度 变大，不利雾化。用过热蒸汽、预热压缩空气较好， 但蒸汽过多，影响加热质量。
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第一节 液体燃料的燃烧过程
2.特点 燃烧状况不好，将导致燃料严重热分解
重质燃料
未燃烧
污染、冒黑烟
火灾
油罐火灾、海面浮油火灾等
四、灯芯燃烧
吸附
灯芯
容器
工程燃烧中不宜采用该燃烧方式
灯芯表面
燃油
燃烧
蒸汽
燃烧功率小、适用于家庭、小规模燃烧器（煤油灯、煤油炉）
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五、蒸发燃烧
1.类似于气体燃料燃烧 ：燃料蒸发－－象气体燃料燃烧 2.过程
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一、雾化机理、过程和方法
雾化过程：
（1）液体从喷嘴流出形成薄膜 或股流
（2）由于液体紊流、空气对液 体薄膜的作用，液体表面发 生弯曲波动 （扰动、空气外 力）
（3）在空气压力作用下，产生 薄膜 （下游越薄）
（4）由于表面张力作用，薄膜 分裂成颗粒、小液滴
（5）颗粒继续破裂 （6）颗粒互相碰撞可能聚合
正常燃烧
强化混合
稳焰措施 除杂质
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一、确保良好的雾化状况－－正常燃烧的前提
基本原则——减小燃油的内力和加大外力
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一、确保良好的雾化状况－－正常燃烧的前提
1. 油温
提高油温可降低粘度和表面张力，改善雾化质量
2. 雾化剂压力与流量
提高压力，喷出速度增加，颗粒平均直径减小。 低压烧嘴，雾化剂流速不大，需要雾化剂多；当雾化剂量少 时，影响雾 化质量；高压时，对雾化影响不大，需雾化剂单位耗量稍小些。
汽油
柴油
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六、雾化燃烧－－重点
（3）汽化器原理图
喉 部
流速大 进气管
吸入汽油
高速气流
边蒸发边流动 冲散油股
燃
小雾滴
烧 混合良好 室
燃烧
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六、雾化燃烧－－重点
（3）喷嘴雾化－－难蒸发
燃油和空气分别进入燃烧室（类似扩散燃烧），边混合边燃烧
油雾边缘易混合 中心难混合 通过喷嘴使油雾化， 油的颗粒不均匀，
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二、油雾炬的特性参数
油雾炬——油雾化后形成颗粒群的轨迹轮廓 （1）油粒直径
直径不均匀，有直径分布，最大直径，平均直径dm ➢ 中间直径法（d50）
是一个假定液滴的直径，即液雾中大于或小于这一直径的两部分 液滴的总质量相等。
➢ 索太尔平均直径法（dSMD）
设在特定的液滴群中的滴数为N0 ，且所有液滴的直径都等于 dSMD，而这些液滴的总体积与总面积之比正好等于实际液滴群的总 体积与总面积之比。
3. 油压力
对于机械雾化，油压越高，油流的速度越大，雾化质量越好。 对于气体介质雾化式，油压不宜过高，速度太高不利雾化；但油压应高 于气雾剂反压力，否则油喷不出。
4. 烧嘴结构
雾化剂 / 油的出口面积、夹角、旋转度、孔数、孔形状等等，要实际试 验，还要考虑制造、油嘴堵塞等问题。
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二、强化油雾与空气的混合
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机械压力式燃烧器
适用燃料：轻柴油、重柴 油、重油
输出功率：42KW－ 5900KW
适用锅炉出力：0.25T-6.6T
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蒸汽雾化式燃烧器
适用燃料：柴油、重油、 渣油、废油、污油 输出功率：3500KW73000KW
适用锅炉出力：5T-60T
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燃气燃烧器
多种形式：外观上和以上 三种燃烧器均有相似的型 号 适用燃料：低热值燃气、 城市煤气、天然气 输出功率：50KW-3000KW 适用锅炉出力：0.25T-30T
混合、良好雾化
1.早期混合：
燃油刚喷出喷嘴后，在喷嘴周围的混合。
及时燃烧－－早期混合良好（尽短、尽快） 未及时燃烧，热分解－－炭烟 控制空气流扩张角 过小：不利于油雾分散、混合 过大：空气流远离油雾流、不易混合 恰当：使空气流穿透油雾流－－开始扩张、混合良好
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二、强化油雾与空气的混合
2.后期混合：
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第一节 液体燃料的燃烧特点
二、液体燃料燃烧形式分类 根据液体燃料蒸发与汽化的特点 ，分为 液面燃烧 灯芯燃烧 蒸发燃烧
雾化燃烧
三、液面燃烧 1.燃烧过程： 液面燃烧是直接在液体燃料表面上发生的燃烧。
热源或火源
辐射和对流
液体燃料容器
液体表面
受热蒸发
着火温度 受热
一定浓度 可燃混合气
燃烧
周围空气
液面上方的燃料蒸汽增加
如图，油通过空心轴进入一个高速旋转(3000~6000转/分)的旋转杯的内壁。 在离心力的作用下，油从旋转杯的四周甩出。由于甩出速度很高，使油雾化。 在旋转杯四周还有一股由一次风机鼓进的高速气流，同时促进雾化。
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转杯式燃烧器
适用燃料：煤油、柴油、 重油、渣油、废油、污油 输出功率：766KW－ 21825KW 适用锅炉出力：1T-30T 英国技术
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一、雾化机理、过程和方法
雾化方法（能量来源）
1. 气体介质雾化：由雾化剂介质（空气、 蒸汽、氧气、煤气） 的能量提供外力。
气力雾化过程中使用高速气流来雾化相对低速的液体燃 料，当在气间形成液膜越薄，雾化效果越好。雾化介质一般 是压缩空气和蒸汽，从雾化角度，两种气体无明显区别。从 燃烧效率的角度，空气优于蒸汽。 2. 压力式（机械式）雾化：依靠液体的压力高速喷入空气中 或以旋流方式使液体加强搅动， 使液体雾化。
油雾与空气两股混合。
强化混合措施：
1. 加大流速
2. 两股交角喷射
3. 空气呈旋转气流 4. 空气分两次送入
5. 油雾化细而均匀
燃烧过程，稳定与强化燃烧 1. 改善雾化质量
2. 供给适量空气，强化空气与油雾的混合
3. 保证点火区和燃烧室的高温
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二、强化油雾与空气的混合
液体燃料：可燃分含量大－－空气量大
着火后的油雾与空气的再混合。
液雾中的油滴： 边蒸发边燃烧 高的氧浓度
雾化炬：
燃油的质量密度分布不均 油雾的液滴大小不同 浓度较高、大液滴区易缺氧
二次风 三次风
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三、采取适当的稳焰措施
点火困难
油雾点火
有效的点火源
点火温度高 稳焰措施
喷嘴前：压力滞止区 造成一定回流区： 回流不易过大：影响早期混合
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二、油雾炬的特性参数
（2）雾化角 ➢出口雾化角
在喷嘴出口处作雾化炬外边界的切线 所得到的锥角。
➢条件雾化角
以喷嘴出口中心为圆心，以设定长度L为 半径画的圆弧与雾化炬边界相交，圆心与两交 点连线的夹角
大——火焰张角大，火焰短粗 小——火焰张角小，火焰细长
当喷嘴直径和喷射压力增加时，喷雾炬的雾化角增加，这是由于较 大的雷诺数在紧靠喷口附近的下游处引起了较大的湍流度的缘故。
特点： （1）结构简单，体积小 （2）雾化剂速度大，雾化质量好 （3）混合稍差，火焰长 （4）调节性能好 （5）必须强鼓风
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（1）套管式高压雾化油喷嘴
雾化好，混合差， 火焰长
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（2）旋流式高压油喷嘴
烧嘴雾化剂喷头有旋流叶片，混合好、火焰短
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（3）高压内混式油喷嘴
混合室距离较长，雾化剂以高速与油相遇，雾化良好。 喷口油雾不受热辐射，不易造成裂化而堵塞喷口。
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二、机械雾化油烧嘴
油压1.5-2.5MPa，空气鼓 风，不需要雾化剂。重油在 本身压力能作用下，由喷嘴 喷出。
机械雾化油烧嘴的结构简单、 紧凑，工作噪音小，空气预 热温度不受限制。
适用于粘度校的燃油。
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（2） 可调针阀式离心烧嘴
针阀调节油量，并且负荷调节时，可保证雾化质量
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三、转杯式喷嘴－旋转机械式雾化
从几 到500 。 大颗粒容易产生大的 烟粒与焦粒。
油颗粒燃烬时间 与颗粒直径平方成正 比。
雾化装置复杂，用于工业窑炉和锅炉等固定式燃烧设备
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3.雾化质量
（1）雾化良好
越细
油滴越多
总面积越大
蒸发越快
（2）雾化质量差：不利于燃烧
点火困难－－航空发动机
有利于气相燃烧
热解、积炭、火焰长
浓度场不均－－不稳定燃烧
液体燃料
管道 蒸发
蒸汽
气体
燃烧
加热
高温烟气
管道
3.适用燃料： 粘度不太大 沸点不太高 轻质液体燃料 在工程中有一定应用
放热
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六、雾化燃烧－－重点
1.过程：
破碎 雾化器
液体
小液滴
燃料的蒸发表面积增加 上千倍
悬浮
边蒸发边燃烧
燃烧速度加快
2.关键问题：－－雾化 （1）雾化方式：据液体燃料的蒸发性定 （2）易蒸发的液体－－汽化器 不易蒸发的液体－－喷嘴雾化
雾化质量差－－无法正常燃烧
（3）雾化不是越细越好：穿透力小－油雾密集在喷嘴附近 －局部富油－浓度场不均－雾化消耗能量大－不经济
（4）理想的雾化质量
油滴的平均直径小、分布好、有利于蒸发、也有利于形成良好的浓度 场
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第二节 液体燃料的雾化
一、雾化机理、过程和方法
雾化过程是由于液体受到的外力（气动力、惯性力） 和自身内力（粘性力、表面张力）相互作用的结果。外力 大时油颗粒破碎，平衡时液体颗粒停止雾化。