燃烧理论与基础 06第六章 液体燃料燃烧

（3）采用旋转气流。 （4）加强风、油后期的混合。
第三节 液体燃料扩散燃烧
一、液滴的蒸发

单个液滴的蒸发和燃烧规律对液体雾化气流 燃烧是很重要的基础理论。大量试验证明， 液滴燃烧一般为扩散燃烧。即液滴蒸发的燃 料气体的反应速度比传热、传质速度快得多， 因而其燃烧过程由传热、传质速度所决定。
1、斯蒂芬（Stefan）流

在相界面上存在物理或化学变化（如液滴的蒸 发或燃烧过程），而且这种变化在不断产生或 消耗质量流，在这种物理或化学的变化过程与 气体组分扩散的综合作用下，则在相界面的法 线方向产生一股与扩散物质流有关的总质量流， 这是一股宏观的物质流动，以速度ug离开液滴 表面。这一现象是斯蒂芬在研究水面蒸发时首 先发现的，故称斯蒂芬流。
表6-1 压力式雾化喷嘴的压力范围
锅炉、 工业 炉 压力范 围 /MPa
燃气轮 机
柴油机
航空发 动机
2~3.5
5~8
15~30
100
2、旋转式雾化喷嘴

压力油流通过空心轴进入喷嘴头部高速旋转 的转杯内，其转速约为3000~6000rpm，高速 旋转产生的离心力，使油流从转杯内壁向出 口四周的切线方向甩出，因速度较高使油膜 被空气雾化成细滴。旋转杯式喷嘴的结构示 于图6-5所示。

形式上虽然和液滴蒸发时间关系式相同，但 K0比前述的K1多考虑了氧的扩散影响。由此 可见，燃油的雾化质量对燃烧的影响是很大 的。
2、强迫对流环境中液滴的扩散燃烧（折 算薄膜理论）
d 02 0 K
4 Nu c p T f Tbw O 2 DO 2 mO 2 K ln 1 c p Lo


上述这些反应，减少了火焰中的碳粒，提高 了油的燃烧程度，改善了燃烧状况，提高了 油的燃烧效率。在缺氧条件下，燃料中由于 高温裂解产生的碳粒子，能与水蒸气反应生 成CO和H2，使碳粒子能充分燃烧，提高了燃 烧率，降低了排烟中的烟尘含量，另一方面， 由于乳化水的蒸发作用，均衡了燃烧时的温 度场，从而抑制了NOx的形成。 通过上述的微爆及水煤气反应，乳化油燃料 可获得减轻大气污染和节约能源的双重效果。
二、乳化油燃烧

乳化燃料燃烧是个复杂的过程，对其节能降 污机理较为成熟的解释是乳化燃料燃烧中存 在的“微爆”现象和水煤气反应，也就是从 燃烧的物理过程和化学过程来解释。

乳化油燃烧过程的物理作用即所谓“微爆” 作用。
图6-14 普通油和乳化油的燃烧过程

化学作用即水煤气反应。在高温条件下，部 分水分子与未完全燃烧的炽热的炭粒发生水 煤气反应，形成可燃性气体，反应式如下： C+H2O → CO+H2 C+2H2O → CO2+2H2 CO+H2O → CO2+H2 2H2+O2 → 2H2O
三、液滴群的蒸发与燃烧

液滴群的燃烧主要可分为预蒸发式燃烧、液 滴群扩散燃烧、复合式燃烧等三类。
1、预蒸发式燃烧

这种燃烧情况相当于雾化液滴很细，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。
图6-12 气流速度对液滴边界层的影响
d 0 K1

2 0
4Nu K1 ln(1 B) c p
随着相对速度增大，Nu数增大，使得K1增大， 因而蒸发时间比静止环境中明显缩短。
二、液滴的扩散燃烧

液滴的燃烧是一个涉及同时发生热量、质量 和动量交换以及化学反应的复杂过程。影响 液滴燃烧的主要因素有：液滴尺寸、燃料成 分、周围气体成分、温度、压力和液滴与周 围气体间的相对速度等。
g u 2 g d1u 2 作用于液滴表面的外力 We 液滴内力 / d1

实验表明，We数增大，液滴碎裂的可能性增 加。对于油滴，当We＞14时，油滴变形严重， 以致碎裂。上式表明，燃烧室中的压力增高、 相对速度增加以及液体的表面张力减小，均 对雾化过程有利。
二、雾化方式和喷嘴
三、雾化性能参数

一般可用一些特性参数来表征喷嘴的雾化性 能。即雾化气流（或称雾化锥）中液滴群的 雾化细度、雾化气流的扩张角度（雾化角）、 雾化气流的流量密度分布、射程及流量等。 其中雾化细度、雾化角和流量密度分布较常 用。
1、雾化细度

雾化气流中液滴大小各不相同，液滴直径越 小则总表面积越大，蒸发、混合及燃烧速度 也就越快。

液滴分布常用质量百分数表示，设总质量为g （g）的液滴群中，直径大于x（单位为μm） 的液滴质量为gx（g），则直径大于x的液滴 质量分数Rx为
gx Rx 100% g
为了用一个平均滴径数表示雾化颗粒的分布 情况，常用平均当量直径表示，—般有下列 两种表示方法。 （1）质量平均当量直径dm
雾化过程可分为以下几个阶段： 液体首先由喷嘴流出形成液体柱或液膜； 分离为液体碎片或细丝，液体碎片或细丝收 缩成球形液滴； 大液滴进一步碎裂成小液滴。

液滴的变形和破碎的程度取决于作用在液滴 上的外力和形成液滴的液体表面张力之间的 比值，此值常用维泊（Weber）数（或称破 碎准则）来表示。其业应用阶段。 东方锅炉厂于2003年自主开发设计制造了世界上首 台专门燃用奥里乳化油的600MW亚临界自然循环电 站锅炉，已在湛江中粤能源有限公司成功投入商业 运行，目前有两台奥里乳化油锅炉投运。奥里油是 产于委内瑞拉诺科河地带的一种超重原油，常温下 粘度大，流动性差，储存与运输困难。奥里乳化油 是70%左右的奥里超重原油添加30%左右的水，再 加上0.3%~0.5%的表面活性剂，形成的一种水包油 型乳化油。

假设液滴为规则球体，半径为r1，由于斯蒂芬 流引起的燃料蒸汽向外对流，其数量为：
qm u g g 4r mos
2 1
2、相对静止环境中液滴的蒸发

相对静止环境指液滴与周围气体间无相对运 动。即：
dmo q m 4r D g / r r1 4r1 D g mos mo dr

dm
m d m
i i
i
（2）索太尔平均当量直径dsmd
d smd ni d i3
ni d i2
2、雾化角

喷嘴出口处的燃料细油滴组成雾化锥（见图 6-7），喷出的雾化气流不断卷吸炉内高温气 体并形成扩展的气流边界。
图6-7 雾化锥示意图
图6-8 雾化角
有出口雾化角和条件雾化角之分。 （1）出口雾化角。在喷嘴出口处作雾化锥外边 界的切线，切线的夹角即为出口雾化角α，可 用α或2α表示其大小。

按照油的雾化机理，工程上油的雾化方式分 为：压力式、旋转式和气动式等。前两种又 称为机械式雾化。如下图所示。
1、压力式雾化喷嘴

压力式雾化喷嘴又称为离心式机械雾化器。 它可以用在航空喷气发动机、燃气轮机、柴 油机以及锅炉和工业窑炉上。根据使用的对 象、容量以及其它具体情况，这种喷嘴可以 采用不同的结构形式和压力范围，如表6-1所 示，但他们的工作原理是相同的。
图6-9 机械雾化流量密度分布
图6-10 介质雾化流量密度分布
四、燃油设备对配风的要求

为保证燃料油燃烧得好，除喷嘴应具有良好 的雾化性能外还需得到合理的配风。对配风 的原理及配风器（也称通风器）应提出以下 一些基本要求，从而设计出合理的配风器结 构。
（1）为防止燃料油在高温下热裂解，必须在火 焰根部送入一部分空气，称为一次风，。 （2）燃油雾化气流的扩张角与空气射流的扩张 角度应合理匹配。
四、液雾燃烧的理论模型

液雾燃烧是紊流中的化学反应过程，又是两 相流动，在发展计算模型中遇到了很大的困 难。根据对问题的认识深度以及采用假定的 不同，模型有很多种。从简单的经验公式到 复杂的两相紊流的燃烧模型。
1、经验公式 2、液滴轨迹模型 3、一维模型 4、搅拌反应器模型 5、局部均匀流（LHF）模型 6、两相流模型（分离流SF模型） 7、雾群燃烧模型
第四节 液体燃料乳化燃烧

在燃烧过程中，乳化油与纯油相比具有明显 的优点。现在，我国已投产了600MW等级乳 化油发电机组。
一、油的乳化

在燃油中掺入少量乳化剂，再通过乳化装置 的搅拌，则可获得稳定和均匀的油水乳化液。 这种混合液体称为乳化油，有两种类型的乳 化油：一是使水成为分散相，水被分裂成许 多微细的水珠均匀悬浮在油中，称为油包水 型乳化液；二是油为分散相，油被分裂成许 多微细的油珠均匀悬浮在水中，称为水包油 型乳化液。乳化油燃烧可以节能、降低污染 物排放。
图6-1 重油旋转气流燃烧过程
三、强化液体燃料燃烧的措施
1、强化液体燃料的蒸发过程 2、强化液体燃料与空气的混合过程 3、防止或减少液体燃料化学热分解（热裂解）
第二节 液体燃料雾化理论

液体燃料的雾化是液体燃料喷雾燃烧过程的 第一步。
一、雾化原理

雾化过程就是把液体燃料破碎成细小液滴群 的过程。
1、相对静止环境中液滴的扩散燃烧

相对静止的燃料液滴燃烧时，可看成液滴被 一对称的球形火焰包围，火焰面半径rf通常比 液滴半径r1大得多。静止条件下的液滴燃烧 属于扩散燃烧。其模型如图6-13所示。
图6-13 液滴扩散燃烧模型
d d K0
2 0
2 1
8 c p T f Tbw O 2 DO 2 mO 2 K 0 ln 1 c p Lo
2、液滴群扩散燃烧 周围介质温度低或雾化颗粒较粗（或蒸发性 能差），在燃烧区的每个液滴周围有薄层火 焰包围，在火焰面内是燃料蒸汽和燃烧产物， 火焰面外是空气和燃烧产物，液滴蒸汽各自 供应液滴周围火焰并和氧气相互扩散进行燃 烧反应，即液滴群中每一液滴独立地进行燃 烧。
3、复合式燃烧 这种燃烧情况介于预蒸发式燃烧和液滴群扩 散燃烧之间。
3、气动式雾化喷嘴


气动式雾化喷嘴又称介质式雾化喷嘴。它利 用压缩空气或高压蒸汽为雾化介质，将其压 力转化为高速气流，使液体喷散成雾状气流。 采用蒸汽为介质的雾化喷嘴又分为纯蒸汽雾 化和蒸汽—机械（压力）综合雾化两类喷嘴。


纯蒸汽雾化的供油压力用得较低，甚至只需 用高位油箱的压头即可，这种喷嘴常用在小 型工业锅炉上。 蒸汽—机械喷嘴则在电站锅炉上用得较多， 其油压、汽压接近，约在0.5~2.0MPa，它依 靠油流和蒸汽具有的能量将燃油破碎成油滴， 故要求的油压可以比机械雾化喷嘴低，汽耗 率也较低。
第六章 液体燃料燃烧
第一节 液体燃料燃烧特性
一、燃烧方式

液体燃料的燃烧方式可分为两类：一类为预 蒸发型；另一类为喷雾型。
二、重油燃烧过程

当重油油滴进入高温炉膛空间后，油滴被烟 气加热。

蒸发出来的油汽在足够高的温度下燃烧。 油滴燃烧所需时间主要由两段组成：重油油 滴蒸发产生的油汽燃烧所需时间，及其焦炭 核燃烧所需时间。
第五节 微油点火技术


我国煤炭资源丰富，而石油资源短缺。以煤 代油是一项非常重要的能源政策。研究开发 推广以煤代油技术是我国长期能源战略的重 要部分。 我国燃煤机组的启停及低负荷稳燃需要消耗 大量的石油资源。据统计，燃煤锅炉点火启 动及稳燃年耗油约900万吨。节约锅炉点火用 油势在必行。
2

相对静止环境中液滴完全蒸发所需的时间τ0为：
d 02 0 K
K 8 g ln1 B cp 4qm d 0

称为直径平方－直线定律。
3、强迫气流中液滴蒸发的折算薄膜理论

把液滴周围不规律的边界层折算成理想情况 下的均匀边界层，只是折算的薄膜半径与理 想情况不同。

（2）条件雾化角。以喷口中心为圆心，距离x 为半径（一般x取200mm）作弧，与边界线得 两交点，连接喷口中心与两边界线交点的连 线，这两连线间的夹角称为条件雾化角，可 用αx或2αx表示。显然αx＜α，其差值可达20° 以上。
3、流量密度

单位时间内通过垂直于油雾速度方向的单位 面积上燃油流量qv称为流量密度，其单位为 cm3/(cm2· s)。