氧乙醇燃烧过程中乙醇雾化机理与方法的研究

氧乙醇燃烧过程中乙醇雾化机理与方法的研究1绪论1.1乙醇燃料的发展趋势以及氧乙醇火焰切割的现状随着世界经济的发展，各国对能源的依赖性越来越强，寻找和生产具有可持续性发展的绿色能源，逐步摆到了重要位置。在对各种替代燃料进行科学分析和性价对比后，燃料乙醇作为新型能源，以其优越的性能，成为燃料替代的首选。当前,我国工业发展迅速，金属气割加工的需求量越来越大，因此开发推广安全环保、高效节能、切割质量高、操作方便、燃料来源广及供应方便的气割方法是一项重要的课题。目前，应用在低碳钢及低合金结构钢的热切割方法主要是氧乙炔火焰切割，其工艺缺点是乙炔气造价高，在生产和使用过程中消耗能源多，对环境污染较大，且储存、运输及使用时安全性差等。为此，人们开发了很多的代用液体燃料切割技术，其中比较典型的有氧汽油、氧乙醇切割技术。但是，这两种技术都有自身的局限性，氧汽油切割技术具有优良切割质量且节能环保，但是汽油的使用将增加石油资源的消耗，存在能源危机问题。氧乙醇火焰因为乙醇燃料的可再生性备受当前能源界的推崇，但其火焰温度较低，延长起始预热金属的时间，造成切割效率的下降。从节能高效的角度出发，利用乙醇可再生性和汽油的高热值进行相互补充而开发适合金属热切割过程的混合燃料是具有广阔前景的工作。随着醇类燃料的广泛应用，火焰切割用燃料用醇类燃料必将替代以往的石油系燃料。金属切割的需求量伴随着世界各国工业化程度的提高越来越大，对环保、高效节能、切割质量高、利用可再生燃料的火焰切割技术的研究越来越受到研究人员的高度重视，许多国家不惜重金进行新型火焰切割技术的研究与开发工作。因此，新型燃料用于火焰切割的研究一直成为火焰切割新技术的热点研究领域。长期以来，金属的气焊和气割主要采用乙炔作为燃料，由于乙炔在使用过程中易燃、易爆，容易回火，极易发生安全事故；乙炔在制造过程中，所用的电石生产成本高、能耗大、污染环境；而且采用氧乙炔火焰切割时，切割质量差，钢材切口不光滑、挂渣多、难清除，切口上缘塌边，因此用其他燃气替代乙炔气早已形成共识。我国自改革开放以来，特别是20世纪90年代以来，政府有关部门采取了诸多措施消除乙炔造成的污染。l995年，机械工业主管部门发布不再审核新建、改扩建电石厂、乙炔气厂的决定，同时大力推广使用新型工业燃气。1992年，国家科委发文推广氧液化石油气火焰切割技术，1996年9月国家经委、国家计委、国家科委等联合将氧丙烷火焰切割技术列为“九五”期间国家重点推广项目，后来又出现了以丙烷、丙烯为基，加入各种添加剂的工业燃气。历经l0余年的努力，我国新型工业燃气的推广工作取得了重要进展，但由于燃气供应等问题，目前新型工业燃的使用面仍不是很大，氧乙炔火焰切割的使用比率仍在85％左右。从20世纪70年代起，世界一些发达国家就开始以烷烃烯烃类新型工业燃气替代乙炔气，80年代中期，美国、英国、日本等发达国家新型工业燃气的使用率已达50％～70％。90年代美国则达到了85％，相比之下，我国新型工业燃气的应用落后了美国将近20年[3]。随后，发达国家都相继开展了对数控切割的技术、工艺、相关配套软件和设备的深入开发研究工作，经过40多年的不懈努力，得益于计算机产业不断进步的相助，已向市场推出了各种类型、功能齐全的系列化数控切割产品。近20年来国内外有关研究机构及企业相继投入大量资金，开发研究成本低、安全、减少环境污染的新型燃气，目前国内已自主开发及引进了多种新型工业燃气代替乙炔用于工业火焰加工。生产新型工业燃气的企业近干家，应用量及推广面较大的几种新型工业燃气为：丙烷气(C3H8)、丙烯气(C3H6)、金火焰工业燃气、霞普气(SHARP)、氟菜玛克斯气(FLAMEX)和特利气等，约占国内新型工业燃气市场的90％。同时与新型工业燃气相配套焊割炬的生产企业也陆续建成投产，各种焊割炬机具品种齐全，手工割炬切割厚度可达350mm，机用割炬切割厚度可达1800mm。因用新型工业燃气切割加工生产成本较乙炔气低大约1/3，且具有环保无污染、回火率低、安全性能好和易掌握等众多优点，受到了国家各有关管理机构的高度重视。为此，很多研究部门正在积极研究开发代替型能源，可再生能源和环保能源。燃料乙醇是用无水乙醇作为燃料，是一种可再生的生物质能。早在1973年石油危机爆发时，巴西政府就下决心用乙醇作为替代燃料。1979年初，当时的美国宣布，使用和推广添加10％乙醇的汽油，推行这一政策大大有利于销售商和消费者，同时节省了国家的石油资源。美国于1992年开始鼓励使用乙醇作新配方汽油的充氧剂，从而极大地促进了美国燃料乙醇的生产至2005年，法国5％燃料可能来自再生能源。在中国，随着经济的迅速发展，汽车的保有量高速增大，这使得国内对汽车能源的需求与日俱增，大力发展乙醇燃料已纳入规划，生产燃料乙醇已列为国家“十五”示范工程重大项目。从使用情况和技术成熟角度看，乙醇是一种比较理想的生物液体燃料，是当前典型的可再生能源。随着我国工业的发展，金属气割加工的需求量越来越大，因此开发推广安全环保、高效节能、切割质量高、操作方便、燃料来源广及供应方便的气割方法是一项重要的课题。目前，应用在低碳钢及低合金结构钢的热切割方法主要是氧乙炔火焰切割，其工艺缺点是乙炔气造价高，在生产和使用过程中消耗能源多，对环境污染较大，且储存、运输及使用时安全性差等。为此，人们开发了很多的代用液体燃料切割技术，其中比较典型的有氧汽油、氧乙醇切割技术。但是，这两种技术都有自身的局限性，氧汽油切割技术具有优良切割质量且节能环保，但是汽油的使用将增加石油资源的消耗，存在能源危机问题。氧乙醇火焰因为乙醇燃料的可再生性备受当前能源界的推崇，但其火焰温度较低，延长起始预热金属的时间，造成切割效率的下降。从节能高效的角度出发，利用乙醇可再生性和汽油的高热值进行相互补充而开发适合金属热切割过程的混合燃料是具有广阔前景的工作。随着醇类燃料的广泛应用，火焰切割用燃料用醇类燃料必将替代以往的石油系燃料。1.2氧乙醇燃烧过程中液体燃料的雾化方式氧乙醇燃烧过程中，使燃料完全燃烧以提高火焰温度的最主要方式就是乙醇燃料的充分雾化，目前已知的雾化方式有：压力雾化、喷溅雾化、超声波雾化、溶气雾化等。﹙1﹚压力雾化雾化是将液体或液—固悬浊体分散成数微米至数十微米细小滴粒的作业,它可以提供巨大的相间接触面积,是一种重要的单元操作。在工业、农业、民用消费及化工等领域有广泛的应用。压力雾化是利用压力使液体高速通过喷嘴，将液体静压能转变为动能经喷嘴高速喷出并形成雾滴，从而达到液体的雾化。单纯依靠压力通过小孔喷射仍不能达到雾化要求,常用的压力雾化器(又称力喷嘴)一般采用液体加压与旋转运动相结合，使高速喷出的液体形成锥形薄片，液膜伸长变薄最后碎裂成为雾滴。在各种雾化方法中,压力喷嘴以其结构简单、雾化性能好、能耗低、操作简便等优势，应用十分广泛。﹙2﹚喷溅雾化这是一种燃料在高速喷出后碰撞后破碎的雾化方式，碰撞的界面可以是改变方向的管道壁面，像瀑布流下后水碰到石头溅起的水雾。由于燃烧室空间的限制，特别是对于中小型柴油机，燃料喷出后与室壁发生碰撞是常见现象，碰撞后，随即液体燃料产生喷溅，发生破碎。破碎的液滴再次与周围的液滴发生二次碰撞，进一步碎化，使液体燃料在喷溅的强烈作用力下达到雾化的目的。﹙3﹚超声波雾化超声波雾化也称为超声振荡雾化，是利用超声波的作用来加强液体分解和雾化的试验研究工作早在20世纪30年代就已经开始了。超声波雾化原理是：利用压电陶瓷所固有超声波振荡特点，通过一定的振荡电路手段与压电陶瓷固有振荡频率产生共振，就能直接将与压电陶瓷接触的液体雾化成1--3μm的微小颗粒。其原理是，电路超声波振荡，传输到压电陶瓷振子表面，压电陶瓷振子会产生轴向机械共振变化，这种机械共振变化再传输到与其接触的液体，使液体表面产生隆起，并在隆起的周围发生空化作用，由这种空化作用产生的冲击波将以振子的振动频率不断反复，使液体表面产生有限振幅的表面张力波。这种张力波的波头飞散，使液体雾化，同时产生大量的负离子。超声波雾化也是液体燃料雾化的主要方式。﹙4﹚溶气雾化液体燃料柴油、汽油、航空油、重油等广泛地被用于内燃机、燃气轮机、锅炉、冶金炉及其他燃烧装置中，高效、合理、低污染地使用燃油是能源研究中的一个重要课题。理论和实践表明，为了获得高强度、高效率、低污染的燃烧效果。首先必须将液体燃料粉碎成细小细粒，取得良好的雾化质量。其次必须提高燃料、气体混合质量。这两者的优劣对燃料的燃烧过程起着决定性的作用，基于大量的试验研究,提出一种燃料雾化新概念——溶气雾化。它完全不同于目前在一般燃烧装置上广泛采用的压力雾化方法和介质雾化方法等。燃料溶气雾化的原理是事先在燃料中溶入气体，喷射时利用喷孔的负压效应，使燃料中溶解的气体过饱和，在喷孔内急剧析出，产生气爆雾化。溶气析出产生的气态膨胀力克服燃料的内聚力和表面张力，将燃料粉碎成细小微粒，形成抛物形状喷注。总之,在利用氧乙醇火焰进行切割、下料操作时,液体燃料(乙醇)的充分雾化是使其充分燃烧和提高火焰温度的重要措施。液体燃料的充分雾化也是当今工程领域研究的重要课题。2氧乙醇火焰燃烧过程2.1乙醇概述乙醇作为燃料早在20世纪初就出现了。后来随着价廉物美的石化系燃油大量生产，使汽油和柴油成了发动机的主要燃料，从而抑制了乙醇燃料的发展。直到20世纪7O年代初全球性“石油危机”的爆发和不断严格的汽车排放法规才使得燃料乙醇的研究应用迅速发展。2.1.1乙醇的分子结构及性质1．乙醇的分子结构乙醇分子是由乙基和羟基两部分组成，可以看成是乙烷分子中的一个氢原子被羟基取代的产物，也可以看成是水分子中的一个氢原子被乙基取代的产物。乙醇分子中的碳氧键和氢氧键比较容易断裂，其相对分子量为46.07。2．乙醇的物理、化学性质﹙1﹚物理性质乙醇俗称酒精，化学分子式为CH3CH2OH,是一种无色透明且具有特殊芳香味和强烈刺激性的液体。它以玉米、小麦、薯类、糖蜜等为原料，经发酵、蒸馏而制成，乙醇沸点和燃点较低，属于易挥发和易燃液体，除大量应用于化工、医疗、制酒业外，还能作为能源工业的基础原料-燃料。所谓变形燃料乙醇就是将乙醇进一步脱水再加上适量汽油后形成的。燃料乙醇具有和矿物质燃料相似的燃烧特性，但其生产原料为生物源，是一种可再生的能源。此外，乙醇燃烧过程所排放的一氧化碳和含硫气体均低于汽油燃烧，所产生的二氧化碳和作为原料的生物源生长所消耗的二氧化碳的数量上基本持平，可以减少污染抑制“温室效应”，它也因此被称为“清洁型燃料”。乙醇的物理性质主要与其低碳直链醇的性质有关。分子中的羟基可以形成氢键，因此乙醇黏度很大，也不及相近相对分子质量的有机化合物极性大。室温下，乙醇是无色易燃，且有特殊香味的挥发性液体。λ=589.3nm和18.35°C下，乙醇的折射率为1.36242，比水稍高。作为溶剂，乙醇易挥发，且可以与水、乙酸、丙酮、苯、四氯化碳、氯仿、乙醚、乙二醇、甘油、硝基甲烷、吡啶和甲苯等溶剂混溶。此外，低碳的脂肪族烃类如戊烷和己烷，氯代脂肪烃如1,1,1-三氯乙烷和四氯乙烯也可与乙醇混溶。随着碳数的增长，高碳醇在水中的溶解度明显下降。由于存在氢键，乙醇具有潮解性，可以很快从空气中吸收水分。羟基的极性也使得很多离子化合物可溶于乙醇中，如氢氧化钠、氢氧化钾、氯化镁、氯化钙、氯化铵、溴化铵和溴化钠等。氯化钠和氯化钾则微溶于乙醇。此外，其非极性的烃基使得乙醇也可溶解一些非极性的物质，例如大多数香精油和很多增味剂、增色剂和医药试剂。﹙2﹚化学性质a.酸性：乙醇分子中含有极化的氧氢键，电离时生成烷氧基负离子和质子。CH3CH2OH→（可逆）CH3CH2O-+H+乙醇的pKa=15.9，与水相近。乙醇的酸性很弱，但是电离平衡的存在足以使它与重水之间的同位素交换迅速进行。CH3CH2OH+D2O→（可逆）CH3CH2OD+HOD因为乙醇可以电离出极少量的氢离子，所以其只能与少量金属（主要是碱金属）反应生成对应的醇金属以及氢气：2CH3CH2OH+2Na→2CH3CH2ONa+H2醇金属遇水则迅速水解生成醇和碱。（1）乙醇