液体燃烧

第五章液体燃料燃烧第五章液体燃料燃烧第一节液体燃料的特性第二节液体燃料的雾化第三节液滴的蒸发第四节液滴燃烧第一节液体燃料的特性一.油类燃料特性二、其它液体燃料一.油类燃料特性1.石油的元素组成：组成石油的元素主要是碳、氢、氧、氮、硫5种，其中主要的是碳和氢2种元素，碳的含量占84％～87％，氢的含量占11％～14％。除了上述5种主要元素外，在石油中还发现有极微量的金属元素和其他非金属元素。一.油类燃料特性2.石油中的碳氢化合物和胶状沥青物质(1)碳氢化合物组成石油的化合物主要是碳氢化合物，在化学上称为烃。烃的种类很多，但石油中的烃类主要有3类：烷类、环烷类碳氢化合物、芳香族碳氢化合物。(2)胶状沥青物质石油中除了烃类物质以外，还有非烃化合物，其中含量最大的一类就是胶状沥青物质，高的可达40％～50％，一般为百分之几。胶状物质中除碳氢之外，还含有氧、硫和氮的化合物，是高分子有机化合物，分子量高达270～1100，不易挥发，绝大部分都集中在石油的残渣中。燃烧时喷嘴处易产生结焦。一.油类燃料特性3.石油的炼制最基本的炼制方法是直接蒸馏法，利用石油中不同成分具有不同沸点的特点，对石油进行加热蒸馏，可以把石油分成不同沸点范围(即馏程)的蒸馏产物。每一个馏程内的产物称为馏分，它仍然是多种烃类的混合物。石油炼制中，各馏分的名称及温度范围大致如表5-1所列。此外，石油炼制还有减压蒸馏和深化裂解等方法。表5-1石油的馏分组成馏分轻馏分中馏分重馏分石油气汽油煤油柴油重瓦斯油润滑油渣油温度／℃3535-190190-260260-320320-360360-530530一.油类燃料特性4.燃油的主要特性•(1)凝固点：液态燃料由液态变为固态是逐渐进行的，并不具有一定的凝固点，当温度逐渐降低时，它并不立即凝固，而是变得愈来愈粘，直到完全丧失流动性为止。故按规定所谓油的凝固点是指油样在倾斜45°的试管中冷却，一分钟后油面能保持不变的温度，通常含蜡量或含胶状沥青质油愈多其凝固点愈高。油的凝固点对油在低温下的流动性能有影响。在低温下输送凝固点高的油时，应给予加热或采取必要的防冻措施。一.油类燃料特性•(2)沸点：燃料油也没有一个恒定的沸点，而只有一个温度范围，它的沸腾从某一温度开始，随着温度升高而连续变化。实际上石油蒸馏时，就是收集不同沸点的馏出物。•(3)比重：t℃时油的重度和4℃时纯水的重度之比称为该油的比重，用符号表示。通常以20℃作为油的标准比重，在其他温度下式中，kγ为温度修正系数，单位为1／℃。t2044(20kt）一.油类燃料特性•(4)发热量：由于油的碳氢含量远较煤为多，因此油的发热量也远较煤为高，通常低位发热量Qnet,ar为38.5～44MJ／kg。约为煤的1.5～3倍。一般来说，油越重，相对含氢量越少，发热量也越低。因此，一般汽油发热量要高一些，而重油的发热量则要低一些。•(5)比热容：燃料油的比热容一般为2.0kJ／(kg·℃)左右，油的比热容与油温有关，燃料油在t℃的比热容为tC=1.737+0.0025t一.油类燃料特性•(6)粘度：当两个面积分别为lcm2、相距lcm的两层油面，以lcm／s的相对速度运动时，液面间产生的内摩擦力称为动力粘度μ，当内摩擦力等于1×105N时，粘度为1Pa·s。运动粘度ν(m2／s)为式中，ρ为油密度。通常，燃料油的粘度常用恩氏粘度°Et表示。它是个按一定条件规定的粘度值，即200mm3的t℃的油从恩氏粘度计小孔流出的时间和同体积20℃蒸馏水流出的时间之比，它和运动粘度之间的关系为：=6.317.31tttEE一.油类燃料特性•(7)导热系数：对无水粘性为(20～135)×10-6m2／s的油可用下式计算：(W／m·℃)(8)表面张力各类燃料油的表面张力相差不大，并随温度的提高而降低，其典型数据如表所示。表5-2表面张力20(20tkt）油温度，℃507090110σ,×10-2N／m3.02.862.722.5一.油类燃料特性•(9)闪点：设容器内装有温度为t的液体燃料，在这温度下，燃料以低的蒸发速度蒸发并与空气混合，当与明火接触时，就发生短暂的闪光(一闪即灭)，这时的油温称为闪点。油中的轻质组分愈多其闪点愈低；比重增加时，闪点提高。一般直馏重油其闪点大多在135～237℃，沸点在196～320℃。裂解渣油的闪点为185～243℃，沸点为240～335℃。一般推荐在无压容器中加热重油时其加热温度不得超过闪点，而应比闪点低10℃左右，在压力容器或压力管道内则不受此限制。一.油类燃料特性•(10)燃点：当燃料气体一旦被点火火焰点着，火焰就能连续不断维持下去的温度称为液体燃料的着火点或燃点(通常连续燃烧的时间≮5s)。例如某种原油的闪点为39℃，其燃点为54℃；某种重油的闪点为222℃，其燃点为282℃。着火以后表面蒸发和气相燃烧相互支持而继续，液体表面从火焰表面接受热量，反过来又提供更多的蒸汽去燃烧，至稳定状态时，蒸发速度即等于燃烧速度。此时，液体表面温度高于闪点，接近但稍低于沸点。二、其它液体燃料1.水煤浆：•水煤浆以煤与何种液体相混合来命名，如油煤浆(COM)、煤油水浆(COW)、煤水油浆(CWO)、水煤混合燃料等。其中水煤混合燃料因对洗煤厂的煤泥和废液的利用的可能性更具吸引力。•在水煤浆应用过程中，一个严重的问题是磨损。磨损在水煤浆燃料操作设备，泵、阀门和雾化喷嘴中都有发生，减少含灰量是一个重要的方面，减小颗粒尺寸也能帮助减少磨损。另一个要避免的问题是要防止沉淀，特别是在储罐和管线上，这就要求加入稳定剂以增加稳定性，或将煤破碎得更细。另外，保持较高的浓度也可减少沉淀和分层的出现。二、其它液体燃料2.其他合成液体燃料•合成液体燃料是由煤、油页岩、油砂、天然气等经过一系列不同的加工方法得到的一类液体燃料。合成液体燃料的生产过程较复杂，生产费用较高，而原油(天然石油)的开采和加工费用较低，故各种液体燃料大都来源于天然石油。随着天然石油资源的逐渐减少，合成液体燃料作为一种替代或补充能源将有其发展前景。第二节液体燃料的雾化一、雾化过程及机理二、喷嘴三、液体燃料雾化性能第二节液体燃料的雾化•液体燃料的雾化是液体燃料喷雾燃烧过程的第一步。液体燃料雾化能增加燃料的比表面积、加速燃料的蒸发气化和有利于燃料与空气的混合，从而保证燃料迅速而完全的燃烧。因此雾化质量的好坏对液体燃料的燃烧过程起着决定性作用。一、雾化过程及机理•雾化过程就是把液体燃料碎裂成细、小液滴群的过程。雾化过程是一极为复杂的物理过程，它与流体的湍流扩散、液滴穿越气体介质时所受到的空气阻力等因素有关。研究表明，液体燃料射流与周围的气体间的相对速度和雾化喷嘴前后的压力差是影响雾化过程的重要参数。压力差越大，相对速度越大，雾化过程进行得越快，液滴群尺寸也就越细。•根据雾化理论，雾化过程可分为以下几个阶段：液体由喷嘴流出形成液体柱或液膜；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，并最终分离为液体碎片或细丝；在表面张力的作用下，液体碎片或细丝收缩成球形液滴；在气动力作用下，大液滴进一步碎裂。一、雾化过程及机理•从液体燃料分离出液滴是雾化的第一步，液滴分离的基本原理是，液体表面不断增大，直到它变得不稳定并破碎(图a)。液滴从液体产生的过程，依赖于液体在雾化喷嘴中的流动性质(即是层流还是湍流)、给液体加入能量的途径、液体的物理性质以及周围气体的性质(图b)。•液滴在气体介质中飞行时将受到两种力的作用：一是外力，它是由液体压力形成的向前推进力、气体的阻力和液滴本身的重力所组成。一般因液滴质量较小，重力往往可略去不计；二是内力，有内摩擦力(宏观的表现是粘度)和表面张力，这两种力都将液滴维持原状。当液滴直径较大且飞行较快时，外力大于内力，液滴发生变形。因外力沿液滴周围分布是不均匀的，故变形首先从液滴被压扁开始，这样液滴就有可能被分离成小液，如分裂出来的小液滴所受到的力仍然是外力大于内力，则还可继续分裂下去。随着分裂过程的进行，液滴直径不断减小，质量和表面积也就不断减少，这就意味着外力不断减小而内力(表面张力)不断增加。最后内外力达到平衡时雾化过程就停止了。一、雾化过程及机理•射流速度非常低时，液流成滴（如水龙头滴水）。假如流体速度足够大，但仍然很低，射流为瑞利破碎，液体惯性与表面张力竞争，瑞利破碎使液滴直径几乎为射流两倍。•射流速度增加，转化为气力破碎，（weg≈1.0）射流弯曲破碎，液滴直径接近射流直径。射流速度继续增加，表面不稳定性助长了螺旋不稳定性，破碎为一系列不同尺寸的液滴，直径达到射流器直径。再高的韦伯数（weg＞10-40），射流在射流器出口破碎。该状态也叫做气力雾化，生成非常小的液滴。假如Ohnesorge数很大（oh2.4)，粘性影响使不稳定性减弱进而破碎形成稳定射流。图5-4不同参数下，不同射流的破碎状况一、雾化过程及机理•根据雾化过程和机理的分析可以看出，在工程中强化液体燃料雾化的主要方法有：•第一，提高液体燃料的喷射压力，压力越高，雾化得越细。•第二，降低液体燃料的粘度与表面张力，如提高燃油的温度可降低燃油的粘度与其表面张力。•第三，提高液滴对空气的相对速度。而且增强液体本身的湍流扰动也可提高雾化效果。二、喷嘴•根据雾化的机理不同，工程上常见的雾化方式有压力式、旋转式和气动式，前两种雾化方式有时又被合称为机械式。•压力式喷嘴是利用喷嘴进出口压差实现液滴从液体射流中分离；•旋转式喷嘴是利用喷嘴进出、压差和旋转离心力使液膜失稳而分离出液滴；•气动式喷嘴则是利用空气和蒸汽作雾化介质使液滴从液体燃料中分离。三、液体燃料雾化性能•液体燃料雾化质量的好坏对燃烧过程和燃烧设备的工作性能有很大的影响。通常评定燃料雾化质量有如下一些指标：雾化角、雾化颗粒细度、雾化均匀度、喷雾射程和流量密度分布等。三、液体燃料雾化性能•1.雾化角雾化角是指喷嘴出口到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角，也称为喷雾锥角，以α表示。喷雾炬离开喷口后都有一定程度的收缩，但喷雾质量好的喷嘴，不宜过分收缩。工程上常用条件雾化角来补充表示喷雾炬雾化角的大小。条件雾化角指以喷口为圆心、r为半径的圆弧和外包络线相交点与喷口中心联线的夹角，以αr表示，见5-9图。对大流量喷嘴取r=100～150mm；对小流量喷嘴取r=40～80mm。图5-9雾化角示意图三、液体燃料雾化性能雾化角的大小对燃烧完善程度和经济性有很大的影响。它是雾化器设计的一个重要的参数。若雾化角过大，油滴将会穿出湍流最强的空气区域而造成混合不良，以致增加燃烧不完全的损失，降低燃烧效率，此外还会因燃油喷射到炉墙或燃烧室壁上造成结焦或积灰现象。若雾化角过小，则会使燃油液滴不能有效地分布到整个燃烧室空间，造成与空气的不良混合，致使局部过剩空气系数过大，燃烧温度下降，，以致着火困难和燃烧不良。此外，雾化角的大小还影响到火焰外形的长短。如雾化角过大，火焰则短而粗；反之，则细而长。一般雾化角约在60°～120°范围内，这可根据需要在设计时选定。对于小型燃烧室，雾化角不宜太大，一般在60°～80°，这一点对于燃烧渣油来说，尤为重要。但是雾化角也不宜过小，否则燃料会过于集中地喷射到缺氧的回流区，产生更多的热分解。三、液体燃料雾化性能•2.雾化液滴细度雾化液滴细度是表示喷雾炬液滴粗细程度。由于雾化后的液滴大小是不均匀的，最大和最小有时可相差50～100倍，因此只能用液滴的平均直径来表示颗粒的细度。因为采用的平均方法不同，所得的平均直径也将不一样。在实用上，常采用索太尔平均直径和质量中间直径两种方法方法。三、液体燃料雾化性能•（1）索太尔平均直径(SMD)索太尔平均直径是假设每个液滴直径相等时，按所测得所有液滴的总体积V与总表面积S计算出的液滴直径，即则式中N——燃油经雾化后液滴的总颗粒数；Ni——相应直径为di的液滴的颗粒数。显然索太尔平均直径越小，雾化就越细。331d66SMDiiNVNd221dSMDiiSNNd31