1、第第6章章 燃烧与燃烧设备燃烧与燃烧设备 6.1气体燃料的燃烧气体燃料的燃烧 引言引言o扩散火焰的特点扩散火焰的特点:n燃烧之前燃料和氧化剂是分开的n一边混合、一边燃烧，燃烧过程主要受扩散过程控制o工程中的应用：n工业炉窑锅炉燃气轮机柴油机本生灯o日常生活中的应用：n蜡烛火焰煤炉o研究扩散燃烧的目的n提高燃烧设备的热强度n扩大稳定运行的范围n提高燃烧效率n合理控制燃烧产物的成分o 射流扩散火焰：n从管口喷出的气体燃料的火炬火焰燃烧n天然气管道泄露引起的灾害性火焰燃烧n开口油池表面燃烧n发动机中的射流燃烧o 气体燃料射流扩散燃烧过程:n气体燃料与氧化剂的混合n混合物的加热着火n混合物的燃烧1、射
2、流扩散火焰、射流扩散火焰o 气体燃料射流扩散燃烧的分类气体燃料射流扩散燃烧的分类:o射向空间情况射向空间情况n自由射流火焰 受限射流火焰o喷嘴气流结构喷嘴气流结构n直喷射流火焰 旋转射流火焰o喷嘴之间的几何关系喷嘴之间的几何关系n平行射流火焰 相交射流火焰n环形射流火焰 同轴射流火焰o按照喷嘴几何形状按照喷嘴几何形状n平面射流火焰 圆柱射流火焰o按照流动状态分类按照流动状态分类n层流射流火焰 湍流射流火焰o 自由射流和自由射流扩散燃烧的特征自由射流和自由射流扩散燃烧的特征o 自由射流（如图所示）n速度温度燃料组分氧气组分质量份数分布曲线o 自由射流火焰结构（如图所示）n任意横断面的速度温度组分
3、分布n扩散火焰呈圆锥形n由于DI数很大，可以把火焰前沿厚度视为0n火焰前沿表面对燃料和氧化剂都是不可渗透的，在燃料侧不存在氧气，在氧气侧不存在燃料uTYFYOXd0uTYFYOXd0自由射流 自由射流扩散火焰uTYFYOXd0uTYFYOXd0o 层流扩散火焰前沿位置必定在化学当量比处：层流扩散火焰前沿位置必定在化学当量比处：o理想情况下，火焰面上不可能有过剩空气，也不可能有过剩燃料，否则火焰前沿位置将不可能稳定n假定在火焰前沿有过剩燃料：o过剩燃料将扩散到火焰前沿外侧，遇到氧化剂将继续燃烧，消耗掉扩散进来的氧化剂，使火焰前沿面的氧化剂减少o火焰前沿面上的燃料则更加过剩，火焰前沿位置势必不可能
4、稳定，而要向外移动n假定在火焰前沿处有过剩空气：o火焰前沿则要向内移动o层流射流扩散火焰只有在燃料和氧化剂组成化学当量比的位置上才能稳定o 层流射流扩散火焰任意横断面的火焰结构层流射流扩散火焰任意横断面的火焰结构（即断面速度浓度温度分布）n射流轴线上燃料浓度最大，沿径向逐渐下降，至火焰前沿面处燃料浓度为0n环境处氧化剂浓度最大沿着轴向逐渐下降，至火焰前沿处氧化剂浓度为0n火焰前沿是反应中心，温度最高，为燃料的理论燃烧温度uTYFYOXd0o 实际射流扩散火焰：实际射流扩散火焰：n火焰前沿有一定的厚度，燃料和氧化剂的反应速度不是无限快n在火焰前沿内，燃料和氧化剂浓度分布曲线呈交叉状n反应在有限空
5、间内发生，有散热，燃烧达到的最高温度低于理论燃烧温度n火焰前沿靠近燃料一侧，燃料浓度比氧化剂浓度大很多，在高温缺氧条件下将产生热分解，生成固体碳，在火焰前沿内固体碳呈明亮的淡黄色火焰，有较高的辐射强度o火焰类型随气流速度的变化：火焰类型随气流速度的变化：n随喷嘴流速的增加，层流射流扩散火焰过渡到湍流射流扩散随喷嘴流速的增加，层流射流扩散火焰过渡到湍流射流扩散火焰火焰(下页图下页图)o射流速度比较低,火焰保持层流状态,火焰前沿光滑稳定明亮,随射流速度增加,火焰高度增加,直到最大值,此时火焰仍然保持层流o如果再增大射流速度，火焰顶部开始出现颤动皱折破裂o由于湍流影响,湍流扩散混合加快,燃烧速度增加
6、,火焰高度缩短o如果继续增加喷射速度,开始颤动皱折破裂的点向喷口方向移动,直到破裂点靠近喷口,此时火焰达到完全湍流状态o在湍流射流扩散燃烧的范围内,增加射流速度，开始破裂的位置不变,火焰高度趋于定值,噪音增加o如果过分增加射流速度,火焰会脱离喷口,直至吹熄o 层流射流扩散火焰层流射流扩散火焰:o喷口一定时,增加射流速度,火焰高度几乎呈线性增加o当射流速度一定时,火焰高度随喷口直径的增加而增加o层流射流扩散火焰高度与燃料的容积流量成正比层流火焰 过度区 湍流火焰火焰高度火焰的高度包络线分裂长度射流速度图4-17 火焰的类型随气流速度的变化吹升曲线o 与层流相比，湍流射流扩散火焰的特点与层流相比，
7、湍流射流扩散火焰的特点:n湍流射流扩散火焰前沿为颤动的皱折的破裂的o 不易测定火焰高度o 目前的数据多不准确n湍流射流扩散火焰前沿厚度较宽,并处于激烈脉动之中o 如果采用时间平均值绘制某横断面的温度速度浓度分布,图形与图2类似n湍流射流扩散火焰高度与射流速度无关,仅与喷口直径成正比o 设计一个短的燃烧室,只能减小喷嘴直径o 如热负荷很大,为了获得短的火焰,只能用若干个小的喷嘴o 工业窑炉,为了沿炉长方向能均匀传热,常要求很长的火焰,通常由单个喷嘴送入燃料o一股热气体燃料,经喷嘴以自由射流形式喷入静止的冷空气中o假设:n喷嘴是光滑的 无摩擦的 不能渗透的 和绝热的o喷口处：n燃料的初始温度 速度
8、 和质量份数的时间平均值分别为：T0 u0 YF,0n因此在x=0 处射流截面上 T0 u0 YF,0为均匀分布o静止空间：n氧化剂初温速度和质量份数的时间平均值分别为:T u YOX,2、湍流自由射流、湍流自由射流o 由于射流摩擦阻力,使周围空气卷吸到运动的射流中去n由于沿轴向混合，射流速度逐渐减慢，温度下降，组分质量份数降低，x=时，射流的影响消失n射流断面的最大速度温度和组分质量份数，出现在r=0的轴线上，分别为：Tm um YF,mo 射流分为两个区域：初始段和基本段初始段和基本段o 初始段：初始段：n初始段内轴向速度温度和组分质量份数保持初始值n初始段长度常常是喷口直径的46倍o 基
9、本段：基本段：n基本段的轴向速度、温度、组分质量份数沿轴向逐渐衰减n射流基本段，速度分布具有相似性n如果用任意轴向速度与距离喷口距离为x处的轴向最大速度之比 u/um 和 r/x 作图，其曲线重合，且近似正态分布n浓度与温度分布也与速度分布类似r/xu/umYF/YFm(T T )/(T m T )1.00.50u0初始段基本段d0rxabcdef2babcdefru0o应用于：n燃气轮机/冲压式发动机/锅炉/工业炉的燃烧室o受限射流火焰的分类：oa）横向受限射流火焰）横向受限射流火焰n燃料射流射入的方向和空气流的方向相互垂直ob）纵向受限射流火焰）纵向受限射流火焰n燃料射流射入的方向和空气流
10、的方向相平行o常见的是纵向受限射流火焰，它有两种可能的流线型式（下页图）：na）在射流的周围存在大量的可以卷吸的空气，射流在扩展到炉壁之前,卷吸量不受阻碍，此时流线仅稍有偏斜nb）射流周围空气比射流可能引射的量少，以致在射流下游产生回流区。它对扩散火焰的稳定和燃烧长度均有影响o由于受限射流混合过程十分复杂，所以受限射流火焰存在着一系列还没有完全弄清的问题3、受限射流扩散火焰、受限射流扩散火焰o纵向受限射流火焰两种可能的流线型式：na）在射流的周围存在大量可以卷吸的空气，射流扩展到炉壁之前，卷吸量不受阻碍，此时流线仅稍有偏斜(下图上半部分)nb）射流周围空气比射流可能引射的量少，在射流下游产生回
11、流区。(下图下半部分)D0d0 xNxCCPNxo 与自由射流相比,旋转射流具有如下基本特征:n在旋转射流中，除了具有自由射流中存在的轴向分速度和径向分速度外，还有切向分速度切向分速度，而且其径向分速度在喷嘴出口附近比自由射流的径向分速度大得多n由于旋转的原因，使得在轴向和径向都建立了压力梯度，这两个压力梯度又反过来影响流场.随着旋转的强弱不同，会产生不同的流n旋转射流的扩展角一般都比自由射流的扩展角大，而且它也随旋转的强弱而变化4、旋转射流扩散火焰、旋转射流扩散火焰o 一、旋流强度一、旋流强度o通常用旋流强度(又称旋流数)来表征流体旋转强弱的程度，用无量纲数 s 来表示。旋流强度定义为切向旋
12、转动量矩M 和轴向动量I与特征尺寸 r0 乘积之比，即：o s=M/(I r0)o其中 切向旋转动量矩为：o轴向动量I 等于:o式中 nu和w为任意横断面的轴向速度和切向速度；np为任意横断面的静压力；nR为喷嘴出口半径。RrdruwrM02常数RRrdrprdruuI0022常数(78)(79)(80)o由于精确测量旋转射流断面速度和静压力有一定的困难，在工程上为简单起见，往往用燃烧器的几何结构特征来表示旋流强度，这样(79)(80)可以写成下面形式：o其中nV为空气的容积流量;n和分别为旋流器中平均轴向速度和切向速度;nRs为旋转射流的旋转半径o工程中根据不同类型旋流器的结构，可以计算出相
13、应的 V Rs值，代入(81)(82)和(78)中，求出不同结构旋流器的旋流强度公式o关于这些计算，在各国之间也有一些差别uVIRwVMs(81)(82)o 根据旋转射流流场的特征，旋转射流扩散火焰可以分为两类：n弱旋转射流扩散火焰n强旋转射流扩散火焰o 使气流旋转的方法主要有三种：n使气流(或部分气流)切向进入圆柱形通道n在轴向管流中放置导向叶片n用转动叶片叶栅等机械装置使气流旋转切向进气切向进气导向叶片导向叶片机械装置机械装置o 二、弱旋转射流扩散火焰二、弱旋转射流扩散火焰o当旋流强度小于一定值时，轴向速度到处为正值，不会出现轴向逆流，即不存在回流区的旋转射流叫做弱旋转射流不存在回流区的旋
14、转射流叫做弱旋转射流，在这种条件下产生的火焰称为弱旋转射流扩散火焰这种条件下产生的火焰称为弱旋转射流扩散火焰o弱旋转射流根据轴向速度分布有两种形式：o一种是旋流强度很小一种是旋流强度很小，轴向速度分布与自由射流相仿，呈高斯型，并具有相似性oChigier 和Chervinsky 用切向进气旋流器做的实验曲线：ns值小于0.416时，速度分布呈高斯型n在x/d0=2时，速度分布就出现相似性，比自由射流更靠近喷口o原因是旋转射流的势核区(初始段)破坏的更快o旋转射流的轴向速度分布可用指数方程表示：nKu为随旋流强度s而变的分布常数n由经验公式Ku=92/(1+6s)确定na为射流原点跟喷口的距离)
15、/(exp22axrKuuumao另一种是当旋流强度增加到某一值时另一种是当旋流强度增加到某一值时，轴向速度最大值离开射流轴线，而形成双峰形速度分布o如果再增加旋流强度，就会开始产生回流o在速度最大值离开射流曲线到重新收敛于轴线为止的这一段径向距离内，轴向速度分布没有相似性o如图所示，当s0.5，达到0.6时开始出现双峰，破坏了相似性，但轴向速度始终为正值o当x/d0 4时，其轴线上的轴线上的最大速度沿轴线按照双曲线规律衰减：axdsuum028.618.6o卷吸量由下式确定:o射流扩展角 由 u=um/2的等速线确定，并随旋流强度而增加o对弱旋转射流，有：=4.8+14so在 x/d0 2时
16、，弱旋转射流的切向速度分布是相似的o其分布图的中央核心区一部分几乎是线性的，相当于固体旋转，即相当于具有角速度 的强迫流动o因此旋转射流断面的切向速度分布可以用下式表示：o rn=常数o式中n值在-11之间o通过理论分析及实验研究证明：对弱旋转射流来说，其轴向速度的衰减随旋流强度的增加而加快o但切向速度的衰减与旋流强度没有显著关系00)8.032.0(dxsmme(87)(86)Chigier 和Chervinsky 用切向进气旋流器所做的实验曲线u/umaxrs=0.234s=0.416s=0.500s=0.640o 弱旋转射流扩散火焰几乎在整个火焰长度上，均有比较冷的核心区存在，而反应区处
17、于冷核心区和环境空气流之间的某区域内o 冷核心区温度沿 x方向逐渐升高，这是由于冷核心区的气体和反应区的燃烧产物湍流混合的结果o 弱旋转射流扩散火焰的应用范围并不广，因为它没有稳定火焰的特征o 三、三、强旋转射流扩散火焰强旋转射流扩散火焰o当旋转射流的旋流强度增加时，沿轴向的反向压力梯度大到足以发生反向流动，并建立起内部回流区，这时的旋转射流叫做强旋转射流o所产生的火焰称为强旋转射流扩散火焰o这种具有回流区的旋转射流在稳定火焰方面起着重要作用o在燃烧技术中应用很广o强旋转射流的流线及速度分布如图所示（下页）（下页）o由于环流旋涡的存在，使射流外边界迅速膨胀o这种最初的膨胀不同于自由射流o(下页
18、下页)图中流线对应于s=1.57，它有一个明显的回流区o s=1.57时旋转射流的流线图o 强、弱旋转射流的比较：强、弱旋转射流的比较：o 强旋转射流u、v、w的衰减规律为：n轴向u和径向速度v 按1/x衰减；n切向速度w 按1/x2规律衰减；n压力p按1/x4规律衰减o 而弱旋转射流n轴向u的衰减随旋流强度的增加而加快；n切向速度w的衰减与旋流强度没有显著的关系；o 大多数情况下，由实验得出：n对弱旋转射流，当x/d010时旋转运动已基本消失n对强旋转射流，当x/d020时旋转运动才基本消失o旋流强度对旋转射流空气动力特性的影响：旋流强度对旋转射流空气动力特性的影响：n随着旋流强度增大，射流
19、扩张角增大，卷吸量增加，从而使轴向、切向、径向速度衰减也加快o回流区长度、宽度随旋流强度的增加而增大n下图是在具有钝体的环形喷嘴中测得的回流区边界o回流区尺寸和旋流强度之间的关系s=0.390.781.04s=1.43旋流器旋流器油枪油枪即使没有旋流，由于钝体的影响，在其尾流中也会产生一个反向流动区即当s=0.39时的回流区尺寸就是有钝体，s=0时的情况o喷嘴几何形状对强旋转射流空气动力特性的影响n附加的扩口和喷嘴的阻塞结构（圆管或圆盘）对旋转射流的流动结构有较大的影响。o研究表明：研究表明：o喷嘴加装扩张段后，可以增加回流区尺寸和回流量o回流区的尺寸和速度分布也受阻塞结构的影响n在旋流强度较
20、低时，阻塞是建立回流区的一种手段n当旋流强度较高时，阻塞对回流区尺寸的影响就变成次要了o当旋流强度超过某一极限，以及喷口扩张段为大张角时，由于离心力增大和回流区扩大，使射流径向充分扩张，形成贴壁射流，此时气流呈平展状。产生的火焰也是贴壁的，称做平面火焰o这时的扩张段起两个作用这时的扩张段起两个作用：n利用气流贴壁流动效应使之形成平展气流n在内部建立回流区，保证火焰的稳定o旋转射流扩散火焰大体上有三种形式：旋转射流扩散火焰大体上有三种形式：o旋流强度很低的扩散火焰：n外形与自由射流扩散火焰类似n火焰在喷口一定距离处稳定n由于气流旋转，射流膨胀，卷吸空气混合加强，使燃烧速度加快n与自由射流扩散火焰
21、相比，旋转射流火焰长度要短一些，宽一些n火焰前沿面呈波动状n随着湍流强度的增加，与自由射流火焰的差异明显增大o中等或高的旋流强度下：n由于产生了回流区，增加了火焰的稳定性，使着火点靠近喷口，甚至在扩张段内就形成了火焰。n由于旋流强度大，射流扩张相应加大，卷吸量增加，混合更强烈，燃烧强度更高，结果形成更短、更宽的火焰o 旋流强度更高，并具有扩张段时：n火焰将贴在扩张段及炉壁上，呈平面火焰n此时喷口的几何形状对径向贴壁流动的影响很大n如果采用喇叭形、大张角、短长度、发散型喷嘴，甚至在中等的旋流强度水平下，就能产生平面火焰o 套筒式烧嘴 烧嘴简单，气体流动阻力小，火焰长，空气和煤气需要压力低（784
22、980Pa）p 低压涡流式烧嘴 空气和煤气混合好，火焰短，设计煤气压力800Pa，空气压力2000Pa 适合清洁的发生炉煤气，混合煤气和焦炉煤气，以及天然气5、主要有焰烧嘴介绍低压涡流烧嘴的燃烧能力P152表13-1下列情况燃烧能力要修正：（1）煤气压力变化（2）煤气或空气预热p 扁缝涡流式烧嘴 空气和煤气混合好，火焰很短，为出口直径的68倍。烧嘴前煤气和空气压力为1500 2000Pa，出口速度1012m/s。适合发生炉煤气和混合煤气 燃烧能力见表13-3p 环缝涡流式烧嘴适合混合煤气、发生炉煤气、焦炉煤气和天然气煤气和空气压力约为20004000Pa，出口速度控制在1020m/s。p 火焰
23、长度可调式烧嘴工作原理是改变煤气与空气的混合。p 烧脏煤气的烧嘴防止煤气喷口堵塞，断面较大p 天然气烧嘴空气需要量大，要求混合好p 平焰烧嘴 圆盘形火焰，强化辐射换热，改善加热质量，提高生产率和降低燃料消耗。p 高速烧嘴p 自身预热式烧嘴o 定型的烧嘴可以根据其使用性能和尺寸选用现成的产品，但在下列两种情况下，要通过计算来确定烧嘴的尺寸和性能。（1）设计新烧嘴 在设计新烧嘴前，需要知道的参数有：煤气热值；煤气工作压力；烧嘴燃烧能力。计算内容有：煤气喷口、空气喷口和混合气体喷口尺寸；烧嘴前空气压力6、有焰烧嘴的计算（2）验算旧烧嘴 主要内容有：根据已知烧嘴尺寸和煤气压力计算烧嘴燃烧能力；根据已知
24、的烧嘴尺寸和所需燃烧能力计算应有的煤气和空气压力有焰烧嘴计算表见P165表13-5在进行烧嘴计算时，所需煤气压力和空气压力，必须根据烧嘴的最大负荷来确定，并保留1520%的后备压力，烧嘴的最大负荷一般取为正常燃烧能力的2.5倍。6.2 液体燃料的燃烧液体燃料的燃烧1、引言o液体燃料n化石燃料:煤油/柴油/汽油/重油n代用燃料:乙醇/甲醇/植物油/o燃烧液体燃料的燃烧设备n锅炉/内燃机/冶金炉/喷气技术o液体燃料的消耗占总能量消耗的比例:n中国:20%左右n美国:42.6%n世界:41%o研究液体燃料的意义：n节约能源/提高燃烧效率n减少环境污染/通过对燃烧过程的控制减少污染物的形成，完全燃烧是
25、减少污染物的内容之一n提高燃烧强度/需要将液滴破碎成小液滴o理论与实践均证明：n将液体燃料粉碎成小滴可以获得高强度、高效率的燃烧效果n液体燃料的雾化过程就是将液体燃料粉碎成小滴o雾化质量的优劣直接对燃烧过程起着重要作用n液滴表面积正比于直径，表面积增大将大大提高燃烧速度n直径1mm的油滴在空气中的燃烧时间约1sn直径100m的油滴在空气中的燃烧时间约0.01sn直径50 m的油滴在空气中的燃烧时间约0.0025so人们对雾化过程进行了大量的研究，取得了大量的有用的结果o由于雾化过程的复杂性，至今还没有一套完整的理论，其研究结果多数属于半经验性的o喷嘴使液体燃料雾化的装置称为雾化器或喷嘴o根据雾
26、化的原理不同，分为：o直流式喷嘴o离心式喷嘴o气动式喷嘴o旋转式喷嘴o撞击式喷嘴燃料燃料d0l燃料燃料气体气体气体气体旋转旋转燃料燃料燃料燃料燃料燃料Rcrar0Rsrin空气核空气核燃料燃料o离心式喷嘴：离心式喷嘴：n原理：依靠油压在喷嘴内部造成强烈的旋转运动，当旋转的液体从喷嘴口喷出时，由于离心力的作用，使液体燃料粉碎成小液滴n优点：这种喷嘴使用方便，雾化角大，与旋流器配合效果更好，常用于燃气轮机、动力锅炉及涡轮喷气发动机主燃烧室中n缺点：由于小流量时油压太低，因此雾化不好n为了克服这个缺点，在航空发动机中，经常将喷嘴做成双喷嘴，其中一个专门对付小油量，称为副油路，n这又会引起喷嘴结构的复
27、杂性Rcrar0Rsrin空气核空气核燃料燃料旋转旋转燃料燃料o气动式喷嘴：n雾化原理：是依靠高速流动的气动力的作用将液体粉碎n优点：其雾化质量不受油量大小的影响，雾化质量也较高n用途：许多燃气轮机就是采用这种喷嘴o旋转喷嘴：n雾化原理：依靠高速旋转的圆盘或杯产生很大的惯性力n优点：可以使粘性较高的燃料雾化n用途：重油等粘性较大的燃料采用这种喷嘴燃料燃料气体气体气体气体o撞击式喷嘴：n雾化原理：依靠两股高速射出的液体射流相互撞击而使液体雾化n优点：结构非常简单，但是要求两种反应物（燃料和氧化剂）必须都是液态的情况下才能使用，例如火箭发动机就是如此o直喷式喷嘴：n依靠高压油压是液体燃料从喷嘴中快
28、速喷出，空气卷吸等作用使液滴粉碎n结构并不简单，雾化质量与喷嘴关系很大o本章主要讨论各种喷嘴的一些主要特征燃料燃料氧化剂氧化剂燃料燃料d0lo被雾化的油雾与燃烧室中的空气混合形成油-气两相混合物，它在燃烧室中的合理分布对燃烧过程有着重大的影响，不仅影响效率，而且影响燃烧稳定性，因此，预制燃烧室中燃油浓度分布是一个重要的问题o由于燃烧室的流动状况及雾化过程的复杂性，至尽没有建立起完整的计算方法o只是对于某些简单条件下的燃油浓度分布，已建立了一些简化理论或数值计算方法o气-液两相燃烧（或称液雾燃烧）过程很复杂，但它在燃烧实践中却占有重要位置，因而引起许多世界一流科学家的重视o至今虽然没有建立起系统
29、完整的理论，但是已经进行了大量的研究工作，这些工作对研究燃烧机理很有用 2、液雾燃烧、液雾燃烧o在实际燃烧系统中，液体燃料总是以液雾状态出现的o几种典型的燃烧系统如图所示o这些燃烧系统的燃烧过程都是十分复杂的，因为液雾燃烧并不是单个油滴的蒸发或燃烧的简单叠加，而它们会产生相互作用z加加力力燃燃烧烧室室火火箭箭发发动动机机燃气燃气轮机轮机燃烧燃烧室室工工业业炉炉内内燃燃机机o根据实验观测结果，认为液雾燃烧可能存在以下几种模型：oa）预蒸发型燃烧n例如，当进口空气温度很高，液雾较细就属于这种情况n加力燃烧室中的液雾燃烧就接近于这种形式ob）滴群扩散燃烧n当进口温度很低，液雾不太细（或挥发性不好），
30、达到燃烧区前蒸发量较少，就形成滴群扩散燃烧n例如内燃机和燃气轮机燃烧室中的燃烧就接近于这种情况oc）复合燃烧n液雾中较细的液滴在燃烧区前方预先蒸发掉，形成一定预混程度的气体火焰，而比较细的液滴到达燃烧区前尚未蒸发完毕，继续进行滴群扩散燃烧n例如火箭发动机和冲压式发动机燃烧室中的燃烧就接近于着种情况od）部分预蒸发气体燃烧加上液滴蒸发n这时，一部分小滴已经蒸发完毕，而有一部分液滴进入火焰区时其直径已过小而着不了火，只能蒸发，这时没有滴群扩散火焰，只有滴间空间中部分预混的气体火焰o 以上几种不同的液雾火焰结构有不同的特点，例如：n第一种火焰结构类似于气体湍流燃烧n第二种火焰结构中燃烧与蒸发同步，蒸
31、发是起控制作用的，而反应动力学因素不起作用n第三、第四种情况，则蒸发因素、湍流因素、反应动力学因素都起作用n在各种燃烧装置中，由于工作条件不同，液雾燃烧会有不同的火焰结构3、油的雾化构成液体燃料射流破碎的雾化过程主要有：1）射流在长度和宽度上发展2）射流由于碰撞和摩擦而破裂3）表面张力所引起的破裂4）在射流内部所产生的湍流运动所引起的破裂5）液滴由于碰撞而聚合和破裂我们分析油滴在气体介质中飞行时受到的力，可分为：（见P192193）一、外力，是由油压形成的向前推进力、气体的阻力，油滴本身的重力作用组成。其作用是使油滴变形。二、内力，是由内摩擦力（宏观表现为粘性）和表面张力。其作用是使油滴维持原
32、状。当内力和外力达到平衡时雾化过程终止。可以看出提高雾化品质的方法有：（1）要求燃油具有一定的喷射压力，压力越高雾化越细；（2）要求燃油具有较小的粘度和表面张力。提高油温，可降低燃油的粘度和表面张力，燃油预热是在使用粘度较大重质燃油时提高雾化质量的必要措施。（3）要有一定的气体阻力，提高油滴相对空气的运动速度。o 雾化质量的评定1、雾化角 就是雾化锥的张角。重要参数。R=100mm2、雾化细度 雾化后产生的油滴的大小。由于雾化后液滴的大小极不均匀，最大和最小相差50100倍，我们只能用液滴的平均直径表示液滴的颗粒细度。质量中间直径d50 或dm：大于和小于直径d50的颗粒质量各占50%。索太尔
33、平均直径d32或dSMD：i2ii3i32NdNdd3、雾化均匀度 表示雾化后油滴粒径的分布。目前使用较多的是Rossin-Rammler关系式：式中：R：尺寸大于di的油滴占全部油滴质量 的百分数 ：尺寸常数 n：均匀性指数 d%dd100expRni 2121in1mmiidlgdlgR1lnlgR1lnlgn ddlgR1lnlgn ln2dd%50R dd%8.36R dd4、流量密度分布 是指在单位时间内通过以燃料喷射方向相垂直的单位截面上燃油质量（容积）沿半径的分布规律。重要指标，决定与空气的混合。见P190图14-75、喷雾炬长度 油雾射程（不能等同于火焰长度）假设：喷雾炬是具有
34、半球形推进锋面的锥形喷雾；喷雾炬是固定不变的；在喷射期间，喷射压力和液体在喷口处的速度不变。25.105.004.21ddtuLcacacacPPu20o 雾化方式按照用于破碎液体射流的一次能源的不同划分：1）机械雾化喷嘴2）气体介质雾化喷嘴3）机械气动混合型喷嘴4）旋转式喷嘴4、燃油烧嘴离心式机械雾化器的设计计算（1）雾化器出口截面上切向速度分布12rarc假设：燃油无粘性，看作理想流体；在雾化器内流动时无摩擦损耗，且与外界无热交换。雾化器进出口两截面的伯努力方程为：22t22n221121ww21Pw21Pzzg常数22t22n2211ww21Pw21P根据无摩擦损耗的理想流体动量矩守恒可
35、知：分析方程，当r0，如果2截面充满流体，wt，则P2-，不可能，P2只能降到周围介质的压力P0，如果低于P0，周围气体会挤入喷口中心部位流体的位置，形成半径为ra的空气旋涡，其压力为P0。燃油是从空气旋涡和喷口内圆之环状截面喷出，这是离心式机械喷嘴的一个主要工作特点。常数rwt喷口有效截面系数：rcra，wt逐渐增大，取平均：2ca2c2a2crr1rrrtctatmww21w（2）雾化器出口截面轴向速度分布在喷口截面取一宽度为dr的微元圆环，其内外两侧单位面积上压力差dp由离心力产生：另对伯努力方程求导：drrwdP2t常数2wP20drdw21drdP1rwdrdP22t常数常数n2nt
36、2t22nw 0drdwrw 0drrwd2r1drdw21（3）喷油量计算由于喷口截面任一半径处燃油轴向速度为定值，对于已知结构特性的雾化器的喷油量：式中和wa为未知量，利用进出口伯努利方程n2crrnwrrdrw2Qca2ta2naa211ww21Pw21Pnna02211wwPPw21PHr1w1a2ta0nwPH2whbnf fQ wrwrw111ata2a1202crrfQPH2rQ02cPH2rQ：流量系数 A：雾化器的几何特性参数对一定结构尺寸的雾化器，A为一确定值；是的函数，为未知数。frrA A1111c122当取某一值时，最大，在给定喷油压差和结构尺寸条件下，喷油量也为最大
37、值，也就是最大流量工作状态。最大流量工作状态最稳定，过大或过小的值都会使流量不稳定，而有自动恢复到稳定状态的趋势。这就是最大流量原理。此时：稳定流动状态下，、可由A确定-2 21A 0dd33（4）雾化角的确定引入平均雾化角的概念：按喷口截面平均半径处的切向分速计算雾化角。式中wtm为半径rm=(rc+ra)/2处切向分速。ntmmww2tg111w2rrwwtamatatm1Awwrwr wfwwrQtanata111n2c1118ww2tgntmm1118arctg2m（5）考虑到燃油的粘性的影响，实际喷油量和雾化角比理论计算值要小。工程设计中，一般是在雾化器设计制造完成后，实验测定、和其
38、它特性，对理论计算校正。5、燃油碳黑燃烧液体燃料，极容易产生碳黑，从能源的角度看是一种能源浪费，同时还会产生对大气、土壤产生污染，对人的身体健康造成损害。1、种类生成的碳黑一般认为有以下两种形态：1）是由于炉内高温部位以及油滴周围的传热，燃料油蒸发时，在低于蒸发温度的条件下分解而形成的碳黑，称为残碳型碳黑2）是已经蒸发的燃料气，在空气不足的状态下升至高温，由气相分解而形成的碳黑，称为气相析出型碳黑。2、碳黑特性残碳型碳黑，直径为10300微米，近似球状，空隙率大于96%；气相析出型碳黑非常细小，近似球状，0.02 0.05微米，这种粒子连接成带，相互交织，形成棉状碳黑，空隙率达98%以上。化学
39、组成一般认为是碳元素，实际上是由多种成分组成，例如燃烧重油从烟囱排出的碳黑成雪片状，分析其成分：C：2050%、H：1%、SO3：2030%、灰分：2030%。3、影响碳黑形成的因素燃烧重质燃料油必然形成辉焰，这种情况下一定有碳黑的生成，如果有足够的时间和温度，碳黑可以燃烧，得到碳黑含量较少的燃烧气体。1）压力影响P，促进碳氢化合物的缩合，碳黑。2）空气消耗系数n影响当空气消耗系数减少到接近1时，碳黑产生量显著增加。3）油滴的大小dm影响油滴完全燃烧所需时间与油滴本身直径的平方成比例，直径50微米油滴燃烧需0.002秒，而300微米油滴需0.072秒，因此雾化不好，粒径大时，易出现不完全燃烧产
40、生碳黑。4）空气和燃料的混合速度的影响扩散燃烧由空气和燃料的混合特性所决定，对碳黑的产生有重要影响，特别是在离喷口一定距离的火焰高温区，如果混合不好，处于空气不足状态下，碳黑便会显著发生。4、防止碳黑产生的措施1）加强空气和燃料的混合2）足够的空气3）提高燃烧温度4）确保足够的燃烧时间6.3 固体燃料的燃烧固体燃料的燃烧 引言引言o人类燃烧燃料的历史：o木材木材煤炭煤炭石油煤炭煤炭生物质生物质n 固体燃料 固体燃料n18世纪和 19世纪上半叶：木材为主n之后，工业发达国家，煤炭开始取代木材n50年代末，煤炭成了能源的主要支柱n80年代，石油成为了能源的主要来源o石油可用50100年，总有一天会
41、耗尽，煤炭储量大些，还可以开采300年左右，以后的能源是什么?n世界上，每年由于光合作用产生的生物质量是目前年能源消耗量的8倍，但分散能量密度低利用效率不高n如何高效利用生物质，是目前较有前途的研究方向之一1、固体燃料的层状燃烧层状燃烧的特征是把燃料放在炉篦上，空气通过炉篦下方炉篦孔穿过燃料层并与燃料进行燃烧反应，生成高温燃烧产物离开燃烧层进入炉膛。干燥层干燥层干馏层干馏层还原层还原层氧化层氧化层灰渣层灰渣层层状燃烧的优缺点：燃烧过程稳定；燃烧强度低。1、影响层状固体燃料燃烧的一些因素：1）燃料块或颗粒的大小以及他们在燃料层中的位置2）穿过燃料层的气流结构和成分3）空气和烟气在燃料颗粒之间的流
42、动条件4）空气流的初始温度5）空气或烟气停留在燃料块间的时间6）燃料层中氧化反应区和还原反应区的结构7）燃烧过程中的传热和传质8）燃料各成分的物理化学性质9）固体燃料中的不同矿物成分2、常见的几种层状燃烧室1）人工加煤燃烧室2）绞煤机3）抛煤机4）振动炉排5）往复炉排6）链式炉排2、粉煤燃烧法1、粉煤燃烧法是将煤磨细到一定细度（2070微米），用空气喷到炉内，使其在悬浮状态下完成燃烧过程，形成象气体燃料那样具有明显轮廓的火炬，所以又称为煤粉的火炬燃烧。（P144，P224）用来输送煤粉的空气叫一次空气，一般占全部助燃空气量的1520%，其余的空气叫二次空气，沿另外的管道单独送到炉内。粉煤燃烧的
43、优点：1）最大优点是可以大量使用劣质煤，可以掺入部分无烟煤和焦煤屑2）燃烧速度快，完全燃烧程度高。炉温可以很高3）二次空气可以预热到较高温度，有利于回收余热和节约燃料4）炉温容易调节可以实现自动控制5）减低体力劳动强度，改善劳动条件。2、煤粉的主要特征之一是它的细度，一般用筛分法求得，用筛余量来R%表示：筛号80#目数200目粒径75可磨性系数K磨100%baaR%3、煤粉气流的流动与分配自由沉降速度水平管段垂直管段拐弯处n21n1nrgC3gd4W4、煤粉气流的着火过程煤粉的燃烧速度比气体燃料和空气的可燃预混气体的燃烧速度低得多，火焰锋面也厚得多，焰锋内的温度梯度相当小，火焰锋面向新鲜的煤粉
44、和一次空气的混合物的导热很小。1）在平面火焰的研究表明，辐射引起的火焰传播速度一般为0.11.0m/s。同时火焰传播速度还受到成分（煤粉浓度）和煤粉细度等因素的显著影响。出现最大火焰传播速度时混合物中煤粉的浓度远大于化学计量的对应值，按挥发分计算的空气消耗系数略小于1。煤粉越细，火焰传播速度越大。掺入氧气火焰传播速度增大，掺入惰性物质，火焰传播速度减小。2）实际煤粉与一次空气以射流的形式喷进炉膛的情况3）影响煤粉着火的主要因素：a、Vr、A、Wb、一次风量和风速提高使着火推迟c、提高煤粉和一次风气流温度，使着火提前d、煤粉磨得细一些，着火提前5、煤粉炉中氧和煤粉浓度的均匀性问题从大尺度看从小尺
45、度看6、结渣和污染7、粉煤燃烧器3、旋风燃烧法有待解决的问题：1、化渣问题 2、积灰问题3、熔渣物理热4、寿命问题4、沸腾燃烧当燃料的层状燃烧中鼓入空气流速超过使固体颗粒停留在炉篦上必须的限度时，这些燃料颗粒就会失去稳定性，并且在空气流中强烈地起伏翻腾，类似液体的沸腾运动，进行这种翻腾运动的燃料和空气床，称为沸腾床。沸腾床有两个重要特点：（1）在气体和沸腾的固体之间，传热和传质的速度很高；（2）在沸腾床和在床与四周受热面之间热交换的速度很高；1、沸腾燃烧工作原理见图15-32，气力输送将煤粒送入带空炉底的沸腾床燃烧室，从有孔炉篦下送入预热400的空气，使煤粒沸腾燃烧，沸腾床的温度维持在800至
46、900，有利于避免在炉篦上渣的软化和粘结，有利于将70%的热量传给沸腾床受热面。2、沸腾燃烧的优缺点和煤粉燃烧比较，有下列优点：（1）可以使用任何种类的燃料燃烧沸腾化。这给包括燃用固体燃料在内的燃烧装置，在燃料供应和运行操作方面具有了相当大的灵活性。（2）包括燃烧低热值的固体燃料在内，燃烧室单位截面上的燃烧强度均很高，炉膛比一般传统炉型小得多；（3）根据用途不同，可将蒸汽管和水管埋在沸腾床从而得到很高的传热率和更有效地利用管子的受热面；（4）燃烧温度可以控制并且是均匀的，而且燃烧温度可以低到能将灰分的挥发减到最低限度；（5）沸腾燃烧十分适合于在提高燃烧压力条件下运行（6）沸腾燃烧，特别是固液燃
47、料的沸腾燃烧可以加入石灰石等物质使燃料中的大部分硫分残留下来，防止硫变成气体，烟气中的氮氧化物也可以减至最低限度；（7）沸腾燃烧可适用于大型电站中由许多单元炉膛组合成的炉膛结构，这种组合炉膛具有在各种不同的部分负荷条件下使装置更加灵活运行的可能性；同时给予组合炉膛中每一个单元炉膛以特定负荷的可能性；而且组合炉膛各单元可以定型批量生产，而且能在制造现场组装。（8）由于价格便宜，使其在从小型工业设备到大型电站的各种情况下都具有优越性；沸腾燃烧系统还可用作燃气和蒸汽涡轮正压循环的燃烧装置；（9）沸腾燃烧时，由于燃烧室温度适中，因此灰渣不会软化和粘结，而且燃烧腐蚀作用比通常动力装置小。缺点：（1）燃烧室空气鼓风压力要高（2）个别装置在高压运行时有结构上的问题。3、沸腾燃烧的空气动力特性（床的形成）见P234P237
