第14章液體燃料的燃燒

目前使用的液體燃料大多是石油產(chǎn)品。由于長(zhǎng)期以來石油資源的大量開采和消耗，石油儲(chǔ)量已急劇減少。因此，科技工作者的任務(wù)是：既要盡可能以其它燃料(如煤炭)代替石油燃料，也應(yīng)從節(jié)能角度出發(fā)改善燃燒裝置的性能，提高燃燒效率，使液體燃料的能量得到充分的利用。在液體燃料(燃油)的燃燒中，燃料和氧化劑分屬不同物態(tài)，因此是非均相燃燒。一般地說，液體燃料燃燒時(shí)，其化學(xué)反應(yīng)速率比其擴(kuò)散和混合的速率快得多，因此它屬于一種非均相的擴(kuò)散燃燒。在燃油爐中，液體燃料通過供油系統(tǒng)輸送到爐前，需經(jīng)過霧化器霧化成細(xì)滴后進(jìn)入燃燒室燃燒。在管路中設(shè)有加熱器加熱液體燃料，降低其粘度，以保證良好的霧化效果和流動(dòng)性。霧化器又稱噴油嘴或燒嘴，它與燃燒室等組成燃燒系統(tǒng)，即燃燒裝置。耐火材料與燃料燃燒14.1液體燃料燃燒過程的特點(diǎn)目前，液體燃料的主體是石油制品，因此討論液體燃料的燃燒主要涉及燃油的燃燒。它的燃燒具有以下特點(diǎn)：(1)液體燃料在蒸氣或氣化狀態(tài)下燃燒液體燃料的著火溫度往往高于其蒸發(fā)氣化溫度，因此液體燃料在著火前實(shí)際上已先蒸發(fā)氣化。所以，液體燃料的燃燒實(shí)質(zhì)上是燃料蒸氣(油氣)和空氣的有效接觸，并最終完成混合燃燒。因此燃料的蒸發(fā)氣化和混合過程對(duì)液體燃料的燃燒起著決定性的作用。加快燃料的蒸發(fā)氣化是強(qiáng)化其燃燒的主要手段。輕質(zhì)液體燃料的氣化基本上屬物理過程，但重質(zhì)液體燃料的氣化，還包括化學(xué)裂解過程，使燃料裂解成輕質(zhì)可燃?xì)怏w和碳質(zhì)殘?jiān)Ｔ诜治鋈紵^程時(shí)必須考慮這些特點(diǎn)。耐火材料與燃料燃燒(2)液體燃料具有擴(kuò)散燃燒的特點(diǎn)在一般情況下，液體燃料燃燒時(shí)的化學(xué)反應(yīng)極為迅速，相對(duì)而言，其蒸發(fā)氣化以及與空氣的擴(kuò)散和混合卻慢得多，因此液體燃料的燃燒速率取決于后者，故其燃燒屬于擴(kuò)散燃燒類型。(3)液體燃料需霧化后再燃燒如上所述，液體燃料燃燒屬于擴(kuò)散燃燒，對(duì)燃燒起制約作用的因素是燃料的蒸發(fā)和擴(kuò)散，而其蒸發(fā)速率除了與燃料性質(zhì)和熱交換條件有關(guān)外，在很大程度上與液體燃料的蒸發(fā)表面積有關(guān)，如果將油破碎成細(xì)小油滴，可大大增加其蒸發(fā)表面積。通過計(jì)算知道，如果將直徑lmm的油滴破碎成l0μm的油滴，則有106個(gè)小油滴，其蒸發(fā)面積可增大100倍，油滴燃盡時(shí)間，前者如果為1s，則后者僅為10-4s。由此可見，將燃油破碎得越細(xì)，蒸發(fā)速率就會(huì)越快，燃燒速率也會(huì)加快。這種使液體燃料粉碎成細(xì)滴，并在空氣中彌散成燃料霧化炬的過程就稱為霧化。耐火材料與燃料燃燒(4)液體燃料的熱分解特性液體燃料是由不同類型的烴所組成，它在受熱后會(huì)蒸發(fā)氣化和熱分解，在氧氣充足的情況下對(duì)燃料加熱，這些烴類將由于氧化而變成甲醛，這給燃油的完全燃燒創(chuàng)造了條件。也就是說，在以后的燃燒過程中就不會(huì)產(chǎn)生難以著火和難以燃盡的重碳?xì)浠衔锖吞己冢@時(shí)，即使局部氧氣不足，也不過生成一些CO和H2，只要在其流出爐膛以前，使CO和H2再與氧氣混合，是易于完全燃燒的。如果空氣供應(yīng)不充分或與燃油混合不均勻，就會(huì)有一部分高分子烴在高溫缺氧的條件下發(fā)生裂解，分解出碳黑。重油燃燒時(shí)獲得發(fā)光火焰就證明了這一點(diǎn)。碳黑是直徑小于lμm的固體粒子，它的化學(xué)性質(zhì)不活潑，燃燒緩慢，所以一旦產(chǎn)生碳黑就不易燃盡，使煙囪冒黑煙。因此燃燒重油必須及時(shí)供應(yīng)燃燒所需的空氣，以盡可能減少重油的高溫缺氧分解。故燃燒系統(tǒng)需備有適當(dāng)?shù)呐滹L(fēng)器。耐火材料與燃料燃燒另外，還必須指出，液體燃料在500-600oC下進(jìn)行熱分解時(shí)，所得產(chǎn)物為易于著火的輕質(zhì)碳?xì)浠衔?，而?50oC以上進(jìn)行熱分解時(shí)，則產(chǎn)物中除了有輕質(zhì)碳?xì)浠衔锿?，還有難于著火的重碳?xì)浠衔铮詈笊踔廖龀鎏己?。為此，在材料燃燒的初始階段，應(yīng)將足夠的空氣集中送入火焰根部，使燃料周圍擁有充分的氧氣和進(jìn)行氧化過程，以避免由于氧氣不足發(fā)生碳?xì)浠衔锏臒岱纸?。同時(shí)當(dāng)足夠的空氣集中地送入火焰根部后，燃料周圍的溫度得以適當(dāng)降低，這樣即使是發(fā)生熱分解，亦只在低溫下進(jìn)行的熱分解，得到的是易于著火的輕質(zhì)碳?xì)浠衔?，這對(duì)提高液體燃料的燃盡程度是有利的。耐火材料與燃料燃燒14.2液體燃料的霧化過程

把液體燃料破碎成細(xì)小油珠群的過程稱為霧化過程，液體燃料的霧化，不僅可以加速燃料的蒸發(fā)氣化過程，而且還有利于燃料與空氣的混合，從而保證燃料迅速而完全的燃燒。液體燃料的霧化是通過霧化器實(shí)現(xiàn)的。因此霧化器性能的好壞對(duì)液體燃料的燃燒過程起著決定性的影響。14.2.1液體燃料的霧化機(jī)理霧化過程是一個(gè)復(fù)雜的物理–化學(xué)過程。以工業(yè)爐常用的離心式霧化器為例，說明液體燃料(以下簡(jiǎn)稱燃油)的霧化機(jī)理。在離心式霧化器中，液體燃料獲得旋轉(zhuǎn)動(dòng)量，流出噴嘴時(shí)燃油呈錐形油膜狀，由于湍流的橫向擾動(dòng)，油膜表面帶有若干波紋(皺紋)，離噴口愈遠(yuǎn)，油膜愈薄，因而容易失穩(wěn)。在擾動(dòng)作用下，當(dāng)油膜失穩(wěn)后將分裂成若干環(huán)形油圈，油圈的穩(wěn)定性很差，很容易再碎裂成若干大小不一的油滴，如圖14-1所示。此外，當(dāng)噴嘴進(jìn)出口間的壓力差較小時(shí)，射流微弱，液膜破碎點(diǎn)遠(yuǎn)離噴嘴，但當(dāng)壓力很大時(shí)，幾乎一離開噴口即被破碎霧化。耐火材料與燃料燃燒圖14-1 離心式霧化器錐形油膜破裂示意圖耐火材料與燃料燃燒由于還存在氣體與油膜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)的氣體流線(如圖14-2所示)由于波紋迎向氣流一方的氣流受到阻力，速度降低而壓力增高(以+號(hào)表示)，而背向氣流一方的壓力則下降(以–號(hào)表示)。顯然在上述壓差作用下，燃油膜凸出部分將更加突出，當(dāng)壓差足夠大(即相對(duì)速度差足夠大)，凸出部分將脫離油膜而形成油滴。破裂的油滴在氣體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于受到燃油表面張力(使油滴保持球狀)和氣動(dòng)力(使油滴壓扁變形，失穩(wěn)以致破裂的外力)的作用，還會(huì)使油滴進(jìn)一步碎裂。圖14-3表示出油滴周圍的流線和氣動(dòng)力作用方向(以箭頭表示)。如果氣動(dòng)力很大，能夠克服表面張力而引起油滴變形，則大油滴可碎裂成小油滴。圖14-4表示出了這種碎裂過程。作用于油滴的氣動(dòng)力正比于，其中ρ為氣體密度，ΔW為油滴與周圍氣體的相對(duì)速度。耐火材料與燃料燃燒油滴的碎裂條件常用韋伯?dāng)?shù)We(或稱碎裂準(zhǔn)則)表示。其定義為We

表面張力使油滴內(nèi)部產(chǎn)生一正壓力P，圖14-5表示出作用在油滴上的表面張力(為表面張力系數(shù))與正壓力的平衡關(guān)系，即

(14-1)

(14-2)式中d為油滴直徑。耐火材料與燃料燃燒圖14-2由于氣動(dòng)力作用使油膜破裂示意圖耐火材料與燃料燃燒圖14-3油滴周圍氣流流場(chǎng)和它受氣動(dòng)力示意圖耐火材料與燃料燃燒圖14-4 油滴在氣動(dòng)力作用下的破碎過程Pσ圖14-5油滴內(nèi)力分析耐火材料與燃料燃燒實(shí)驗(yàn)表明，We增大，油滴碎裂可能性增加。當(dāng)We>14，油滴將嚴(yán)重變形而碎裂(可參看圖14-4)。在噴油嘴中也就是采用各種措施來提高?W，從而達(dá)到燃油霧化的目的。根據(jù)霧化理論，燃油霧化過程可分為以下幾個(gè)階段：(1)液體由噴嘴流出形成液柱或液膜。(2)由于液體射流本身的初始湍流以及周圍氣體對(duì)射流的作用(脈動(dòng)、摩擦等)，使液體表面產(chǎn)生波動(dòng)、褶皺，并最終分離出液體碎片或細(xì)絲。(3)在表面張力的作用下，液體碎片或細(xì)絲收縮成球形油珠。(4)在氣動(dòng)力作用下，大油珠進(jìn)一步破碎。耐火材料與燃料燃燒14.2.2霧化質(zhì)量的主要指標(biāo)霧化質(zhì)量的好壞，直接影響燃油的燃燒過程。衡量霧化質(zhì)量的主要指標(biāo)有：霧化粒度，霧化均勻度，霧化角和流量密度的分布等。14.2.2.1霧化粒度燃油霧化后所產(chǎn)生的油滴大小是評(píng)定霧化質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，這一指標(biāo)稱為霧化粒度。在油霧中，油滴的大小是不均勻的，最大的與最小的可能差50-100倍，因此只能用平均直徑來表示霧化粒度。通常采用以下兩種平均方法。耐火材料與燃料燃燒(1)質(zhì)量中間直徑法所謂質(zhì)量中間直徑是一個(gè)假設(shè)的直徑，認(rèn)為大于這一直徑的所有油滴的總質(zhì)量正好等于小于這一直徑的所有油滴的總質(zhì)量，即

顯然，質(zhì)量中間直徑越小，霧化就越細(xì)。(14-3)耐火材料與燃料燃燒(2)索太爾(Sauter)平均直徑法它是將由不同直徑油滴組成的油霧假想成由單一直徑(即索太爾平均直徑dSMD)油滴組成的油霧，而油霧的總表面積和總體積都保持與實(shí)際油霧相同，即

式中N—油霧中總油滴數(shù)；Ni—具有直徑di的油滴數(shù)。(14-4)耐火材料與燃料燃燒由dSMD的定義可以看出

即dSMD越小，則油滴的表面積越大，這對(duì)液體燃料的蒸發(fā)氣化是有利的。因此，從dSMD的大小可以分析燃料的燃燒工況。(14-5)另外還有平均直徑法和條件平均法等。用平均直徑法評(píng)定霧化質(zhì)量時(shí)，一般要求統(tǒng)計(jì)5000滴以上的油滴，然后再平均，這樣才有代表性。如果用條件平均法(在油霧最密集處取樣，計(jì)算它們的平均直徑)也需要取200滴以上。因此在統(tǒng)計(jì)和整理數(shù)據(jù)方面工作量很大。有些文獻(xiàn)還建議采用較簡(jiǎn)單的用最大直徑法來評(píng)定霧化質(zhì)量，它規(guī)定只測(cè)量樣片上一些較大的油滴，并由此推算出最大直徑，作為評(píng)定霧化質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)槿紵^程的快慢最終決定于最大油滴，因此采用這種方法也有一定道理。耐火材料與燃料燃燒14.2.2.2霧化均勻度燃油經(jīng)過霧化后產(chǎn)生的油滴是不均勻的，因此僅用液滴平均直徑來表達(dá)霧化質(zhì)量不夠全面。比較完善的表達(dá)方法，應(yīng)當(dāng)既表示其直徑的大小，又表示出不同直徑油滴的數(shù)量和質(zhì)量，即采用液滴尺寸分布表達(dá)式來表示油滴特點(diǎn)，但至今還沒有從理論上得到這個(gè)表達(dá)式。目前所采用的油滴分布表達(dá)式均屬經(jīng)驗(yàn)公式。目前用得較多的Rosin-Rammler關(guān)系式：式中R—尺寸大于di的油滴的質(zhì)量占全部油滴質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)；di—油滴直徑；n—反映油滴分布均勻性的指數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定，通常1.8≤n≤4；—尺寸常數(shù)。由式(14-6)可知，當(dāng)時(shí)，則R=36.8%，因此就是關(guān)系式中與R=36.8%相對(duì)應(yīng)的油滴直徑。顯然R=36.8%越大，霧化粒度越粗。(14-6)耐火材料與燃料燃燒圖14-6 Rosin-Rammler理論計(jì)算曲線ddh=4h=2R耐火材料與燃料燃燒由于當(dāng)時(shí)，R=50%，因此可以得出

(14-7)圖14-6為Rosin-Rammler的理論計(jì)算曲線，由圖可以看出，油滴分布較為均勻，因此可以用n來表示霧化的均勻性。對(duì)式(14-3)取對(duì)數(shù)可得出(14-8)耐火材料與燃料燃燒如果由實(shí)驗(yàn)已得出對(duì)應(yīng)于直徑d1和d2的R1和R2，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合Rosin-Rammler關(guān)系式，則由式(14-8)可求出均勻性指數(shù)n，因?yàn)?/p>

目前對(duì)霧化均勻度與燃燒特性之間的關(guān)系研究還不夠，一般認(rèn)為dm相同時(shí)，如霧化均勻度差，可縮短燃油點(diǎn)燃延遲時(shí)間，但均勻度高的油霧蒸發(fā)速率高，燃盡時(shí)間短。

(14-9)耐火材料與燃料燃燒14.2.2.3霧化錐角燃油由霧化器噴出后，形成一油霧錐。由于燃油射流的卷吸作用，在油霧錐中心的氣體壓力有所下降，使油霧錐角在離開霧化器一定距離后有收縮現(xiàn)象，圖14-7為油霧錐的示意圖。為了表征油霧錐的特征，常采用霧化錐角這一參數(shù)。所謂霧化錐角就是油霧錐的張角。油霧錐角是霧化器的一個(gè)重要參數(shù)，它可以在一定程度上表示燃油在空間的分布。霧化錐角對(duì)燃燒完善程度有很大影響，若霧化錐角過大，油滴可能穿出湍流最強(qiáng)的空氣區(qū)域造成混合不良，降低燃燒效率，此外它還會(huì)因燃油噴射到爐墻或燃燒室墻上造成結(jié)焦或積碳。若霧化角過小，則油滴不能有效地分布到整個(gè)燃燒室空間，造成與空氣混合不好，導(dǎo)致燃燒效率下降。霧化錐角還直接影響火焰長(zhǎng)度和形狀，霧化錐角大則火焰短而粗，錐角小則火焰長(zhǎng)而細(xì)。一般霧化錐角約在60°-120°范圍內(nèi)。耐火材料與燃料燃燒圖14-7 霧化錐角示意圖αxαx霧化錐角有不同的表示方法，下面介紹兩種常用的表示方法。耐火材料與燃料燃燒圖14-8霧化器流量密度分布曲線

(a)離心式霧化器(b)蒸氣或空氣霧化器gmax燃油燃油蒸汽(空氣)霧化器離心式霧化器gmax(a)(b)(1)出口霧化角在霧化器出口處，作油霧邊界的切線，兩根切線的夾角即定義為出口霧化錐角，即圖14-7中的α角，它和理論計(jì)算值比較接近。耐火材料與燃料燃燒(2)條件霧化角在離霧化器一定距離x處，作一垂直于油霧錐中心線的直線(或以出口中心為圓心作一圓弧)，它們與液霧邊界有兩個(gè)交點(diǎn)，該兩點(diǎn)分別與噴口中心相連，兩連線的夾角即定義為條件霧化錐角，如圖14-7所示的αx角。在實(shí)驗(yàn)中圓弧半徑常取為200-250mm。顯然條件霧化角小于出口霧化角，兩者差有時(shí)可達(dá)20°以上，條件霧化角還隨所取距離或半徑而變，但條件霧化角便于測(cè)量，并能較好地反映油霧錐的位置，因此使用較多。耐火材料與燃料燃燒

單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于燃油噴射方向上單位橫截面積的燃油體積(或質(zhì)量)，稱為流量密度，單位可為cm3/(cm2?s)或g/(cm2?s)。流量密度與噴油嘴的結(jié)構(gòu)及工況參數(shù)有關(guān)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。圖14-8(a)所示為離心式霧化器的流量密度分布曲線，呈馬鞍形，中心流量密度低，四周流量密度高。這說明油量分布是比較散開的，火焰張角大。圖(b)所示為蒸汽或空氣霧化器的流量密度分布曲線，其最大流量密度在軸心線上，故火焰較長(zhǎng)。

流量密度也是表征霧化特性的一個(gè)重要參數(shù)。流量密度分布合理的霧化器能將燃油恰當(dāng)?shù)胤稚⒌饺紵覂?nèi)各個(gè)位置，以保證燃油和空氣很好的混合和燃燒。為了保證各處的油霧都有適量的空氣與之混合，故沿圓周方向能流量密度分布應(yīng)較均勻。

14.2.2.4流量密度耐火材料與燃料燃燒14.2.3霧化器(噴油嘴)簡(jiǎn)介液體燃料的霧化是通過霧化器來實(shí)現(xiàn)的。霧化器對(duì)霧化質(zhì)量起著決定性的作用，對(duì)霧化器的要求是：①有一定的噴油量調(diào)節(jié)范圍，以適應(yīng)燃燒裝置各種工況的要求；②在一定調(diào)節(jié)范圍內(nèi)能保證霧化質(zhì)量；③能造成一定的空氣與油霧混合的良好條件；④有一定的火焰長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)能力，火焰的形狀和長(zhǎng)度要穩(wěn)定；⑤調(diào)節(jié)方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)；⑥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于折裝；⑦工作可靠等等。

化器按其工作原理分為機(jī)械霧化式與介質(zhì)霧化式兩大類。此外，還有將兩者結(jié)合起來的方式。耐火材料與燃料燃燒14.2.3.1機(jī)械霧化式噴油嘴

機(jī)械霧化式噴油嘴是靠燃油在本身壓力能作用下由噴嘴噴出而霧化的。此時(shí)，不需要霧化劑，而燃燒所需要的全部空氣用鼓風(fēng)機(jī)另行供給。在工業(yè)上廣泛采用的機(jī)械霧化式噴油嘴是離心式噴油嘴。它可用于鍋爐及工業(yè)爐窯等燃燒設(shè)備。圖14-9(a)為簡(jiǎn)單型油壓式噴嘴，圖14-9(b)為內(nèi)回油型油壓式噴嘴。簡(jiǎn)單型油壓式噴嘴的油量調(diào)節(jié)是調(diào)節(jié)供油管道上的閥門，從而調(diào)節(jié)了燒嘴前的供油壓力，油量即隨之變化。這種燒嘴結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。但是由于油壓對(duì)霧化質(zhì)量的影響非常顯著，油壓降低將導(dǎo)致霧化質(zhì)量變壞，所以這種燒嘴的調(diào)節(jié)倍數(shù)很小。并且，因?yàn)榱髁颗c壓力的平方根成正比，即使流量有一定的變化時(shí)，壓力則要有很大的變化。耐火材料與燃料燃燒為了解決油壓和霧化質(zhì)量之間的矛盾，可采用圖14-9(b)中的調(diào)節(jié)方案，即采用有回油路的燒嘴。該燒嘴中，在分流片上開一個(gè)回油孔，引入回油管路。這樣在供油壓力不變的條件下，可以改變回油量的辦法來調(diào)節(jié)燒嘴能力。由于供油壓力不變，在渦流片中油的切線速度基本不變。當(dāng)需要減小燒嘴油量時(shí)，可使回流量增加，但油仍以高速度旋轉(zhuǎn)噴出，可以在低負(fù)荷時(shí)保持較好的霧化質(zhì)量，油霧張角也變化不大。這種回油型的油壓式噴嘴的調(diào)節(jié)倍數(shù)可達(dá)到4左右。耐火材料與燃料燃燒圖14-9油壓式燒嘴

(a)簡(jiǎn)單型油燒嘴(b)內(nèi)回油型油燒嘴

1–分流片；2–離心渦流片；3–霧化片

123123重油重油回油(a)(b)2側(cè)視圖耐火材料與燃料燃燒另一種保持霧化質(zhì)量的調(diào)節(jié)方案是采用帶針閥的可調(diào)式離心燒嘴，如圖14-10所示。這種燒嘴是用操作手柄使針閥前后移動(dòng)，通過改變油噴口的有效流出斷面來調(diào)節(jié)燒嘴的負(fù)荷。該燒嘴的調(diào)節(jié)倍數(shù)可達(dá)2-3。圖14-11的測(cè)定結(jié)果表明，采用可調(diào)式離心燒嘴，可以在調(diào)節(jié)燒嘴負(fù)荷時(shí)，保證霧化質(zhì)量基本不變；相反，采用簡(jiǎn)單的、不可調(diào)的離心式燒嘴，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，顆粒平均直徑將顯著增加，霧化質(zhì)量變壞。因此，要求調(diào)節(jié)負(fù)荷的燒嘴，必須選用適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)方案，以保證良好的霧化效果。重油圖14-10可調(diào)式離心燒嘴耐火材料與燃料燃燒圖14-11燒嘴霧化顆粒與負(fù)荷的關(guān)系

(油壓2000kPa，額定負(fù)荷為0.86kg/s)G(%)d(平均)耐火材料與燃料燃燒14.2.3.2介質(zhì)霧化噴油嘴

它是利用高速噴射的霧化介質(zhì)的動(dòng)能使燃油粉碎成細(xì)滴。霧化介質(zhì)可以是蒸汽，也可以是空氣。由于利用了高速霧化介質(zhì)的動(dòng)能來霧化燃油，故不要求再利用高壓油產(chǎn)生高速射流。它可以霧化粘度較高的重質(zhì)燃油，霧化質(zhì)量一般優(yōu)于機(jī)械霧化式噴油嘴。但這種噴油嘴要消耗一定的霧化介質(zhì)，霧化燃油所耗能量較高。常見介質(zhì)霧化噴油嘴有下列幾種。耐火材料與燃料燃燒(1)蒸汽霧化噴油嘴圖14-12為目前應(yīng)用較廣的外混式兼汽霧化噴油嘴，燃油在中間套管內(nèi)流動(dòng)，具有一定壓力的蒸汽在隔套內(nèi)流動(dòng)并膨脹加速為高速流動(dòng)的蒸汽，最后兩者同時(shí)從噴口噴出，并在噴口處相撞而使燃油霧化，故稱為外混式。此外，還有一種內(nèi)混式蒸汽霧化噴油嘴。這種噴油嘴使燃油先與蒸汽在混合室相遇而初步霧化，形成燃油與蒸汽的混合物再噴出進(jìn)一步霧化。圖14-13給出了這種噴油嘴的簡(jiǎn)圖。蒸汽霧化噴油嘴目前大多用于石油和化工工業(yè)的加熱爐上，而在一般鍋爐上使用較少。近年在某些大容量鍋爐中采用了蒸汽—機(jī)械組合式的Y型噴嘴，如圖14-14所示。這種噴油嘴采用較高的燃油壓力(約2MPa)，以加強(qiáng)機(jī)械霧化的作用，這樣既可提高霧化質(zhì)量又可降低蒸汽消耗量。耐火材料與燃料燃燒霧化介質(zhì)(蒸汽或空氣)燃油混合室圖14-13內(nèi)混式蒸氣霧化噴油嘴1234蒸氣油圖14-12外混式蒸氣霧化噴嘴1–油管；2–蒸氣套管；3–定位螺絲；4–定位爪耐火材料與燃料燃燒圖14-14Y型噴油嘴油油噴頭座噴頭壓蓋分流片噴頭蒸氣耐火材料與燃料燃燒(2)空氣霧化噴油嘴空氣霧化噴油嘴是以空氣作霧化介質(zhì)，根據(jù)霧化空氣壓力的高低可分為低壓空氣霧化噴油嘴和高壓空氣霧化噴油嘴。低壓空氣霧化噴油嘴利用全部的助燃空氣作為霧化介質(zhì)?？諝庥晒娘L(fēng)機(jī)供入，壓力為0.003-0.02MPa，燃油壓力也較低，一般為0.03-0.15MPa。這種噴油嘴由于空氣與燃油混合較好，故可在較小的空氣系數(shù)下燃燒且火焰較短。它一般用來燃燒柴油或輕質(zhì)燃油，雖然也能燒重油，但效果較差。這種噴油嘴因受空氣管道尺寸的限制，每一個(gè)噴油嘴燃燒能力一般不超過150-200kg/h。低壓空氣噴油嘴類型較多，如果按燃油與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式來分，有直流式(C型)、旋轉(zhuǎn)式(K型)、相遇氣流式等。圖14-15為C型低壓空氣霧化噴油嘴的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。這種噴嘴廣泛里于冶金工業(yè)中的加熱爐、熱處理爐以及隧道窯等。耐火材料與燃料燃燒在低壓油燒嘴中，空氣的預(yù)熱溫度受到限制。特別是對(duì)于流經(jīng)油管外面的空氣，如果預(yù)熱溫度太高，油管內(nèi)的燃油會(huì)被加熱至過高的溫度，以至在油噴出前便裂化產(chǎn)生焦粒，造成噴嘴堵塞。一般，當(dāng)全部空氣用來做霧化劑時(shí)，預(yù)熱溫度應(yīng)控制在400oC以下。如果要求將空氣預(yù)熱至更高的溫度，可將空氣分為兩部分；一部分流經(jīng)燒嘴，為一次空氣；另一部分由燒嘴之外通入燃燒室，為二次空氣。二次空氣的預(yù)熱溫度不受燒嘴的限制。圖14-15C型低壓空氣霧化噴油嘴空氣燃油耐火材料與燃料燃燒高壓空氣霧化噴油嘴以壓縮空氣為霧化介質(zhì)，其壓力為0.3-0.7MPa。每霧化1kg燃油約需霧化空氣0.3-0.6kg。噴油嘴結(jié)構(gòu)形式與蒸汽霧化噴嘴基本相同，有些噴油嘴就是壓縮空氣與蒸汽兩用的。這種噴油嘴也有外混式與內(nèi)混式兩種。圖14-16為一種套管式高壓空氣霧化噴油嘴簡(jiǎn)圖。該噴油嘴霧化空氣的噴口為收縮形，故霧化空氣噴出的速度略低于音速。霧化空氣噴出時(shí)與油流之間呈25°左右的交角以改善霧化。由圖可以看出,該噴油嘴顯然為外混式，當(dāng)霧化空氣壓力較高時(shí)，其霧化質(zhì)量良好，火焰瘦長(zhǎng)。這種類型噴油嘴燃燒能力小型者為7-l0kg/h，火焰長(zhǎng)度為2-4m，大型者燃燒能力可達(dá)350-400kg/h，火焰長(zhǎng)度可達(dá)7m。這種噴油嘴常用于反射爐以及連續(xù)加熱爐和化學(xué)工業(yè)的爐窯上。耐火材料與燃料燃燒圖14-16套管式高壓空氣霧化噴油嘴霧化空氣重油耐火材料與燃料燃燒在圖14-17示出了一種內(nèi)混式高壓空氣霧化噴油嘴。其工作原理如下：燃油由進(jìn)油管流至旋油器4時(shí)從旋流器上四個(gè)與軸線成20o交角的小孔流出，并作順時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)，使燃油沿周向均布于油噴嘴5內(nèi)孔的周圍。霧化空氣沿油管外環(huán)形通道流入，通過螺帽2與回氣圈6之間的環(huán)形空間折轉(zhuǎn)180°，再經(jīng)回氣圈上12個(gè)直徑為3mm的小孔流入回氣圈與油噴嘴之間均空隙。然后沿油噴嘴外的十條斜槽進(jìn)行第一次臨界膨脹，斜槽與軸線成10°角，流出的高速氣流呈逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，它在油噴嘴的前方與燃油混合(即內(nèi)混)，并將燃油噴散成細(xì)滴。由于霧化空氣與燃油的旋轉(zhuǎn)方向相反，所以混合和噴散的過程進(jìn)行得比較充分。當(dāng)這股油氣混合物流出噴油嘴時(shí)，再進(jìn)行第二次臨界膨脹，保證油霧在油霧炬橫截面上均勻分布和良好霧化。該噴油嘴工作參數(shù)如下：然油壓力0.2MPa，霧化空氣壓力0.27MPa，噴油量從20-500kg/h分為11檔，以便使用者選擇。該噴油嘴主要用于玻璃窯爐和冶金工業(yè)爐。耐火材料與燃料燃燒圖14-17內(nèi)混式高壓空氣霧化噴油嘴霧化空氣燃油耐火材料與燃料燃燒14.3油滴燃燒和油霧燃燒14.3.1油滴燃燒概述燃油霧化成許多大小不一的油滴后，在燃燒室的高溫下受熱而蒸發(fā)氣化。其中一些小的油滴很快就完成蒸發(fā)氣化，并與周圍空氣形成可燃混合氣，其燃燒過程類似氣體燃料的均相燃燒。油霧中直徑較大的油滴，當(dāng)其以較高速度噴入空氣時(shí)，在最初階段與氣流間有一定的相對(duì)速度，但經(jīng)過一定距離后，由于摩擦效應(yīng)油滴將逐漸滯慢下來，這時(shí)油滴與氣流之間的相對(duì)速度幾乎完全消失。具有相對(duì)速度的這一段稱為“動(dòng)力段”，沒有相對(duì)速度的一段則稱為“靜力段”。通常動(dòng)力段所占時(shí)間很短，油滴主要完成受熱升溫過程，蒸發(fā)氣化與燃燒過程主要在靜力段中進(jìn)行。由于在靜力段中油滴與氣流之間幾乎沒有相對(duì)速度，故油滴在氣流中的燃燒現(xiàn)象與它在靜止空氣中的燃燒情況相近。因此，單顆油滴在靜止空氣的燃燒規(guī)律可作為進(jìn)一步研究油滴群(即油霧)燃燒的基礎(chǔ)。耐火材料與燃料燃燒單顆油滴在靜止空氣中的燃燒情況如圖14-18所示。由于受到高溫火焰的作用，油滴表面的燃油將首先蒸發(fā)氣化，形成的油氣則向周圍氣體擴(kuò)散并在油滴附近被點(diǎn)燃，形成一離開油滴表面一定距離的球形火焰前鋒。由擴(kuò)散燃燒火焰的討論可知，在穩(wěn)定的火焰前鋒處，氧與燃料的配合比例正好是化學(xué)當(dāng)量比。假設(shè)在火焰前鋒中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)很快，則火焰前鋒很薄，在理論上可將它作為一個(gè)幾何面處理，火焰前鋒把油氣和氧隔開，在內(nèi)側(cè)只有油氣和燃燒產(chǎn)物，在其外側(cè)只有氧和燃燒產(chǎn)物。實(shí)際上火焰前鋒有一定厚度，在火餡前鋒上溫度最高，為火焰溫度Tf。由火焰前鋒放出的熱量用于加熱油滴，使之蒸發(fā)氣化。由油滴表面蒸發(fā)氣化產(chǎn)生的油氣在其向火焰前鋒擴(kuò)散的同時(shí)，由于受熱和化學(xué)反應(yīng)而升溫，使溫度由油滴表面的T0(近似等于該壓力下的飽和溫度)逐漸升高到火焰前鋒上的溫度Tf，氧則從周圍空氣向油滴擴(kuò)散，并在火焰前鋒面處與油蒸汽相遇而達(dá)到化學(xué)當(dāng)量比的配合比例。耐火材料與燃料燃燒圖14-18油滴燃燒示意圖

1–油滴；2–油氣區(qū)；3–燃燒區(qū)；4–外層空氣區(qū)；

5–油氣濃度；6–氧濃度；7–溫度7643215rr0r1T0T1τ耐火材料與燃料燃燒14.3.2油滴的燃燒速率和燃盡時(shí)間

為了簡(jiǎn)化油滴燃燒速率的計(jì)算，假設(shè)：①油滴為球形，在蒸發(fā)氣化和燃燒過程中，油滴和火焰前鋒均保持球?qū)ΨQ；油滴在靜止的氣體中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的蒸發(fā)氣化和燃燒；②燃燒反應(yīng)只在火焰前鋒反應(yīng)區(qū)內(nèi)進(jìn)行；③忽略火焰輻射換熱與對(duì)流換熱的影響；④不計(jì)導(dǎo)熱系數(shù)，擴(kuò)散系數(shù)等特性系數(shù)隨濃度和溫度的變化；⑤不考慮油滴表面生成的油氣向周圍擴(kuò)散時(shí)所引起的斯蒂芬質(zhì)量流。耐火材料與燃料燃燒對(duì)半徑為r的球面(圖14-18)，通過球面向油滴傳導(dǎo)的熱量應(yīng)等于燃油氣化所需熱量和使油氣溫度由T0升高至Tf所需熱量，即式中：—導(dǎo)熱系數(shù)；T—半徑r處的溫度；T0—油滴表面的溫度；m—油滴表面的燃油氣化量；L—燃油的氣化潛熱；Cp—燃油蒸氣的比熱容。耐火材料與燃料燃燒將上式改寫，然后從油滴表面(r0和T0)至火焰前鋒(rf和Tf)積分，則得于是

(14-10)耐火材料與燃料燃燒現(xiàn)在再來求火焰前鋒所在球面的半徑rf。假設(shè)在火焰前鋒之外有一半徑r的球面，氧從遠(yuǎn)處通過這個(gè)球面向內(nèi)擴(kuò)散的數(shù)量必然等于火焰前鋒上所消耗掉的氧，即等于式(14-10)的油氣流量m乘上氧與燃油的化學(xué)當(dāng)量比β，即式中D—氧的分子擴(kuò)散系數(shù)；C—氧的濃度。將上式改寫后在離油滴很遠(yuǎn)處和火焰前鋒之間積分，即耐火材料與燃料燃燒于是，可得出火焰前鋒半徑為

(14-11)

式中，C∞為遠(yuǎn)處的氧濃度。將式(14-11)代入式(14-10)可解出m為

這就是在半徑rf的油滴表面上的氣化量，也就是單位時(shí)間燒掉的燃油量。(14-12)耐火材料與燃料燃燒將上式除以4πr02即得油滴在單位時(shí)間、單位面積上蒸發(fā)氣化(或燃燒)掉的質(zhì)量m?(其單位為kg/(s·m2))，通常稱它為蒸發(fā)(或燃燒)速率，即

因此，油滴的燃燒速率取決于油滴的尺寸和初溫以及燃油和氧化劑的物理化學(xué)性質(zhì)，油滴越小，燃燒速率越高。

(14-13)耐火材料與燃料燃燒已知油滴燃燒速率，就可計(jì)算油滴所需燃盡時(shí)間τ0。設(shè)在某一時(shí)刻τ油滴直徑為df，體積為，經(jīng)過時(shí)間dτ后油滴的體積將減小為，質(zhì)量將減小，在穩(wěn)態(tài)的蒸發(fā)氣化燃燒時(shí)，油滴在單位時(shí)間減少的質(zhì)量，即油滴在單位時(shí)間燒掉的燃油量為式中，為燃油的密度。將(14-12)代入上式，在代入時(shí)將r0換算為df（即df=2r0）代入，于是可得出耐火材料與燃料燃燒

上式可以改寫成式中：

Kb為取決于燃料和氧化劑的物理化學(xué)常數(shù)，通常稱它為燃燒常數(shù)，表14-1列出了一些液體燃料的Kb值。對(duì)上微分式積分；且已知當(dāng)τ=0時(shí)，df=d0；τ=τ時(shí)，df=df，于是可得

(14-14)(14-15)上式稱為油滴燃燒的直徑平方定律。耐火材料與燃料燃燒在式(14-15)中以df=0代入即可求出油滴燃盡所需的時(shí)間τb，即

這正說明油滴燃盡所需的時(shí)間與油滴的初始直徑平方成正比，這一結(jié)論已為實(shí)驗(yàn)證實(shí)。因此燃油霧化質(zhì)量對(duì)燃燒速率有很大影響。表14-1幾種液體燃料的燃燒常數(shù)

燃料空氣溫度(℃)Kb酒精汽油煤油輕柴油重油8007007007007001.601.101.121.110.93(14-16)耐火材料與燃料燃燒14.3.3油霧的燃燒

液體燃料的燃燒通常都是通過噴油嘴，將燃油“破碎”成油滴群—油霧以后再進(jìn)行燃燒的。油霧的蒸發(fā)氣化和燃燒不同于前述單個(gè)油滴在無限空間中的蒸發(fā)和燃燒。它要復(fù)雜得多，因?yàn)檫@時(shí)影響的因素更多，如油霧和空氣的射流特性，油霧中各個(gè)油滴相互的影響，滴徑的不均勻性，燃油與空氣的混合情況以及爐內(nèi)的燃燒工況等都將影響著油霧的燃燒速率和燃盡時(shí)間。油霧的燒燒可分為以下幾種主要類型。耐火材料與燃料燃燒14.3.3.1預(yù)蒸發(fā)式氣態(tài)燃燒這種情況相應(yīng)于油和氣的進(jìn)口溫度高，或油霧較細(xì)，或者噴油的位置與燃燒區(qū)之間的距離較長(zhǎng)，因而在進(jìn)入燃燒區(qū)之前油珠已完成蒸發(fā)過程，故其燃燒受氣相擴(kuò)散燃燒的規(guī)律控制，火焰的結(jié)構(gòu)類似于氣體燃料的湍流擴(kuò)散燃燒。14.3.3.2油滴群擴(kuò)散式燃燒這是另一種極端情況，相當(dāng)于油和氣的進(jìn)口溫度低，或燃油霧化不好，油珠比較粗大(或燃油揮發(fā)性差)，在進(jìn)入燃燒區(qū)時(shí)，油珠基本未揮發(fā)，只有滴群的擴(kuò)散燃燒。通常在沖壓機(jī)和液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中接近這種燃燒。油滴群中每一油滴獨(dú)立地進(jìn)行燃燒，其燃燒形式是以單顆油滴燃燒形式進(jìn)行的。耐火材料與燃料燃燒14.3.3.3復(fù)合式燃燒一般說來，油霧是由大小不同的油滴組成的，其中較小的油滴由噴油嘴出來后很快就蒸發(fā)氣化，形成一定程度的預(yù)混火焰，而較大的油滴則按油滴群擴(kuò)散式燃燒進(jìn)行燃燒。這種包含兩種燃燒形式的燃燒稱復(fù)合式燃燒。當(dāng)油霧中各油滴十分靠近時(shí)，對(duì)油霧燃燒的影響尤甚。其影響主要表現(xiàn)在兩方面：一方面同時(shí)燃燒著的相鄰油滴相互傳熱；另一方面又相互妨礙著氧擴(kuò)散到它們的火焰前鋒面，出現(xiàn)竟相爭(zhēng)奪氧氣的局面。前一影響的存在可以促進(jìn)油滴群的燃燒，加快油霧燃燒速率，減少燃燒時(shí)間。后一影響的存在卻妨礙油滴的燃燒，降低油霧的燃燒速率，增加燃燒時(shí)間。當(dāng)油滴間的距離小于油滴火焰前鋒的半徑時(shí)，油滴就不可能保持自己?jiǎn)为?dú)的球狀火焰前鋒面，只能在油滴之間的可燃混合氣中進(jìn)行滴間的氣相燃燒(即所謂滴間燃燒)。耐火材料與燃料燃燒實(shí)驗(yàn)研究表明，油霧的燃燒仍遵循式(14-15)的直徑平方定律，不過這時(shí)燃燒速度常數(shù)Kb與單個(gè)孤立油滴燃燒有所不同。有人認(rèn)為在常數(shù)Kb上還要乘一個(gè)因子f(p)，即

(14-17)這里f(p)是壓力p的函數(shù)，且f(p)≤1。但燃油噴入爐膛后，其流量密度和油滴直徑是不均勻的，因此，在同一時(shí)刻各個(gè)油滴的燃燒狀況不一樣，射流各斷面上的燃燒狀況也不相同。另外燃油噴入爐膛空間，各油滴將到達(dá)各個(gè)不同的位置，而爐內(nèi)的溫度場(chǎng)又不均勻，因此，即使油滴直徑相同，在同一時(shí)間不同的空間，油滴的燃燒狀況也不一樣。因此不能簡(jiǎn)單地用同一個(gè)Kb值來進(jìn)行計(jì)算。目前關(guān)于油霧燃燒過程還沒有完善的物理模型，各研究者提出的計(jì)算方法都有一定的片面性。耐火材料與燃料燃燒這里需要指出