第六章雾化技术之油滴及油雾燃烧.ppt

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第六章油滴及油雾燃烧10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院液体燃料的燃烧具有扩散燃烧的特点。

雾化喷嘴出口下游的油雾颗粒大小不一，在燃烧室内的高温环境下，小油滴快速蒸发气化，并与周围的空气混合形成可燃混合气，在达到着火温度后，开始燃烧，这个过程在极短的时间和距离内完成。

相对而言，那些直径较大的油滴从开始蒸发到最终燃尽，则需要较长的时间，这是因为大油滴具有较大的速度和动量，因此，在其离开喷嘴后要飞行一段距离后才能完成蒸发与燃烧过程。

在最初的阶段，大液滴与空气之间维持着较大的相对速度，但是经过一定距离后，摩擦效应将使液滴逐渐停滞下来，此时两者之间的相对速度几乎完全消失。

具有较大相对速度的阶段称为“动力段”，“动力段”经历的时间很短，对于直径10-40微米、初始速度100-200m/s的油滴来说，仅为千分之几秒，在这个阶段，油滴主要完成受热、升温过程。

气液两相之间没有相对速度的阶段称为“静力段”，蒸发气化与燃烧过程主要在“静力段”完成。

所以，单个油滴在气流中的蒸发、燃烧过程与静止空气中的燃烧情况很相似。

因此，可以将单个油滴在静止空气中的蒸发、燃烧规律作为研究液雾群燃烧的基础。

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院第一节、单个油滴在静止气流中的燃烧过程单个油滴燃烧的紫外照片（来源于NASA网页）左图是利用紫外镜头拍摄的单个油滴燃烧照片，对于轻质燃油，我们可以忽略焦壳对燃烧过程的影响，建立单滴燃烧的物理模型如下图所示，半径为r0、初始温度为T0的油滴1在高温环境下蒸发形成油蒸汽3，并向周围空气4中扩散，达到着火条件后被点燃形成具有一定厚度的球状火焰峰面2。

根据扩散火焰的特点，可以将火焰峰面看作薄薄的一层，火焰峰面将氧气与油蒸汽完全隔离，在内表面处只有油蒸汽和燃烧产物，在外表面只有氧气和燃烧产物，在火焰峰面处氧气与油蒸气恰好达到当量比；并且火焰峰面的温度最高，为火焰温度Tf。

1-油滴；2-火焰峰面；3-油蒸气区；4、空气区；5-空气浓度曲线；6-温度曲线；7-油蒸汽浓度曲线10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院为了方便问题的分析，需要对单滴燃烧模型进行一系列简化，即假设：

（1）油滴为球状，且在蒸发、燃烧过程中始终保持球对称；

（2）油滴的蒸发与燃烧过程均为准稳态过程，不考虑液面的内移效应；（3）燃烧只在火焰峰面的反应区内进行；（4）火焰峰面所产生的热量全部用于加热油滴，使之蒸发气化，并且传热方式只考虑热传导，而忽略火焰辐射换热与对流换热的影响；（5）导热系数、扩散系数等恒定不变；（6）忽略油滴表面因扩散而引起的斯蒂芬流；（7）不考虑液滴的高温热解。

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院油滴的蒸发速率与燃烧速率的推导针对油蒸气区3内任意半径为r、厚度为dr的球面建立能量平衡方程，即单位时间内通过该球面传导的热量应该等于该微元内油滴蒸发所需要的气化潜热与油蒸汽升温所需要的热量之和，因此有：

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院因此油滴的蒸发量为：

既然该过程是一个准稳态过程，所以，单位时间内油滴表面的蒸发量m就应该等于通过油气区3内各个球面扩散出来的油蒸气量，同样也等于在火焰峰面处燃烧所消耗的油蒸气量。

蒸发速率或燃烧速率是单位时间单位表面上的蒸发气化量与燃料消耗量，因此有：

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院油滴的直径变化规律10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院这说明油滴的燃尽时间与其初始直径的平方成正比关系10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院DROPLETCOMBUSTIONEXPERIMENT（DCE）10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院为什么右图的直径平方规律并不明显？

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院第二节、重油油滴在静止气流中的燃烧过程工业上使用的液体燃料以重油、渣油为主，重油油滴的真实燃烧过程与前文所分析的轻质燃油油滴的燃烧模型有所不同。

上图是日本海上技术研究所拍摄的重油油滴燃烧的照片，油滴首先在高温作用下蒸发气化产生油蒸气，达到着火条件后，形成“包络”火焰，油滴被包围在火焰的内部。

由于氧气无法进入火焰峰面内，因此重油油滴在高温缺氧环境下会发生热分解，在油滴外表面产生油焦，形成封闭的焦壳。

焦壳的出现，一方面阻碍了油蒸气的扩散，使火焰峰面的半径减小；另一方面也妨碍了热量通过焦壳内油滴传递，从而使焦壳表面温度继续高，更加促进了焦壳的形成。

由于焦壳内的油滴始终在蒸发，油蒸气却因焦壳的阻挡无法外溢，从而使其内部压力逐渐升高，因此焦壳将发生膨胀，直至破裂。

焦壳破裂时，油蒸气与残余的液态油从孔隙中喷出并燃烧，使火焰峰面发生变形。

当油蒸气和液态油燃尽后，焦壳内的可燃物质将继续燃烧，直到完全燃尽，不可燃的部分则残留下来。

下图是重油油滴燃尽后固体焦壳的电镜照片。

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院尽管重油油滴与轻质燃油油滴的燃烧过程具有很大的区别，但是大量的实验证明，重油油滴中液体部分的燃尽时间仍然符合直径平方规律，所不同的是残留的焦壳在液体燃尽后仍将继续燃烧。

焦壳是固态的，其重量一般占油滴总重量的10%至20%。

油焦的燃烧速率较小，因此焦粒与焦壳的出现使重油颗粒的燃尽时间明显延长；为了保证完全燃烧，工程上要求火焰尾部要有足够高的温度和充足的氧气。

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院对于燃油锅炉而言，燃油颗粒在炉膛内的逗留时间大约为1至2秒，所以，油滴颗粒的平均直径不宜过大，否则将很难燃尽。

目前，对于燃油锅炉燃烧所允许的最大油滴直径尚没有一致的看法，所以，我们还是倾向于尽可能地提高雾化质量。

但是，值得注意的是，对于燃烧而言，如果油滴颗粒平均直径很细的话，其燃烧强度加强，火焰温度将有大幅度提高，如果此时氧气过剩，则燃烧产物中NOx的生成量将急剧增加，这对于污染物排放控制是不利的。

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院第三节、油滴在气流中的燃烧过程即使油滴在“静力段”的燃烧与在静止空气中的燃烧极为相似，但在实际的油滴燃烧过程中，燃烧所引起的温度场、浓度场的分布变化也会对油滴周围的空气产生扰动，形成气液两相之间的相对流动，因此油滴外围的火焰会在气流方向被拉伸。

如图，随着相对速度的增大，逐渐由球形包络火焰变形为卵形火焰、罩形火焰、后流火焰、伞状火焰，当相对速度很大时，火焰将会被吹熄。

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院在气液两相相对速度增大的过程中，油滴的蒸发速率、燃烧速率都会有所增大，因此，火焰的燃尽时间将大为缩短。

在强迫对流条件下，油滴的燃烧速率可以用下面的经验公式进行计算：

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院无论油滴与空气间是否具有相对运动，油滴的燃无论油滴与空气间是否具有相对运动，油滴的燃烧必须具有两个条件，才能完成。

烧必须具有两个条件，才能完成。

（11）油蒸气与空气混合形成的预混可燃气的空气）油蒸气与空气混合形成的预混可燃气的空气燃料比要在着火极限之内，燃料过稀或过浓都不能形燃料比要在着火极限之内，燃料过稀或过浓都不能形成燃烧。

这就要求实际的燃烧装置必须能够保证燃油成燃烧。

这就要求实际的燃烧装置必须能够保证燃油颗粒与助燃空气之间的良好混合。

颗粒与助燃空气之间的良好混合。

（22）可燃混合气必须被加热到着火温度之上才可）可燃混合气必须被加热到着火温度之上才可能实现着火、燃烧，这就要求燃烧装置内必须保持足能实现着火、燃烧，这就要求燃烧装置内必须保持足够高的温度，低于着火温度，燃料就不能着火。

够高的温度，低于着火温度，燃料就不能着火。

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院所谓点燃，就是利用外加热量如点火花、炽热物体等在可燃混合物局部某点引燃，并使燃烧反应快速传播到整个未燃区域的过程。

与自燃是有差别的。

点燃的前提条件：

足够高的点火能量、合理的局部流场、可燃混合物成分等等；对于液雾来说，还有颗粒直径的分布规律。

点燃模式分为三种：

单滴、滴群和油雾三种第四节、油雾的点燃10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院点火方式包括：

电火花、炽热物体、火把、激光束等等外加能量。

由于电火花放电时间短（几十微秒）、能量高等特点，因此多用来研究点火延迟时间以及点火最小能量随其它参数的变化情况。

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院I、静止气流中、静止气流中两相混两相混合物的点火合物的点火Aggarwal,S.K,J.PropulsionPower,1988,4,14利用电容式电火花点燃旋杯式喷嘴产生的液雾，索态尔平均直径30150微米、当量比0.41.0。

通过调整电极间距得到最小点火能量。

1、存在着火极限；2、存在最小点火能量Emin；3、不同燃料的最小点火能量不同、着火极限不同。

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院1、随着颗粒平均直径的增大，所需要的最小点火能量增加；2、相同颗粒平均直径下，随着液体挥发性的提高，最小点火能量降低。

因为蒸发速度加快。

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院1、随着颗粒平均直径的增大，最小点火能量增大；2、小于当量比的情况下，随着空燃比的增加，最小点火能量降低。

图形中点是实验测量值，线是根据直径平方规律建立的数学模型的计算值，可以发现两者符合较好。

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院1、随着颗粒平均直径的增大，最小点火能量增大；2、预蒸发程度越高，点火最小能量越低；不论初始颗粒直径多大，全部蒸发后的最小点火能量是相等的。

蒸发过程在液雾的点燃与燃烧过程起着决定性作用。

由于小颗粒的蒸发速度较快，因此液雾中小颗粒的存在利于引燃，但是以上实验不能反映这个观点。

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院II、流动两相混合物的点火流动两相混合物的点火相对而言，流动液雾的点火过程由于涉及浮力、湍流等，将更加复杂。

炽热平板点火实验。

1、着火距离随着颗粒直径的增大而增大；2、物理模型的计算值略高于实验值，原因是模型没有考虑对流换热。

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院1、在不同空燃比下，存在最佳的颗粒直径（点火能量最低）。

2、空燃比对最小点火能量具有影响。

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院对于不同的颗粒直径，存在最低的空燃比（最小点火能量），亦即点火存在稀限与浓限。

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院1、不同燃料最小点火能量不同；与挥发性有关。

2、随着流速的提高，点火能量提高，因为冷却作用加强。

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院1、存在最佳的颗粒平均直径，约25微米左右，对应最小点火能量；2、空燃比不同，点火能量不同。

3、颗粒直径固定时，存在最佳的空燃比对应最小点火能量。

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院实验结果：

存在最佳的整体空气系数壁面温度（相当于点火能量）10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院L/a颗粒所在位置喷嘴出口半径；也就是相当于改变了空气系数1、不同挥发性质的燃料点火延迟时间不同，挥发性越强，点火延迟时间越短。

2、存在最佳的L/a即最佳的空气系数使点火延迟时间最短。

10/24/2022河北工业大学能源与环境工程学院III、多成分液雾的点火多成分液雾的点火一般石油产品的成分并不单一，因此其点火过程与单一成分燃料的点火有显著不同。

原因是：

1、由于液滴内部不同成分之间的扩散作用促使液滴表面产生扩散附面层；2、不同成分的挥发性不同造成颗粒直径分布发生变化；3、多成分液雾与单一成分液雾的化学性质明显不同。

S.KAggarwal,Prog.EnergyCombust,Sci,Vol24,pp565-600,199810/24/2022河北工业大学能源与环境