1、第七章第七章 顆粒燃料的燃燒顆粒燃料的燃燒劉雪玲天津大學熱能工程系PM2.5PM2.5：particulate matter 顆粒物，是指大氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。它的直徑還不到人的頭發絲粗細的1/20。根據PM2.5檢測網的空氣質量新標準： 優：035 良：3575 輕度污染：75115 中度污染：115150 重度污染：150250 嚴重污染：250及以上12月8日，預報PM2.5指數最高值達到395。圖為記者在濟南市山大路拍到的街景。（中新社發 邱江波 攝）發動機中噴射的汽油和柴油燃發動機中噴射的汽油和柴油燃料料（一）液體燃料燃燒（一）液體燃料燃燒（一）

2、液體燃料燃燒（一）液體燃料燃燒航空燃氣（渦）輪（發動）機航空燃氣（渦）輪（發動）機（一）液體燃料燃燒（一）液體燃料燃燒運載火箭發動機運載火箭發動機（美國阿波羅土星推（美國阿波羅土星推進器，中國神九長征進器，中國神九長征2號運載火箭液體助推器）號運載火箭液體助推器）霧化霧化液滴汽化、蒸液滴汽化、蒸發發燃料與空氣混合燃料與空氣混合液滴燃燒液滴燃燒（一）液體燃料燃燒（一）液體燃料燃燒液體燃料燃燒過程液體燃料燃燒過程 （較氣體復雜）（較氣體復雜）霧化概念及過程霧化概念及過程霧化概念霧化概念：用物理方法使液體燃料碎裂成細小液滴 群的過程。 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

3、湍流以及周圍氣體對 射流的作用（脈動、摩擦等），使液體表面產 生波動、褶皺，并最終分離出液體碎片或細絲。3) 在表面張力的作用下，液體碎片或細絲收縮成球 形油珠。4)在氣動力作用下，大油珠進一步碎裂。注意：霧化是注意：霧化是物理過程物理過程、霧化后不是氣體、霧化后不是氣體霧化過程：霧化過程：增加燃料的比表面積有利于燃料與空氣的混合完全燃燒加速燃料的蒸發汽化液體燃料的霧化液體燃料的霧化作用：作用：1、霧化角、霧化角 R=100mm霧化角：霧化角：又稱油霧炬的張角，指噴嘴出口到噴霧炬外包絡線的兩條切線之間的夾角。液體燃料的霧化特性（評價指標）液體燃料的霧化特性（評價指標）r條件霧化角：條件霧化角：

4、以噴嘴為圓心，r為半徑的圓弧和外包絡線交點與噴口中心連線的交角。霧化角的大小對燃燒完善程度和經濟性有很大影響，是霧化器設計的一個重要參數。R=100mm液體燃料的霧化特性（評價指標）液體燃料的霧化特性（評價指標）r霧化角對燃燒影響：霧化角對燃燒影響：過大：油滴穿出湍流最強區域，混合不良，燃燒不完全，降低燃燒效率。過小：液滴不能有效分布在這個燃燒室空間，造成局部過剩空氣系數過大，燃燒溫度下降、著火困難、燃燒不良。霧化角對火焰的影響：霧化角對火焰的影響：過大：火焰粗而短；過小：細而長。液體燃料的霧化特性（評價指標）液體燃料的霧化特性（評價指標）2、霧化液滴細度、霧化液滴細度Sauter平均直徑：平

5、均直徑：假設每個液滴直徑相等時，按所測得的所有液滴的總體積V與總表面積S計算出來的液滴直徑。iiiidnSdnV236SVdSMD6223366SMDiiSMDiidndnSdndnV液體燃料的霧化特性（評價指標）液體燃料的霧化特性（評價指標） 質量中間直徑質量中間直徑MMD：D50: Mass-median-diameter (MMD). The log-normal distribution mass median diameter. The MMD is considered to be the average particle diameter by mass假設存在一中間直徑dm，大

6、于與小于dm的油珠的總質量相等。dmddmdMM液體燃料的霧化特性（評價指標）液體燃料的霧化特性（評價指標）3、霧化均勻度、霧化均勻度%exp100niddRRdi n大大n 均勻度指數，均勻度指數，n=14燃料霧化后液滴顆粒尺寸的均勻程度。燃料霧化后液滴顆粒尺寸的均勻程度。 Rosin-Rammlar分布分布 :特征尺寸特征尺寸R=36.8的液滴直徑dR： 液滴質量液滴質量(體積體積)占取占取樣總質量樣總質量(體積體積)的百分數的百分數ddi 例：R90=32:大于 90m的顆粒占總顆粒的32液體燃料的霧化特性（評價指標）液體燃料的霧化特性（評價指標）4、流量密度分布、流量密度分布 單位時間

7、內在油滴運動的法線方向上，單位面積上通單位時間內在油滴運動的法線方向上，單位面積上通過的油滴的流量。過的油滴的流量。 判斷油霧斷面上油量分布的均勻程度。判斷油霧斷面上油量分布的均勻程度。旋流噴嘴油滴流量密度分布曲線旋流噴嘴油滴流量密度分布曲線00直流噴嘴油滴流量密度分布曲線直流噴嘴油滴流量密度分布曲線RRR流量密度流量密度流量密度流量密度R液滴集中在油霧距軸線附液滴集中在油霧距軸線附近，燃燒時間長、火焰長近，燃燒時間長、火焰長液滴分布較均勻，與空氣液滴分布較均勻，與空氣混合好，燃燒快、火焰短混合好，燃燒快、火焰短液體燃料的霧化特性（評價指標）液體燃料的霧化特性（評價指標）霧化對燃燒影響：霧化對

8、燃燒影響： 霧化越細，燒越充分；霧化越細，燒越充分；霧化的好壞，是組織好燃料燃燒的前提。霧化的好壞，是組織好燃料燃燒的前提。油粒的蒸發與燃燒油粒的蒸發與燃燒 蒸發蒸發 受熱產生油蒸氣 熱解和裂化熱解和裂化 油蒸汽高溫下受熱分解，產生固體碳和氫氣。 液體油粒也會裂化出較輕的分子，剩下較重的分子。 著火燃燒著火燃燒 油蒸汽、熱解和裂化產物與氧接觸、達到著火溫度時，著火燃燒。氧氣氧氣油氣油氣熱解產物熱解產物裂化產物裂化產物燃燒產物燃燒產物燃燒前沿燃燒前沿含氧介質含氧介質單個液滴的燃燒模型單個液滴的燃燒模型油粒燃燒過程特點油粒燃燒過程特點燃燒反應燃燒反應油的蒸發油的蒸發提供反應物質提供熱量整個燃燒過程

9、的速度整個燃燒過程的速度油的蒸發速度油的燃燒速度油粒的蒸發與燃燒油粒的蒸發與燃燒油粒的蒸發與燃燒油粒的蒸發與燃燒油滴的凈導熱量：油滴的凈導熱量：油滴氣化潛熱：油滴氣化潛熱：油蒸氣升溫：油蒸氣升溫：drdTrQ214lvLmQ 3)(4LpvTTCmQ穩定蒸發過程的熱平衡方程：穩定蒸發過程的熱平衡方程：0)(42LpvlvTTCmLmdrdTr油滴升溫：油滴升溫：dd34132TCrQlls穩態時：穩態時：, 02Q油粒的蒸發與燃燒油粒的蒸發與燃燒lLpvLTTCdTrdrm)(42邊界條件：邊界條件：TrTrrLsTT，lLppsvLTTCCrm1ln4蒸發速率蒸發速率lLpTLTTCB引入傳

10、輸系數：BT ， mv T1ln4BCrmpsv油粒燃燒時間油粒燃燒時間TLpBrCddr1lnddrrddmmmLfv24TLgTLgpgBaBcrr1ln)(21ln2,202lLppsvLTTCCrm1ln4根據質量守恒：蒸發速率液滴單位時間質量減少量油粒燃燒時間油粒燃燒時間kDDkDD202202燃燒速度常數初始油珠尺寸220kDbD0，b b D02，用油粒直徑表示：進一步簡化：蒸發速率常數rs 0 燃盡時間燃盡時間b:TLgpgBcDD1ln8,202TLgpgBck1ln8,物性參數的選擇：2/ )()(6 . 0)(4 . 0)(TTTTTkTccboilFgpgpg 例題：

11、直徑為500m的正乙烷（C6H14）在熱的滯止氮氣中蒸發，壓力為常壓1atm。氮氣溫度850K，確定正乙烷液滴的壽命和蒸發速率。 已知：正乙烷液體密度659kg/m3， 蒸汽的定壓比熱容2872J/(kg.k)， 導熱系數0.0464W/(m.k)， 汽化潛熱335kJ /(kg.k)， 常壓下，正乙烷沸點溫度為342K。油霧燃燒(液滴群燃燒) 油霧燃燒模型油霧燃燒模型預蒸發型燃燒、滴群擴散燃燒、復合燃燒預蒸發型燃燒預蒸發型燃燒霧化液滴很細，周圍介質溫度高或噴嘴與火焰穩定區間距離長，使液滴進入火焰區前已全部蒸發完，燃燒完全在無蒸發的氣相區中進行，這種燃燒情況與氣體燃料的燃燒機理相同，液滴蒸發對

12、火焰長度的影響不大。 周圍介質溫度低或霧化顆粒較粗，蒸發性能差，進入燃燒區時油珠基本未蒸發，形成滴群的擴散燃燒。燃燒形式以單顆液滴燃燒形式進行。燃燒和蒸發幾乎同步，蒸發過程決定整個燃燒過程，反應動力學因素影響不大。 滴群擴散燃燒滴群擴散燃燒油霧燃燒(液滴群燃燒)復合燃燒復合燃燒介于預蒸發型氣體燃燒和滴群擴散燃燒之間。如較常見的噴霧液滴燃燒，因噴出的霧滴大小不均勻，其中較小的液滴在火焰區前方已蒸發完，形成預混型氣體火焰，較粗的液滴到達火焰區時尚未蒸發完畢，產生滴群擴散火焰。這時蒸發因素、反應動力學因素、湍流因素都將對燃燒過程產生影響。液滴群燃燒特點；液滴群燃燒特點；1)液滴群燃燒過程的擴展主要是

13、借助于液滴的不斷著火、燃燒；2)液滴群燃燒速度一般比均勻混合氣燃燒速度小；3）液滴群燃燒的著火界限和穩定工作范圍較均勻可燃混合氣燃燒寬。作業題：作業題： 試計算在常壓、960的環境溫度下，直徑為0.1mm的汽油霧滴在相對靜止條件下的完全蒸發時間。 已知：汽油密度820kg/m3， 汽化潛熱320kJ /(kg.k)， 常壓下，汽油的沸點溫度為342K； 油蒸汽定壓比熱容2.48kJ/(kg.k)， 油蒸汽導熱系數3.0510-5kW/(m.k)。(二二)固體燃料燃燒固體燃料燃燒煤的燃燒過程：煤的燃燒過程：煤干燥煤干燥(水分蒸發水分蒸發)熱解熱解(揮發分析出揮發分析出)焦炭燃燒焦炭燃燒焦炭的燃燒

14、占煤燃盡時間的90%煤燃燒中焦炭的燃燒起決定性作用焦炭成分：固定碳礦物質焦炭成分：固定碳礦物質 固定碳的燃燒決定了焦炭的燃燒過程碳粒燃燒碳粒燃燒碳粒燃燒過程的碳粒燃燒過程的 5個環節：個環節：（1）氧分子擴散到達碳的表面（2）氧被碳吸附，形成活化絡合物CXOY。（3）CXOY在高溫下分解為CO2和CO，也可與氧發生反應形成CO2和CO。（4）燃燒產物（CO2、CO）從固體炭表面解吸（脫離吸附）（5）解析后的燃燒產物（CO2、CO）從固體表面向周圍擴散。碳粒燃燒碳粒燃燒碳粒表面氣體消耗速率計算：碳粒表面氣體消耗速率計算：bCkW反應氣體向反應表面的擴散速度：反應氣體向反應表面的擴散速度：bCCW

15、0擴0111CkW碳表面氣體（氧）燃燒反應速度：碳表面氣體（氧）燃燒反應速度：擴WW 穩定燃燒時：穩定燃燒時：碳粒燃燒碳粒燃燒碳的燃燒速度：0111CkmKCSg碳/cm2.s碳的燃燒減少量：drrdGr24ddrdrdrrKrrCS2244碳粒燃燒的時間：00rrCSrrrCSrKdrKdr碳粒燃盡的時間：000rCSrKdr煤的燃燒方式煤的燃燒方式層狀燃燒層狀燃燒 燃料放在爐篦或爐排之上，通過爐篦或爐排的縫隙將空氣送入燃燒層，使之進行燃燒，高溫燃燒產物進入爐膛進行換熱，燃盡的灰渣通過爐篦縫隙或排渣口排出。如：工業鏈條爐。層狀燃燒層狀燃燒懸浮燃燒懸浮燃燒沸騰燃燒沸騰燃燒旋風燃燒旋風燃燒燃燒燃燒方式方式煤的燃燒方式煤的燃燒方式懸浮燃燒懸浮燃燒 燃料與空氣的混合物噴入燃燒室或爐膛內，則燃料將在這個空間內以懸浮狀態完成燃燒過程。例如：大型電站鍋爐固體燃料（煤） 煤粉(2550m)磨煤機 燃燒器爐膛燃燒優點：優點： 煤粉體積小，與空氣接觸面積增大，著火條件大大改善，燃燒效率大大提高。煤的燃燒方式煤的燃燒方式沸騰燃燒沸騰燃燒介于層狀燃燒與懸浮燃燒之間的燃燒方式。通過爐排的空氣氣流速度大于煤粉顆粒的沉降速度時，煤粉顆粒上下翻騰運動，呈現處類似開水“沸騰”的狀態。例如：沸騰爐、沸騰床屬低污染燃燒技術，粉碎的石灰石或白云石送入爐中，脫硫效率達80%，沸騰段燃