1、第四篇 燃烧方法与燃烧装置,第十三章 气体燃料的燃烧,第一节 概述,燃烧装置：用来实现燃料燃烧过程的装置。在炉膛中合理组织燃料的燃烧过程，以保证炉子的工作合乎工艺、技术和经济的要求。（1）在规定的负荷条件下保证燃料的合理燃烧和燃烧过程的稳定；（2）能组织火焰，使火焰具有一定的方向、外形、刚度等；（3）具有足够的燃烧能力（4）结构简单，使用方便，坚固耐用。,气体燃料的燃烧：三阶段气体燃料的燃烧方法：（1）有焰燃烧法（2）无焰燃烧法（3）半无焰燃烧法,第二节 有焰燃烧,煤气和空气的混合条件的改善：（1）多股细流（2）空气和煤气成角度相遇（3）旋流装置有焰烧嘴的种类,主要有焰烧嘴介绍1、套筒式烧嘴烧
2、嘴简单，气体流动阻力小，火焰长，空气和煤气需要压力低（784980Pa）2、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,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3、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13-3,4、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，
3、出口速度控制在1020m/s。5、火焰长度可调式烧嘴工作原理是改变煤气与空气的混合。6、烧脏煤气的烧嘴防止煤气喷口堵塞，断面较大,7、天然气烧嘴空气需要量大，要求混合好8、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。9、高速烧嘴10、自身预热式烧嘴,有焰烧嘴的计算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,（2）验算旧烧嘴 主要内容有：根据已知烧嘴尺寸
4、和煤气压力计算烧嘴燃烧能力；根据已知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。,第三节 无焰燃烧,喷射式无焰燃烧的特点及喷嘴结构煤气和空气的混合方式：压力式、比面积式、喷射式喷射式烧嘴基本结构：煤气喷口、空气调节阀、空气吸入口、混合管、扩压管、喷头、燃烧坑道,喷射式烧嘴的优点：自调性、空气过剩系数小且完全、燃烧速度快、无风机喷射式烧嘴的缺点：尺寸大，煤气压力高、空气和煤气预热受限制、负荷调节比小、对炉况波动敏感
5、常用喷射式无焰烧嘴：P168-170,喷射式烧嘴的自调性喷射效率：被喷射介质在喷射器中所获得的有效机械能与喷射介质在喷射器中所消耗的机械能之比。喷射比：混合介质的量（质量或体积）比上喷射介质的量（质量或体积）称为（质量或体积）喷射比。当喷射器两端压力相等时，喷射比将不随喷射介质的流量改变。P178图13-33,第四节 其它煤气烧嘴,半喷射式天然气烧嘴大气式煤气烧嘴辐射墙式无焰烧嘴管群式燃烧器周边供气蜗壳式燃烧器平流式燃烧器燃气内燃机供气方式燃气轮机的燃气喷嘴,练习一,设计低压涡流烧嘴，使用煤气成分为（%）：CO9.1，H257.3，CH426.0，C2H42.5， CO23.0，O20.5，N
6、21.6，煤气温度t煤=20，烧嘴正常燃烧能力为50m3/h，空气消耗系数n=1.1，烧嘴前煤气压力P煤=800Pa，空气温度t空=20。,第十四章 液体燃料的燃烧,液体燃料的燃烧属于异相燃烧，扩散燃烧，一般液体的蒸发温度通常比其着火温度低得多。因此液体燃料在着火前实际上已先蒸发了，在燃料表面形成一层燃油蒸气，所以液体燃料得燃烧实质上是燃油蒸气和空气得燃烧，是一种气态物质得均相燃烧，因此燃油得蒸发气化过程对液体燃料的燃烧起着决定性的作用。,第一节 燃料油的燃烧过程,轻质液体燃料的气化过程是一个纯物理过程，而重质液体燃料的气化，还要经历化学裂解过程，裂解成轻质可燃气化物和碳质残渣，所以液体燃料可
7、分为易于蒸发和难于蒸发两类。例如汽车发动机燃用的汽油，在其引入燃烧室之前，先在汽化器中雾化蒸发并与空气混合形成均匀可燃混合气，然后送入发动机中燃烧，因此这种可燃混合气的燃烧就如均匀预混气体燃烧一样。,对于较难蒸发的燃油在燃烧过程中边蒸发边燃烧，液体燃料在其表面产生一层蒸气，蒸气与空气混合加热着火燃烧，形成火焰，液面从火焰中吸收热量，促使蒸发大大加速，直到建立稳定状态：燃料的燃烧速度和蒸发速度相等，在这个过程中，燃烧速度取决于液体从其表面蒸发的速度。见P126图11-7油粒燃烧示意图,液体表面的质量蒸发速度可写成：=S0CS0 单位质量液体表面积C 液体表面与邻近周围介质的蒸气浓度差 传质系数S
8、0C, ：对于稳定扩散过程，当液滴周围的介质处于静止状态时有：对于运动状态液滴， 还取决于相对速度及其特性参数。C： 等于C表面C邻近,S0：取得较大蒸发表面积的方法之一是将液体燃料雾化，将液体破碎，喷射并以液滴的形式均匀分散在雾化的空气中，燃料雾化可成倍地扩大蒸发表面积。例如：1kg重油的球形表面积仅为0.05m2，把它粉碎为直径30m的油滴，其表面积为330m2，蒸发表面积增加了6600倍，此外值也增加了4200多倍（静止状态），而且还有利于燃料和空气的混合，保证燃烧迅速完全。结论：雾化对燃油燃烧起决定性作用。,第二节油的雾化,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
9、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
10、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。,雾化质量的评定1、雾化角 就是雾化锥的张角。重要参数。,2、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%。索太尔平均直径d32或dSMD：,3、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,4、流量密度分布 是指在单位时间内通过以燃料喷射
11、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。,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,第三节 燃油烧嘴,1、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,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： ,根据无摩擦损
12、耗的理想流体动量矩守恒可知： 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。,喷口有效截面系数：rcra，wt逐渐增大，取平均：,（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：,（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，
13、利用进出口伯努利方程,：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。,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,（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。,（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
14、，实验测定 、和其它特性，对理论计算校正。,2、可调离心式机械雾化器P203离心式机械雾化器有很多优点：在一般压力下可得到足够好的雾化质量；消耗能量少，运行经济性较高；系统结构简单，噪音小，操作检修较方便；易实现燃烧自动控制。但在运行中也存在一些问题：主要是在低负荷时由于油压下降而导致雾化恶化合负荷的调节受到限制。,离心式雾化器的喷油量是与压力的平方根成正比，实际上负荷的调节都是靠变更压力来实现的，因而受到压力不能过低的限制，如雾化重质燃油时油压是11.5MPa雾化质量很差。如果要提高喷油量10倍，就要求喷油压力达到100150MPa，实际上无法实现。这就要采用可调离心式机械雾化器，主要是带中
15、间回油的离心式机械雾化器。,3、气体介质雾化喷嘴又称为二流体喷头，就是用第二种流体使油雾化，作为第二流体，是在压缩时能够储备大量能量的气体，如空气、蒸汽或其他压缩性气体。（1）分类如果两种流体在喷头内混合的称作内混型，与此相反，称作外混型根据气液汇合时液体的形态，可以分为液柱雾化式和液膜雾化式根据雾化剂的压力大小，又可分为低压和高压，低压喷嘴雾化剂流量大，高压比较少。,（2）流动特性外混型流动特性比较简单，液体油的喷出时压力和流量的关系：雾化气体必须作为可压缩性流体对待，喷出速度：,内混型射流没有理论方面的研究，不过可以这样认为，液体燃料的容积和雾化用气体相比，其容积可以忽略不计，密度表示为：
16、机械气动混合型喷嘴：混合型喷嘴液体燃料首先被机械压力雾化，然后再被空气或蒸汽射流雾化。,4、旋转型喷雾器是把液体供给旋转体，借助于离心力或周围空气形成的空气动力使液体雾化的装置。它可以得到比较均匀的液滴，不会产生喷嘴那样的磨损和堵塞，而且不需要高压泵等设备。（1）种类旋转型喷雾器大体可以分为旋转体型和旋转喷口型旋转体型按旋转体的形状可分为转板型和转杯型,（2）流动特性以简单的转板型为例：,实验表明，液体不一定扩展为均匀的液膜，当液量很少以及粘度非常小的情况下，液体在转板上呈现为许多根丝状流动。若要得到微细雾滴，其运转条件是一定要使转板边缘形成液膜而不能形成丝状。（3）雾化特性通过旋转体使液体雾
17、化有两种作用：由界面空气阻力所支配的速度雾化和由离心力所支配的离心力雾化。它们都因旋转速度而不同。,喷雾粒径：dm平均粒径 cm角速度 弧度/s表面张力 达因/cmD旋转体直径 cm K=4.5由于空气流动引起的分裂现象和液体粘性等复杂因素的影响，具体烧嘴特性以实验测定为准。,4、油烧嘴的计算计算需要的已知条件是：1）烧嘴的燃烧能力；2）油温、油压、油的密度；3）雾化剂的种类、温度、压力和密度。计算的主要尺寸是：1）重油导管的直径D；2）雾化剂导管的直径Dw；3）油喷口的断面积Ay或直径dy；4）雾化剂喷口的断面积Aw或直径dw。,第四节 油的蒸发,油的蒸发可分为低温蒸发和高温蒸发。1、低温蒸
18、发（1）静止状态，扩散方程式得质量蒸发率为：Langmuir方程式，计算静止环境中液滴蒸发率。液滴直径大于20m上式和实验相符。,（2）在对流气体中等温蒸发引起直径平方的变化和蒸发时间成正比（直径平方直线规律）,2、高温蒸发在喷雾火焰中蒸发过程是在高温条件下进行的，这时蒸发不仅被分子扩散控制，而且还决定于液滴表面和周围介质的温差，高温蒸发过程十分复杂。不过我们可以应用公式：在相对运动下，k1变为k1,3、整体蒸发4、油雾燃烧P141P143图12-16和图12-175、其他油燃烧技术,第五节 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
19、，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/，此
20、时燃烧速度决定于化学反应速度，固体表面的氧气浓度近似等于C。2）扩散区，温度很高，K很大1/K1/，此时燃烧速度决定于物质扩散速度，固体表面的氧气浓度几乎为零。3）过渡区，K和大小差不多，只能采用原式，,2、碳的燃烧化学反应分析碳的燃烧，可以作为焦碳燃烧的理想物理模型。碳和氧相遇首先发生的化学反应是：4C+3O22CO+2CO2或3C+2O22CO+CO2产生的CO和CO2可能和C和O2发生二次反应：气化反应C+CO22CO气相氧化反应2CO+O22CO2,普遍接受的观点碳的反应具体可分为：1）石墨晶格的吸附2）碳和氧的反应a、低于1300 b、高于16003）C和CO2的反应,研究碳的氧化反
21、应和气化反应速度是热能燃烧技术非常感兴趣的一个问题。如果不考虑O2和CO2的浓度的影响，比较两个反应的速度常数lnK1/T。,3、碳粒燃烧速度与燃尽时间1）最早对碳粒燃烧速度和燃尽时间计算的是Nusselt，假设：a、燃烧反应处于扩散区，表面氧浓Cb=0；b、碳球表面的化学反应是C+O2CO2c、碳粒和周围气体无相对运动Re=0d、碳球周围气体浓度分布均匀，传质努谢尔特数,得到：称为碳球燃烧的直径平方直线规律。碳球的燃尽时间：,2）实际上碳球的燃烧反应是多个反应在不同温度下的多种组合。,第0.5节煤粒的燃烧过程,天然煤粒的燃烧过程比碳粒的燃烧过程复杂得多。水分、挥发分、灰分和固定碳煤粒的燃烧过
22、程：首先被预热干燥，蒸发出水分然后析出挥发分，足够高的温度下与周围的氧作用，在煤粒周围燃烧，形成光亮火焰。挥发物析出和燃尽后，煤焦足够热，可以和扩散进来的氧进行燃烧反应，挥发物的可见火焰渐渐被煤焦的无焰燃烧代替,2、煤的燃烧特性现代的研究工作，在煤的各种特性中寻找能预测燃烧过程的方法，或开发新颖的实验技术找到一些煤的特性可预测燃烧过程，这种特性称为煤的燃烧特性。Vr可燃基挥发分产率是影响煤燃烧过程的第一重要特性；Ag干燥基灰分；灰软化温度T2，煤块岩相成分，比表面积Sn，煤内部空隙率等等,测定燃烧特性的实验技术如：1）着火温度的测定煤粉空气混合物喷入已维持于某恒定温度的电炉，能使煤粉着火温度的
23、最小值即为着火温度。2）热天平是一种可以在煤燃烧过程中连续取得失重，差热，甚至热量扫描等多种信息的仪器。热失重分析差热分析,第一节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。,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
24、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,第二节粉煤燃烧法,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
25、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,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,4、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
26、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度看6、结渣和污染7、粉煤燃烧器,第三节旋风燃烧法,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,第四节沸腾燃烧,当燃料的层状燃烧中鼓入
27、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
28、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,
