A04液體燃料的燃燒技術(shù)

第4章液體燃料的燃燒技術(shù)《燃燒與污染控制技術(shù)》林其釗2012年9月1§4-1液體燃料的霧化由于液體燃料的運(yùn)輸、貯存方便，發(fā)熱量高，操作控制方便，污染較少等，因而廣泛用于交通運(yùn)輸、化工、冶金和動力等工業(yè)部門液體燃料的燃燒方法通常有蒸發(fā)燃燒和霧化燃燒兩種對于容易蒸發(fā)的液體燃料，例如汽油，在燃燒前燃料先氣化，與空氣混合后著火燃燒，這種燃燒接近于均相燃燒對于難于蒸發(fā)的液體燃料，例如柴油和重油，一般采用霧化燃燒，在燃燒室中邊霧化、邊蒸發(fā)、邊著火燃燒，這種燃燒屬于非均相燃燒我們主要討論霧化燃燒2液體燃料霧化燃燒過程經(jīng)歷霧化、蒸發(fā)、混合、著火和燃燒幾個階段由于液體燃料的沸點(diǎn)比著火溫度低得多，在著火前燃料已經(jīng)蒸發(fā)氣化，因此液體燃料的燃燒速率決定于蒸發(fā)速率然而，提高蒸發(fā)速率的關(guān)鍵又在于擴(kuò)大單位質(zhì)量燃料的蒸發(fā)表面積霧化顆粒越細(xì)，單位質(zhì)量燃料的蒸發(fā)表面積越大，燃燒速率也越大，因而霧化好壞，對燃燒過程起著決定性作用液體燃料霧化是為了增加單位質(zhì)量燃料的表面積，以加快蒸發(fā)速率使霧化流朝適當(dāng)?shù)姆较蚍稚ⅲ铀倥c周圍空氣的混合，從而提高燃燒室的容積熱強(qiáng)度和燃燒的完全程度使液體燃料霧化的裝置稱噴嘴或霧化器3§4-1-1霧化方法根據(jù)霧化原理，工程上常見的霧化方法有三種，即：壓力式、氣動式和旋轉(zhuǎn)式1壓力式（又稱機(jī)械式）它利用油壓以高速從噴孔中噴出油壓一般為(14.7~19.6)105

Pa，有的高達(dá)78.5105

Pa，甚至更高如圖4-1所示。有直流式和離心式兩種圖4-1霧化方法示意圖42氣動式（又稱介質(zhì)式）它利用空氣或蒸汽作霧化介質(zhì)，將噴出的油流霧化見圖4-1b。有高壓和低壓兩種高壓：用(2.94~11.77)105

Pa蒸汽或(2.94~6.86)105

Pa的壓縮空氣作霧化介質(zhì)低壓：用300~1000mmH2O柱的空氣作霧化介質(zhì)3旋轉(zhuǎn)式（又稱轉(zhuǎn)杯式）它利用轉(zhuǎn)杯高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將油流霧化見圖4-1c轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速一般為3000~6000rpm液體燃料霧化的其它方法：對沖式：它利用兩股高速液體射流互相沖擊或一股高速射流與金屬板沖擊進(jìn)行霧化振動式：它利用聲波、超聲波等作用，使液體振動、分裂而霧化5§4-1-2霧化機(jī)理液體燃料的霧化機(jī)理是非常復(fù)雜的當(dāng)流油或油滴在氣體介質(zhì)中高速運(yùn)動時，會受到外界空氣動力（包括阻力、拉伸力）和液體燃料內(nèi)力（表面張力和粘性力）的相互作用空氣動力使流油或油滴扭曲變形，在紊流作用下，油流回油滴表面的突出部分會脫離油滴主體，并分裂成小油滴液體燃料的內(nèi)力則力圖抵抗扭曲變形，并保持油流或油滴表面的完整性，以阻止分裂不難理解，當(dāng)空氣動力超過油流或油滴內(nèi)力的作用時，油流或油滴就會分裂，一直分裂到各油滴的內(nèi)力與外力達(dá)到平衡時為止6離心式機(jī)械噴嘴，由噴嘴噴出的油膜邊界面近似呈雙曲線形用閃光照相發(fā)現(xiàn)，噴嘴出口處，有一段很短、尚未霧化和擾動比較弱的射流初始段初始段后，油膜會出現(xiàn)振幅越來越大的擾動波如圖2所示7油膜上存在兩組擾動波第一組波是沿著射流運(yùn)動方向發(fā)展的在射流邊界上能夠清楚地看到這種波齒的輪廓，這組波力圖把油膜分裂成為貫穿于噴嘴軸線上的一系列環(huán)圈第二組波則是沿著切線方向發(fā)展的它與第一組波相互垂直，具有橫向運(yùn)動的特點(diǎn)這組波力圖把油膜分裂成為由噴嘴軸線向外分散的扇形射流圖2可以看到這兩組波的走向和出現(xiàn)環(huán)圈狀的分裂現(xiàn)象顯然這種環(huán)圈是一種不穩(wěn)定的運(yùn)動形式，在外力作用下，它將分裂成為液滴并且隨著相對速度的增大，不穩(wěn)定擾動的波長將會縮短，環(huán)圈的厚度變薄，從而可以獲得較細(xì)的油滴由環(huán)圈分裂出來的油滴，以一定的速度運(yùn)動，由于空氣動力的作用，將進(jìn)一步破碎成更細(xì)的油滴，直到油滴內(nèi)力與外力達(dá)到平衡，油滴不再破碎為止8§4-1-3霧化質(zhì)量指標(biāo)液體燃料霧化質(zhì)量的好壞對燃燒性能有很大影響一般有下面幾項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)：1噴霧錐角把噴嘴出口到噴霧炬外包絡(luò)線的兩條切線之間的夾角定義為噴霧錐角，或稱霧化角，以表示噴霧炬離開噴口后，都有一定程度的收縮，對一個噴霧質(zhì)量好的噴嘴，不宜過分收縮工程上常用條件噴霧錐角來補(bǔ)充表示噴霧炬噴霧錐角的大小條件噴霧錐角系指以噴口為中心，l為半徑的圓弧，和外包絡(luò)線相交點(diǎn)與噴口中心聯(lián)線的夾角，以tj表示，如圖3所示對于大流量噴嘴：取l=100~150mm對于小流量噴嘴：取l=40~80mm如果取l=100~150mm，則條件噴霧錐角用100表示94-310噴霧錐角的大小對燃燒的影響，一般應(yīng)根據(jù)燃燒室尺寸和燃料與空氣的混合條件來選擇大型燃燒室：燃料與空氣不容易均勻混合，所以噴霧錐角取的大一些（例如90°~120°），以便吸入較多的空氣，改善顆粒細(xì)度但是，噴霧錐角也不宜過大，以免燃料噴射到燃燒室壁面上，造成積炭和結(jié)焦小型燃燒室：噴霧錐角更不宜大，一般為50°~80°，對于燃燒渣油尤為重要但是，噴霧錐角也不宜過小，否則燃料會集中地噴射到缺氧的回流區(qū)，產(chǎn)生更多的熱分解112噴霧射程噴霧射程是指水平方向噴射時，噴霧液滴喪失動能時所能到達(dá)的平面與噴口之間的距離噴霧錐角大和霧化很細(xì)的噴霧炬，射程比較短密集的噴霧炬，由于吸入的空氣量較少，射程比較遠(yuǎn)一般射程長的噴霧炬所形成的火焰長度也長3燃料的分布特性燃料的分布特性系指射流某截面上燃料流量密度沿徑向的變化規(guī)律流量密度：表示單位面積和單位時間內(nèi)噴射的油量，單位為g/(cm2·s)或cm3/(cm2·s)燃料的分布特性與噴嘴結(jié)構(gòu)、噴射參數(shù)有關(guān)12圖4(a)、圖4(b)分別表示離心式機(jī)械噴嘴噴出的噴霧炬，在兩個截面上的燃料分布特性試驗(yàn)表明，流量密度分布呈馬鞍形離噴口越遠(yuǎn)，流量密度分布越均勻圖4(c)為直流式機(jī)械噴嘴的燃料分布特性其流量密度分布呈高斯型，軸向的流量密度最大流量密度曲線的起伏程度反映了油量分布的均勻程度如果流量密度分布不對稱，則表明噴嘴結(jié)構(gòu)有問題134-4144霧化顆粒細(xì)度表示噴霧炬液滴粗細(xì)的程度實(shí)際噴霧炬的油滴尺寸大小不一，為了分析方便，常采用平均滴徑的概念這里介紹平均滴徑的兩種表示方法：索特平均直徑（SMD）它是按平均直徑計算的假想液滴群的總體積與總表面積的比值，恰好和實(shí)際液滴群的總體積與總表面積的比值相等來確定的。SMD值小，表明噴霧炬液滴的平均直徑細(xì)SMD相當(dāng)于液霧炬的全部液滴容積與全部表面積之比質(zhì)量中間直徑（MMD）圖5是液霧炬液滴尺寸的分布特性曲線橫坐標(biāo)表示液霧炬中液滴的直徑，縱坐標(biāo)表示大于di的所有液滴的質(zhì)量占全部液滴總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，以R表示質(zhì)量中間直徑dm系指R

=50%所對應(yīng)的液滴直徑試驗(yàn)表明，最大滴徑約為質(zhì)量中間直徑的兩倍最大直徑是指R=5%所對應(yīng)的液滴尺寸154-516霧化液滴直徑不宜過粗：過粗會使燃燼時間延長，可能來不及燃燒完就被氣流帶出燃燒室過粗還會減小單位質(zhì)量燃料的蒸發(fā)表面積，從而降低整個霧化燃燒的速率霧化液滴直徑不宜過細(xì)：否則液滴的穿透能力太小，不能有效地擴(kuò)散到整個燃燒室空間去，容易產(chǎn)生局部地區(qū)燃料過濃或過稀，使燃燒不穩(wěn)定5霧化顆粒的均勻度系指燃料霧化后液滴顆粒尺寸的均勻程度如果霧化液滴的尺寸都相同，稱為理想的均一噴霧實(shí)際上要達(dá)到理想的均一噴霧是不可能的顯然，液滴間尺寸差別越小，霧化顆粒均勻度就越好圖5的兩條曲線，曲線1在橫坐標(biāo)上的寬度比曲線2窄，表明曲線1的顆粒均勻度比曲線2好176霧化顆粒尺寸分布特性用平均滴徑來評價噴嘴的霧化質(zhì)量并不完善，比較完善的方法應(yīng)該是既能表示滴徑的平均大小，又能表示不同滴徑的數(shù)量或質(zhì)量，這可以用霧化顆粒尺寸分布特性來表示霧化顆粒尺寸分布特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式有多種，應(yīng)用比較廣的有羅斯-羅曼關(guān)系式： R=100exp[-d/

]h%式中R表示直徑大于d的液滴質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；

表示尺寸常數(shù)由式（2）知道，當(dāng)d=時，R=36.8%

就是羅斯-羅曼分布曲線上與d=相對應(yīng)的顆粒直徑越小，表明顆粒越細(xì)h為顆粒分布特征常數(shù)，一般在2~5之間，可根據(jù)R-di試驗(yàn)結(jié)果由圖解法求得18將式（2）兩邊取對數(shù)，得到：

ln[ln(100/R)]=h(ln

dln

)=h

ln

dC式中，C為常數(shù)把R-d的試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照ln[ln(100/R)]~lnd關(guān)系作圖可得到該直線的斜率h當(dāng)一定時，h值越大，表明噴霧越均勻按照羅斯-羅曼關(guān)系式求得的顆粒尺寸分布曲線與實(shí)際噴霧炬的顆粒分布特性有一定的差別因?yàn)椋鶕?jù)這個關(guān)系式，噴霧炬中的液滴尺寸可從0變到但是，在實(shí)際噴霧炬中，液滴尺寸一般不會小于某個最小值（1~3m），也不會大于某個最大值大多數(shù)離心式噴嘴的液滴尺寸分布大致符合羅斯-羅蔓分布規(guī)律19§4-2液體燃料的霧化燃燒過程工程中廣泛采用霧化燃燒，并擴(kuò)大使用低質(zhì)液體燃料以及代用燃料本節(jié)將介紹：霧化燃燒過程的組織低質(zhì)液體燃料以及乳化燃料燃燒的特性§4-2-1霧化燃燒過程的組織霧化燃燒經(jīng)歷霧化、蒸發(fā)、混合著火和燃燒等幾個階段液體燃料霧化過程在出噴口不遠(yuǎn)處就基本完成霧化的油滴被加熱、蒸發(fā)，并與空氣混合，當(dāng)油蒸汽與空氣混合物的濃度達(dá)到一定值時，在高溫條件下，可燃混合物立即發(fā)生著火、燃燒20霧化燃燒有幾種類型：對于易蒸發(fā)的細(xì)油滴和氣流進(jìn)口溫度高的情況，油霧在出噴口很短距離內(nèi)就蒸發(fā)完畢，這時的霧化燃燒類似于均相紊流擴(kuò)散火焰對于不易蒸發(fā)的粗油滴，各油滴獨(dú)立地進(jìn)行燃燒，其燃燒接近于油滴群的擴(kuò)散燃燒通常霧化器噴霧的油滴是不均勻的，細(xì)油滴在燃燒前已經(jīng)蒸發(fā)完畢，而粗油滴則邊蒸發(fā)、邊燃燒因此，實(shí)際上兩種燃燒情況兼而有之本節(jié)主要回答：怎樣才能使霧化燃燒有一個穩(wěn)定的燃燒過程？怎樣才能使霧化燃燒有一個燃燒強(qiáng)度大的燃燒過程？怎樣才能使霧化燃燒有一個放熱效率高的燃燒過程？211保證霧化質(zhì)量良好良好的霧化質(zhì)量會加速霧化燃燒由于液體燃料燃燒燃燒速率取決于液滴的蒸發(fā)速率，而蒸發(fā)速率又決定于單位質(zhì)量燃料的蒸發(fā)面積因此，所謂良好的霧化質(zhì)量，首先是指霧化顆粒細(xì)度小，霧化均勻度好影響霧化顆粒直徑的因素很多，從霧化機(jī)理分析，油滴主要受兩個力（內(nèi)力和外力）的影響影響內(nèi)力的因素主要是液體燃料的粘性力及表面張力，在燃料種類一定的條件下，它們主要受溫度控制影響外力的因素主要是油流或油滴的運(yùn)動速度以及遇到周圍介質(zhì)的阻力，它們涉及到噴嘴結(jié)構(gòu)、油壓以及噴霧介質(zhì)的壓力及流量等因素下面分別討論噴嘴結(jié)構(gòu)、噴油壓力、油的物理性質(zhì)以及霧化介質(zhì)的物理性質(zhì)對霧化質(zhì)量的影響22（1）噴嘴結(jié)構(gòu)噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)、形式及加工質(zhì)量對霧化質(zhì)量影響很大例如，對離心式機(jī)械噴嘴，油離開噴嘴時的切向速度和徑向速度的比值大小對霧化質(zhì)量有決定性的影響增大切向分量，會增大噴霧錐角，縮短射程，燃料將比較均勻地分布到燃燒空間中去，而且由于能卷吸較多的空氣參與霧化過程，因而霧化顆粒細(xì)度較?。?）噴油壓降提高噴嘴前后壓差會提高噴油速度，增加噴油量對離心式機(jī)械噴嘴，油壓越高，霧化越細(xì)油壓增加，噴霧錐角增大但油壓過高時，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動引起的摩擦損失增加很快，使油流中切向速度的增加趕不上軸向速度的增長23（3）油的物理性質(zhì)影響霧化質(zhì)量的油的物理性質(zhì)主要是粘度及表面張力，以粘度的影響最大提高溫度，可以降低油的粘度和表面張力，使霧化更細(xì)下面討論油的物理性質(zhì)對霧化質(zhì)量的影響以離心式機(jī)械噴嘴為例：在霧化的初始階段：粘度的影響將起決定性作用，因?yàn)橛土魉哂械那邢蚝蛷较蛩俣鹊拇笮F化質(zhì)量起到關(guān)鍵作用；隨著粘度的降低，燃料在旋流室中的旋流強(qiáng)度增大，霧化質(zhì)量變好在霧化中期：表面張力的影響將起主要作用，油膜將克服表面張力的作用而分裂成為許多纖細(xì)絲和液滴；表面張力減小，分裂過程更容易進(jìn)行，所形成的細(xì)絲和液滴尺寸更小在霧化后期：粘度和表面張力將共同作用，因?yàn)橐研纬梢旱蔚倪M(jìn)一步分裂決定于油的表面張力、粘性力、油滴慣性力和空氣動力的相互作用；減小表面張力和粘度，增大慣性力和空氣動力，都將有利于提高霧化質(zhì)量24（4）霧化介質(zhì)的物理性質(zhì)對采用霧化介質(zhì)的噴嘴，霧化介質(zhì)的噴出速度、溫度及流量對霧化質(zhì)量都有影響霧化介質(zhì)速度越高，霧化介質(zhì)與油流的相對速度越大，則霧化越細(xì)，所以高壓噴嘴的霧化質(zhì)量較低壓噴嘴的好霧化介質(zhì)流量對霧化質(zhì)量也有明顯的影響減少霧化介質(zhì)流量將使霧化質(zhì)量變差對于不依靠介質(zhì)來霧化的機(jī)械式和旋轉(zhuǎn)式噴嘴，霧化空間的氣體性質(zhì)對霧化質(zhì)量有一定的影響是因?yàn)橛偷撵F化在某種程度上要依靠介質(zhì)來分散，提高介質(zhì)速度，可提高噴霧液滴的分散程度252油霧與空氣混合良好霧化后油滴或油霧與空氣的混合對霧化燃燒起著重要的作用由于1kg液體燃料完全燃燒需要的空氣量很大（大約為10~11Nm3/kg），所以合理組織空氣流動，加速油霧與空氣的混合過程就成為強(qiáng)化霧化燃燒以及提高燃燒完全程度的一個關(guān)鍵如果混合速度慢，則火焰拉的很長，并且容易產(chǎn)生不完全燃燒損失在霧化燃燒時，空氣流動組織的基本原則是：（1）早期混合要強(qiáng)烈（2）要有一個合適的回流區(qū)（3）加強(qiáng)后期混合（4）保持燃燒空間有較高的溫度水平26（1）早期混合要強(qiáng)烈油霧在缺氧、高溫情況下，會發(fā)生熱分解，產(chǎn)生難燃的碳黑為了減少碳黑的形成，在噴嘴出口到著火之前必須有一部分空氣與油霧先行混合，混合速度要盡可能快這里要注意空氣流和油霧流的配合問題如果空氣流擴(kuò)散角過大在噴嘴出口后空氣流會移向油霧流的外側(cè)這時空氣流的擾動雖然很強(qiáng)烈，但是與油霧流并未混合，這種擾動對混合是無用的顯然這樣的空氣流組織是不理想的，如圖6（a）空氣流與油霧流配合適當(dāng)如圖6（b），空氣流就會以較高的速度進(jìn)入油霧，產(chǎn)生強(qiáng)烈混合274-628（2）要有一個合適的回流區(qū)回流區(qū)的大小和位置對著火燃燒有影響：如果回流區(qū)過大，一直伸展到噴口，則不僅容易燒壞噴嘴，而且對早期混合也不利，使燃燒惡化如果回流區(qū)太小，或位置太后，會使著火推遲，火焰拉長，不完全燃燒損失增加通常利用旋轉(zhuǎn)射流或鈍體產(chǎn)生回流區(qū)，來穩(wěn)定火焰（3）加強(qiáng)后期混合一般從噴嘴中噴出的油霧分布是不均勻的，在流量密度大的地方，油滴和空氣不可能混合的均勻此外，油滴直徑大小也不均勻，即使油滴和空氣混合很均勻，在大油滴集中的地方也容易缺氧因此，在霧化燃燒中，不可避免地要發(fā)生熱分解，產(chǎn)生不完全燃燒產(chǎn)物為了使不完全燃燒產(chǎn)物在爐內(nèi)完全燃燒，不僅要求早期混合強(qiáng)烈，而且還要求整個火焰直至火焰尾部混合都強(qiáng)烈用提高二次風(fēng)速可加強(qiáng)后期混合29空氣流的組織一般通過調(diào)風(fēng)器（工業(yè)窯爐中稱風(fēng)套）來實(shí)現(xiàn)調(diào)風(fēng)器主要由穩(wěn)焰器和調(diào)風(fēng)器葉片兩部分構(gòu)成裝設(shè)穩(wěn)焰器的目的是用來穩(wěn)定火焰，防止火焰吹熄在霧化燃燒中最常見的穩(wěn)焰器有旋流器型和穩(wěn)焰板型兩大類旋流器型是利用旋流葉片使空氣旋轉(zhuǎn)，在噴口下游產(chǎn)生回流區(qū)，以穩(wěn)定火焰按旋流器結(jié)構(gòu)可分為軸流式、徑流式及混流式，如圖7所示30穩(wěn)焰板的原理和鈍體的原理一樣所不同的是在穩(wěn)焰板沿徑向開了幾道狹縫使少量空氣沿穩(wěn)焰板內(nèi)表面流入以冷卻穩(wěn)焰板和防止積炭、結(jié)焦如圖8所示31圖9（a）和（b）是裝有穩(wěn)焰板和旋流器的調(diào)風(fēng)器通過穩(wěn)焰器的部分空氣稱為一次風(fēng)，主要起到穩(wěn)定火焰的作用其余大部分空氣將通過穩(wěn)焰器和外壁之間的通路送入燃燒室，這部分空氣稱為二次風(fēng)，主要用來控制燃燒二次風(fēng)可以直流進(jìn)入燃燒空間，但在大多數(shù)情況下均裝有調(diào)風(fēng)葉片，以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)，如圖9（c）所示調(diào)風(fēng)葉片有固定式和可變式兩種改變可變式調(diào)風(fēng)器的葉片開度，可使空氣的旋轉(zhuǎn)速度和方向發(fā)生變化，以控制火焰形狀（4）保持燃燒空間有較高的溫度水平較高的溫度能保證穩(wěn)定著火和燃燒完全32T4-933§4-2-2低質(zhì)燃料油（渣油、重油）的燃燒渣油是煉油工業(yè)的一種殘?jiān)奶攸c(diǎn)是分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而粘度大，沸點(diǎn)高，揮發(fā)性差，并且含有較多的灰分，對燃燒設(shè)備的操作與維護(hù)將產(chǎn)生一定的困難主要問題有：1生成不完全燃燒產(chǎn)物一般輕質(zhì)油的不完全燃燒產(chǎn)物主要是氣態(tài)烴分解生成的碳黑而渣油不完全燃燒產(chǎn)物則除碳黑外，還容易發(fā)生積炭、結(jié)焦現(xiàn)象渣油屬于高分子碳?xì)浠衔铮紵龝r，如果空氣供應(yīng)不充分，或油滴分子與空氣分子混合不均勻，則有一部分高分子碳?xì)浠衔镌诟邷厝毖鯒l件下發(fā)生熱分解而生成碳黑碳黑的化學(xué)活性差，燃燒緩慢，不易燃燼，常冒黑煙此外，渣油中瀝青成分也會由于缺氧而分解成固體油焦、油焦破裂后形成焦粒34渣油粘度大，霧化質(zhì)量差，產(chǎn)生的粗油滴很容易未經(jīng)燃燼就離開高溫區(qū)，并積存在壁面上，經(jīng)高溫烘烤，逐漸形成積炭、結(jié)焦如果噴霧錐角過大，油滴甩到壁面時，同樣會出現(xiàn)積炭、結(jié)焦現(xiàn)象2噴嘴積炭如果噴嘴出口處積炭、結(jié)焦，會使燃料和空氣流受到阻塞，噴霧質(zhì)量變壞，在氣流沖刷下會造成周期性的積炭、脫落及生長3結(jié)垢由于渣油中含有S、Na、K、Pb、V等元素，在燃燒過程中會化合成為熔點(diǎn)較低的釩氧化物、堿性硫化物和堿性釩酸鹽構(gòu)成的灰分當(dāng)這些低熔點(diǎn)的灰分在流經(jīng)溫度較低的壁面時，就會粘結(jié)在上面，并以它們?yōu)榛c(diǎn)，把懸浮在高溫區(qū)的其它灰分吸收進(jìn)去，逐漸形成一層熔融狀態(tài)的灰垢354腐蝕低質(zhì)燃料油一般含硫較多，燃燒時生成SO2，是低溫腐蝕的主要來源此外，如果在金屬面上（如燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)等）產(chǎn)生結(jié)垢，能起到一種電解質(zhì)的作用，造成電化學(xué)腐蝕在這種腐蝕效應(yīng)中，熔融狀態(tài)的結(jié)垢可以部分地或全部地把腐蝕過程中產(chǎn)生的化合物從金屬表面熔掉，從而暴露出新的金屬表面，使腐蝕繼續(xù)下去，這就是所謂的高溫腐蝕為此燃用低質(zhì)油時，在燃燒技術(shù)上，可以采取下列技術(shù)措施：（1）預(yù)熱渣油或重油（2）選用適宜于低負(fù)荷運(yùn)行的燒嘴配風(fēng)系統(tǒng)、回流區(qū)、溫度分布等36（1）預(yù)熱渣油或重油將油的粘度降低到噴嘴允許的最大粘度以下，使霧化良好表4-1列出了典型噴嘴前油的最大粘度和推薦粘度表4-1噴嘴前燃油粘度最大粘度推薦粘度156105形式蒸汽霧化噴嘴高、低壓空氣霧化噴嘴機(jī)械霧化噴嘴63.537低質(zhì)油中可能含有一定數(shù)量的機(jī)械雜質(zhì)及水分，會引起噴嘴堵塞或結(jié)垢，必須充分沉淀和過濾后才能使用防止結(jié)垢和腐蝕，必須從根本上消除渣油或重油中所含的Na、S、V等元素（特別是Na鹽）因?yàn)檫@些元素會引起結(jié)垢、腐蝕，而結(jié)垢又為腐蝕提供了條件有兩種消除結(jié)垢的方法：用軟水清洗燃油，因?yàn)檫@些鹽類大都能溶解于水添加腐蝕阻化劑，抑制V、Pb的腐蝕作用渣油和重油中的硫化物是一種難于從燃油中分離出去的物質(zhì)，所以含硫多的低質(zhì)油，更要注意防腐38（2）選用適宜于低負(fù)荷運(yùn)行的燒嘴如用回油式機(jī)械噴嘴、空氣出口可調(diào)式低壓噴嘴等因?yàn)樵汀⒅赜偷姆e炭或結(jié)焦主要出現(xiàn)在低負(fù)荷，出現(xiàn)在溫度低于1000°C的燃燒區(qū)要選擇合適的噴霧錐角噴霧錐角不宜太小，否則油會過多地噴入回流區(qū)，產(chǎn)生黑煙但噴霧錐角也不能太大，以防止被甩到壁面上形成積炭一定要根據(jù)爐型和大小來選擇噴霧錐角要選用優(yōu)質(zhì)材料制造噴嘴例如采用3Cr13材質(zhì)，并作硼化處理，以減少噴嘴磨損此外，可選擇合適的配風(fēng)系統(tǒng)以控制回流區(qū)的位置和大小，獲得比較合理的溫度分布，從而改善低質(zhì)油的燃燒39§4-2-3乳化燃燒乳化油與純油相比，在燃燒機(jī)理上有三個特點(diǎn)1產(chǎn)生二次霧化乳化燃料霧化炬中的分散油滴絕大部分是油包水型顆粒，油滴直徑大約是50~100m，其中水珠直徑約2~5，所以在一個油滴內(nèi)有多個水珠，并均勻地分布在油滴內(nèi)在高溫環(huán)境下，靠近液滴表面的水珠最先被加熱、汽化，使油滴膨脹變形，水汽在克服油的表面張力以后，將沖破油膜噴出，同時油膜被爆破離表面較遠(yuǎn)的水珠，則由于包圍的油膜較厚，需要克服更大的附加壓力后，油膜才會爆破溫度越高，油膜爆破越劇烈40因油膜爆破引起微滴從大滴表面崩出的現(xiàn)象稱為二次霧化二次霧化的油滴大多在15m以下試驗(yàn)表面，二次霧化與乳化質(zhì)量、摻水量、環(huán)境溫度、壓力和氧濃度等因素有關(guān)如果乳化油只6的水珠過細(xì)（小于1m），則因水珠生成的蒸汽壓力不足以克服外層油膜的表面張力，油膜不會發(fā)生破裂如果摻水量過少（<3~5%），同樣不能產(chǎn)生二次霧化由于二次霧化，使油滴進(jìn)一步細(xì)化，增加了油滴群總表面積，提高了霧化質(zhì)量加速了蒸發(fā)過程此外，二次霧化能促進(jìn)油霧與空氣的強(qiáng)烈混合，加速了燃燒過程412減少碳黑乳化燃燒的二次霧化，使油滴細(xì)化，促進(jìn)了油霧與空氣的強(qiáng)烈混合，使燃燒更為完善，減少了碳黑的生成此外，由于爐內(nèi)水蒸氣含量增加，產(chǎn)生的碳黑與水分子接觸的機(jī)會增多，在高溫下水分子與赤熱碳黑發(fā)生水煤氣反應(yīng)而形成可燃?xì)怏w，從而減少了煙氣中碳黑含量，這樣減少了對大氣的污染其化學(xué)反應(yīng)如下： C+H2O———CO+H2 >900°C C+2H2O———CO2+2H2 <900°C CO+H2O———CO2+H2實(shí)驗(yàn)證明，摻水率為8~15%時，乳化燃燒可以節(jié)約燃油6~8%使用乳化燃燒，可以減少烴類、固體碳粒90~95%，煙塵減少72%由于乳化燃燒霧化質(zhì)量好，混合均勻，可避免產(chǎn)生局部高溫，氮氧化物（NOX）排放量可減少50~70%3防爆性好與純油燃燒相比，乳化油的火焰?zhèn)鞑ニ俣扔兴档?，爆炸界限的下限有所提高，這樣以來，會部分地抑制化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)生及發(fā)展，說明乳化油比一般燃油的貯存安全42§4-3噴嘴噴嘴又稱噴霧器或霧化器，其作用是使液體燃料破裂成一定細(xì)度及一定均勻度的液滴，并按所要求的噴霧錐角及燃料分布特性將燃料送入爐內(nèi)§4-3-1機(jī)械式噴嘴機(jī)械式噴嘴利用液體燃料的壓力達(dá)到霧化的目的，故又稱壓力式噴嘴，其噴油壓力視用途而定，例如：工業(yè)爐、鍋爐，一般油壓為2~3.5MPa燃?xì)廨啓C(jī)為5~8MPa柴油機(jī)為15~30MPa航空發(fā)動機(jī)有時高達(dá)100MPa43圖4-10為離心式機(jī)械噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖壓力油以速度wqk切向進(jìn)入旋流室，受圓形壁面作用形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并以切向速度wqx

和軸向速度wzx

從噴口高速流出噴出的油流由于失去了壁面對它的約束力，依靠離心力的作用將油甩開試驗(yàn)表明，當(dāng)燃油在旋流室中高速旋轉(zhuǎn)時，在旋流室軸線附近形成一個半徑為rk

的空氣旋渦，使油流有效截面減少噴油量可以寫成：

（4-4）式中rp

和rk

分別為噴口半徑和空氣旋渦半徑；wzx表示噴嘴出口油流的軸向速度；y表示油流密度44圖4-10離心式機(jī)械噴嘴1—分流片； 2—旋流片； 3—霧化片45令

1rk2/rp2，稱為噴孔截面充滿系數(shù)，則式（4-4）可以寫成：噴霧錐角取決于出口斷面的平均切向速度和平均軸向速度的比值由于油流的切向速度是沿噴口半徑方向變化的，因而噴嘴出口斷面上不同半徑處的油流的噴霧錐角各不相同為了近似估計噴霧錐角大小，引入平均噴霧錐角的概念取噴口徑向rm

=0.5(rk

+rp)處，油流的噴霧錐角作為噴嘴的平均噴霧錐角，以表示，因而：式中wqx

,m和wzx

,m分別為噴口rm

=0.5(rk

+rp)處油流的切向速度和軸向速度可見，如果能夠確定wqx,m、wzx,m和，就可求得理論噴油量B及平均噴霧錐角（4-5）（4-6）461噴嘴出口切向速度分布根據(jù)理想流體動量矩守恒定律，任何流體微團(tuán)對噴嘴軸線的動量矩，從噴嘴進(jìn)口直至出口始終保持不變，即：

wqxr

=常數(shù) （4-7）式中wqx

為任意半徑r處的流體微團(tuán)的切向速度由式（4-7）可知，半徑r越小，即離軸線越近，流體微團(tuán)的切向速度越大根據(jù)伯努利方程，該處的凈壓力就越低靠近軸線處（r0），切向速度達(dá)到無窮大，靜壓力達(dá)到負(fù)的無窮大，顯然這是不可能的因?yàn)楫?dāng)噴口軸線處壓力低于周圍環(huán)境壓力時，氣體將從周圍環(huán)境進(jìn)入噴口，從而使噴口中心部分形成空氣旋渦，這樣油流就不可能充滿整個噴口根據(jù)式（7）可以寫出噴口半徑rp

和空氣旋渦半徑rk

處的動量守恒噴口rm

=0.5(rk

+rp)向速度的平均值可以寫成（8）（9）472噴嘴出口的軸向速度分布在噴嘴出口截面上取寬度為dr的流體微元環(huán)，見圖4-11微元圓環(huán)所受到的壓力差dp是由離心力產(chǎn)生的，即：簡化后，得：對伯努利方程式=常數(shù)，并求導(dǎo)得：將式（10）代入或者：由動量守恒定律知道，故式（14）即 wzx=常數(shù)它表示噴嘴出口截面上任意半徑處的流體的軸向速度都相等48（12）（13）（14）（15）（16）（11）（10）483噴油量的確定（阿博拉莫維奇理論）列出噴嘴進(jìn)出口伯努利方程（忽略位能）則噴嘴進(jìn)出口油壓差：式中p為噴嘴進(jìn)口截面油流的總壓，包括凈壓力和動能；p0為噴嘴出口處環(huán)境壓力；wqx

·k和wzx

·k分別為噴口處空氣旋渦邊界上的切向速度和軸向速度由式（18）求得噴嘴出口處軸向速度：將上式代入式（5）得：由式（7）可以寫出：式中R為切向孔中心線到噴口中心線之間距離，wqk為切向孔的油流速度（17）（18）（19）（20）（21）49油流量式中fqk為切向孔總面積，m2將式（21）和式（22）代入式（20），得：經(jīng)整理后得：式中為流量系數(shù)A為幾何特性系數(shù)，僅與噴嘴和噴口直徑和切向孔面積有關(guān)，對于一定尺寸的噴嘴，A是定值，即：fp為噴口面積：

fp=rp2（22）（23）（24）（25）（26）50由式（25）可知，在給定A值下，流量系數(shù)為的函數(shù)即=f()，值過大或過小，流量都不會增大由式（5）知道，當(dāng)過小時，噴油有效截面減小，流量B減?。划?dāng)過大時，空氣旋渦半徑減小，切向速度wqx

·k加大，由式（19）可知，噴嘴出口處的軸向速度wzx減小，因而B值不可能大根據(jù)最大流量原理，可求出流量系數(shù)為最大值時對應(yīng)的值，對式（25）求導(dǎo)，并使d/d=0，可得到：將式（27）代入式（25）得：利用式（25）、式（27），可畫出、和A

的關(guān)系曲線，這樣在計算噴油量B

時，可先按照噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)算出幾何特性參數(shù)A值，再由圖12查出流量系數(shù)值，然后用式（24）計算B值由圖所示，增大幾何特性系數(shù)A，會使充滿系數(shù)和流量系數(shù)降低（27）（28）51圖12、、與A的關(guān)系曲線524噴霧錐角的確定由前面討論知道，在噴嘴出口處，軸向速度為常數(shù)，不沿徑向變化，由式（5）：而噴嘴出口切向速度是沿徑向變化的，如前述，一般取平均半徑：處的切向速度wqx

·m作為計算依據(jù)根據(jù)動量守恒定律：由充滿系數(shù)=1rk2/rp2，可得：將式（22）、式（30）和式（32）代入式（31），得：將式（29）和式（33）代入式（6）得：平均噴霧錐角與幾何特性系數(shù)A之間的關(guān)系表示在圖12上當(dāng)幾何特性系數(shù)A增加時，噴霧錐角增大，噴霧射程縮短（29）（32）（30）（33）（31）（34）535理論計算的修正以上計算是基于油流是理想流體的假設(shè)，忽略了粘性力的影響實(shí)際上，燃油是有粘性的，存在摩擦損失和局部阻力損失粘性的存在，增加了油層間的摩擦力，使油流切向速度wqk減少，從而引起空氣旋渦半徑rk縮小，充滿度增大粘性越大，實(shí)際的wqk和rk偏離理論計算值越大因而，噴嘴的實(shí)際噴油量和實(shí)際噴霧錐角與理論值都有一定差別通常實(shí)際噴油量比理論噴油量大，實(shí)際噴霧錐角則比理論值低因此，必須采用半經(jīng)驗(yàn)的，甚至純經(jīng)驗(yàn)的方法進(jìn)行修正離心式機(jī)械噴嘴的霧化顆粒尺寸分布特性符合Rosin-Rammler分布，見式（2）Longwell通過實(shí)驗(yàn)得到下列公式：（35）54圖13為簡單離心式機(jī)械噴嘴的結(jié)構(gòu)圖。55上頁圖13為簡單離心式機(jī)械噴嘴的結(jié)構(gòu)圖。其工作原理為：壓力油經(jīng)分流片1的幾個進(jìn)油孔匯合到環(huán)形均油槽中，由此進(jìn)入旋流片2的切向槽，獲得很高速度后，以切線方向進(jìn)入旋流片中心的旋流室，油在旋流室內(nèi)形成強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)最后從霧化片3的噴口噴出，形成一個空心圓錐形霧化炬其流量密度分布呈馬鞍形，見圖4a\b簡單離心式機(jī)械噴嘴的射程較短，但是噴霧錐角較大，約為80~12056圖14為壓力差的平方根p

與索特平均直徑ds和流數(shù)N的關(guān)系曲線57上頁圖14為壓力差的平方根p

與索特平均直徑ds和流數(shù)N的關(guān)系曲線噴嘴流數(shù)N定義為：由圖看出，對于一定的噴嘴結(jié)構(gòu)，壓力差p降低，將使索特平均直徑ds增大，霧化質(zhì)量變壞因?yàn)閲娪土亢蛧娮烨昂髩毫Σ頿的平方根成正比，所以改變負(fù)荷（即油量）是依靠改變p（因噴嘴出口壓力等于燃燒室壓力，其值一般不變，故改變p亦即改變進(jìn)油壓力）來實(shí)現(xiàn)的，這將影響霧化質(zhì)量如果假定保證霧化質(zhì)量所需要的噴嘴最小壓力為1MPa，所要求的調(diào)節(jié)比為5，則達(dá)到最大噴油量時的壓力差p將高達(dá)25MPa顯然，這種調(diào)節(jié)負(fù)荷的方法不盡合理因此，簡單離心式機(jī)械噴嘴的調(diào)節(jié)比一般較小例如：工業(yè)爐用噴嘴調(diào)節(jié)比為1.2~1.4，燃?xì)廨啓C(jī)為2~2.5所以，這種簡單離心式機(jī)械噴嘴比較適用于負(fù)荷比較穩(wěn)定的場合或適用于可改變噴嘴數(shù)（裝有多哥噴嘴時）來調(diào)節(jié)負(fù)荷的燃燒室58為了擴(kuò)大噴嘴的調(diào)節(jié)幅度又不影響霧化質(zhì)量，可以使用離心式機(jī)械回油噴嘴回油方法分內(nèi)回油和外回油兩種圖15為內(nèi)回油噴嘴圖。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于：在旋流室后面開了一個通道，經(jīng)過分油嘴使油回流低負(fù)荷時，在壓力和總流量不變的情況下，用增加回流量的辦法可達(dá)到減少噴油量的目的這種噴油嘴的霧化質(zhì)量能達(dá)到要求，調(diào)節(jié)比也大例如用于工業(yè)爐和鍋爐的噴嘴調(diào)節(jié)比可達(dá)4用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的噴嘴調(diào)節(jié)比可達(dá)40~50這種噴嘴適用于負(fù)荷變化幅度大且變化頻繁的爐子59圖15回油式機(jī)械噴嘴60回油式噴嘴存在如下缺點(diǎn)：（1）噴嘴工作特性受回流道阻力特性變化的影響，即噴油量對回油流道的變化比較敏感因此，當(dāng)采用幾個回油噴嘴同時工作時，由于各回油流道阻力特性不相同，噴嘴之間的油量分配有很大的偏差（2）增加了油泵的能耗（3）用渣油時要預(yù)先加熱，而回油需送回儲油罐，使儲油罐的溫度升高，因此要防止自燃（4）不宜采用容易形成析碳的熱裂化渣油，否則回油流道會被析碳堵塞（5）高負(fù)荷時，噴霧錐角減小很多，容易把大量的油噴到缺氧的回流區(qū)中機(jī)械式噴嘴還有其它一些型式：雙油路雙噴嘴機(jī)械離心噴嘴它通過控制主游管主噴嘴（高負(fù)荷時投入）和副油管副噴嘴（低負(fù)荷時投入）來控制噴嘴調(diào)節(jié)比針形閥離心式噴嘴它是通過移動針形閥，改變噴嘴有效斷面來調(diào)節(jié)噴嘴負(fù)荷61離心式機(jī)械噴嘴的共同優(yōu)點(diǎn)是：（1）結(jié)構(gòu)簡單、緊湊（2）操作方便，不需霧化介質(zhì)（3）空氣預(yù)熱溫度不受限制（4）噪音小缺點(diǎn)是：（1）加工精度要求高（2）小容量噴嘴容易積炭堵塞（3）霧化細(xì)度受油壓影響大，要求霧化得細(xì)，則要求有很高的油壓機(jī)械式噴嘴廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，也適用于鍋爐和回轉(zhuǎn)窯等大型爐子但在工業(yè)爐和鍋爐中，常用機(jī)械式噴嘴所采用的壓力情況下，其霧化細(xì)度較其它類型的噴嘴粗、火焰長，需要較大的燃燒空間62§4-3-2氣動式噴嘴這種噴嘴是利用空氣或蒸汽作為霧化介質(zhì)，將其壓力能轉(zhuǎn)化為高速氣流，使油流噴散成霧化炬這種噴嘴可按介質(zhì)壓力的不同分為兩類：低壓噴嘴和高壓噴嘴1低壓噴嘴它以空氣作為霧化介質(zhì)，空氣壓力為300~1200mmH2O柱，由于壓力低，霧化介質(zhì)消耗量較多，約為理論空氣量的50%~100%，因此空氣和油霧的混合條件好，燃燒速度快，火焰短需要的過量空氣系數(shù)小（一般=1.10~1.15），理論燃燒溫度較高燃燒時噪音小，霧化費(fèi)用低低壓噴嘴適用于中、小型工業(yè)窯爐或工業(yè)鍋爐63低壓噴嘴的缺點(diǎn)是：（1）由于噴霧介質(zhì)壓力低，單個噴嘴的容量（噴油量）不易過大一般不超過150~300kg/h如果單個噴嘴容量過大，空氣噴口截面就太大，不容易保證霧化質(zhì)量（2）低壓噴嘴的預(yù)熱溫度不宜太高否則，油管內(nèi)溫度高，容易產(chǎn)生裂解反應(yīng)，生成碳黑，以至堵塞油管一般空氣預(yù)熱溫度不超過300°C，如果有二次空氣，則預(yù)熱溫度不受限制（3）調(diào)節(jié)比較小低壓噴嘴的油壓一般為0.02~0.15MPa若油壓太高，則油流速度太快，以至穿透霧化介質(zhì)，使油流得不到良好的霧化此外，當(dāng)油壓太高時，在噴油量不變的情況下，油噴口截面太小，容易引起堵塞64低壓噴嘴用的空氣既作為霧化介質(zhì)，又作為助燃空氣因此，當(dāng)噴油量減少時，噴射的空氣量相應(yīng)減少，這時如果空氣噴口截面不變，則空氣流速降低，這將影響霧化質(zhì)量所以，低壓噴嘴的空氣噴口截面常做成可調(diào)的，以保證霧化質(zhì)量低壓噴嘴的噴頭結(jié)構(gòu)有：直流式和旋流式噴嘴；單級噴嘴和多級噴嘴圖4-16a為單級噴嘴在這種噴嘴中，空氣和油流的交角以及它們的相對速度對霧化與混合的質(zhì)量影響很大若交角大，相對速度大，則霧化顆粒較細(xì)，火焰較短但交角也不宜過大，一般不超過5065將霧化介質(zhì)流旋轉(zhuǎn)，有利于提高霧化質(zhì)量，加速混合過程，得到短而粗的火焰，所產(chǎn)生的回流區(qū)，有利于火焰穩(wěn)定圖4-16b為單級旋流式低壓噴嘴，提高旋流速度，對改善霧化和混合過程有利但不能過大，否則會脫離油流，不利于霧化和混合圖4-16

低壓介質(zhì)噴嘴66為提高霧化和混合質(zhì)量，可采用多級噴嘴圖4-17為三級低壓介質(zhì)式噴嘴它將霧化空氣分三級與油流相遇，為調(diào)節(jié)空氣量，油流量與空氣量按比例變化，可以改變二次、三次霧化空氣噴口截面低壓噴嘴的噴油量可以按式（24）計算，其流量系數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定低壓霧化介質(zhì)的消耗量可按不可壓縮流體計算，其計算公式與計算噴油量公式雷同，即：式中fw為介質(zhì)噴口斷面積，m2；為霧化介質(zhì)的流量系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定；pw為噴嘴前霧化介質(zhì)壓力（相對壓力Pa）；w為霧化介質(zhì)實(shí)際密度，kg/m367圖4-17

三級低壓氣動式噴嘴1、2、3分別為一次、二次、三次霧化空氣流682高壓噴嘴它一般用壓縮空氣（0.3~0.7MPa）或蒸汽（0.3~1.2MPa）作為霧化介質(zhì)，也可以用氧氣或高壓煤氣作霧化介質(zhì)因壓力高，霧化介質(zhì)噴出速度接近音速或超過音速，噪音大而且壓力高，霧化介質(zhì)用量少，僅占總流量的2~10%因而油流霧化條件差，空氣與油流的混合條件也差，形成較長的火焰故一般適用于大型爐子采用蒸汽作霧化介質(zhì)，會降低理論燃燒溫度但由于蒸汽比壓縮空氣便宜，故仍被廣泛應(yīng)用，這時燃燒所需的全部空氣由風(fēng)機(jī)單獨(dú)供給因?yàn)楦邏簹怏w經(jīng)噴嘴絕熱膨脹后，溫度降低，使油的粘度增加，甚至析出水分，霧化質(zhì)量下降所以，對高壓噴嘴，應(yīng)采用過熱蒸汽（過熱度為200~300C）或預(yù)熱的壓縮空氣69高壓噴嘴與低壓噴嘴相比有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以采用較高的蒸汽過熱度及空氣預(yù)熱溫度因?yàn)楦邏簢娮斓撵F化介質(zhì)用量小，對油管的加熱影響不大不會產(chǎn)生油裂化而堵塞油管（2）單個高壓噴嘴的容量（噴油量）大，大型噴嘴每小時噴油量可達(dá)幾千公斤（3）調(diào)節(jié)比大，一般為4~5，有的高達(dá)10高壓介質(zhì)式噴嘴的噴頭結(jié)構(gòu)有：直流式、旋流式噴嘴單級、多級噴嘴內(nèi)混式、外混式噴嘴70圖4-18a和b分別為高壓外混式直流和旋流噴嘴從外形上看，高壓介質(zhì)式霧化介質(zhì)流的通道斷面比低壓的小得多外混式噴嘴的油噴口與霧化介質(zhì)噴口基本上是在同一橫截面上油流與霧化介質(zhì)在噴嘴外相遇霧化其工作特點(diǎn)是邊霧化、邊混合、邊燃燒，火焰較長由于噴嘴暴露在工作空間，容易受到燃燒室的高溫輻射，易積炭，造成堵塞為防止油嘴積炭，將它置于霧化管內(nèi)部，油流與霧化介質(zhì)在混合室內(nèi)先霧化混合成油汽乳狀液，然后噴出燃燒室，使之進(jìn)一步霧化成細(xì)滴，這種噴嘴稱為內(nèi)混式噴嘴71圖4-18高壓外混式噴嘴72圖4-19a所示為高壓內(nèi)混式噴嘴按霧化要求，混合室壓力一般為0.5~0.6MPa油壓相應(yīng)接近于霧化介質(zhì)壓力，否則油流會被霧化介質(zhì)流封住而噴不出來為了改善霧化質(zhì)量，還可以采用多噴口的噴嘴圖49b為Y型噴嘴它是油孔道、汽孔道和混合孔道三者相交呈Y形的內(nèi)混式蒸汽噴嘴油流和蒸汽流在混合孔內(nèi)相遇撞擊、破碎成乳狀油汽混合物該噴嘴的主要優(yōu)點(diǎn)：由于油、汽是通過多個分散的細(xì)孔道混合的，所以油霧化良好，油滴平均直徑為50m此外，它的調(diào)節(jié)比大，可達(dá)6~10在低負(fù)荷條件下其噴霧錐角不變噴孔加工光潔度對霧化質(zhì)量影響不敏感霧化所需蒸汽量少，僅為普通蒸汽介質(zhì)噴嘴的四分之一它的缺點(diǎn)是：易堵塞，有噪音73圖4-19高壓內(nèi)混介質(zhì)式噴嘴74為了提高霧化質(zhì)量，還可以采用多級噴嘴圖4-20為高壓拉伐爾式雙級噴嘴一級霧化采用拉伐爾管，它可以充分利用高壓氣體的能量拉伐爾管后的擴(kuò)張收縮管可使油粒分布及速度分布更加均勻圖4-20高壓拉伐爾式雙級噴嘴75高壓霧化介質(zhì)流屬于可壓縮流體，對于漸縮型噴嘴，其霧化介質(zhì)流量可按下式計算：式中為噴霧介質(zhì)流的流量系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定p0和pw分別為燃燒空間壓力和霧化介質(zhì)壓力PaK為絕熱指數(shù)，為定壓比熱與定容比熱之比對壓縮空氣K

=1.4對飽和蒸汽K=1.135對過熱蒸汽K=1.3

fw

為霧化介質(zhì)噴口截面積，m2

；

w表示在霧化介質(zhì)壓力pw下的實(shí)際霧化介質(zhì)密度，kg/m3

；ww為霧化介質(zhì)噴口出口流速，m/s(37)(38)76式（38）所示的G與p0/pw的關(guān)系如圖4-21所示由圖可見：當(dāng)p0/pw逐漸降低時，霧化介質(zhì)流量G逐漸增大（a~b段）當(dāng)p0/pw降至某一值時，霧化介質(zhì)流量達(dá)到最大值Gmax若再降低p0/pw，則最大霧化介質(zhì)流量值不變，（b~c段）達(dá)到最大霧化介質(zhì)流量時，噴口速度等于當(dāng)?shù)匾羲?，噴口的壓力為臨界壓力若將式（4-38）對p0/pw取導(dǎo)數(shù)，并令其等于0，即可求得最大霧化介質(zhì)流量時的進(jìn)出口壓力之比1，即所謂臨界壓力比由此可知，臨界壓力比只是絕熱指數(shù)K的函數(shù)，而與霧化介質(zhì)的初始狀態(tài)無關(guān)對壓縮空氣，1=0.528對飽和蒸汽，1=0.577對過熱蒸汽，1=1.3（39）77圖4-21G--p0/pw關(guān)系78將式（4-39）代入式（4-38），得到最大霧化介質(zhì)流量：由此可知，最大霧化介質(zhì)流量只和霧化介質(zhì)的性質(zhì)、壓力以及霧化介質(zhì)出口截面積有關(guān)縮放型（拉伐爾型）噴嘴的霧化介質(zhì)流量的計算順序：用式（4-40）計算最小截面（喉部）處的霧化介質(zhì)流量（即最大介質(zhì)流量），其中fw取最小截面（喉部）的面積式（4-38）用來計算拉伐爾噴嘴出口截面積拉伐爾管的擴(kuò)散段長度取決于擴(kuò)張角大小，一般取=5~10（40）79上述計算公式也可用于內(nèi)混式噴嘴采用日本前沢等人的研究結(jié)果：將式（38）和式（40）中霧化介質(zhì)壓力pw及密度w變換成氣液混合流的壓力ph及密度h氣液混合流的密度近似為：式中G、B分別為霧化介質(zhì)及油流的質(zhì)量流量，kg/s氣液混合流體的壓力式中Rh為混合流體的表觀氣體常數(shù)，m2/(s2K)Th為混合流體的溫度，K(41)(42)80§4-3-3旋轉(zhuǎn)式噴嘴旋轉(zhuǎn)式噴嘴把油供給旋轉(zhuǎn)體，借助于離心力以及周圍的空氣動力使油霧化旋轉(zhuǎn)式噴嘴，大體分為旋轉(zhuǎn)體型和旋轉(zhuǎn)噴口型兩種旋轉(zhuǎn)體形噴嘴使油在旋轉(zhuǎn)體表面形成油膜，進(jìn)而霧化成細(xì)滴旋轉(zhuǎn)噴口型噴嘴在旋轉(zhuǎn)體上開設(shè)數(shù)個噴口，油從噴口中呈射流狀噴出工程上，旋轉(zhuǎn)體型噴嘴使用較廣旋轉(zhuǎn)體型噴嘴，按旋轉(zhuǎn)體的形狀可分為轉(zhuǎn)板型和轉(zhuǎn)杯型兩大類旋轉(zhuǎn)式噴嘴的特點(diǎn)是：（1）結(jié)構(gòu)比較簡單，如小于250kg/h的噴嘴不需要安裝風(fēng)機(jī)和風(fēng)管系統(tǒng)，不需要高壓油源（2）有良好的霧化特性，平均粒度較細(xì)，一般為40~50m，均勻度好（3）流量密度分布均勻，噴霧錐角大，為60~80（4）火焰短而粗，火焰是旋轉(zhuǎn)的，有利于爐內(nèi)傳熱（5）對燃料適應(yīng)性好，對不同類型爐子的適應(yīng)性也好（6）出油管由孔較大，不易堵塞（7）油的調(diào)節(jié)比值較大，一般為4~5缺點(diǎn)是：噪音和振動大811轉(zhuǎn)板式噴嘴如圖4-22所示，向轉(zhuǎn)板中心噴出的油，借助油和轉(zhuǎn)板之間的摩擦以及離心力作用，展延成薄的油膜，在轉(zhuǎn)板上鋪展開來由于油與轉(zhuǎn)板間有滑動產(chǎn)生，因而油膜表面上液體粒子的運(yùn)動軌跡呈螺旋形當(dāng)油量少或粘度小時，油流在轉(zhuǎn)板上呈絲狀流動，降低了霧化質(zhì)量由圖4-22，在轉(zhuǎn)板周圍開有齒形缺口（圖內(nèi)陰影部分），空氣從轉(zhuǎn)板四周的齒形缺口和轉(zhuǎn)板外緣的環(huán)狀縫隙以高速噴出，與具有離心力的油膜相碰撞，油膜破裂、霧化，并與空氣均勻混合根據(jù)試驗(yàn)，在相同條件下，具有齒形深度a

=

(r2

r1)

/r2

的轉(zhuǎn)板，要比簡單轉(zhuǎn)板噴嘴的火焰長度短一半，且霧化的質(zhì)量好82圖22轉(zhuǎn)板式噴嘴832轉(zhuǎn)杯式噴嘴如圖4-23所示，轉(zhuǎn)杯高速旋轉(zhuǎn)，油從中空軸流入轉(zhuǎn)杯內(nèi)壁，在離心力的作用下，轉(zhuǎn)杯內(nèi)表面形成油膜，由于油流運(yùn)動路程長，油膜逐漸減薄，直至霧化成細(xì)粒脫離杯口，這是第一次霧化細(xì)粒脫離杯口后，與油流旋轉(zhuǎn)方向相反的一次風(fēng)相遇，在一次風(fēng)的沖擊下，細(xì)小的油粒再次霧化，顯然，一次風(fēng)能夠促進(jìn)霧化和混合良好，限制霧化火炬擴(kuò)張，使火焰穩(wěn)定通常要求一次風(fēng)速大于油粒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動速度，一般取50~100m/s采用重油時，轉(zhuǎn)杯內(nèi)表面容易積炭結(jié)焦這是因?yàn)樵谕Ｖ谷紵?，殘留在空軸內(nèi)的油落入杯內(nèi)，在爐內(nèi)輻射烘烤下所形成的而轉(zhuǎn)板式噴嘴，平滑的轉(zhuǎn)板是垂直放置的，而且油管裝在前方，其水平段長度很短，不會因燃料殘滴的滴落而引起積炭結(jié)焦84圖4-23轉(zhuǎn)杯式噴嘴85§4-4液體燃料的燃燒裝置液體燃料燃燒裝置主要由油噴嘴（又稱噴射器、油槍）和調(diào)風(fēng)器組成此外，還有點(diǎn)火及調(diào)節(jié)裝置等輔助部件圖4-24為燃用重油的燃燒裝置采用簡單的離心式噴嘴（見圖4-13）噴頭處裝有穩(wěn)焰板調(diào)風(fēng)器為徑流可調(diào)葉片旋流器，通過改變?nèi)~片角度可以調(diào)節(jié)空氣量及其旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度空氣由共用風(fēng)箱供給在主噴嘴旁裝有點(diǎn)火噴嘴一般鍋爐上按照有多個噴嘴，用控制噴嘴個數(shù)的方法來控制噴油量對停用的噴嘴，應(yīng)將噴嘴及穩(wěn)焰板一起抽回到后面的位置上，以防止?fàn)t內(nèi)輻射熱燒壞噴嘴86圖4-24燃用重油的燃燒裝置87圖4-25為大型鍋爐使用的重油燃燒裝置采用回油式機(jī)械噴嘴（見圖4-15），在噴嘴旁，設(shè)有點(diǎn)火設(shè)備，噴嘴外有冷卻套管調(diào)風(fēng)器為軸向葉片式旋流器一次風(fēng)經(jīng)穩(wěn)焰器5后旋轉(zhuǎn)進(jìn)入爐內(nèi)穩(wěn)焰器為軸向葉片式旋流器，改變穩(wěn)焰器葉片軸向位置可以調(diào)節(jié)一次風(fēng)旋流度一次風(fēng)量由風(fēng)門來控制二次風(fēng)經(jīng)軸向旋流器8后旋轉(zhuǎn)進(jìn)入爐內(nèi)，二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)方向與一次風(fēng)旋轉(zhuǎn)方向相同二次風(fēng)軸向旋流器套在一次風(fēng)管外面，有操縱機(jī)構(gòu)帶動，沿軸向做前后移動，以改變二次風(fēng)的旋流度一、二次風(fēng)的總風(fēng)門由操縱機(jī)構(gòu)控制88圖4-25回油式機(jī)械噴嘴89§4-5液體燃料噴嘴的設(shè)計計算噴嘴的計算可分為：設(shè)計計算與較核計算噴嘴的計算目的是：確定噴嘴的主要尺寸下面介紹：單級離心式機(jī)械噴嘴氣動式噴嘴的設(shè)計計算方法§4-5-1機(jī)械式噴嘴根據(jù)噴嘴最大噴油量B、最大噴油壓降

p及霧化錐角來確定霧化片及旋轉(zhuǎn)片的主要尺寸，（見圖4-10）901霧化片計算（1）噴嘴幾何特性系數(shù)A根據(jù)試驗(yàn)，合理選擇噴霧錐角根據(jù)式（34）和式（27）計算充滿系數(shù)及幾何特性系數(shù)A，或通過圖12由查、A（2）噴口直徑dp由式（24）可求得噴口截面積，從而求得噴口直徑即：式中為流量系數(shù)，由式（25）計算或由圖12查得y為t°C時油密度式中20為20°C時重油密度，一般為920~980kg/m3；為油的體積膨脹系數(shù)，=0.0025~0.002·20，這里20的單位是t/m3；ty為油溫，°C；B為噴油量，kg/s；

p為噴嘴前后油的壓差，Pa（43）（44）91（3）噴口長度l若l太長，將使霧化錐角縮小，霧化質(zhì)量降低l太短，噴嘴容易磨損，降低噴嘴壽命一般l取(0.5~2.0)rp（4）旋流室到噴孔的過渡錐角一般取90°對桃形旋流室，可取60°2旋流片計算（1）切向孔數(shù)目n根據(jù)加工的可能性，以及使用時不堵塞為原則來選取切向孔半徑rqk和孔數(shù)n一般取n=2~492（2）切向孔直徑dqk

由式（26）幾何特性系數(shù)從而得到切向孔總截面積式中rp為噴口直徑，mm；R為切向孔中心線到噴口中心線之間距離，mm單個切向孔的截面積：式中dqk為單個切向孔直徑，mm這里，R/rp一般情況下取2~6若R/rp值大，旋流度就大（45）（46）（47）93（3）切向孔深度hh太淺會使油偏離切線方向h太深會增加阻力損失一般取h=(1.5~4)dqk（4）旋流室寬度H稍大于dqk（5）旋流室直徑D D=(R/rp

)dp+dqk如果切向孔非圓形，則：切向槽高取b=1.5~2.5mm槽長s=(1~2)b槽面積fqk=nbs94例題：已知某燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室采用的離心式機(jī)械噴嘴的幾何尺寸為：R=5.0mm，rp=0.6mm；n=3，rqk=0.69mm。其中最大壓力降pmax=50105Pa，最小壓力降pmin=5105Pa，重油的密度為920kg/m3。試求該噴嘴的最大最小噴油量與噴霧錐角解：噴嘴幾何特性系數(shù)由式（27）：求得=0.491由式（28），有：由式（24），有：對應(yīng)pmax下最大噴油量：對應(yīng)pmin下最小噴油量：由式（34）可計算噴霧錐角：油導(dǎo)管計算和下面舉例的介質(zhì)式噴嘴計算方法相同。95§4-5-2氣動式噴嘴在已知單個噴嘴容量、油溫、油壓及霧化介質(zhì)、溫度、壓力的情況下，確定噴嘴的油噴口直徑、霧化介質(zhì)流通截面積、導(dǎo)油管及霧化介質(zhì)導(dǎo)管直徑氣動式噴嘴有高壓和低壓之分，在這兩種噴嘴的計算方法中，除霧化介質(zhì)噴口截面計算不同以外，其余個部分基本相同1油噴口直徑dy式