浙大高等燃烧学液体燃料的燃烧3

ZhejiangUniversity第七讲液体燃料的燃烧任课教师：黄镇宇教授燃烧学讲义——ZhejiangUniversity§7-1液体燃料的特性§7-2液体燃料滴的燃烧§7-3相对静止液滴蒸发和燃烧§7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧§7-5油雾火炬的燃烧过程教学内容1234152ZhejiangUniversity一、液体燃料—石油§7-1液体燃料的特性石油中的碳氢化合物和胶状沥青物质碳氢化合物胶状沥青物质3ZhejiangUniversity二、石油的元素组成§7-1液体燃料的特性碳（C）含量占84~87%氢（H）含量占11~14%氧（O）含量占0.1~1%氮（N）含量0.2%硫（S）与石油种类有关金属（极微量）主要有钒、镍、铁、铝、钙、钠、镁、钴、铜等。非金属（极微量）主要有氯、硅、磷、硒、砷等。4硫是石油的重要指标之一，越少越好。0.5%为低硫煤，0.5%~2%为中硫煤，2%为高硫煤。ZhejiangUniversity三、如何炼制石油§7-1液体燃料的特性直接蒸馏法直接蒸馏法即按石油中各组分不同的沸点，将其分成若干馏分，每种馏分包含了沸点相近的各种烃类。5ZhejiangUniversity三、如何炼制石油§7-1液体燃料的特性温度分馏产物40~180℃汽油120~230℃重汽油150~300℃煤油200~350℃柴油剩余的高沸点重质油常压重油（塔底排出）在常压下,直接对石油加热(300~325℃左右)分馏,石油中各馏分按其沸点高低先后馏出。6ZhejiangUniversity§7-1液体燃料的特性图5-1直馏流程图7这张图有点问题，应该：1、蒸馏塔内逐步加热；2、或逐步降压；这是燃料油炼制直馏流程图，在石油化工行业，还有其它流程，例如：生产石蜡的，生产润滑油的，生产乙烯的等。因不在本课程范围，就不一一列举了ZhejiangUniversity四、减压蒸馏的办法§7-1液体燃料的特性把高沸点的常压重油再加热到400℃以上，是可以继续分馏出各种重质油来。一般采用更为简单的减压蒸馏的办法(图7-2)来提取。即根据气压降低、沸点下降的原理，把常压重油加热到400℃左右送入到减压蒸馏塔中，其中压力约在0.01MPa以下，这样重油中烃的沸点可降低200℃多，把原来沸点约700℃以下的各种烃都可分馏出来。8ZhejiangUniversity四、减压蒸馏的办法§7-1液体燃料的特性塔顶塔侧塔底分馏常压重油和减压重油两者统称为直馏重油。较轻的重柴油各种蜡油（作润滑油用的原料）分子更大，沸点更高的重质油，称为减压重油(或减压渣油)9ZhejiangUniversity§7-1液体燃料的特性图5-2减压蒸馏流程图10ZhejiangUniversity五、燃油的主要技术特点凝固点——将燃油冷却，使燃油45°倾斜，油面一分钟保持不变的温度沸点——不同油品，不同沸点比重——t℃时油的重度和4℃时水的重度之比。kr见表5-§7-1液体燃料的特性11)20(2044tkrt发热量——油的Qnet，ar大约在38.5~44MJ/kg，不同油品，略有不同。一般来说，油越重，H越少，发热量也越低问题：为什么柴油车动力比汽油车好？ZhejiangUniversity五、燃油的主要技术特点比热——Ct=1.737+0.0025t粘度——粘度分动力粘度μ和运动粘度ν二者的关系μ=ν*ρμ常与受力分析挂钩，ν常与运动状态相关。工程上常用恩氏粘度◦Et度量换算关系νt=7.31◦Et-6.31/◦Et导热系数表面张力§7-1液体燃料的特性12ZhejiangUniversity六、国产燃料油的主要质量指标§7-1液体燃料的特性重柴油重油10号20号30号20号20号100号200号运动粘度(50℃)厘沲恩氏粘度(50℃)(E)(80℃)(E)(100℃)(E)灰份(%)硫份(%)机械杂质(%)闪点(闭口)(℃)闪点(开口)(℃)凝点(℃)水份(%)13.50.040.50.1651020.50.060.50.1652036.25.00.081.50.565305.00.31.01.580151.011.00.31.52.0100201.515.50.32.02.5120252.05.5~9.50.33.02.5130362.013ZhejiangUniversity§7-1液体燃料的特性§7-2液体燃料滴的燃烧§7-3相对静止液滴蒸发和燃烧§7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧§7-5油雾火炬的燃烧过程教学内容12341514ZhejiangUniversity一、液体燃料滴的燃烧§7-2液体燃料滴的燃烧液体燃料燃烧基本方式液体燃料燃烧基本方式预蒸发型球面燃烧液雾燃烧单油滴燃烧是液雾燃烧的基础15ZhejiangUniversity§7-2液体燃料滴的燃烧图5-3油滴燃烧模型16氧浓度曲线温度曲线CO2浓度最高点CO2浓度曲线类似于温度曲线有问题吗？ZhejiangUniversity二、影响重油燃烧的各种因素§7-2液体燃料滴的燃烧1氧浓度的影响17根部（？）缺氧的情况，油气会热分解CnHmnC+（1/2)mHCnHmxC+yH+Cn-xHm-2y可见：根部缺氧会产生自由氢和自由碳（炭黑）温度越高，热分解越快（温度增10℃，速度增1倍）自由碳（炭黑）一旦形成，就无法完全燃烧（最不利）要避免根部缺风。问题：什么叫根部ZhejiangUniversity二、影响重油燃烧的各种因素§7-2液体燃料滴的燃烧1氧浓度的影响18根部不缺氧的情况，油气会氧化成醇类（CH3OH）和醛类（CH3CHO）然后，氧化成甲醛：CH3OH+（1/2）O2HCHO+H2OCH3CHO+O2HCHO+CO+H2O若此时，O2耗尽，则甲醛进一步分解为：HCHOCO+H21C4H只要2O2C4H只要3OZhejiangUniversity二、影响重油燃烧的各种因素§7-2液体燃料滴的燃烧1氧浓度的影响19若此时，还有部分O2，则：HCHO+（1/2)O2CO+H2O如果O2充分，则:HCHO+O2CO2+H2O只要根部不缺O2，此后不论是否缺O2，都不会产生炭黑（根部风非常重要）ZhejiangUniversity二、影响重油燃烧的各种因素§7-2液体燃料滴的燃烧1氧浓度的影响图5-4氧浓度对燃烧速度的影响20残余焦炭的燃烧速度，与O2浓度有较大的关系（5-7）O2浓度越低，燃烧时间越长，速度越低。原因：O2扩散速度制约燃烧速度D20o2C8d焦焦ZhejiangUniversity二、影响重油燃烧的各种因素§7-2液体燃料滴的燃烧温度的影响221着火前，温度高易热解，产生炭黑。不易燃尽；温度低些，与O2混合后燃烧，可避免炭黑产生。残炭燃烧期，温度高有利燃尽。加热速度：油滴加热快，会产生爆裂，形成二次雾化，有利燃尽。二者有矛盾吗？理论上可以通过强化传热，充分供给根部风来解决。实际上这个矛盾是存在的。ZhejiangUniversity图5-6流速对油滴燃烧的影响§7-2液体燃料滴的燃烧223风速的影响ZhejiangUniversity二、影响重油燃烧的各种因素§7-2液体燃料滴的燃烧风速的影响3•理想情况下：风速等于零，液滴的蒸发和燃烧是球对称的；•即油滴对称地蒸发，在油滴直径5至10倍处（环境O2浓度21%）形成一球形燃烧表面；•油滴的燃烧速度主要取决于蒸发速度，燃烧直径取决于O2的扩散速度；•过程非常复杂，互相影响：a、环境O2浓度低，使燃烧直径增加b、燃烧直径增加，对油滴加热减小，蒸发减慢，使燃烧直径减小。•反之亦然。23ZhejiangUniversity二、影响重油燃烧的各种因素§7-2液体燃料滴的燃烧风速的影响3•实际情况：自然对流原因，会出现燃烧球面变形；•有风速时：或油滴与气流有相对运动时，油滴迎风面上，油气边界层开始变薄；•被吹至油滴尾部并出现有回流区，一般回流区长度为油滴直径的1.2~1.3倍；•风速高时：油滴没有火焰，而在油滴后不远处存在火焰；•氧浓度越低，越易出现这种现象。24ZhejiangUniversity图5-7相对速度和温度对燃烧速度的影响§7-2液体燃料滴的燃烧25临界风速时：油滴的蒸发速度出现一个临界拐点；此时火焰离开油滴，油滴温度下降3风速的影响二、影响重油燃烧的各种因素ZhejiangUniversity二、影响重油燃烧的各种因素相对速度01101001000K0.150.20.320.671500K0.280.350.500.97重油蒸发速度常数1/K毫米2/秒2000K0.370.450.611.12§7-2液体燃料滴的燃烧26从表中可见：温度对油滴蒸发速度的影响也是很明显的ZhejiangUniversity图5-8温度、液滴径、氧浓度对火焰临界中断速度ωcr的影响27说明：此处的速度均指油滴与气流的相对速度ZhejiangUniversity二、影响重油燃烧的各种因素燃料中碳氢比例(C/H)愈大，在炉内产生的碳黑愈多；燃料的粘度愈小，雾化的颗粒度越细，燃烧越完全。若重油粘度太高，可用加热办法来降低粘度；应该指出，出现碳黑烟囱冒黑烟，其危害在于“产生污染”，对燃烧热损失并不严重。燃料的特性4§7-2液体燃料滴的燃烧28ZhejiangUniversity二、影响重油燃烧的各种因素采用蒸汽雾化，汽耗率一般均为2%以上，增加部分水蒸汽对燃烧是否有好处?目前还未有肯定的结论，一般认为加入部分水蒸汽可以使重油火炬中碳黑减少，火炬变短，其反应可能如下:22HCOOHC特别是低氧燃烧，容易出现炭黑时，采用蒸汽雾化有一定好处，其蒸汽雾化细度往往较机械雾化为优，较易适应于低氧燃烧。5蒸汽雾化的影响§7-2液体燃料滴的燃烧29ZhejiangUniversity二、影响重油燃烧的各种因素重油中加水的目的A.使炉子有适应低氧燃烧B.提高燃烧效率,节省燃油C.减少污染并不是所有加水燃烧的炉子都能同时满足上述三个目的，目前的实践方向往往主要针对一个目的进行。6重油加水的影响§7-2液体燃料滴的燃烧30ZhejiangUniversity二、影响重油燃烧的各种因素重油中加入乳化水（一种粒径极微的液滴群）；高温下，水分急剧蒸发：a：油滴爆裂，二次雾化；b：蒸发吸热，减缓油滴升温，延迟着火（给O2混合时间）；有利减少炭黑，提高燃烧效率；但水不能燃烧，会影响热效率；重油加水的影响6§7-2液体燃料滴的燃烧31ZhejiangUniversity§7-1液体燃料的特性§7-2液体燃料滴的燃烧§7-3相对静止液滴蒸发和燃烧§7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧§7-5油雾火炬的燃烧过程教学内容12341532ZhejiangUniversity一、相对静止液滴蒸发和燃烧§7-3相对静止液滴蒸发和燃烧在理想化的情况下：图5-3油滴燃烧模型33氧浓度曲线ZhejiangUniversity二、油滴在静止气流中的蒸发参数A.燃烧的速度B.火焰的位置C.火焰的温度最重要的参数取决于蒸发速度k(蒸发常数)蒸发常数k可由已被实验证实的表达式来确定ktdds22§7-3相对静止液滴蒸发和燃烧34（5-9）考虑油滴的蒸发与燃烧，着重关注ZhejiangUniversity预备知识油滴在静止气流中的低温蒸发油滴在静止气流中的燃烧油滴在气流作用下的扩散蒸发油滴在气流作用下的扩散燃烧实际情况的对比12341535油滴燃烧模型的渐进层级6由于油滴燃烧模型分布在2节内讲特意增加这张层级表同学们在内容把握上会跟不上节奏ZhejiangUniversity三、预备知识§7-3相对静止液滴蒸发和燃烧36油燃烧雾化成雾滴雾滴受热汽化雾滴汽化平衡温度水、液、油混用本讲中123蒸发多用水、液燃烧多用油主要讲解物理概念数学推导由学生课后自学油滴燃烧气相！！发生在ZhejiangUniversity预备知识油滴在静止气流中的低温蒸发油滴在静止气流中的燃烧油滴在气流作用下的扩散蒸发油滴在气流作用下