（机械工程专业论文）对重质油雾化燃烧关键技术的研究.pdf

at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fe n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：g u on i n g - n i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rq i ux i n g q i j u l y , 2 0 1 1 c o l l e g eo fm e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) i il ll fu 1 0 4 0 取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以 标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人 或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说 明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：聋童士 日期：矿年岁月27 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部 门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文 被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：奎童乏 指导教师签名： 日期：衫年 日期：矿年 岁月声7 日 多月乒7 日 摘要 论文针对重( 渣) 油粘度大，难以雾化的特点，并结合我国自产高粘性劣质燃 油的特性，通过对不同雾化技术的研究，最后选择以水蒸气式气泡雾化作为研究 对象。关于气泡雾化，通过对气液两相流流场的变化，对稳定气泡流的形成的条 件以及影响最终雾化效果的因素进行分析，得出以下结论：a l r 0 0 0 6 后，气泡 流发生流型转变，雾化质量开始变差；气泡雾化中燃油粘度对最终直径s m d 没 有太大影响；对现有数据整理拟合初步得出了a l r 与s m d 之间的关系式；在实 验室条件下得出了一些能够达到比较理想气泡雾化效果的结构参数等。通过对燃 烧初期爆破过程的能量与相变进行数学分析，初步得出了油滴半径r 。与t ，g 的 关系；y f ，s 与y f s ，y w ，s - 与y w , s 的关系；油滴微爆瞬间水蒸气的含量以及油滴破 碎的最终直径估算方程。虽然这些方程由于时间关系并没有经过现场考证，但是 对今后的实验以及生产还是具有一定的指导意义。 关键字：气泡雾化，重( 渣) 油，燃烧 r e s e a r c ho nc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yo f h e a v yo i l g u on i n g n i n g ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f q i ux i n gq i a b s t r a c t t h ep a p e rc o n c e r n st h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f i c u l ta t o m i z a t i o na n dh i g hv i s - c o s i t y i n h e a v yo i l ，c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o o rq u a l i t yo ff u e l w i t hh i g hv i s c o s i t yp r o d u c e db yo u rc o u n t r y , f i n a l l yc h o o s et h e s t e a ma t o m i z e - n gc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yb u b b l ea st h eo b j e c tt os t u d yt h o u g ht h ec o m p a r i s o n o fd i f f e r e n ta t o m i z a t i o nt e c h n o l o g y f o re f f e r v e s c e n ta t o m i z a t i o nt e c h n o l o g y , w ea l l a l y s i st h ec h a n g ei ni t s t w o p h a s ef l o wa n ds t u d yt h ec o n d i t i o ni nf o r m a t i n gt h es t a b l e b u b b l ef l o wa n d t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ef i n a la t o m i z a t i o n ，t h e nw eg e tt h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n s ：w h e n a l r 0 0 0 6 ，b u b b l ef l o wo c c u l t sf l o wp a t t e r nt r a n s i t i o na n da t o m i z a t i o nq u a l i t y b e g i n st od e t e r i o r a t e ；f u e l v i s c o s i t yo fe f f e r v e s c e n ta t o m i z a t i o nh a sl i t t l e i m p a c to nt h ef i n a ld i a m e t e ro f s m d ；f i t t i n go fe x i s t i n gd a t a p r o c e s s i n g , w ei n i t i a l l yo b t a i n e dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ea l r a n ds m d ；a c h i e v e ds o m eo ft h e m o r ei d e a l s t r u c t u r eo ft h eb u b b l ep a r a m e t e r so fa t o m i z a t i o nu n d e rl a b o r a t o r y c o n d i t i o n s b yt h e e n e r g ya n dm a t h e m a t i c a la n a l y s i so fb a s t i n ga n dc o m b u s t i o n p r o c e s s ，w ei n i t i a l l yg e tt h ed r o p l e tr a d i u sr e l a t i o n s h i pa m o n g r ，ta n dg ；t h e r e l a t i o n s h i po f y f , sa n d y f s ，y w , s a n dy w , s ；f i n a l l y , w a t e rv a p o rc o n t e n to f d r o p l e t si n m i c r o e x p l o s i o nm o m e n ta n d t h ef i n a ld i a m e t e ro fb r o k e no i ld r o p l e t se s t i m a t e t h ee q u a t i o n a l t h o u g ht h e s ee q u a t i o n sa r e w i t h o u tr e a lr e s e a r c hb e c a u s eo ft h et i m e ，i ts t i l lh a ss o m es i g n i f i c a n c et ot h ef u t u r ee - x p e r i m e n t sa n dp r o d u c t i o n s k e yw o r d s ：e f f e r v e s c e n ta t o m i z a t i o n h e a v y ( r e s i d u a l ) o i l c o m b u s t i o n ：、 j 目录 第一章绪论1 1 1 背景1 1 2 研究内容2 1 3 研究现状2 1 3 1 重质燃油的燃烧2 1 3 2 介质雾化喷嘴的分类6 1 3 3 两相泡状流相分布的研究7 1 4 研究方法和技术路线7 第二章雾化方式的选择9 2 1 空气助力雾化喷嘴。9 2 1 1 外混式雾化喷嘴9 2 2 2 内混式雾化喷嘴1 0 2 2 喷气雾化喷嘴1 3 2 3 气泡雾化喷嘴1 4 2 4 我国重质燃料油( 包括渣油) 的特点1 7 第三章雾化过程分析2 1 3 1 两相流流场的变换2 1 3 1 1 两相流流场2 1 3 1 2 流场的分类2 1 3 2 气泡流的形成2 2 3 2 1 气泡流的形成2 2 3 2 2 几何尺寸对两相流的影响。2 3 3 3 雾化粒径及其分布规律的影响因素2 6 3 3 1 喷孔内部几何尺寸的影响2 6 3 3 2 操作参数的影响2 9 3 3 3 粘度的影响3 2 4 5 小结5 0 结论。5 1 总结5 1 展望5 2 参考文献5 3 攻读硕士学位期间取得的学术成果5 6 致谢。5 7 中国石油大学华东) 工程硕十学位论文 第一章绪论 1 1 背景 近年来，随着产业结构的调整及人们环保意识的不断增强，燃油锅炉的节能与环 保越来越受到人们的广泛重视【1 1 。一方面，由于常规能源( 煤、石油、天然气) 的过量开 采，石油、天然气等常规能源的储量大幅度削减，可供开采的时间也不断减少，能源危 机已经成全球关注的问题，节约能源刻不容缓；另一方面，各类大型燃烧设施排放的碳 氢化合物、碳氧化合物、氮氧化合物等有害物质也在对人类的健康和自然界造成着不可 逆转的破坏【4 1 。鉴于以上两个原因，燃烧领域的科研人员进行了大量研究工作，其中的 一个方向就是对重油、渣油等现阶段大规模使用的重质燃油的研究，寻求降低污染提高 燃烧效率的方法。据估计目前世界上重油的储量可能高达6 万亿吨，发展潜力巨大，将 是二十一世纪的重要能源1 5 1 。因此，对重质燃油燃烧设备及相关理论的研究，对我国工 业和经济的可持续发展，具有重要的意义。 现有的重油燃烧技术，存在很多难题，其中由于重油粘度大引起的雾化困难，一直 是制约重油燃烧技术推广的主要因素。对雾化效果好坏的衡量，最终的喷雾粒子直径 s m d ( 索泰尔直径) 是主要的参数。许多研究表明，气液质量比越且能够直接导致s m d ( 索 泰尔直径) 发生变化，但两者之间并非简单的线性关系。一些学者对喷射压力对s m d ( 索 泰尔直径) 分布进行了研究，通过对大量雾化场的比较，s m d 分布均匀度指数n 一般为 1 8 - 3 5 ；l e f e b v r e 在早期的实验中发现两相流型为塞状流时，a l r 与指数1 3 是成反比 的；而r o e s l e r 与l e f e b v r e ，w h i t l o w 以及c h e n 等一系列针对泡状流动的实验发现i i 保 持不变，与a l r 的变化无关【1 1 】： 重油的粘度较大，一般在9 0 时其粘度高达1 5 0 e 以上。国内外一般把重质油加热 到1 2 0 0 ，才能使其达到较理想的雾化效果。对于这种类型的燃料，多数推荐使用介质( 气 动) 雾化。 历史上，气液雾化早于机械雾化出现。但气液雾化的气耗大而影响了它的使用。近 年来，气液雾化又重新得到广泛的应用，一方面是由于发展低氧燃烧，要求更高的雾化 质量；另一方面，随着锅炉容量的增大，要求有更大容量的处理方式。此时若采用机械 第一章绪论 雾化，则必须采用很高的油压，对供油系统的制造和维护带来很大的困难，而气液雾化 不需要很高的油压。另外，由于结构不断完善，新型气液雾化技术的汽耗率可以降得很 低。在我国，随着燃烧技术的发展，气液雾化技术逐渐引起普遍的重视【6 】。 本论文拟结合我国自有重质油的特点对气液雾化的不同方法进行比较，确定一种较 为适合我国现状的雾化方式。并对雾化过程中的影响因素进行分析，寻找最终直径s m d 与剐氓之间的关系。并对燃烧初期两相之间能量的变化进行理论和数学分析，来确定 不同参数之间的关系，以期对重质油燃烧的工程应用提供一定的理论支撑。 1 2 研究内容 结合我国现在气液雾化的使用现状，本文针对影响雾化效果的各个因素进行研究， 具体包括以下几个方面： ( 1 )气液雾化方式的选择 通过对相关文献的查阅，气液雾化主要包括气动雾化和气泡雾化两种主要形式。 通过对其性质和使用条件进行对比，并结合我国自有重质油的性质选择一种最 为适合实际生产的方式。 ( 2 )雾化过程分析 对气液两相流流场的变化情况，影响气泡流形成的因素，以及影响最终雾化效 果的因素进行分析，寻找气液比在其中起到的作用。 ( 3 )燃烧过程分析 。 对液滴燃烧初期，微爆发生的瞬间能量的变化，边界条件的变化以及热值的变 化进行分析，来确定一些参数之间的关系。 1 3 研究现状 重质油的研究随着环保意识的增强和能源危机的加剧越来越受到人们的重视。而对 重质燃油的雾化技术的研究也应运而生，主要集中于如下诸方面。 1 3 1 重质燃油的燃烧 图1 1 是油在储罐上表面燃烧的示意图。在油罐上方，油的蒸气与空气相互混合， 2 等于燃烧 因此，火焰对液体表面的热辐射强度、燃料的温度、比热和蒸发潜热直接决定了液 体燃料在它的自由液面上的燃烧速率。火焰的热辐射强度是由燃料的物理化学性质决定 的，对于给定的一种燃料可以看作是一个常数，并且表面上的燃烧速率对于给定的一种 液体燃料它的变化很小。因此为了提高燃烧效率，增加燃料与空气接触的表面积是必须 的。 由于重油的流动性差，在燃烧时，油滴整体被包围在火焰内部，被剧烈加热，在贫 氧条件下，重油会遇热分解成油焦。进而形成密闭的焦壳，焦壳又进一步阻碍了内部重 油的蒸发，而温度的上升，更促进了焦壳的形成。焦壳内部重油受热产生的蒸汽，使内 部压力升高，膨胀到一定极限后，焦壳破裂，这时气态以及部分液态油喷出。气态和液 态的油首先燃烧完毕，剩余的焦壳再继续燃烧。 图1 2 显示了重油油滴在整个燃烧过程中相对直径d d o 的变化情况( d o 是油滴的初 直径) ，其中还包括油滴温度的变化。由图1 2 可见，初始油滴直径变化较为平缓，而油 滴温度仍然不断升高，这说明形成了焦壳。在焦壳破裂后，直径迅速减小i 引。 3 大量理论和实验研究证明，油滴完全燃烧所需要的时间与它直径的平方成正比，即 】2 t = 詈 ( 1 - 1 ) 虽然重质油和轻质油的燃烧特性有较大区别，不过经过实验得出，重质油液体部分 的燃烧特性与轻质油还是有许多相似之处的。而焦粒作为固体，它的燃烧情况和煤粉相 接近，燃烧速度相对与油滴要慢得多。相关试验还得出：在7 0 0 c 时，才能发现焦粒的 燃烧速度，温度继续上升，燃烧速度迅速提高，完全燃烧所需的时间也与d j 成正比。式 ( 1 - 1 ) q 舭例常数k 在8 0 0 c 时的取值为o 1 2m m z s ，在8 9 0 c 时上升到o 2 5m m 2 s 。 可以看出，由于固体焦粒的存在，油滴完全燃烧的时间明显变长。并且，为了保证完全 燃烧，尾焰部分要保持足够高的温度和氧气供应量。 在现实生产过程中，液体状态的油是无法直接参与燃烧的，只有受热挥发成油气才 能参与燃烧。而所有液体燃料它在表面的挥发速率是基本相同的。因此，为了提高燃烧 效率，必须提高燃油与空气接触的表面积。而这也是在所有燃油锅炉中，总是将燃油雾 化性能作为一个重要指标的原因。各种研究和实际生产均证明，提高燃油的雾化效果， 是获得更高燃烧效果和性能的先决条件。 燃油的雾化过程较为复杂，并且由于喷嘴结构的不同雾化的方式也具有多样性，但 4 中国石油大学 华东) 下程硕二亡学位论文 就其本质来说是基本一致的：即当外界能量所做的功大于分子间的作用力( 包括分子间 作用力和表面张力) 时，油滴发生碎裂。这主要是依靠雾化器中的燃油流动形态的多样 性，能量介质加入的不同方式，以及燃油自身的性质和周围的燃烧环境而形成的。这一 过程主要涉及到的有主燃油的射流碎裂、二次碎裂和液滴间的相互碰撞等。 燃油的整个雾化过程根据对雾化机理的了解，整个过程大致是按以下几个阶段进行 的【1 0 】( 如图1 3 ) ： ( 1 ) 液体由喷嘴流出时产生薄幕或流股； ( 2 ) 由于流体的初始紊流形态和周围空气对流股的影响，使流股表面产生曲状波动； ( 3 ) 由于周围空气压力的作用，流股转变成薄膜； ( 4 ) 依靠自身表面张力的作用，薄膜分裂成颗粒； ( 5 ) 颗粒发生二次破裂； ( 6 ) 颗粒由于相互碰撞再次聚合。 o 三8 - 图1 - 3 雾化过程不意图 f i g l - 3a t o m i z a t i o np r o c e s ss k e t c hm a p 通过以上几个阶段可以看出，液体的雾化是一个相当复杂的物理过程。在雾化的各 个阶段里，包括液体的流出和薄膜化，以及克服表面张力进而形成小液滴都是靠消耗能 量来完成的。只有通过外界物质对体系做功，才能保证液体顺利雾化。根据所消耗的外 界能量的不同来源，可以把雾化方法大致分为两大类： ( 1 ) 、介质雾化：主要靠外界附加介质的能量促使燃油雾化。这种介质也就是我们所 说的“雾化剂”。比较常用雾化剂主要是空气或蒸汽，少数情况下也有用煤气或燃烧后产 生的尾气。 ( 2 ) 、机械雾化：主要是通过对液体本身加压，使液体以极高的速度喷入相对静止的 5 = 第一章绪论 空气中，或是油流高速旋转来加强搅动，使油得到雾化。 尽管雾化的方式各有不同，但它们的雾化过程都会包含在上述的六个阶段中，只是 各个阶段在不同的雾化方式中所占的比例和地位有所不同。例如，在常见的气动雾化过 程中，作为雾化剂的气体以极高的速度和质量喷出，当与燃料油相遇时，气体便会对油 表面产生冲击和剪切作用。当这个作用力超过燃料油的内力( 表面张力和粘性力) 时，燃 料油雾化效果产生。整个雾化过程，将持续到内力与外力达到平衡，才会停止。 在机械式( 油压式) 雾化过程中，燃油以极高的压力从喷孔中喷出。这时，燃油流股 将产生强烈的自激震荡。并且，油股与周围介质产生高速的相对运动，同时受到周围介 质的剪切和摩擦作用。油股强烈的自激震荡使它产生巨大的径向力和波浪式运动，加上 周边介质对它的剪切和摩擦作用，使得油股的连续性被破坏，从而分散成细小的油滴。 1 3 2 介质雾化喷嘴的分类 介质雾化喷嘴根据介质不同可分为蒸汽雾化喷嘴、空气雾化喷嘴，空气型较多，又 称作气动雾化喷嘴。根据气体与燃油混合位置不同，可分为内混式和外混式气动雾化喷 嘴。 气动雾化喷嘴的研究始于6 0 年代。这种喷嘴依靠一定压力的空气，形成高速气流， 使气体与燃油之间形成很高的相对速度，以达到雾化的目的。气动雾化喷嘴与机械雾化 相比，有很多优点：这种喷嘴即使在较低的工作压力下雾化效果也是非常明显的；对于 一些粘度较高的燃油，仍能产生良好的雾化效果；对不同工作情况的适用性也较为理想。 气动雾化喷嘴主要包括气体辅助雾化喷嘴、喷气雾化喷嘴和气泡雾化喷嘴几种形式。 气泡雾化喷嘴是一种新型的空气雾化喷嘴。( 图1 4 ) 上世纪八十年代后期，气泡雾化 技术由美国专家a h l e f e b v r e 提出。在这十多年间，中外学者认真研究甚至应用了该技 术。关于气泡雾化性能和雾化机理的实验及理论的文献很多。这些文献包括气泡雾化器 在汽轮机燃烧室、日常消费品、锅炉、内燃机和焚化炉等装置上的应用研究，包括对该 技术的评价【1 1 1 。 6 的工作最为全面和详细。他在实验中采用两种不同的气泡引入方式来观察气泡形状和气 泡运动方向，一种为“直接引入式 即气体通过插入在液体中的喷嘴进入主流流道，另 一种为“间接引入方式 ，气泡在流道外发生，由小直径导管捕捉到气泡后导入流体中。 由于在水平管中浮力的作用，管内的相分布，除沿水平管径外，沿其它直径的分布都是 不对称的，故由“直接引入方式 产生的长轴大于5 m m 的气泡，其气液交界面不稳定， 趋向管中心方向运动，长轴小于5 m m 的气泡趋向近壁区域运动，这些气泡称为“沿壁 面滑动的气泡 。而采用“间接引入方式产生气泡时，没有观察到有气泡接近壁面， 气液界面也没有明显的不稳定。基于上述观察结果，s e k o g u c h i 猜想泡状流中应该存在 一个区域，在此区域中，小气泡在近壁处聚集，相分布呈“近壁双峰”的情形。之后， 他们在不同径向位置测量了气泡尺寸分布，发现在出现“近壁双峰值”的相分布形态 时，近壁处的气泡平均尺寸小于管中心处的气泡平均尺寸。这证实了s e k o g u c h i 的猜想 是符合实际的。 1 4 研究方法和技术路线 本文以理论研究位置，并借助以前实验室的一些实验数据进行验证。具体研究路线 见下图： 7 第一章绪论 文献查阅，资料整理 上 选择合适的气液雾化我国自有重 方式油的特点 上 结合流场变化及雾化前 原有实验数 后液滴直径的变化，确 据整理 定a l r 与雾化效果的关 1r 对气泡雾化燃烧初期油 滴微爆阶段各参数进行 ( 1 ) 对气液雾化不同方式进行分析，通过对不同雾化方式的机理进行研究，并结合我 国自有重质油的性质，找出合适的雾化方式。 ( 2 ) 对雾化过程中影响雾化效果的各因素进行分析、确定。 ( 3 ) 根据燃烧理论和化工流体力学的知识，利用连续性方程、能量方程、状态方程以 及边界条件，对油滴燃烧初期这过程进行分析，确定各参数之间的关系。 8 空气助力喷嘴用高压气体介质做雾化剂，通常是压缩空气或蒸汽，也可以用氧气或 高压煤气( 如天然气) 等。在这种情况下，雾化剂喷出的速度相当大，可以接近音速，或 者当利用拉瓦尔管之后，可以达到超音速。 用压缩空气作雾化剂时，在注入喷嘴前压缩空气的压力一般为3 7 k g c m 2 ，雾化剂 用量一般为0 2 加6 k g k g 。用蒸汽作雾化剂时，会降低理论燃烧温度，且增加炉气中水 蒸气含量，使炉气中氧化能力增加。所以蒸汽的用量不宜过大，特别是对金属加热炉和 热处理炉，蒸汽过多会有害于加热质量。但是，一般条件下，蒸汽比压缩空气成本低， 且用量适当时对一般金属加热质量损害不大，所以蒸汽仍广泛作为雾化剂【1 2 l 。 根据高压气体的流出原理知道，高压气体绝热膨胀后，温度会降低，当它与油相遇 时，会将油的温度降低，从而使油的粘度变大而使雾化质量变坏。因此，空气助力喷嘴 最好采用温度较高的( 2 0 0 3 0 0 。c ) 过热蒸汽或压缩空气。 各种形式的空气助力喷嘴广泛应用于各个工业领域，高速气流在喷嘴内部或外部( 喷 口处) 与低速液体混合，极大的改善了液体的雾化。而根据混合位黄的不同，空气助力 喷嘴又可大致分为外混式和内混式两种。 2 1 1 外混式雾化喷嘴 外混式雾化喷嘴是利用0 3 。1 2 m p a 压力的蒸汽或压缩空气将油雾化的。从雾化喷 嘴喷出的气流具有很高的速度，高速气流撞击油流使它破碎。一般来说，如果喷嘴的结 构合理，运行参数适当，雾化的质量可以比机械雾化高。( 图2 1 ) 9 由于气压 ，它具有 较大的调节比，通常可到1 ：5 以上。如果结构合理，参数适当，他的雾化质量还是可以 的。它的缺点主要是汽耗量太大而影响经济性。同时由于气耗大而造成烟气中水蒸气含 量提高，引起锅炉尾部低温腐蚀或堵灰。 2 2 2 内混式雾化喷嘴 外混式雾化喷嘴的雾化剂从喷口喷出后，无论其为何种类型( 斜交型、旋流型或扩 张型) ，都是在雾化剂与燃料油开始接触的瞬间，也就是在距离喷嘴一定的距离内，燃 料油才有较好的雾化条件，这时的雾化效果才较好。但在过一段时间后，雾化剂压力降 到炉腔压力p o 后，仅有小的湍动，其雾化作用明显减弱，导致雾化过程长，燃烧火焰路 程长，火焰也较细长。而且雾化剂的能量瞬间损失大，所以雾化剂耗大。为了解决上述 不足，产生了内混式雾化喷嘴【1 2 1 。 图2 - 2 内混式雾化喷嘴 f i 9 2 - 2 i n t e r n a l m i x i n gi n j e c t o r 内混式雾化喷嘴，其油和雾化蒸汽同时从分流片进入一个具有一定压力的有限空间， 也就是混合室。由于雾化蒸汽降压而迅速膨胀，使从分流片小孔进入混合室的燃油受到 蒸汽的冲刷和横向脉冲作用，雾化成细小的雾滴。为了最大限度地利用蒸汽膨胀产生的 能量使燃料雾化，就需要蒸汽在喷入混合室时具有较高的速度，越接近临界速度，其雾 化效果越好。 】0 中国石油大学( 华东) t 程硕_ j ：学位论文 经雾化后的油气在混合室中与蒸汽分子经过湍流扩散，形成油、气混合物，并从外 喷头的喷口高速喷入炉膛，对粗油滴进行一次雾化，并形成伞形扩散锥，从而在炉内与 空气湍流混合，吸收炉内热量而达到着火温度，着火燃烧。 与外混式喷嘴相比，内混式喷嘴的油管喷嘴位于雾化器的内部。这样一来，可以防 止油喷嘴接受燃烧室来的辐射热量，不会导致油裂化而堵塞喷嘴。另外，更为重要的， 是雾化剂可以在较大一段距离内以高速与油相撞，从而可以改善雾化质量，而且油雾中 的油滴可以较为均匀的分布，有利于空气的混合，因此可以得到比外混式喷嘴较短的火 焰。 内混式雾化喷嘴，雾化剂与油流是在一个混合室内相遇的。实际上，在这里与其说 是被雾化，不如说是油的乳化，即实际上在混合室内形成的是油汽乳状液。混合室中 必须保持较高的压力，以使乳状液由喷口喷出时进一步雾化成细小的颗粒。混合室中的 压力与油压及雾化剂的压力有关，提高油压或雾化剂的压力均可增大混合室内的压力。 但是，在内混式喷嘴中，混合室压力对喷嘴能力是有影响的。根据流体力学公式，油的 流量为： 广一 b = p 。f ，2 9 ( p 油一p 混) y y 可以看出油的流量取决于油压p 油与混合室压力p 混之差。由于p 混是随雾化压力的 增强而增加，所以流量也就与雾化剂压力相关。一般雾化剂的压力高于油压，提高雾化 剂压力将会使油压相对减小，过分地提高雾化剂压力，将会使油无法流出，而造成所谓 “油封 现象。当然，如果采用过高的油压，也会使雾化剂无法流出，而导致油“倒流 到雾化剂管路中而造成事故。 第二章雾化方式的选择 流 量 公 斤 | 时 油 压 千 克 | 平 方 厘 米 霉化剂压力千克 平方厘米 图2 3 内混式油喷嘴的油压、雾化剂压力和喷嘴能力之间的关系曲线 f i 9 2 - 3t h er e l a t i o nb e t w e e ni n t e r n a l - m i x i n gi n j e c t o r s c a p a b i l i t ya n do i lp r e s s u r e 、a t o m i z i n g p r e s s u r e 空气助力喷嘴的缺点是需要一个附加的高压空气压缩机，这就限制了他在航空领域 的推广，但是在地面工业应用中并不是问题。空气助力的主要作用是改善低喷射压力、 低液体流量时的喷雾效果，在高喷射压力、高液体流量时停止加注高压空气，并不是在 雾化的整个过程中都需要空气助力。但对于某些始终处于低喷射压力，低液体流量的工 作环境，就需要在整个液体流量范围提供空气助力，此时需要强力的空气助力，单独的 内混或外混喷嘴就已经不能满足需要。这样，复合式空气助力喷嘴就应运而生。如图2 4 a ， 这种喷嘴设计了内外两条气道。液体呈螺旋进入涡流腔，在涡流腔中产生逆时针涡流， 并以环状液膜形式喷射；两路空气则均呈顺时针涡流进入涡流腔，内路气流首先撞击液 流，在喷嘴出口处外路气流再次撕裂液体。在图2 4 b 中，空气从侧面进入喷嘴，然后 分成两路气流。内路气流进入喷嘴中央的混合室与燃油混合，经喷嘴喷出；外路气流沿 切向喷射，形成涡流，在喷嘴出口处再次撞击燃油与内路气流的混合液体。复合式空气 助力雾化喷嘴增强了雾化效果，可应用于重油等高粘度液体的雾化。 1 2 2 2 喷气雾化喷嘴 喷气雾化喷嘴的工作原理与空气助力喷嘴几乎完全一致，两者都是借助于空气的动 能碎裂液体射流，使之成为液滴，区别在于使用的空气量和空气的流动速率不同。空气 助力雾化喷嘴的空气是通过压缩机或者高压气瓶供给，对于气压上限没有特殊的限制， 空气射流速度很高，其特点是以少量的空气高速冲击液体使之破碎；而喷气喷嘴的空气 流动速率相对较慢，通常最大为1 2 0 m s ，流动速率还取决于燃烧室内的气体压力。该喷 嘴的空气流量很大，以保证较好的雾化效果。雾化油滴随气流进入燃烧区，混合并燃烧。 喷气喷嘴与压力喷嘴相比有很多优点，特别是在高压燃烧系统的应用方面，能够在 较低的泵油压力下获得细小的雾化油滴。喷气喷嘴的空气流量大，与雾化油滴的混合充 分，形成完全燃烧的低亮度蓝色火焰，黑烟排放量极低。正因为有这些明显的优势，喷 气喷嘴被广泛应用到各个工业领域f 1 3 l 。 目前使用最多的喷气喷嘴是预膜喷嘴，燃油首先喷射呈连续的液膜，再在高速气流 的作用下碎裂成细小的液滴。图2 5 所示，就是一种预膜喷气喷嘴，燃油经环形喷口喷 出，形成环状液膜射流。设计两路空气气流，一路气流从喷嘴中央进入，经涡流发生器 的导流，形成旋转涡流，作用于环状液膜的内环表面；另一路气流环流在环状液膜的外 部，也以涡流的形式作用于环状液膜的外环表面。两股旋转气流在喷口外部同时作用于 液膜上，使之破碎，雾化，并输送至下部的燃烧区域。这种喷嘴的缺点是当气流速度低 时雾化质量较差。 1 3 状，并在离开喷嘴出口的瞬间，由于内外压差以及温度的升高而急剧膨胀，导致液体中 的气泡发生“微爆作用，将液体爆炸成更加微小的液滴，这种喷嘴被称为气泡喷嘴【1 3 l ， 如图2 - 6 所示： 其优点在于： ( 1 ) 、使用的气体介质很少，可在小气液比下( 小于1 5 ) 获得良好的雾化效果。 ( 2 ) 、气液体的喷射压力均较低 ( 3 ) 、喷空直径d 0 较大，可避免结焦阻塞。 ( 4 ) 、雾化质量受液体粘度的影响较小。 ( 5 ) 、黑烟排放少。 ( 6 ) 、工作可靠性高，易于保养，成本低廉。 。 1 4 n 9 2 - 6t y p i c a le f f e r v e s c e n ta t o m i z e r 气泡雾化这些优点已被开发应用于许多实际生产中。例如，在相同喷射压力下，因 为气泡雾化器能比传统雾化器喷出更细的雾滴，所以能降低内燃机的污染排放。较低的 喷射压力能减少附加损失，提高发动机效率。气泡雾化喷嘴在汽轮机燃烧室、日常消费 品、锅炉、内燃机和焚化炉等都得到了应用。 大多数工业锅炉使用压力旋流喷嘴。然而随着高级的碳氢燃料的减少，这些喷嘴将 被其它能够雾化非精炼油甚至重、渣油燃料的新型喷嘴取代。根据气泡雾化喷嘴对液体 粘性的变化不敏感，并且其喷孔比其它类型喷嘴的喷孔大的特点，s a n k a r 等人开发了一 种旋流式气泡雾化喷嘴，应用于工业和民用锅炉；l o c b k e r s 和e m p i e 设计了一种用来将 工业副产品制成黑色浆体( 黑色液体是包括各种成分的粘性流体，其中8 0 为固体悬浮 物) 喷入废热锅炉的气泡雾化喷嘴，用以满足锅炉最适宜的粒径需要( 2 3 m m 物质平均直 径) 。将高速相机拍到的喷雾图片与采用传统工业黑油雾化喷嘴( 雾化器v 型喷嘴) 的类似 图片作比较，发现离v 型喷嘴很近的地方显示为一种整体网状交织的液线结构，而离气 泡雾化喷嘴很近的地方显示为小得多的液体碎片和液滴。通过测试外液内气和外气内液 两种型式喷嘴的注气几何参数，他们发现第二种型式的几何参数产生的雾滴平均粒径更 小。当喷雾压力低于2 0 7 k p a 、a l r 低于5 时，气泡雾化器雾化的雾滴滴径小于5 p r o 。 据国外专家s d s o v a n i 1 7 1 报道，尽管每个人所设计的雾化器各不相同，但典型的气 泡雾化器长约1 0 0 m m ，直径约5 0 r a m ，混合室直径范围为5 - 2 5 m m ，喷孔直径在0 1 2 5 m m 之内。国内研究的气泡雾化器的混合室一般长为5 0 - 6 0 m m ，直径为2 0 - 2 5 m m ， 喷孔直径为0 5 - 3 r a m 。也有混合室直径6 5 m m ，长大于2 0 0 r a m 的喷嘴。国外一般开多 1 5 液体 通气管 气体， 喷射孔 喷嘴出口喷孔参揪圭室帛焙 ( a ) 夕 气内液；( b ) 外液内气 图2 - 7 典型气泡雾化喷嘴示意图 f i 9 2 7t y p i c a le f f e r v e s c e n ta t o m i z e rs c h e m a t i cd i a g r a m o ( a ) 小气泡 图2 - 8 气泡流示意图 大气泡 肺9 2 。8b u b b l ef l o ws c h e m a t i cd i a g r a m 气泡雾化喷嘴分为外气内液和外液内气两种模式，结构如图2 7 所示。国内外都对 这两种型式分别进行了研究。但是还没有人对两种不同结构形式的优劣进行详细比较。 国外文献只是凭经验指出：液体燃料流量较高时第一种形式性能较好；液体燃料流量较 低时第二种形式性能较好。国内研究的液体燃料流量较高，也认为第一种形式性能较好， 与国外意见一致。十年来国内外学者的实验表明：与其它常规机械式及气动式雾化器相 】6 中国石油人学华东) - 丁程硕 ：学位论文 比，气泡雾化器具有以下优点：喷射压力比其它类型雾化器低数倍；在给定的喷射压力 下，采用气泡雾化器得到的液雾滴直径比其他传统类型雾化器得到的小；气流量比其他 气动式雾化器小得多；相同流量下，气泡雾化器的喷孔较大，这样减少堵塞，方便加工 制造；由于气体掺在雾滴中，气泡雾化降低了污染排放：相对来说其平均雾滴滴径对液 体燃料的粘度不是很敏感，这说明在不影响性能的前提下单个气泡雾化器可以雾化各种 液体燃料；气泡雾化器的喷孔流速比传统雾化器的低得多，这样当液体燃料中有固体悬 浮物时减少了喷孔磨损；装置简单，粗糙，可信，不需维护，价格低廉。 气泡雾化器同其他的雾化器一样，也需要供应压缩空气。压缩空气的压力稍高于液 体压力，以便可以通过某种适当的方式由注气孔注入到液体中，并使两者在喷嘴混合室 内形成稳定的泡状两相流动，见图2 8 。在离开喷嘴出口极短的距离内，由于气泡内外 压差的剧烈变化，以及温度的升高，促使它急剧膨胀直至破裂，从而将包裹在其周围的 液膜进一步撕碎成更加细微的液雾颗粒。对于液体燃料，由于轻质油和重质油的粘度相 差很大，但是表面张力仍然在同一数量级内，由此可以得出气泡雾化对燃油粘度变化不 敏感。 据研究气泡雾化的专业人士报道【1 1 】，气动雾化与气泡雾化机理稍有不同：气动雾化 主要是靠克服液体的粘性力雾化，而气泡雾化主要是克服液体的表面张力达到雾化的目 的。液体粘性力的差别比较大，而表面张力的差别不大。因此气泡雾化喷嘴对液体的适 应性非常好，气液的表面张力相对粘性力较小，所以气泡雾化喷嘴所需能量也较小。 由于气泡雾化喷嘴具有强大的生命力，国内外都投入了大量人员研究该项技术。 2 4 我国重质燃料油( 包括渣油) 的特点 为了选择合适的气液雾化方式，对我国重质燃料油的使用指标及产品参数也进行了 一系列的了解和对比。表2 - i 、2 - 2 、2 - 3 列出了有关重质油的性质指橱1 3 1 。 1 7 第二章雾化方式的选择 表2 - 1 锅炉设计用代表性重油油质资料 t a b l e 2 - 1 t h ep r o p e r t yo fh e a v yo i lf o rb o i l e r s 名 m aa a rc a rh a ro a rs an a q n e t ，v , a密度粘度开口 凝 称 rrrr o e 闪点点 | | | ( k j k g 1( g c m 。1 )。e | ) 2 00 0 28 3 9 71 2 20 s 610 24 1 8 6 00 9 2 “1 01 0 01 3 03 6 026638 1 时 号 5 5 “ 重 9 5 油 1 01 00 0 58 2 51 2 51 9 1 1 0 4 4 0 6 0 0 0 9 2 1 08 0 1 2 0 2 5 05591 时 号 1 5 5 重 油 表2 - 2 重油性质指标 t a b l e 2 - 2t h ep r o p e r t yo fh e a v yo i l 项目重鎏壁兰 2 0 号6 0 号1 0 0 号2 0 0 号 粘度r 。e s o ) 不大于 5 o1 11 5 5 5 5 - 9 9 。e 舯 凝固点不高于 1 52 02 53 6 闪点( 开式) 不低于8 0 1 0 01 2 0 1 3 0 灰分( 质量分数) 不大于 0 3 o 30 3 0 3 水分( 质量分数) 不大于 1 0 1 5 2 o2 o 含硫量( 质量分数) 不大于1 01 52 03 0 机械杂质含量( 质量分数) 不大于1 52 02 52 5 由上述所列重质油可以看出，其共同的特点是：含碳量高，粘度大，有的重质油的 石蜡、胶质以及沥青含量较高。所以，重质油粘度较大，难以雾化，燃烧时易冒烟，并 在喷嘴和高温壁面处易结焦。 由于原油的产地和以及各炼厂的原油加工工艺不同，各种重油产品的性质也存在差 异。表2 3 列出了我国部分原油炼制的重质燃料油的资料。 1 8 中国石油大学( 华东 工程硕1 ：学位论文 表2 3 我国部分重质燃料油油质资料 i j m l e 2 - 3s o m eh e a v yo i l sp r o p e r t yo fo u r c o u n t r y 置棼蟹莹譬 嘎：锄簋 元景墨露雹爱赫铙麓西式麓置 名棼 l 地f r ， l 佃r 蕾瓦葺，咒季=： 置f i c e 熙幕洼穰曼蠡耋 驺：1 ：二50 】?口三了9 5 0麓3 3：争。翌守 i 车：9 l 一 l 毒镌 o 寒幕 童蒹童i i ；荟翳sn 。1 5l ，咒覆l 瓣：e ：l 辨：毒1 0 孽l ， ! 0 0均 必港景溶蠢毒船 嚣1 2 7a 悖墨t 咎l楚9 lj毒芝o - 3 芷覆夏 暑；雹互蟊兰 莨、：i l ：i如能量sh l 芷稍拿 l l 三以幕蕴藏藏未 豁：l l ，冀o ：9 囔l 竹 潞3 0 ：5 ：l ! = 髦嚣铝震兰藏； 耽：n ：0 ：19 懿1 3 1 5 想幕；骘三兰 孳。二l ：二5o r9 l 点：s ：垒二 暑 1 2 虬 l l 一摩篡溶妻三置茗 舱ll l l 驺 虻。5 ，5：辐9始o ； 必簿夏漕冀互墨；暑9l l 孽lo ，l s燃 t l ：三嬲：j 2 蔓!嚣 + ：】q i ：式幕凑笔三置； 5 sj ：，：三，o，：ls：】二够1 5 挣 三门覃碹锋三置窨能ll l 邻o ：l 9 4 9 1 0 1 蕃艇： 2 _ 3 9 唾： = 艺蜀靠嘴； 暑l ：9o 】辱9 1 4