[科普中国]-喷嘴点火

喷嘴点火是锅炉油燃烧器常用的点火方式。油燃烧器喷嘴的点火性能直接关系到锅炉的安全和经济运行，如果燃烧器喷嘴的点火性能不好，会延长点火时间，浪费燃油。多次不能点燃或不能快速过渡到良好燃烧状态 ，锅炉内积聚的油品爆燃会严重影响锅炉和操作人员的安全。1

油雾燃烧过程液体燃料在工业中的应用十分广泛，液体燃料在炉内的燃烧过程首先是将油进行雾化。雾化后的油颗粒在高 温下开始蒸发，产生油蒸汽。油蒸汽在缺氧情况下可被热解，而在与适量氧混合时可呈气相着火燃烧。液体状态的油颗粒在高温下可受热而裂解，裂解产物与氧混合可着火燃烧。

油雾化后生成的细小的颗粒群称为油雾。通常，它们呈喷流形式，即呈油雾炬形式进入燃烧室(或炉瞳)。所以实际上油并不是以单颗粒状态而是以油雾炬的形式进行燃烧 。显 然，油雾炬中的雾化、蒸发、热解、裂解、混 合、着火燃烧等各阶段之间互相关联，没有明显的区域界限。颗粒、温度、成份等分布在轴向和径向都是不均匀的。随着混合过程的完成，形成了油雾扩散火焰，沿轴向氧气的平均浓度逐渐降低，火焰平均温度逐渐升高。

雾化是提高燃烧效率的先决条件。雾化得越细，颗粒分布越均匀，便越可以加快蒸发、混合和燃烧的速度。蒸发和着火要求燃烧室有足够高的温度。宏观地讲，由于雾化及混合取决于流体动力学条件，因而便可以通过改变操作和结构参数来加以控制；而油的蒸发、热解、裂解则是在燃烧 室“自发”进行的，因而只能靠控制雾化和混合对其施加影响，而不直接对其控制。雾化过程是一个复杂的物理过程。根据雾化机理的研究，我们可以把雾化过程归结为油表面上的外力(冲击力、摩擦力) 和内力(粘性力、表面张力)相互作用的过程。外力大于内力时，油流即碎裂成小颗粒。由于沿喷流 射程上油的流速和雾化剂的流速都是逐渐减小的，因此外力越来越小；而当油颗粒变小后，表面能是增加的。所以外力与内力会在某点达到平衡，雾化过程亦即终止。

由以上分析可知，雾化过程要消耗能量。根据雾化过程消耗能量的来源，可把雾化方法分为不同的两大类，即：

（1）主要靠附加介质的能量使油雾化，这种附加介质称为“雾化剂”。通称为“介质雾化” 或 “ 两流体雾化”。 工业炉窑常用的高、低压蒸汽或空气雾化即属于此。

（2）主要靠油流本身的压力能以高速或旋流方式喷入空气中雾化。通称为压力式或机械雾化。锅炉中用的 离心式喷嘴雾化即属于此 。

雾化后的油雾与空气流的混合，和煤气与空气的混合一样，对燃烧过程具有重要作用。为了强化油的燃烧过程，必须特注意强化混合过程。 油 雾与空 气的混 合基本 上 是两 个射流的 混合 , 混合速度取 决于流体动 力学因素 。 因 此 , 可根据射流原理 , 凡是能 促进射流混合 的措施 均可用 来强 化油雾与空气的混合 。

除了雾化与混合之外，由于有加热、蒸发等吸热现象，因而还要求燃烧室有足够高的温度水平和能力较大的 点火热源(包括初始点火和连续点火)。

总之，雾化、混合、高温，可认为是油燃烧过程中的三大要素。2

燃烧器中喷嘴的性能1.喷嘴的基本功能喷嘴的基本功能是把燃油雾化成微小的液滴，并且使液滴按要求分布在一定雾化角度的横截面上。燃油雾化需要施加能量，燃烧器中该能量一般由电机驱动的齿轮泵以压力形式提供给喷嘴。压力能量不能直接破碎油，必须首先经喷嘴内 的切向斜槽把燃油的压能转化成速度能，燃油从斜槽中高速涌出至旋流室，建立起一个旋转流。旋流室中心设置出流孔口，孔口上将获得一定的旋转速度。如果旋转速度很高，就会在涡流中心产生一个空洞。

喷嘴的另一功能是计量燃料。在喷嘴前维持一个固定压力，那么喷嘴就会有一个固定的燃油喷射量。因此，为了适应不同负荷的加热需要，对喷嘴按不同流量和不同的雾化角度进行设计和标定，从而实现每一种特定规格的喷嘴能在一定的压力范围内，提供一定量的燃料。

显然，喷嘴的流量是由斜槽和孔口的几何尺寸决定的。同时，喷嘴的尺寸也决定雾化质量，尺寸越小，油膜越薄，雾化越好。

2.影响喷嘴运行工况的主要因素（1）压力。压力越大,雾化体内液滴的尺度就越小。

（2）相对密度，又称比重，是指相同温度下同体积 油样与同体积水的密度比。对于相同压力下同一喷嘴,使用相对密度大的燃油体积流量虽然比相对密度小的燃油的体积流量小，但由于它的能源密度大，因此燃烧器最终的功率也大。

（3）粘度。在一定的粘度范围内，小尺寸高压雾化喷嘴的流量系数随粘度的增加而增加。粘度对喷嘴流量的影响对于不同类型的喷嘴和不同的压力也有所变化，同样类型的喷嘴，粘度对大直径喷嘴的影响比小直径喷嘴的影响要小。压力越高，粘度对喷嘴的影响就越小。

（4）温度。燃油中的胶质物和沉淀物的形成速率随着温度的上升而增大，而且当燃油静止下来后喷嘴温度才达到最高，这更加促进了胶质物和沉淀物的产生。胶质物经过数次燃烧器开闭后最终积聚在喷嘴内，这时就开始影响喷嘴的流量和雾化形状。同时，喷嘴的斜槽里产生沉淀物也会发生堵塞，特别是在小尺寸喷嘴上。

（5）表面张力。表面张力是液体表面收缩至最小可能表面积的倾向力，表面张力抵抗任何将液体分离或改变液体形状的外力，当液体扩展、形成雾化体时，表面张力起着收复液膜前沿液滴的作用。

（6）沸点。高沸点范围的燃油燃烧时会产生长火焰，如果燃油的沸点非常高，则火焰中会出现碳颗粒穿过燃烧区域，不与火焰融合在一起的现象。如果这时没有大量的过剩空气，很难净化火焰。

3.影响喷嘴雾化质量的因素喷嘴是影响燃油燃烧器燃烧性能的关键设备之一。喷嘴设计和制造的好坏将直接决定是否能获得理想的雾化质量，合理使用才能保证高效、低噪声燃烧。

影响喷嘴雾化质量的主要指标是液滴尺寸。液滴尺寸越小，燃烧越容易实现高效、完全。

对于喷嘴来讲，同样压力下，喷嘴流量越小，液滴尺寸通常也越小；燃油的粘度越低，液滴尺寸越小；雾化角越大，液滴尺寸越小。出流孔口加工精细的喷嘴比加工粗糙的喷嘴产生的液滴尺寸要小，同 时增加喷嘴前燃油压力可降低液滴尺寸。3

影响喷嘴点火性能的因素1.助燃风量和雾化气压的影响对于一特定喷油量，雾化气压力在一定范围内才较易点燃，大于该范围上限雾炬不稳定，即使偶尔点燃，也极易脱火，或者会由于油流间断而熄火；小于此范围下限，油雾滴很大，助燃风束流作用减小，可 以看到油滴分散角度很大，偶尔出现火花飞溅现象，但很难点燃。因此，设计燃烧器点火程序时，要仔细研究喷嘴的点火特性，使点火过程在最佳助燃风量和最佳雾化气压条件下进行。

2.喷油量及燃料油粘度的影响减小燃油粘度会显著改善喷嘴的点火特性，提高炉膛温度对改善喷嘴点火性能有一定作用。1

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学