250T轉(zhuǎn)爐LT系統(tǒng)雙流量進(jìn)口噴嘴與國產(chǎn)噴嘴性能分析

劉加

摘 要：對寶鋼二煉鋼LT蒸發(fā)冷卻器氣、水兩相噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，對進(jìn)口噴嘴和國產(chǎn)化噴嘴性能進(jìn)行測試分析比較，包括流量特性、汽耗率、霧化角、顆粒度，為國產(chǎn)噴嘴的上機(jī)使用提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：噴嘴；霧化；流量特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.001

0 前言

寶鋼煉鋼250T轉(zhuǎn)爐采用世界上先進(jìn)的LT干法除塵工藝，設(shè)備從奧鋼聯(lián)引進(jìn)。LT蒸發(fā)冷卻器靜電除塵系統(tǒng)雙流量噴嘴是轉(zhuǎn)爐除塵系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，轉(zhuǎn)爐吹煉產(chǎn)生煙氣，經(jīng)蒸發(fā)冷卻器時(shí)，通過噴槍及雙流量（水、氣）噴嘴，產(chǎn)生霧化和水氣，使轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的經(jīng)冷卻煙道冷卻后降至1000℃左右的煙氣，通過蒸發(fā)冷卻器后溫度降至180℃，且煙氣和塵粒保護(hù)干燥，這樣才能滿足后續(xù)電除塵工藝的要求。噴嘴的工作性能狀況，直接影響后道工序靜電除塵的效果，霧化冷卻效果不好，甚至可能導(dǎo)致靜電除塵電路板擊穿的嚴(yán)重問題。由于噴嘴工作環(huán)境惡劣損耗較大，為此，該噴嘴進(jìn)行了國產(chǎn)化研制，本文對引進(jìn)噴嘴與國產(chǎn)化噴嘴的性能進(jìn)行測試、分析、比較，為國產(chǎn)噴嘴使用提供性能依據(jù)。

1 噴嘴的結(jié)構(gòu)及霧化原理

250T轉(zhuǎn)爐LT蒸發(fā)冷卻器雙流量噴嘴（見圖1）在高溫條件下工作，雙流道設(shè)計(jì)，內(nèi)流道工作介質(zhì)通水，外流道工作介質(zhì)通蒸汽，內(nèi)流道壓力水流噴出后形成傘形水簾，經(jīng)外流道噴出的壓力蒸汽沖擊充分霧化。噴嘴設(shè)計(jì)形狀復(fù)雜，加工精度要求高，螺旋形的流道加工要光滑、對稱布置。四流道水流的混流室內(nèi)高度要控制在一定的范圍內(nèi)，水流按一定的圓錐角噴射。根據(jù)對現(xiàn)場使用工況的了解并對進(jìn)口備件的外形、結(jié)構(gòu)、性能分析，設(shè)計(jì)出國產(chǎn)備件的制造加工圖紙，并進(jìn)行備件的制作。

2 噴嘴性能參數(shù)測試條件及內(nèi)容

根據(jù)現(xiàn)有測試條件，測試噴嘴的冷態(tài)性能。試驗(yàn)介質(zhì)：水， 霧化介質(zhì)：壓縮空氣。根據(jù)噴嘴使用介質(zhì)的工作壓力、流量，確定流量特性及汽耗率測試的氣壓范圍0.1-0.6Mpa，水流量范圍1-5t/h。

測試項(xiàng)目：

A、流量特性（不同氣壓下，水流量與水壓的關(guān)系）

B、氣耗率（Kg氣/Kg水 %）及氣耗率特性（不同水壓下，氣耗率與氣壓的關(guān)系）

C、霧化角

D、霧化顆粒度分布

3 噴嘴流量特性測試分析

從噴嘴的氣壓、水壓及水流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在水流量一定的情況下，水壓隨氣壓變化的幅度很小，在水流量不變時(shí)，國產(chǎn)噴嘴氣壓變化引起的水壓最大偏差為0.0013MPa，而壓力表本身偏差為0.004 MPa?？梢哉J(rèn)為該偏差是由于壓力表的誤差引起的，根據(jù)數(shù)據(jù)處理原則可以不考慮這點(diǎn)數(shù)據(jù)的影響，既可以忽略氣壓對水流量的影響；進(jìn)口噴嘴氣壓變化引起的水壓最大偏差為0.0021 MPa，小于0.004 MPa，氣壓對水流量的影響也可忽略。

各噴嘴水壓與水流量的變化關(guān)系如圖2所示，由圖2可以看出在相同的流量下，國產(chǎn)噴嘴的水壓比進(jìn)口噴嘴的水壓大；在相同的水壓下，國產(chǎn)噴嘴的水流量比進(jìn)口噴嘴的水流量小，且隨著水壓增加而流量差逐漸增大。從圖中看出，開始流量受壓力變化影響大，隨后逐漸減弱。經(jīng)過曲線擬合分析，得到壓力與流量的近似公式如下：

表1列出了根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的K 和n值。K、n為常系數(shù).從上表數(shù)據(jù)可以看到試驗(yàn)中使用的各個(gè)噴嘴的指數(shù)n均在0.5左右這與流體力學(xué)阻力公式是相符的說明試驗(yàn)數(shù)據(jù)是可靠的，系數(shù)K是流動(dòng)阻力系數(shù)的倒數(shù)，也稱為流導(dǎo)，該系數(shù)越大說明流動(dòng)阻力越小。由表1可見，進(jìn)口噴嘴K值較大說明其設(shè)計(jì)和加工比較合理，國產(chǎn)噴嘴已經(jīng)與進(jìn)口噴嘴非常接近，說明它們的設(shè)計(jì)和加工已比較合理。

4 噴嘴氣耗率特性測試分析

從噴嘴氣體流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，進(jìn)口噴嘴當(dāng)氣壓一定時(shí)，隨著水流量變化，氣體流量幾乎沒有變化，說明進(jìn)口噴嘴穩(wěn)定性好，加工質(zhì)量好；國產(chǎn)噴嘴的氣體流量也比較穩(wěn)定，尤其在高壓情況下，氣體流量非常穩(wěn)定，只是在低壓下略有波動(dòng)。氣壓一定時(shí)，氣體流量在水流量變化時(shí)最大相對偏差<1.5%，因此可以認(rèn)為氣體流量在氣壓一定的情況下為常數(shù)而與水流量無關(guān)。

噴嘴的霧化情況是與加入水中參與混合的氣體量有關(guān)的，因此在給定氣壓下氣體的質(zhì)量流量與水的質(zhì)量流量之比，即氣耗率是一個(gè)很重要的指標(biāo)，利用氣體狀態(tài)方程，可以將定溫狀態(tài)下的壓縮空氣換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣，進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)的空氣質(zhì)量流量，經(jīng)過推導(dǎo)得出氣耗率k的計(jì)算公式如下：

為了清楚了解氣耗率、氣壓及水壓的相互影響，在圖3給出氣壓為0.3Mpa時(shí)水流量與氣耗率關(guān)系特性圖。

在水壓一定的情況下，無論是國產(chǎn)噴嘴還是進(jìn)口噴嘴，氣耗率隨氣壓增加而增加，根據(jù)測試數(shù)據(jù)情況，氣耗率與氣壓體現(xiàn)出線性關(guān)系。

在氣壓一定的情況下，無論是國產(chǎn)噴嘴還是進(jìn)口噴嘴，氣耗率隨水壓增加而減少；當(dāng)水壓較小時(shí)，氣耗率受水壓變化的影響較大，當(dāng)水壓較大時(shí)，這種影響減小。

在整個(gè)試驗(yàn)范圍內(nèi)，國產(chǎn)噴嘴的氣耗率均較進(jìn)口噴嘴低，說明該噴嘴的設(shè)計(jì)和加工達(dá)到了較高的水準(zhǔn)。

5 噴嘴霧化角特性測試分析

根據(jù)測試數(shù)據(jù)繪出在氣壓、水流量、條件霧化角關(guān)系性能圖見圖4、圖5，分析上圖可知：在氣壓為0MPa下，進(jìn)口噴嘴輪廓角從93.8°變化到100.1°，國產(chǎn)噴嘴輪廓角從91.2°變化到102.4°與他們的理論設(shè)計(jì)霧化角100°相比較，進(jìn)口噴嘴輪廓角跳動(dòng)量比國產(chǎn)噴嘴的稍小。

在氣壓一定下，霧化角隨水流量增加而變大。氣壓為0.1MPa時(shí)， 進(jìn)口噴嘴霧化角從38.9°變化到88.9°；國產(chǎn)噴嘴霧化角從36.4°變化到80.5°。

在水流量一定下，霧化角隨氣壓增加而減小。流量為3.5t/h時(shí)；進(jìn)口噴嘴霧化角從88.9°變化到44.7°；國產(chǎn)噴嘴霧化角從80.5°變化到41.5°。

在氣壓較大的條件下，進(jìn)口、國產(chǎn)噴嘴的霧化角曲線趨于直線，國產(chǎn)噴嘴霧化角的性能已與進(jìn)口噴嘴很接近，在氣壓較高時(shí)的表現(xiàn)非常穩(wěn)定。

6 顆粒度分布情況

顆粒度分布滿足Rosin-Ramnler分布

R=100exp[-（di/dm）N]%

式中：R—直徑小于di的液滴質(zhì)量占取樣總量的百分?jǐn)?shù)；

di—液滴直徑，μm；

dm—分布系數(shù)；

N—均勻性指數(shù)；

dm、N為試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)

從顆粒度測量結(jié)果分析可知：

A、進(jìn)口噴嘴均勻性指數(shù)N在1.09—1.18之間，國產(chǎn)噴嘴均勻性指數(shù)N在1.09—1.21之間變動(dòng)，不論是進(jìn)口噴嘴還是國產(chǎn)噴嘴，均勻性指數(shù)N跳動(dòng)小。

B、均勻性指數(shù)N幾乎不受水流量和氣壓的影響。

C、在氣壓較低情況下，進(jìn)口噴嘴的霧化較好，其變動(dòng)量也較小，國產(chǎn)噴嘴在整個(gè)試驗(yàn)范圍內(nèi)其霧化效果已與進(jìn)口噴嘴非常接近。

7 結(jié)論

（1）噴嘴的氣體與水狀態(tài)參數(shù)彼此無影響。

（2）進(jìn)口噴嘴及國產(chǎn)噴嘴的流量與水壓P0.5成正比；但進(jìn)口噴嘴的流導(dǎo)大，流動(dòng)阻力較小，因此進(jìn)口噴嘴的流量特性比國產(chǎn)噴嘴稍好。

（3）霧化角受氣體參數(shù)與水參數(shù)交叉影響，在水壓一定的情況下， 霧化角隨氣壓增加而減少；在氣壓一定的情況下， 霧化角隨水壓增加而增加；進(jìn)口噴嘴輪廓角跳動(dòng)量比國產(chǎn)噴嘴的小。

（4）無論國產(chǎn)噴嘴還是進(jìn)口噴嘴，均勻性指數(shù)N在1.09—1.21之間變動(dòng)，均勻性指數(shù)N幾乎不受水流量和氣壓的影響。國產(chǎn)噴嘴在整個(gè)試驗(yàn)范圍內(nèi)其霧化效果已與進(jìn)口噴嘴非常接近，說明其設(shè)計(jì)和加工水平已與進(jìn)口噴嘴相當(dāng)。實(shí)際使用證明國產(chǎn)噴嘴滿足生產(chǎn)要求。

參考資料：

[1]劉穎昊.寶鋼二煉鋼LT系統(tǒng)噴嘴霧化特性試驗(yàn)研究[J].寶鋼技術(shù)，2003（01）.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.第四版， 2002.

[3]方立軍.壓力式噴嘴霧化性能試驗(yàn)研究[J].熱能動(dòng)力工程.第25卷第2期，2010（03）.

[4]趙宇生.帶鋼鍍后氣霧冷卻噴嘴霧化性能的試驗(yàn)研究[J].寶鋼技術(shù)，2009（02）.

[5]劉聯(lián)勝.氣泡霧化噴嘴流量特性的試驗(yàn)研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù). 第5卷，1999（03）.