空氣助力式脫硫噴嘴噴霧特性試驗(yàn)

王韶暉，石振晶，白少林，雷 鳴，牛擁軍

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

濕法煙氣脫硫是現(xiàn)今燃煤電廠應(yīng)用最為廣泛的脫硫工藝[1-3]，脫硫噴嘴是其中的關(guān)鍵部件，噴嘴霧化性能優(yōu)劣對(duì)脫硫效率的影響舉足輕重。霧化粒徑作為脫硫噴嘴的一個(gè)重要霧化性能參數(shù)，一方面影響SO2在脫硫劑液滴中的擴(kuò)散吸收速率[4]，另一方面也關(guān)系到液滴是否會(huì)被煙氣大量攜帶而造成脫硫劑的損失和除霧器負(fù)擔(dān)的加重[5]。通常，脫硫噴嘴霧化粒徑在1 300～3 000 μm[6]。李蔭堂等[7]研究表明，在一定的煙氣流速下，合適的霧化粒徑范圍應(yīng)該在700～1 500 μm。因此，脫硫噴嘴的霧化粒徑有進(jìn)一步降低的需要。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于空氣助力改善霧化質(zhì)量有過很多研究，例如Ooms[8]在假設(shè)氣、液均為理想流體的情況下，提出了環(huán)狀液膜的穩(wěn)定性分析模型。Li和Shen等人[9-11]應(yīng)用線性穩(wěn)定性理論分析并通過試驗(yàn)研究，得出內(nèi)層氣流比外層氣流更能加劇液膜的不穩(wěn)定性，與單側(cè)氣流相比，雙側(cè)氣流更能提高霧化效果。曹建明等[12-14]通過理論分析和試驗(yàn)研究了可壓縮氣流對(duì)液膜破碎過程的促進(jìn)作用，指出高速氣流在噴嘴內(nèi)部或外部與低速液體混合，會(huì)極大地提升液體霧化效果。然而，空氣助力式噴嘴在燃油噴霧等領(lǐng)域研究眾多，在脫硫霧化方面的研究卻很少。劉定平和余海龍等[15-16]研發(fā)過1種內(nèi)置拉法爾氣體噴管的新型脫硫噴嘴，取得了良好的霧化效果，但是該噴嘴霧化粒徑過?。?50 μm以下），并不適用于脫硫工程。因此，有必要對(duì)空氣助力式脫硫噴嘴性能進(jìn)行深入研究。

本文根據(jù)空氣助力式噴嘴霧化機(jī)理，在脫硫工程常規(guī)空心錐旋流噴嘴的基礎(chǔ)上自行設(shè)計(jì)空氣助力式脫硫噴嘴，并對(duì)該型噴嘴的霧化性能展開試驗(yàn)研究，以期對(duì)空氣助力式噴嘴在脫硫工程上的推廣應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)。

1 噴霧試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)噴嘴

試驗(yàn)所用空氣助力式脫硫噴嘴由2部分構(gòu)成：一部分是前端空氣助力配氣結(jié)構(gòu)，另一部分為后端常規(guī)脫硫噴嘴。

前端空氣助力配氣結(jié)構(gòu)是在噴嘴液相來流管道上接入“L”形進(jìn)氣管。進(jìn)氣管的入口段與液相來流管道垂直，出口段與液相來流管道同軸平行。前端空氣助力配氣結(jié)構(gòu)共有2種，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 配氣結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the gas distribution structure

配氣結(jié)構(gòu)1進(jìn)氣管出口段末端與噴嘴入口平面對(duì)齊；配氣結(jié)構(gòu)2進(jìn)氣管出口段稍短，使該結(jié)構(gòu)具有更長的氣液混合距離。該前端空氣助力配氣結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：當(dāng)高速氣流接入低速液相管道，液相流體將被加速，液相流體以更高的動(dòng)能進(jìn)入旋轉(zhuǎn)室后噴出，有利于噴霧液滴的生成及破碎；其次氣液混合流體在脫硫噴嘴旋轉(zhuǎn)室內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣液兩相密度差較大，在離心力的作用下氣相流體從中剝離并作用在液相內(nèi)部，將增大噴嘴空心噴霧錐環(huán)狀液膜內(nèi)部的不穩(wěn)定性，同樣有助于噴嘴霧化。后端常規(guī)脫硫噴嘴是將脫硫工程中實(shí)際應(yīng)用的空心錐旋流噴嘴按1:4比例縮小制成。該噴嘴額定流量5 m3/h，額定壓力70 kPa，與配氣結(jié)構(gòu)通過螺紋連接，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該噴嘴與實(shí)際應(yīng)用的全尺寸脫硫噴嘴相比，額定壓力相同，額定流量約為后者的1/10，額定工況下二者霧化粒徑均在1 900 μm左右。由于相同壓力下霧化粒徑隨噴嘴幾何結(jié)構(gòu)尺寸變化幅度不大[17]，本文試驗(yàn)結(jié)果可為空氣助力噴霧在全尺寸脫硫噴嘴上的應(yīng)用提供參考。

圖2 常規(guī)脫硫噴嘴結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the conventional desulfurization nozzle structure

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試設(shè)備

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。試驗(yàn)采用清水為液相工質(zhì)，壓縮空氣為氣相工質(zhì)。壓縮空氣由1臺(tái)空氣壓縮機(jī)供給，依次通過減壓閥、渦街流量計(jì)、逆止閥、配氣結(jié)構(gòu)進(jìn)入噴嘴；清水從水箱經(jīng)水泵、逆止閥、電磁流量計(jì)，進(jìn)入噴嘴霧化；噴霧由收集平臺(tái)回收，最后匯入水箱。水箱頂部連接補(bǔ)水管、排氣管及溢流管，底部設(shè)放水閥。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of the experimental system

噴嘴液相體積流量采用電磁流量計(jì)測(cè)定，量程為0~162 000 m3/h，精度0.5級(jí)；氣相體積流量采用一體溫壓補(bǔ)償型渦街流量計(jì)測(cè)定，量程為8.5~70 m3/h，精度1.5級(jí)。氣液兩相壓力均采用壓力變送器測(cè)定，量程為0~500 kPa，精度2.5級(jí)。

噴嘴霧化粒徑由圖像粒度分析儀測(cè)量。該儀器屬于動(dòng)態(tài)圖像粒度分析設(shè)備，由測(cè)量部件、移動(dòng)導(dǎo)軌、型材框架組成。測(cè)量部件中部有窄縫，窄縫兩側(cè)相向布置CCD高速相機(jī)與LED光源。當(dāng)噴霧液滴從窄縫中間通過時(shí)，高速相機(jī)拍攝液滴的瞬時(shí)影像，同時(shí)將圖片數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)內(nèi)配套軟件將所得圖片進(jìn)行格式變換、灰度化、圖像增強(qiáng)等數(shù)字圖像處理，獲得粒子數(shù)目、像素面積等信息，將像素面積換算成等面積圓，再測(cè)量計(jì)算出液滴長度平均直徑、索太爾平均粒徑（SMD）及一系列粒徑分布信息。霧化液滴粒徑通常使用SMD描述：

式中，di為液滴長度直徑，Ni為長度直徑是di的液滴數(shù)量。

噴嘴噴霧角由計(jì)算機(jī)導(dǎo)入的相機(jī)拍攝照片通過圖片處理軟件直接測(cè)讀。相機(jī)采用單反數(shù)碼相機(jī)，總像素1 080萬，CCD傳感器。噴霧角測(cè)量時(shí)，試驗(yàn)相機(jī)放置于三角架上，鏡頭保持與噴嘴出口軸線平行，測(cè)量位置在正對(duì)噴嘴來流方向。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 噴嘴單相噴霧試驗(yàn)結(jié)果

為研究空氣助力式脫硫噴嘴前端配氣結(jié)構(gòu)對(duì)后端常規(guī)脫硫噴嘴噴霧性能的影響，首先以水為液相工質(zhì)進(jìn)行單相噴霧試驗(yàn)。本階段試驗(yàn)選在噴嘴額定流量上下一定范圍內(nèi)（3~8 m3/h）進(jìn)行。

2.1.1 壓力與流量的變化關(guān)系

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出單相噴霧的壓力隨流量的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 單相噴霧流量與壓力關(guān)系Fig.4 The relationship between the flow rate and the pressure of single-phase spray

由圖4可知：前端配氣結(jié)構(gòu)不同的3種噴嘴，隨著噴嘴流量的增加，其壓力均逐漸升高且升高幅度逐漸變大；相同流量下有配氣結(jié)構(gòu)的噴霧壓力比無配氣結(jié)構(gòu)略高。這是由于：空心錐旋流噴嘴的流量與壓力的平方根近似呈線性關(guān)系[6]，隨著流量增加，壓力增長會(huì)更快；配氣結(jié)構(gòu)氣相出口段占據(jù)了一定的液相管路體積，液相通流面積減小，流動(dòng)阻力增加引起壓力升高。而配氣結(jié)構(gòu)1由于進(jìn)氣管出口段較長，噴嘴壓力升高幅度更明顯些。

2.1.2 SMD與流量的變化關(guān)系

單相噴霧液滴SMD與流量的關(guān)系如圖5所示。從圖5可知，噴霧液滴SMD均隨著流量的增加而逐漸減小，但減小的趨勢(shì)逐漸趨于平緩，即便試驗(yàn)流量達(dá)到最大，噴霧液滴SMD最小值也均在1 600 μm以上。這說明單純依靠流量的增加來降低液滴粒徑的效果不明顯。還可以看出，增加配氣結(jié)構(gòu)后噴霧壓力升高，SMD略微降低。這是由于相同流量下，噴嘴壓力越高，壓力勢(shì)能最終轉(zhuǎn)化為動(dòng)能后噴嘴出口液滴速度越快，液滴的快速運(yùn)動(dòng)是引起破碎的有利條件，所以有配氣結(jié)構(gòu)的噴嘴噴霧液滴SMD較小。小液滴有更佳的穩(wěn)定性，再次發(fā)生破碎會(huì)更困難。從圖5中也可看出，隨著流量的增加，這種配氣結(jié)構(gòu)對(duì)粒徑的影響越小。

圖5 單相噴霧SMD與流量關(guān)系Fig.5 The relationship between the SMD and the flow rate of single-phase spray

2.1.3 噴霧角與流量的變化關(guān)系

單相噴霧噴霧角與流量的關(guān)系如圖6所示。從圖6中可知：在流量較小時(shí)，噴霧角均隨流量的增加而小幅增大；在流量達(dá)到6 m3/h以上，噴霧角基本保持穩(wěn)定；單相噴霧的噴霧角大小幾乎不受配氣結(jié)構(gòu)的影響。

可見，在無空氣助力液相噴霧條件下，配氣結(jié)構(gòu)對(duì)常規(guī)脫硫噴嘴各項(xiàng)噴霧性能整體影響不大。

圖6 單相噴霧噴霧角與流量關(guān)系Fig.6 The relationship between the spray angle and the flowrate of single-phase spray

2.2 噴嘴兩相噴霧試驗(yàn)結(jié)果

在兩相流噴霧試驗(yàn)中，氣液質(zhì)量比w是一個(gè)重要的參數(shù)，其計(jì)算式為

式中，Qai為噴嘴入口氣體的體積流量，ρa(bǔ)i為噴嘴入口氣體的密度，Qli為噴嘴入口液體的體積流量，ρli為噴嘴入口液體的密度。

試驗(yàn)中，氣液質(zhì)量比通過調(diào)節(jié)噴嘴入口氣液兩相體積流量實(shí)現(xiàn)。受空氣壓縮機(jī)排氣量限制，本文試驗(yàn)選擇在液相流量試驗(yàn)跨度較小的范圍內(nèi)進(jìn)行，即3~6 m3/h。

2.2.1 液相壓力與氣液兩相流量的變化關(guān)系

不同工況下液相壓力與氣液兩相流量的關(guān)系如圖7、圖8所示。從圖7、圖8中可以看出，同一氣相流量下，液相壓力隨著液相流量的增加而升高，這和單相噴霧試驗(yàn)中壓力與流量變化規(guī)律相同。由于本文試驗(yàn)液相流量跨度較小，液相壓力隨著液相流量近似呈線性關(guān)系。另外，在同一液相流量下，氣相流量的增加，也會(huì)引起液相壓力的升高。這是由于氣相工質(zhì)流量遞增不斷擠占液相工質(zhì)的通流空間，造成液相工質(zhì)流動(dòng)阻力增大，液相壓力升高。

結(jié)合圖7、圖8與圖4可知：在相同液相流量下，加入氣相工質(zhì)后，液相壓力明顯升高；采用配氣結(jié)構(gòu)2的噴嘴液相壓力升高幅度大于采用配氣結(jié)構(gòu)1的噴嘴。這是由于，配氣結(jié)構(gòu)2的氣相出口距離噴嘴出口更遠(yuǎn)，增加了氣相工質(zhì)與液相工質(zhì)的相互作用空間，氣相工質(zhì)從高壓管路進(jìn)入低壓管路后體積膨脹更多，擠占液相工質(zhì)通流空間更大，因此液相壓力升高更多。而配氣結(jié)構(gòu)1氣相出口離噴嘴出口很近，氣相工質(zhì)更容易直接從噴嘴出口流出，故而對(duì)液相壓力影響有限。

圖7 配氣結(jié)構(gòu)1兩相噴霧液相流量與壓力關(guān)系Fig.7 Changes of the liquid pressure with the flow rate of two-phase spray liquid phase in gas distribution structure 1

圖8 配氣結(jié)構(gòu)2兩相噴霧液相流量與壓力關(guān)系Fig.8 Changes of the liquid pressure with the flow rate of two-phase spray liquid phase in gas distribution structure 2

2.2.2 氣液質(zhì)量比w對(duì)SMD的影響

在選定的w調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，w對(duì)噴霧液滴SMD的影響如圖9、圖10所示。從圖中9、圖10可以看出：相較于w=0時(shí)的單相噴霧試驗(yàn)，加入氣相工質(zhì)的兩相噴霧試驗(yàn)液滴SMD明顯降低；當(dāng)w達(dá)到0.002以后，2種配氣結(jié)構(gòu)噴嘴的兩相噴霧液滴SMD均能降低到1 400 μm以下；在相同液相流量下，隨著w的升高，SMD逐漸降低，但SMD下降趨勢(shì)逐漸減緩。

圖9 配氣結(jié)構(gòu)1兩相噴霧SMD與氣液質(zhì)量比關(guān)系Fig.9 Changes of the SMD with the gas-liquid mass ratio of two-phase spray in gas distribution structure 1

圖10 配氣結(jié)構(gòu)2兩相噴霧SMD與氣液質(zhì)量比關(guān)系Fig.10 Changes of the SMD with the gas-liquid mass ratio of two-phase spray in gas distribution structure 2

結(jié)合圖9與圖10可知，在相同工況下，采用配氣結(jié)構(gòu)2的噴嘴比采用配氣結(jié)構(gòu)1的噴嘴噴霧液滴SMD低。這是由于采用配氣結(jié)構(gòu)2的噴嘴噴霧液相壓力相對(duì)較高（圖7、圖8）。這進(jìn)一步說明，噴嘴在相同流量下，噴霧壓力越高，霧化液滴粒徑越小。

2.2.3 液相流量對(duì)噴霧角的影響

兩相噴霧試驗(yàn)噴霧角與流量的關(guān)系如圖11、圖12所示。

圖11 配氣結(jié)構(gòu)1兩相噴霧噴霧角與液相流量關(guān)系Fig.11 Changes of the spray angle with the liquid phase flow of two-phase spray in gas distribution structure 1

圖12 配氣結(jié)構(gòu)2兩相噴霧噴霧角與液相流量關(guān)系Fig.12 Changes of the spray angle with the liquid phase flow of two-phase spray in gas distribution structure 2

由圖11、圖12可知，在相同w下，兩相噴霧試驗(yàn)噴霧角隨液相流量的變化規(guī)律與單相噴霧試驗(yàn)類似，即隨著液相流量的增加，噴霧角先小幅增長后保持穩(wěn)定。而在相同液相流量條件下，相比于單相噴霧試驗(yàn)，氣相工質(zhì)的引入使得噴嘴的噴霧角有大幅擴(kuò)大，擴(kuò)大幅度在20°左右。在此基礎(chǔ)上，隨著w的增加，噴霧角的上漲幅度并不明顯。采用配氣結(jié)構(gòu)1與配氣結(jié)構(gòu)2，噴嘴噴霧角變化規(guī)律沒有顯著差別。

3 結(jié) 論

1）空氣助力式脫硫噴嘴在不通入氣相工質(zhì)時(shí)，自行設(shè)計(jì)的配氣結(jié)構(gòu)對(duì)常規(guī)脫硫噴嘴液相噴霧的各項(xiàng)性能整體影響不大，其中配氣結(jié)構(gòu)2對(duì)噴嘴噴霧性能影響稍小。

2）常規(guī)脫硫噴嘴僅通過增加液相流量而降低噴霧粒徑的效果有限。而空氣助力式脫硫噴嘴，通入氣相工質(zhì)后，霧化水平明顯提高。當(dāng)氣液質(zhì)量比w在0.002~0.005，2種配氣結(jié)構(gòu)的噴嘴噴霧液滴SMD均會(huì)顯著降低至900~1 400 μm。采用配氣結(jié)構(gòu)2的噴嘴霧化效果更好。相同液相流量下，SMD隨w的增加而減小，但SMD降低趨勢(shì)逐漸減緩。

3）空氣助力式脫硫噴嘴在同一氣相流量下，噴霧角隨液相流量的增大先小幅增加，當(dāng)液相流量大于6 m3/h后逐漸穩(wěn)定。在同一液相流量下，氣相工質(zhì)的介入使噴霧角有將近20°的大幅增加，但隨著w的繼續(xù)升高噴霧角增加趨緩。