劉定平 徐開華 方磊

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

霧化噴嘴是煙氣脫硫裝置的核心部件，其特性直接影響煙氣脫硫效率和脫硫劑的利用率.在濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中，噴嘴的特性主要包括霧化角、霧化平均粒徑、霧化顆粒均勻度、流量特性等.其性能對脫硫系統(tǒng)的脫硫效果和安全經(jīng)濟運行有很大影響.霧化角過大，容易造成運行過程中漿液滴貼壁現(xiàn)象及設(shè)備的結(jié)垢和腐蝕;過小則會造成霧化覆蓋面減小、氣液混合不夠均勻，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)傳質(zhì)過程減弱，影響脫硫效率.漿液的粒徑太大則導(dǎo)致與煙氣接觸的相對表面積減少，影響脫硫效率;太小會對后段的除霧器帶來較大的壓力，同時容易被夾帶進(jìn)入煙氣換熱器(GGH)對其產(chǎn)生腐蝕.霧化顆粒均勻性的好壞直接影響到脫硫劑的利用率和脫硫效率.噴嘴流量特性直接關(guān)系到噴霧系統(tǒng)的設(shè)計及參數(shù)匹配.

國內(nèi)外學(xué)者研制了各種用途的噴嘴，對其霧化特性進(jìn)行了相關(guān)的研究［1-7］.Ramon 和Miller 等［8-9］對農(nóng)業(yè)上專用噴嘴的霧化液滴分布和速度分布進(jìn)行了實驗研究.文獻(xiàn)［10］對外混及內(nèi)-外混相結(jié)合的雙流體石灰漿液噴嘴霧化特性進(jìn)行了實驗研究.文獻(xiàn)［11］從柴油機噴嘴定壓噴霧試驗中得出了噴霧平均粒徑的經(jīng)驗計算式.雖然眾多學(xué)者已經(jīng)對噴嘴霧化特性進(jìn)行了大量的實驗和理論研究，但是還未發(fā)現(xiàn)將廣泛用于煤氣化技術(shù)和鍋爐燃燒等領(lǐng)域的氣力式噴嘴應(yīng)用到脫硫系統(tǒng)的研究.

文中研發(fā)了一種新型雙流噴嘴，利用激光粒度分析儀和高速數(shù)碼相機對其在不同氣液壓力、不同濃度石灰石漿液下的霧化和流量特性進(jìn)行了相關(guān)實驗研究.分析了這些因素對噴嘴霧化和流量特性的影響，為研發(fā)適用于濕法煙氣脫硫工藝、霧化性能良好的氣力式霧化噴嘴奠定了基礎(chǔ).

1 噴嘴霧化機理和結(jié)構(gòu)特點

1.1 噴嘴霧化機理

雙流噴嘴的霧化機理一般有液柱射流破碎機理和液膜射流破碎機理兩類［12］.

液柱射流破碎機理［13］認(rèn)為，當(dāng)液體射流上出現(xiàn)一個小的擾動后，如果擾動的振幅逐漸增長，當(dāng)振幅增長達(dá)到未受擾動的液體射流直徑的一半時，這個射流就不穩(wěn)定并破碎成液滴.

對于液膜射流破碎機理，Crapper 等［14］利用照相攝影技術(shù)研究了薄液膜上的Kelvin-Helmholtz 波，認(rèn)為液膜的破碎是不穩(wěn)定的Kelvin-Helmholtz 波導(dǎo)致的.

上述兩種霧化機理的本質(zhì)都是由氣液交界處的不穩(wěn)定波引起的.由于氣液之間存在著很大的相對速度，從而產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊力，對射流液體產(chǎn)生氣力擾動而導(dǎo)致其變形破碎.

1.2 噴嘴的結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述機理，研發(fā)了一種氣力式新型雙流噴嘴，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示.該新型噴嘴采用雙通道結(jié)構(gòu)，中心管通入壓縮空氣，外環(huán)管通入液相工質(zhì);液相入口貼壁切向布置，與氣體通道夾角θ 成45°;并內(nèi)置了拉法爾噴管且噴嘴出口為漸縮型.此設(shè)計使得氣體與液體之間存在較大的相對速度，加強了氣體對液體的擾動，促成不穩(wěn)定波的形成.噴嘴的霧化介質(zhì)可以是蒸汽，也可以用壓縮空氣.它把壓縮空氣(或蒸汽)以適當(dāng)?shù)姆绞缴淙氲揭后w中，高壓氣流通過噴管出口射出，把四周的液流帶動并沖碎為液滴.在離開噴嘴出口極短的距離內(nèi)由于氣體內(nèi)外壓差的劇烈變化，促使氣流膨脹而進(jìn)一步增大，從而將包裹在其周圍的液膜進(jìn)一步破碎成為更加細(xì)微的顆粒.

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sketch map of nozzle structure

2 實驗裝置及測試方法

2.1 實驗裝置

冷態(tài)霧化實驗裝置主要由供液系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和測量系統(tǒng)3 部分組成，如圖2 所示.其中供液系統(tǒng)由漿液槽、攪拌器、濾網(wǎng)、漿液泵、轉(zhuǎn)子流量計、液相壓力調(diào)節(jié)閥和漿液壓力表組成，用管道與噴嘴相連;供氣系統(tǒng)由空氣壓縮機、空氣減壓閥、轉(zhuǎn)子流量計、氣相壓力調(diào)節(jié)閥和氣壓表組成，用管道與噴嘴相連;測量系統(tǒng)由Winner318A 型激光粒度分析儀、高速數(shù)碼相機和計算機分析軟件組成.

圖2 實驗裝置圖Fig.2 Sketch map of experimental facility

氣壓、液壓表為機械式壓力表，布置在噴嘴入口前，用于測量進(jìn)入噴嘴流體的實際壓力;轉(zhuǎn)子流量計布置在調(diào)節(jié)閥之前，用于測量進(jìn)入噴嘴流體的流量.為保證測試的準(zhǔn)確性，實驗前對上述儀表進(jìn)行了嚴(yán)格校正.在測量過程中，待壓力穩(wěn)定后通過多次測量相關(guān)實驗數(shù)據(jù)獲得平均值，作為實驗的測量值，以減小測量誤差.

配置漿液的石灰石顆粒需要磨制到90%通過325 目篩網(wǎng).所有的實驗均在室溫下進(jìn)行，減小溫度因素的干擾.

2.2 測試方法

本實驗以壓縮空氣和不同濃度的石灰石漿液為工質(zhì)，通過控制相應(yīng)調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)氣體、液體的壓力和流量.在工業(yè)現(xiàn)場實際脫硫系統(tǒng)中，漿液泵出口壓力一般在0.1～0.3 MPa 范圍內(nèi)，故本實驗選取0.1～0.5 MPa為液相壓力調(diào)節(jié)范圍.在該范圍內(nèi)選取不同漿液壓力點，再依次從0.1～0.5 MPa 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)氣相壓力，在不同的氣液壓力下，改變漿液濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，重復(fù)以上過程，得到不同漿液濃度下噴嘴的霧化和流量特性.

2.2.1 霧化角的測定

使用高速數(shù)碼相機拍攝霧化區(qū)，然后利用圖像處理軟件ImageJ 對圖片進(jìn)行霧化角的分析.

2.2.2 霧化平均粒徑的測定

對霧化顆粒平均粒徑的分析，使用微納公司的Winner318A 型激光粒度分析儀及配套軟件，其測量粒徑范圍是4.6～323.0 μm.文中采用液滴顆粒群的平均粒徑Dav來表征漿液的平均霧化顆粒大小.

2.2.3 霧化顆粒均勻度的測定

通過采用Winner318A 型激光粒度分析儀及配套軟件測試粒徑的概率分布來表征霧化顆粒均勻度，文中體現(xiàn)為特征直徑的曲線分布規(guī)律.在實驗結(jié)果分析中，特征直徑D0.1、D0.5和D0.9分別表示小于此粒徑的顆粒體積含量占全部顆粒的10%、50%、90%.

2.2.4 漿液流量的測定

漿液流量可以直接由供漿系統(tǒng)上的流量計讀取，待壓力穩(wěn)定后讀取相關(guān)實驗數(shù)據(jù)以減小誤差.

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 霧化角

3.1.1 氣液兩相壓力對霧化角的影響

實驗研究表明，氣液兩相壓力是影響霧化角的重要因素［12］.當(dāng)液相工質(zhì)為濃度為10%的石灰石漿液時，不同氣液壓力下霧化角α 的變化規(guī)律如圖3所示.當(dāng)液相壓力pl保持不變時，霧化角隨著氣相壓力pg的升高而減小，這是因為隨著氣相壓力的升高，氣體初速度增大，沖擊力增強，使石灰石漿液的軸向初速度增加，徑向脈動速度相對減小，液滴不容易向兩邊擴散.但是當(dāng)氣相壓力達(dá)到0.4 MPa 以后，霧化角受氣相壓力的影響減小.

由圖3 還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)保持氣相壓力pg不變時，霧化角隨著液相壓力pl的增加而增大.這是因為液相壓力pl增大，使得噴嘴出口處液膜的切向速度增長大于軸向速度增加，從而液膜擴張開來的角度增大.但是氣相壓力pg對霧化角的影響相對于液相壓力pl對霧化角的影響更為明顯.

當(dāng)石灰石漿液濃度w 分別為0%、5%、15%和20%時，霧化角與氣液兩相壓力的關(guān)系與石灰石漿液濃度w=10%時的類似.

圖3 漿液濃度為10%時霧化角與氣液兩相壓力的關(guān)系Fig.3 Spray angle with respect to the pressure of air and liquid at the slurry concentration of 10%

3.1.2 漿液濃度對霧化角的影響

目前對壓載水致病菌的研究依然有待深入，未來研究方向可以是對以往壓載艙殘留物中的致病菌進(jìn)行跟蹤調(diào)查以探究其在壓載水轉(zhuǎn)運過程中對新載入壓載水的影響情況，或是對壓載艙沉積物中各種致病菌來源與變化情況或是對溫度、鹽度、pH及溶解氧等多種環(huán)境因子影響下3種致病菌的動態(tài)變化情況進(jìn)行深入探究，以實現(xiàn)對壓載水中致病菌的科學(xué)管理。

石灰石漿液濃度也是影響霧化角的一個重要因素，文中對幾種漿液濃度下的噴嘴霧化角的變化規(guī)律做了相關(guān)研究.當(dāng)液相壓力pl=0.1 MPa 時，不同漿液濃度下噴嘴霧化角的變化如圖4 所示.從圖中可以看出，保持氣相壓力pg不變，當(dāng)漿液濃度小于15%時，霧化角隨漿液濃度的增大而逐漸減小;這主要是因為其黏度和表面張力隨之增大，霧化難度增大.但當(dāng)漿液濃度大于15%時，霧化角的減小的趨勢已經(jīng)不是很明顯;這是因為隨著漿液濃度的增大，石灰石漿液已經(jīng)趨于過飽和而凝聚，此時漿液的黏度變化微小，導(dǎo)致霧化角受漿液濃度的影響較小.這也與現(xiàn)場實際中不選擇過高濃度的石灰石漿液是相符的.圖中氣相壓力pg為0.5 MPa、漿液濃度為5%時霧化角有小的突變，原因是，在實驗過程中氣相壓力pg有時不穩(wěn)定.

圖4 液相壓力為0.1 MPa 時霧化角與漿液濃度關(guān)系Fig.4 Spray angle with respect to the slurry concentration under the liquid pressure of 0.1 MPa

由圖4 還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)漿液濃度保持不變時，霧化角隨著氣相壓力pg的增加而減小.但是氣相壓力pg對霧化角的影響相對于石灰石漿液濃度對霧化角的影響更為明顯.

當(dāng)液相壓力pl分別為0.2、0.3、0.4 和0.5 MPa時，霧化角與漿液濃度的關(guān)系與液相壓力pl=0.1 MPa 時的類似.綜合圖3 和圖4 發(fā)現(xiàn)，氣相壓力pg對霧化角的影響相對于石灰石漿液濃度和液相壓力pl對其的影響更加明顯.

3.2 霧化平均粒徑

3.2.1 氣液兩相壓力對霧化平均粒徑的影響

當(dāng)石灰石漿液濃度為10%時，不同氣液壓力下霧化平均粒徑的變化如圖5 所示.在液相壓力pl保持不變的情況下，霧化平均粒徑隨著氣相壓力的升高而迅速降低，當(dāng)氣相壓力達(dá)到一定值以后，其對霧化平均粒徑的影響變小.霧化的過程是一個能量轉(zhuǎn)化的過程，霧化過程中氣體的動能主要用來克服液體的粘滯力、表面張力以及噴嘴的沿程阻力等.隨著氣相壓力的增大，氣流的動量也越大，轉(zhuǎn)化為液滴霧化的能量也就越多，霧化效果也越好.但是隨著液滴粒徑的減小，霧滴表面積呈幾何級增長，流動過程能量損耗也隨著增大，通過增加氣流壓力來提高霧化效果變得越來越困難［15］.因此，超過一定范圍時提高氣相壓力對改善噴嘴的霧化效果并不明顯.

由圖5 還可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)保持氣相壓力pg不變時，霧化平均粒徑隨著液相壓力pl的增加而增加;氣相壓力pg對霧化平均粒徑的影響相對于液相壓力pl對霧化粒徑的影響更為明顯.

圖5 漿液濃度為10%時霧化平均粒徑與氣液兩相壓力的關(guān)系Fig.5 Spray particle average size with respect to the pressure of air and liquid at the slurry concentration of 10%

對其他不同濃度(0%、5%、15%和20%)的漿液，也進(jìn)行了類似的實驗研究，發(fā)現(xiàn)平均粒徑Dav與氣液兩相壓力的變化規(guī)律和漿液濃度為10%時是一致的，即在一定范圍內(nèi)提高氣相壓力有利于霧化質(zhì)量的改善.

另外，圖5 中的數(shù)據(jù)有一定的波動，原因是:在實驗過程中，氣液兩相壓力有時不穩(wěn)定，以及激光粒度測試儀工作時受到了外界的干擾等.

漿液濃度也是影響霧化平均粒徑粒徑的一個重要因素.當(dāng)氣相壓力pg=0.3 MPa 時，不同漿液濃度下噴嘴霧化平均粒徑的變化如圖6 所示.從圖中可以看出，氣相壓力pl保持不變，當(dāng)漿液濃度較低時，霧化平均粒徑隨漿液濃度的增大而增大.當(dāng)漿液濃度大于15%時，粒徑的增大趨勢不明顯.但總的趨勢是，漿液濃度越高，霧化平均粒徑就越大.這是符合能量守恒的，因為濃度高者黏度和表面張力越大，要將液滴破碎必須提供較高的能量.

圖6 氣相壓力為0.3 MPa 時霧化平均粒徑與漿液濃度的關(guān)系Fig.6 Spray particle average size with respect to the slurry concentration under the air pressure of 0.3 MPa

由圖6 還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石灰石漿液濃度一定時，霧化平均粒徑隨著液相壓力pl的增加而增大.但是液相壓力pl對霧化粒徑的影響相對于石灰石漿液濃度對霧化平均粒徑的影響不明顯.

當(dāng)氣相壓力pg分別為0.1、0.2、0.4 和0.5 MPa時，霧化平均粒徑與漿液濃度的關(guān)系和氣相壓力為0.3 MPa 時的類似.綜合圖5 和圖6 可知，氣相壓力pg對霧化平均粒徑的影響相對于石灰石漿液濃度和液相壓力pl對其的影響更加明顯.

3.3 霧化顆粒均勻度

顆粒均勻度表示漿液被霧化后，顆粒尺寸分布范圍的大小.這也是評價霧化質(zhì)量的一個重要指標(biāo).即使兩種霧化狀態(tài)的平均粒徑相同但顆粒均勻度不同，脫硫效率也是不同的.顆粒均勻度通常利用特征直徑的曲線分布來表征.

3.3.1 氣液兩相壓力對霧化顆粒均勻度的影響

當(dāng)pl=0.2 MPa、w=10%時，不同氣相壓力下特征直徑的變化如圖7 所示.隨著pg的增加，D0.1、D0.5和D0.9的分布曲線越來越接近，表明霧化顆粒越來越均勻.但當(dāng)pg＞0.3 MPa 時，3 條曲線接近于平行，說明此時提高pg對霧化均勻度的影響已不明顯.

圖7 液相壓力為0.2 MPa、漿液濃度為10%時的漿液特征直徑與氣相壓力的關(guān)系Fig.7 Characteristic diameter with respect to the air pressure under the liquid pressure of 0.2 MPa and at the slurry concentration of 10%

對于其他不同濃度的石灰漿液，當(dāng)液相壓力pl分別為0.1、0.3、0.4、0.5 MPa 時也進(jìn)行了類似的實驗研究，發(fā)現(xiàn)漿液特征直徑與氣相壓力pg也具有類似的變化規(guī)律，即在一定范圍內(nèi)提高氣相壓力pg能使霧化粒徑變得均勻.

當(dāng)氣相壓力pg為0.3 MPa、漿液濃度為10%時，不同液相壓力下特征直徑的變化如圖8 所示.隨著液相壓力pl的增加，D0.1、D0.5和D0.9的分布曲線近似于平行，說明液相壓力pl對霧化均勻度的影響不顯著.

圖8 氣相壓力為0.3 MPa 漿液濃度為10%時的漿液特征直徑與液相壓力的關(guān)系Fig.8 Characteristic diameter with respect to the liquid pressure under the air pressure of 0.3MPa and at the slurry concentration of 10%

對其他不同濃度的石灰石漿液，當(dāng)氣相壓力pg分別為0.1、0.2、0.4、0.5 MPa 時也進(jìn)行了類似的實驗研究，也發(fā)現(xiàn)液相壓力對漿液霧化均勻度的影響較小.

3.3.2 漿液濃度對霧化顆粒均勻度的影響

當(dāng)液相壓力pl為0.2MPa，氣相壓力pg為0.3MPa時，不同漿液濃度下特征直徑的變化如圖9 所示.隨著漿液濃度的增加，D0.1、D0.5和D0.9的分布曲線近似于平行，說明漿液濃度對霧化均勻度的影響不顯著.

圖9 液相壓力為0.2 MPa、氣相壓力為0.3 MPa 時的漿液特征直徑與漿液濃度的關(guān)系Fig.9 Characteristic diameter with respect to the slurry concentration under the liquid pressure of 0.2 MPa and at the air pressure of 0.3 MPa

對其他不同氣液相壓力下漿液的特征直徑與漿液濃度的關(guān)系也進(jìn)行了類似的實驗研究，發(fā)現(xiàn)漿液濃度對漿液霧化顆粒均勻度的影響較小.

綜合圖7、8 和9 可知，氣相壓力對霧化顆粒均勻度的影響相比石灰石漿液濃度和液相壓力的影響更顯著.

3.4 噴嘴流量特性

3.4.1 氣液兩相壓力對噴嘴流量特性的影響

由圖10 可知，當(dāng)石灰石漿液濃度為10%、液相壓力pl保持不變時，噴嘴的體積流量Q 隨氣相壓力pg的增大而減小，說明氣相壓力pg對噴嘴的體積流量Q 起到阻礙作用.當(dāng)氣相壓力pg一定時，噴嘴的體積流量隨著液相壓力pl的增大而增大.

圖10 漿液濃度為10%時噴嘴體積流量與氣液兩相壓力的關(guān)系Fig.10 Volume flow of nozzle with respect to the pressure of air and liquid at the slurry concentration of 10%

3.4.2 漿液濃度對噴嘴流量特性的影響

實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石灰石漿液濃度分別為0%、5%、15%和20%，液相壓力保持不變時，同等氣相壓力下噴嘴的體積流量與石灰石漿液濃度為10%時相差不大.這說明漿液濃度對噴嘴的體積流量的影響很小.

4 結(jié)論

(1)氣液兩相的壓力和石灰石漿液濃度是影響新型雙流噴嘴霧化及流量特性的重要因素.

(2)霧化角和霧化平均粒徑隨著氣相壓力的升高而減小，隨液相壓力的升高而緩慢增大.當(dāng)漿液濃度小于15%時，霧化角隨漿液濃度的增大而減小，但霧化平均粒徑逐漸增大;當(dāng)漿液濃度大于15%時，兩者的變化都不明顯.當(dāng)氣相壓力小于0.3 MPa時，隨著氣相壓力的增加霧化顆粒越來越均勻;當(dāng)氣相壓力大于0.3 MPa 時，氣相壓力的變化對其影響較小.液相壓力和漿液濃度對霧化顆粒均勻度的影響較小.

(3)噴嘴體積流量隨著液相壓力升高而增大，隨氣相壓力的升高而減小，漿液濃度對其影響較小.

(4)新型雙流噴嘴的氣相壓力相對于液相壓力和漿液濃度對霧化特性的影響更加明顯.因此，合理選取進(jìn)入該噴嘴的氣相壓力是保證其具有良好霧化效果的關(guān)鍵.

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