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        逆噴式Y(jié)型重油噴槍的流量特性及燃燒性能研究

        2020-06-12 01:21:16楊國華呂文豪池保華
        工業(yè)加熱 2020年4期
        關(guān)鍵詞:重油噴槍油壓

        楊國華,呂文豪,向 軼,池保華

        (1.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院,陜西 西安 710072;2.西安航天動(dòng)力研究所,陜西 西安 710100;3.西安航天源動(dòng)力工程有限公司,陜西 西安 710100)

        隨著煉油技術(shù)的不斷進(jìn)步,劣質(zhì)重油的高效清潔利用已成為全球煉油行業(yè)的焦點(diǎn),出現(xiàn)了加氫裂化、催化裂化、延遲焦化等一批新工藝,有效提高了石油產(chǎn)品的附加值[1-2]。目前在冶金、內(nèi)燃機(jī)、工業(yè)窯爐等領(lǐng)域仍有燃用重油的應(yīng)用,結(jié)合國內(nèi)外越發(fā)嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),對(duì)重油噴槍的性能提出了新的要求。為改善重油噴槍的霧化和燃燒質(zhì)量,研究者們做了大量的工作,包括設(shè)計(jì)噴槍新結(jié)構(gòu)、改變油品特性等[3-4]。氣流霧化油噴槍的工質(zhì)為氣液兩相,采用蒸汽或壓縮空氣將油霧化,經(jīng)過多年的發(fā)展,已經(jīng)在原有內(nèi)混式、外混式和中間混合式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,發(fā)展出了聯(lián)合霧化、超聲波霧化、低壓空氣霧化等多種型式[5],但由于重油存在高黏度、高密度和高膠質(zhì)的特點(diǎn),使得其燃燒過程普遍存在點(diǎn)火難、升溫慢、燃燒不完全、NOx排放高等問題[6],因此開發(fā)一種出力大、霧化好、燃燒效率高、污染物排放低的新型重油噴槍是很有必要的。

        Y型噴槍具有調(diào)節(jié)比大、耗氣量小、出力大、霧化質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn),本文結(jié)合重油的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了逆噴式Y(jié)型重油噴槍,通過研究該噴槍的流量特性和燃燒性能,獲得工質(zhì)流量隨工質(zhì)壓力變化的規(guī)律,掌握燃燒過程中火焰形態(tài)及污染物排放情況,可以為這種新型噴槍的設(shè)計(jì)運(yùn)行調(diào)節(jié)提供理論依據(jù)。

        1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和工況

        1.1 逆噴式Y(jié)型重油噴槍結(jié)構(gòu)

        逆噴式Y(jié)型重油噴槍的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。其核心部件噴頭如圖2所示,分為氣孔、油孔、混合孔和出口四個(gè)部分,其直徑分別為d1、d2、d3和d4。霧化氣體和重油分別從氣孔和油孔進(jìn)入,逆向撞擊后在混合孔中完全混合成兩相流,最終從出口噴出,形成霧化液滴。通過對(duì)d1、d2、d3和d4值的改變,調(diào)整噴頭結(jié)構(gòu),可以獲得不同的流量特性和霧化效果,直接影響后續(xù)的重油燃燒性能。

        圖1 逆噴式Y(jié)型重油噴槍結(jié)構(gòu)

        圖2 噴頭結(jié)構(gòu)

        1.2 噴霧單元

        在本實(shí)驗(yàn)中,由兩根噴槍組成一個(gè)噴霧單元,且兩根噴槍出口之間呈90°夾角,如圖3所示。在實(shí)際應(yīng)用中,考慮到火焰穩(wěn)定、分布合理、低氮燃燒等因素,需要對(duì)多個(gè)噴霧單元進(jìn)行排列,形成不同的布置形式,本文根據(jù)工質(zhì)特點(diǎn)和燃燒性能要求,設(shè)計(jì)了均布型和三分割型兩種布置形式,如圖4所示。

        圖3 噴霧單元示意圖

        圖4 多個(gè)噴霧單元布置形式

        1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及工質(zhì)

        熱態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)流程如圖5所示,重油在噴槍中經(jīng)蒸汽霧化后,噴入燃燒爐爐膛充分燃燒。本次實(shí)驗(yàn)采用25#變壓器油模擬重油,其物性參數(shù)表見表1。

        圖5 熱態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)流程圖

        表1 25#變壓器油物性參數(shù)

        1.4 實(shí)驗(yàn)工況及步驟

        基于圖2所示的噴頭結(jié)構(gòu),改變噴頭出口直徑d4值,可以在相同的流量下得到不同的出口流速,使噴頭出口的兩相流擁有不同的動(dòng)量,d4值越大,噴頭出口動(dòng)量越小。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種d4值,結(jié)合圖4所示的兩種噴霧單元布置形式,共設(shè)置4種工況,見表2。

        表2 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

        實(shí)驗(yàn)步驟為:實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初期,使用柴油噴槍點(diǎn)火并烘爐,爐溫達(dá)到500 ℃時(shí)投入重油噴槍,待運(yùn)行穩(wěn)定后撤出柴油噴槍;逐漸提高重油壓力及霧化蒸汽壓力,達(dá)到表2中的預(yù)設(shè)工況后,正式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中先調(diào)節(jié)霧化蒸汽壓力(記為“汽壓”),并在同一汽壓下再調(diào)節(jié)重油進(jìn)口壓力(記為“油壓”),觀察并記錄相關(guān)流量特性數(shù)據(jù)。使用Testo 350煙氣分析儀測量尾部煙氣成份,獲得NOx、CO等污染物排放數(shù)據(jù)。

        2 重油噴槍的流量特性分析

        2.1 各工況下的重油噴槍流量特性數(shù)據(jù)

        根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟,在四種工況下分別進(jìn)行了逆噴式Y(jié)型重油噴槍的熱態(tài)實(shí)驗(yàn),記錄下各種形式噴槍的流量特性數(shù)據(jù),見表3~表6?;诒碇械膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以得出兩種工質(zhì)的流量隨壓力變化的規(guī)律,獲得合理的油汽配比。

        表3 “均布型+偏大出口動(dòng)量”重油噴槍的流量特性數(shù)據(jù)(工況1)

        表4 “均布型+中等出口動(dòng)量”重油噴槍的流量特性數(shù)據(jù)(工況2)

        表5 “均布型+偏小出口動(dòng)量”重油噴槍的流量特性數(shù)據(jù)(工況3)

        表6 “三分割型+中等出口動(dòng)量”重油噴槍的流量特性數(shù)據(jù)(工況4)

        2.2 油壓對(duì)重油流量的影響

        重油流量反映了噴槍的出力大小。實(shí)際運(yùn)行中通常采用改變油壓的方式調(diào)節(jié)重油流量。根據(jù)表3~表6的數(shù)據(jù),得到重油流量qmf隨油壓pf的變化特性,如圖6所示。可以發(fā)現(xiàn)除工況2外,各工況下的qmf都隨pf的增大而增大。工況2的變化曲線與其他工況不同,認(rèn)為是受汽壓影響所致,但總體上變化幅度不大。

        圖6 重油流量隨油壓的變化特性

        分析原因,根據(jù)Y型噴槍的特點(diǎn),pf與qmf之間的關(guān)系式為[5]

        qmf=ρmf×v×A2

        (1)

        (2)

        △p=pf-p3

        (3)

        式中:qmf為重油流量,kg/h;ρmf為重油密度,取950 kg/m3;v為油孔出口流速,m/s;A2為油孔截面積,m2;pf為油壓,MPa;p3為混合孔壓力,MPa;μf為油孔流量系數(shù),取0.73;△p為油壓和混合孔壓力差值,MPa。

        分析式(1)~式(3),發(fā)現(xiàn)重油流量由油壓pf和混合孔壓力p3差值△p決定,根據(jù)表3~表6中數(shù)據(jù),當(dāng)油壓pf增大時(shí),△p值增大,△p增大增強(qiáng)了重油進(jìn)出口之間的驅(qū)動(dòng)力,使油孔出口流速v增加,在油孔截面積A2不變時(shí),重油流量qmf也隨之增大。

        結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論分析,認(rèn)為逆噴式Y(jié)型重油噴槍的重油流量大小與油壓正相關(guān),在操作中通過改變重油壓力即可實(shí)現(xiàn)對(duì)重油流量的調(diào)節(jié)。

        2.3 汽壓和油壓對(duì)霧化蒸汽流量的影響

        對(duì)于Y型噴槍,霧化蒸汽的流量直接影響噴槍運(yùn)行時(shí)的霧化效果和運(yùn)行成本,在亞臨界狀態(tài)下,流量qmg大小受到汽壓pg和油壓pf的共同影響,而在實(shí)際運(yùn)行中,通過調(diào)節(jié)汽壓和油壓大小來改變工質(zhì)流量的操作也最便捷,因此有必要分別研究霧化蒸汽流量隨汽壓和油壓的變化特性。

        1)汽壓對(duì)霧化蒸汽流量的影響

        在本實(shí)驗(yàn)選取油壓相等時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析汽壓變化帶來的影響,分別取工況1中序號(hào)3和5(pf=0.897 MPa)、工況4中序號(hào)4和6的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(pf=0.927 MPa),得到圖7??梢园l(fā)現(xiàn)在同樣油壓下,汽壓越高,蒸汽流量越大。

        分析原因,Y型噴槍的霧化蒸汽流量計(jì)算公式如下[6]:

        圖7 蒸汽流量的隨汽壓的變化特性

        (4)

        β=p3/pg

        (5)

        式中:qmg為霧化蒸汽流量,kg/h;A1為氣孔截面積,m2;κ為絕熱系數(shù),取1.4;ρg為蒸汽密度,取3.36kg/m3;pg為汽壓,MPa;p3為混合孔壓力,MPa;β為混合孔壓力/汽壓的比值。

        式(4)為不考慮壓力損失影響下的蒸汽流量計(jì)算公式,可以發(fā)現(xiàn)qmg主要由p3和pg兩個(gè)變量決定,油壓pf通過改變混合孔壓力p3的值來影響qmg。當(dāng)油壓pf不變時(shí),可認(rèn)為p3值只受pg影響,此時(shí)qmg的變化只與pg有關(guān)。根據(jù)式(4),分析表3~表6中數(shù)據(jù),當(dāng)pg增大時(shí),β值也增大,計(jì)算得出qmg也隨之增大,由此驗(yàn)證了圖7得出的結(jié)論,即霧化蒸汽流量隨汽壓的升高而增大。

        2)油壓對(duì)霧化蒸汽流量的影響

        霧化蒸汽流量同樣與油壓大小相關(guān)。根據(jù)表3~表6,選取數(shù)據(jù)較全的工況1和工況4,得出在相同汽壓下,噴槍的油壓pf對(duì)蒸汽流量qmg的影響,如圖8所示??梢园l(fā)現(xiàn)霧化蒸汽流量隨油壓的升高而減小,分析原因,主要有以下兩點(diǎn):

        (1)油壓pf升高,混合孔壓力p3也相應(yīng)升高,當(dāng)汽壓不變時(shí),混合孔壓力和汽壓之間的壓差減小,即驅(qū)動(dòng)力減弱,導(dǎo)致蒸汽流量減小。

        (2)從表3和表6的數(shù)據(jù)看出,兩種工質(zhì)存在一定的溫度差,重油溫度比蒸汽溫度低10~20 ℃,這就導(dǎo)致部分蒸汽在接觸到重油時(shí)會(huì)冷凝成水,當(dāng)油壓增大時(shí),重油流量增大,即冷凝為水的蒸汽量也隨之增大,最終導(dǎo)致蒸汽流量減小[7]。

        基于以上分析,發(fā)現(xiàn)亞臨界狀態(tài)下的霧化蒸汽流量由油壓和汽壓共同決定。在油壓不變時(shí),汽壓越高,蒸汽流量越大;汽壓不變時(shí),油壓越高,蒸汽流量越小。因此在實(shí)際操作中需要同時(shí)對(duì)汽壓和油壓進(jìn)行調(diào)節(jié),以獲得所需的蒸汽流量。

        圖8 油壓對(duì)蒸汽流量的影響

        2.4 氣孔流量系數(shù)

        流量系數(shù)定義為“流量測量值/流量計(jì)算值”的比值,是評(píng)價(jià)噴槍性能的重要指標(biāo),流量系數(shù)越大,說明噴槍內(nèi)部的壓力損失越小。流量系數(shù)與噴槍結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)有關(guān),根據(jù)前期的測量結(jié)果,逆噴式Y(jié)型重油噴槍的油孔流量系數(shù)μ2隨工況變化不大,取μ2=0.73。本實(shí)驗(yàn)主要考查重油流量qmf對(duì)氣孔流量系數(shù)μ1的影響。

        圖9 氣孔流量系數(shù)隨重油流量的變化特性

        2.5 混合孔壓力與汽壓的關(guān)系

        1)混合孔壓力隨汽壓的變化

        對(duì)于逆噴式Y(jié)型重油噴槍,氣體和液體在混合孔內(nèi)進(jìn)行混合,流體性質(zhì)復(fù)雜,混合孔的壓力可由式(1)~式(3)確定,但該式也屬于近似經(jīng)驗(yàn)性估算,對(duì)于某些工況下的計(jì)算精確度不高。為了簡化計(jì)算,提高準(zhǔn)確度,需針對(duì)本實(shí)驗(yàn)中混合孔壓力p3隨汽壓pg的變化特性進(jìn)行擬合,獲得經(jīng)驗(yàn)公式,以預(yù)測其變化趨勢。根據(jù)表3~表6,得到四種工況下混合孔壓力p3與汽壓pg之間的擬合公式,見表7,該公式可應(yīng)用于逆噴式Y(jié)型重油噴槍的設(shè)計(jì)和調(diào)試。

        表7 混合孔壓力與汽壓之間的擬合公式

        2)混合孔壓力/汽壓的比值β

        混合孔壓力/汽壓的比值β可用于判斷臨界狀態(tài),當(dāng)β≤0.528時(shí),霧化氣體工質(zhì)的出口流速達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲?,此時(shí)霧化氣體工質(zhì)流量只與氣體壓力相關(guān),不受其下游狀態(tài)變化的影響[8]。根據(jù)表7,所有工況下均為β>0.528,即霧化蒸汽仍處于亞臨界狀態(tài),其流量受到汽壓和油壓的共同影響。

        3 重油噴槍的燃燒性能分析

        3.1 重油噴槍燃燒火焰特性

        實(shí)驗(yàn)進(jìn)行期間,從燃燒爐觀察孔記錄下四種工況的火焰圖像,如圖10所示??梢园l(fā)現(xiàn)四種火焰均穩(wěn)定性較好,顏色明亮,呈橘黃色,無冒黑煙現(xiàn)象,說明燃燒充分。同時(shí)爐膛火焰充滿度較好,說明燃燒均勻,布置合理,燃燒組織良好。因此基于逆噴式Y(jié)型重油噴槍的均布型和三分割型兩種布置形式均適用于工業(yè)應(yīng)用。

        圖10 四種工況的火焰圖像

        3.2 重油噴槍的燃燒污染物排放情況

        熱態(tài)實(shí)驗(yàn)過程中,通過調(diào)節(jié)一二三次風(fēng)的配比及旋流度,使尾部煙氣中的NOx和CO濃度降到最低,O2含量在3%左右,獲得最優(yōu)工況。采用Testo 350測量了三種均布型噴霧單元在最優(yōu)工況下燃燒后的尾部煙氣成份,獲得煙氣污染物的排放數(shù)據(jù),見表8。

        本文主要研究流體在噴槍出口的動(dòng)量對(duì)污染物生成量的影響?;旌狭黧w的出口動(dòng)量與噴頭出口直徑d4相關(guān),d4越小,出口動(dòng)量越大,重油的噴射速率越大,因此出口動(dòng)量最終會(huì)影響重油的點(diǎn)火燃燒。

        從表8中的數(shù)據(jù)可以看出,三種均布型噴霧單元的NOx排放量相差很小,說明出口動(dòng)量對(duì)NOx生成影響不大。但三種均布型噴霧單元的CO值差異較大,其中工況3的CO排放量最低,原因是在混合流體的出口動(dòng)量較小時(shí),重油與空氣有更長的接觸時(shí)間,燃燒更充分,也說明適當(dāng)擴(kuò)大逆噴式Y(jié)型重油噴槍的噴頭出口直徑d4可以使重油得以更充分地燃燒。考慮污染物排放因素時(shí),工況3對(duì)應(yīng)的“均布型+偏小出口動(dòng)量”噴霧單元性能最優(yōu)。

        表8 重油噴槍的燃燒污染物排放情況

        4 結(jié) 論

        通過本文的熱態(tài)實(shí)驗(yàn),獲得了逆噴式Y(jié)型重油噴槍的流量特性及燃燒性能,得出的數(shù)據(jù)可以為該噴槍的工程應(yīng)用提供參考,結(jié)論如下:

        (1)噴槍的重油流量大小與油壓正相關(guān),可通過改變油壓實(shí)現(xiàn)對(duì)重油流量的調(diào)節(jié);本實(shí)驗(yàn)中的霧化蒸汽均處于亞臨界狀態(tài),其流量大小受到汽壓和油壓的共同影響,隨汽壓的升高而增大,隨油壓的升高而減小。

        (2)噴槍的氣孔流量系數(shù)隨重油流量的增大而減小,即在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)防止提高重油流量后導(dǎo)致噴槍內(nèi)部壓力損失過大;擬合出了混合孔壓力隨汽壓變化的經(jīng)驗(yàn)公式,可用于噴槍的設(shè)計(jì)調(diào)試。

        (3)通過實(shí)驗(yàn)中的火焰形態(tài)判斷出重油燃燒充分、燃燒組織良好,說明均布型和三分割型兩種布置形式均適用于工業(yè)應(yīng)用;三種均布型燃燒后的NOx排放量相差不大,但CO值相差較大,考慮污染物排放因素時(shí),“均布型+偏小出口動(dòng)量”的噴霧單元性能最優(yōu)。

        但需要指出的是,燃用該重油噴槍時(shí)產(chǎn)生的NOx濃度在280 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))左右,與50 mg/m3(左右)的大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)有較大差距,因此在實(shí)際應(yīng)用中,還需要增設(shè)煙氣脫硝設(shè)備,以確保污染物的達(dá)標(biāo)排放。

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