(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

核能具有高效、清潔、穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，是一種新型能源，已成為我國(guó)能源體系中的重要組成，創(chuàng)新型核能技術(shù)的發(fā)展也受到了越來(lái)越多的重視。隨著我國(guó)核電自主技術(shù)的成熟，結(jié)合“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略，推出來(lái)核電走出去[1-2]。隨著核能在能源結(jié)構(gòu)中的地位不斷提升，核能技術(shù)也面臨著新的發(fā)展空間和未知的挑戰(zhàn)[3-4]。乏燃料后處理則是目前核工業(yè)中制約其可持續(xù)發(fā)展的重要短板，因此，開(kāi)發(fā)研究乏燃料后處理技術(shù)對(duì)核能產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展意義重大[5-6]。

水法乏燃料后處理是通過(guò)硝酸鈾酰水溶液，通過(guò)脫硝流化床技術(shù)得到三氧化鈾，并最終還原成金屬鈾，實(shí)現(xiàn)乏燃料的后處理[7-8]。在這乏燃料后處理的設(shè)備中，一個(gè)關(guān)鍵部件為硝酸鈾酰霧化噴嘴，噴嘴性能的優(yōu)良直接影響流化床內(nèi)硝酸鈾酰霧滴的質(zhì)量及整床的反應(yīng)效果[9]。其中，空氣輔助式霧化噴嘴是該設(shè)備中常用的一種噴嘴結(jié)構(gòu)，針對(duì)這一噴嘴結(jié)構(gòu)，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究仍然較少[9-10]。因此，本文擬采用馬爾文噴霧激光粒度分析儀對(duì)其霧化性能做了測(cè)試，并對(duì)不同工況下的霧化結(jié)果進(jìn)行了分析，討論不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)其霧化效果的影響。

1 馬爾文噴霧激光粒度分析儀簡(jiǎn)介

1.1 儀器介紹

本文所采用Spraytec型馬爾文實(shí)時(shí)噴霧粒度分析儀進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量霧滴粒徑的測(cè)試研究。根據(jù)圖1所示測(cè)試系統(tǒng)，主要由光電接收器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、激光器、信號(hào)轉(zhuǎn)換與傳輸系統(tǒng)、透鏡等組成。實(shí)時(shí)噴霧粒度分析儀是用于測(cè)量噴霧和動(dòng)態(tài)氣溶膠的激光粒度分析儀，兩端鏡頭水平置于需測(cè)量噴霧場(chǎng)兩側(cè)，其基于激光衍射相關(guān)原理計(jì)算，獲得每一個(gè)瞬間的被檢測(cè)霧滴直徑，其采樣頻率可達(dá)2 500 Hz，測(cè)量液滴直徑范圍可達(dá)到0.1～2 000 μm，能夠?qū)崿F(xiàn)噴霧過(guò)程中液滴直徑的瞬時(shí)測(cè)量[11-13]。

1.2 測(cè)量原理

馬爾文激光粒度儀的測(cè)量原理是夫瑯禾費(fèi)衍射原理[14-16]。激光照射大量不同尺寸大小粒子時(shí)會(huì)產(chǎn)生的夫瑯禾費(fèi)現(xiàn)象，即產(chǎn)生很多不同間距的同心條紋(霧化顆粒的尺寸大小對(duì)應(yīng)不同間距的同心條紋)，然后這些不同間距的同心條紋信息被安裝有傅里葉透鏡的接收器(光電)所獲取，通過(guò)光敏環(huán)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和分檢，接收器(光電)再將所獲取的光學(xué)信息轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)輸出到計(jì)算機(jī)中以統(tǒng)計(jì)干涉條紋的位置及能量譜分布等信息。基于相關(guān)光學(xué)理論，通過(guò)計(jì)算干涉條紋和衍射光的位置、強(qiáng)度等信息，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到液滴體積，并進(jìn)一步基于米氏理論計(jì)算出液滴的粒徑分布。此外，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)還能通過(guò)顆粒粒徑信息處理得到索特平均直徑等特征直徑。

圖1 馬爾文實(shí)時(shí)噴霧粒度分析儀實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)中對(duì)霧化噴嘴噴霧粒徑測(cè)量的流程如圖2所示。氣體輸送部分，空氣由壓縮空氣瓶提供，通過(guò)減壓閥提供實(shí)驗(yàn)所需空氣壓力；空氣經(jīng)減壓閥流出后由氣體管道輸送至霧化噴嘴進(jìn)氣管道；液體輸送部分，微型高壓水泵將水從水源抽出并提供一定壓力，然后通過(guò)裝在水管上的流量控制閥門控制水的流量大小，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量水進(jìn)入霧化噴嘴時(shí)的流量，最終具有一定流量的水流入霧化噴嘴的液體管道，在噴頭末端與螺紋通道中經(jīng)過(guò)加速和旋轉(zhuǎn)的氣體混合，形成噴霧噴出。實(shí)時(shí)噴霧粒度儀發(fā)射端和接收端水平置于噴霧場(chǎng)兩側(cè)，通過(guò)發(fā)射端發(fā)出的激光在噴霧場(chǎng)中的衍射現(xiàn)象完成測(cè)量。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量流程圖

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)霧化噴嘴氣體、液體輸送系統(tǒng)準(zhǔn)備

將水桶接滿水，保證充足的水源供給；將氣體輸送管道和液體輸送管道依次連接，并在接頭處使用固體生料帶等進(jìn)行密封；打開(kāi)壓縮空氣瓶總開(kāi)關(guān)，使得氣體進(jìn)入減壓閥高壓腔中；將霧化噴嘴放置在合適的高度及水平位置并固定，使得其與實(shí)時(shí)噴霧粒度儀間的距離與實(shí)驗(yàn)要求相一致，并保證與噴霧粒度儀發(fā)射端與接收端鏡頭在同一水平高度。

(2)噴霧粒度分析儀參數(shù)設(shè)置

打開(kāi)噴霧粒度儀分析軟件，設(shè)定液體反射率、液體密度、粒徑測(cè)量范圍、光程等相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

(3)系統(tǒng)測(cè)試

首先，進(jìn)行背景測(cè)量校正。設(shè)定好標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，進(jìn)行測(cè)量，如果發(fā)現(xiàn)背景測(cè)試不合格，檢查并擦拭相關(guān)光學(xué)鏡頭玻璃等，保證測(cè)試準(zhǔn)確性。

然后，任取一組實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，主要檢查氣體輸送系統(tǒng)和液體輸送系統(tǒng)密封是否完好，以及噴霧場(chǎng)是否位于噴霧粒度分析儀測(cè)量范圍內(nèi)、噴霧中心是否與粒度儀發(fā)射端發(fā)出激光中心位于同一水平高度等。

(4)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)

最后，擰松減壓閥調(diào)節(jié)螺桿并打開(kāi)微型高壓水泵開(kāi)關(guān)，使得氣體與液體在噴嘴中混合霧化，噴霧粒度分析儀探測(cè)到霧滴后自動(dòng)開(kāi)始分析、處理數(shù)據(jù)。

(5)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，整理實(shí)驗(yàn)臺(tái)并保存有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)需求進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理。

2.3 實(shí)驗(yàn)工況

由于條件受限和安全因素，本實(shí)驗(yàn)中選取水代替硝酸鈾酰溶液進(jìn)行噴霧實(shí)驗(yàn)，其密度為1 000 g/cm3，反射率為1.33。霧化噴嘴噴霧實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置如表1所示。三組實(shí)驗(yàn)工況下噴嘴前端與粒度儀鏡頭中心的軸向距離均為10 cm，液體流量固定為45 L/h，分別測(cè)試了入口氣體壓力為0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa三種情況下的霧化效果，如表1所示。

表1實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

工況編號(hào)測(cè)量距離/cm液體流量/L·h-1氣體壓力/MPa110450.3210450.4310450.5

2.4 噴嘴結(jié)構(gòu)

圖3(a)和(b)中分別給出了噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖和噴嘴的實(shí)物圖。從圖中可以看出，霧化空氣首先經(jīng)過(guò)一段彎曲的圓通道進(jìn)入到一個(gè)圓環(huán)通道，之后進(jìn)入到帶有螺紋結(jié)構(gòu)的噴頭部分，最后從噴嘴出口處噴出。而液相流動(dòng)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，從中間的圓形通道里面流入，并沿著通道向出口流動(dòng)，只是在接近出口段，圓形通道的橫截面有部分收縮。最后，在噴嘴出口處氣體和液體進(jìn)行充分混合，通過(guò)高速氣流對(duì)料液進(jìn)行破碎，得到霧滴。

圖3 噴嘴結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)果與討論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)試了不同氣體壓力情況下，以水為工質(zhì)的條件下，噴嘴的霧化效果。表2中給出了入口氣體壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa三種情況下實(shí)驗(yàn)測(cè)得的霧化液滴的霧化錐角和索特平均直徑(SMD)。根據(jù)如下結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著霧化噴嘴入口氣體壓力的增大，索特平均直徑在30～60 μm的范圍內(nèi)逐漸減?。浑S著霧化噴嘴入口氣體壓力的增大，霧化錐角基本上都維持在35°～39°的范圍內(nèi)，基本變化不大。

表2索特平均直徑和霧化錐角

工況編號(hào)氣體壓力/MPa索特平均直徑/μm霧化錐角/°10.357.5±0.638.6±220.442.9±0.936.3±230.538.2±0.835.6±2

圖4(a)～(c)分別給出了霧化噴嘴入口氣體壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa三種情況下實(shí)驗(yàn)霧化效果的實(shí)時(shí)照片。從圖中可以看出，霧化噴嘴入口氣體壓力在0.3～0.5 MPa范圍內(nèi)變化的過(guò)程中，霧化形貌基本不變，水工質(zhì)能夠被充分霧化并形成液滴。霧化液滴以一定的擴(kuò)散角度沿著噴射方向發(fā)散，霧滴從噴嘴噴射出來(lái)后成錐狀發(fā)散，霧化錐角的大小一定程度上反映了霧錐中液滴的分散性，直接影響了霧化液滴在空間的分布情況。霧化錐角一般指在距噴嘴一定距離L處?kù)F炬中心線的垂線與霧炬曲面相交的兩點(diǎn)與噴口中心連線的夾角。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量流程圖

本文中選取距離噴嘴出口10 cm處的測(cè)算索特平均直徑和霧化錐角。根據(jù)圖中結(jié)果得到，霧化噴嘴入口氣體壓力為0.3 MPa時(shí)，霧化液滴的索特平均直徑為57.5 μm，霧化錐角為38.6°；霧化噴嘴入口氣體壓力為0.4 MPa時(shí)，霧化液滴的索特平均直徑為42.9 μm，霧化錐角為36.3°；霧化噴嘴入口氣體壓力為0.5 MPa時(shí)，霧化液滴的索特平均直徑為38.2 μm，霧化錐角為35.6°。在這三種不同的工作條件下，該噴嘴結(jié)構(gòu)下，以水為霧化介質(zhì)，均能形成良好的霧化效果。

4 結(jié)論

本文采用馬爾文噴霧激光粒度分析方法，實(shí)驗(yàn)分析了一種用于乏燃料后處理工藝系統(tǒng)的空氣輔助霧化噴嘴的霧化效果。以水為霧化介質(zhì)，以高壓氣體為輔助空氣，通過(guò)高速相機(jī)和馬爾文噴霧激光粒度儀，測(cè)量了3種不同的入口氣體壓力條件下，霧化過(guò)程中的霧化形態(tài)、霧滴索特平均直徑和霧化錐角等參數(shù)，最終得到了霧化場(chǎng)中的霧化特性，主要結(jié)論如下：

(1)在霧化噴嘴入口氣體壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa三種情況下，霧滴從噴嘴噴射出來(lái)后成錐狀發(fā)散，均能形成良好的霧化效果。

(2)隨著霧化噴嘴入口氣體壓力的增大，索特平均直徑在30～60 μm的范圍內(nèi)逐漸減小；隨著霧化噴嘴入口氣體壓力的增大，霧化錐角基本上都維持在35°～39°的范圍內(nèi)，基本變化不大。