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)今燃煤電廠應用最為廣泛的脫硫工藝[1-3]，脫硫噴嘴是其中的關鍵部件，噴嘴霧化性能優(yōu)劣對脫硫效率的影響舉足輕重。霧化粒徑作為脫硫噴嘴的一個重要霧化性能參數(shù)，一方面影響SO2在脫硫劑液滴中的擴散吸收速率[4]，另一方面也關系到液滴是否會被煙氣大量攜帶而造成脫硫劑的損失和除霧器負擔的加重[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該在700～1 500 μm。因此，脫硫噴嘴的霧化粒徑有進一步降低的需要。

國內(nèi)外學者對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]應用線性穩(wěn)定性理論分析并通過試驗研究，得出內(nèi)層氣流比外層氣流更能加劇液膜的不穩(wěn)定性，與單側氣流相比，雙側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研究了可壓縮氣流對液膜破碎過程的促進作用，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，有必要對空氣助力式脫硫噴嘴性能進行深入研究。

本文根據(jù)空氣助力式噴嘴霧化機理，在脫硫工程常規(guī)空心錐旋流噴嘴的基礎上自行設計空氣助力式脫硫噴嘴，并對該型噴嘴的霧化性能展開試驗研究，以期對空氣助力式噴嘴在脫硫工程上的推廣應用提供一定的指導。

1 噴霧試驗

1.1 試驗噴嘴

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

前端空氣助力配氣結構是在噴嘴液相來流管道上接入“L”形進氣管。進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構共有2種，結構如圖1所示。

圖1 配氣結構示意Fig.1 Schematic diagram of the gas distribution structure

配氣結構1進氣管出口段末端與噴嘴入口平面對齊；配氣結構2進氣管出口段稍短，使該結構具有更長的氣液混合距離。該前端空氣助力配氣結構的優(yōu)點在于：當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能進入旋轉(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，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際應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，與配氣結構通過螺紋連接，其結構如圖2所示。該噴嘴與實際應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構尺寸變化幅度不大[17]，本文試驗結果可為空氣助力噴霧在全尺寸脫硫噴嘴上的應用提供參考。

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

1.2 試驗系統(tǒng)及測試設備

試驗系統(tǒng)如圖3所示。試驗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臺空氣壓縮機供給，依次通過減壓閥、渦街流量計、逆止閥、配氣結構進入噴嘴；清水從水箱經(jīng)水泵、逆止閥、電磁流量計，進入噴嘴霧化；噴霧由收集平臺回收，最后匯入水箱。水箱頂部連接補水管、排氣管及溢流管，底部設放水閥。

圖3 試驗系統(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測定，量程為0~162 000 m3/h，精度0.5級；氣相體積流量采用一體溫壓補償型渦街流量計測定，量程為8.5~70 m3/h，精度1.5級。氣液兩相壓力均采用壓力變送器測定，量程為0~500 kPa，精度2.5級。

噴嘴霧化粒徑由圖像粒度分析儀測量。該儀器屬于動態(tài)圖像粒度分析設備，由測量部件、移動導軌、型材框架組成。測量部件中部有窄縫，窄縫兩側相向布置CCD高速相機與LED光源。當噴霧液滴從窄縫中間通過時，高速相機拍攝液滴的瞬時影像，同時將圖片數(shù)據(jù)傳給計算機。計算機內(nèi)配套軟件將所得圖片進行格式變換、灰度化、圖像增強等數(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，再測量計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。

噴嘴噴霧角由計算機導入的相機拍攝照片通過圖片處理軟件直接測讀。相機采用單反數(shù)碼相機，總像素1 080萬，CCD傳感器。噴霧角測量時，試驗相機放置于三角架上，鏡頭保持與噴嘴出口軸線平行，測量位置在正對噴嘴來流方向。

2 試驗結果及分析

2.1 噴嘴單相噴霧試驗結果

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

2.1.1 壓力與流量的變化關系

由試驗數(shù)據(jù)得出單相噴霧的壓力隨流量的變化關系如圖4所示。

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

由圖4可知：前端配氣結構不同的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構的噴霧壓力比無配氣結構略高。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系[6]，隨著流量增加，壓力增長會更快；配氣結構氣相出口段占據(jù)了一定的液相管路體積，液相通流面積減小，流動阻力增加引起壓力升高。而配氣結構1由于進氣管出口段較長，噴嘴壓力升高幅度更明顯些。

2.1.2 SMD與流量的變化關系

單相噴霧液滴SMD與流量的關系如圖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，但減小的趨勢逐漸趨于平緩，即便試驗流量達到最大，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，增加配氣結構后噴霧壓力升高，SMD略微降低。這是由于相同流量下，噴嘴壓力越高，壓力勢能最終轉(zhuǎn)化為動能后噴嘴出口液滴速度越快，液滴的快速運動是引起破碎的有利條件，所以有配氣結構的噴嘴噴霧液滴SMD較小。小液滴有更佳的穩(wěn)定性，再次發(fā)生破碎會更困難。從圖5中也可看出，隨著流量的增加，這種配氣結構對粒徑的影響越小。

圖5 單相噴霧SMD與流量關系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系

單相噴霧噴霧角與流量的關系如圖6所示。從圖6中可知：在流量較小時，噴霧角均隨流量的增加而小幅增大；在流量達到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構的影響。

可見，在無空氣助力液相噴霧條件下，配氣結構對常規(guī)脫硫噴嘴各項噴霧性能整體影響不大。

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

2.2 噴嘴兩相噴霧試驗結果

在兩相流噴霧試驗中，氣液質(zhì)量比w是一個重要的參數(shù)，其計算式為

式中，Qai為噴嘴入口氣體的體積流量，ρai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現(xiàn)。受空氣壓縮機排氣量限制，本文試驗選擇在液相流量試驗跨度較小的范圍內(nèi)進行，即3~6 m3/h。

2.2.1 液相壓力與氣液兩相流量的變化關系

不同工況下液相壓力與氣液兩相流量的關系如圖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，這和單相噴霧試驗中壓力與流量變化規(guī)律相同。由于本文試驗液相流量跨度較小，液相壓力隨著液相流量近似呈線性關系。另外，在同一液相流量下，氣相流量的增加，也會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)流動阻力增大，液相壓力升高。

結合圖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；采用配氣結構2的噴嘴液相壓力升高幅度大于采用配氣結構1的噴嘴。這是由于，配氣結構2的氣相出口距離噴嘴出口更遠，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。而配氣結構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，故而對液相壓力影響有限。

圖7 配氣結構1兩相噴霧液相流量與壓力關系Fig.7 Changes of the liquid pressure with the flow rate of two-phase spray liquid phase in gas distribution structure 1

圖8 配氣結構2兩相噴霧液相流量與壓力關系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SMD的影響

在選定的w調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，w對噴霧液滴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時的單相噴霧試驗，加入氣相工質(zhì)的兩相噴霧試驗液滴SMD明顯降低；當w達到0.002以后，2種配氣結構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下降趨勢逐漸減緩。

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

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

結合圖9與圖10可知，在相同工況下，采用配氣結構2的噴嘴比采用配氣結構1的噴嘴噴霧液滴SMD低。這是由于采用配氣結構2的噴嘴噴霧液相壓力相對較高（圖7、圖8）。這進一步說明，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 液相流量對噴霧角的影響

兩相噴霧試驗噴霧角與流量的關系如圖11、圖12所示。

圖11 配氣結構1兩相噴霧噴霧角與液相流量關系Fig.11 Changes of the spray angle with the liquid phase flow of two-phase spray in gas distribution structure 1

圖12 配氣結構2兩相噴霧噴霧角與液相流量關系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，兩相噴霧試驗噴霧角隨液相流量的變化規(guī)律與單相噴霧試驗類似，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，氣相工質(zhì)的引入使得噴嘴的噴霧角有大幅擴大，擴大幅度在20°左右。在此基礎上，隨著w的增加，噴霧角的上漲幅度并不明顯。采用配氣結構1與配氣結構2，噴嘴噴霧角變化規(guī)律沒有顯著差別。

3 結 論

1）空氣助力式脫硫噴嘴在不通入氣相工質(zhì)時，自行設計的配氣結構對常規(guī)脫硫噴嘴液相噴霧的各項性能整體影響不大，其中配氣結構2對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。當氣液質(zhì)量比w在0.002~0.005，2種配氣結構的噴嘴噴霧液滴SMD均會顯著降低至900~1 400 μm。采用配氣結構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。