大流量低背壓螺旋噴嘴的流量分布特性研究

周 昊， 郭無雙， 朱義凡， 馬偉偉

(浙江大學(xué) 熱能工程研究所，能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027)

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大流量低背壓螺旋噴嘴的流量分布特性研究

周 昊， 郭無雙， 朱義凡， 馬偉偉

(浙江大學(xué) 熱能工程研究所，能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027)

利用流量分布測試系統(tǒng)對(duì)大流量低背壓螺旋噴嘴的流量分布特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.采用排狀量筒法，測量不同高度不同孔徑螺旋噴嘴的流量、每層噴霧面位置、霧化角以及徑向體積流率，分析螺旋噴嘴的尺寸參數(shù)對(duì)其流量分布特性的影響規(guī)律.結(jié)果表明：相同壓力下，螺旋噴嘴的高度H與孔徑D的比值H/D越大，質(zhì)量流量越小，霧化角越大，每層噴霧面徑向體積流率越??；不同壓力下，壓力越高，質(zhì)量流量越大，同一螺旋噴嘴的霧化角越大，每層霧化面的位置距噴嘴中心的距離越遠(yuǎn).

螺旋噴嘴； 大流量； 低背壓； 流量分布特性

煙氣脫硫技術(shù)(FGD)是控制燃煤電廠SO2排放最有效和應(yīng)用最廣的技術(shù)[1].煙氣脫硫技術(shù)按其脫硫方式以及脫硫反應(yīng)產(chǎn)物的形態(tài)可分為濕法、干法及半干法3大類.其中，濕法脫硫以其效率高、技術(shù)成熟等特點(diǎn)在控制SO2排放中得到了較為廣泛的應(yīng)用[2].漿液通過噴嘴霧化成體積很小的液滴，霧化可以增加煙氣與漿液之間的傳熱傳質(zhì)，提高效率.壓力式霧化噴嘴結(jié)構(gòu)簡單，操作、維修方便，應(yīng)用較廣.噴嘴的霧化性能和流量分布[3]對(duì)噴淋塔的尺寸、所需噴嘴個(gè)數(shù)、脫硫效率以及運(yùn)行成本起著非常關(guān)鍵的作用.

近年來，有很多學(xué)者對(duì)螺旋噴嘴的霧化性能及其影響因素進(jìn)行了研究，對(duì)比各種類型的噴嘴與螺旋噴嘴的霧化特性.陳斌等[4]以空氣、水為工質(zhì)，對(duì)單相和兩相霧化器噴嘴的霧化特性進(jìn)行了研究，單相噴嘴的霧化粒徑分布隨著壓力的升高而減小.陳琴珠等[5]對(duì)比了螺旋噴嘴、離心式噴嘴和實(shí)心X型噴嘴，得出螺旋噴嘴滿足大流量霧化粒徑小的霧化特性，并優(yōu)于離心式噴嘴和實(shí)心X型噴嘴.劉定平等[6]對(duì)目前濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中常用的4種機(jī)械式噴嘴使用圖像法對(duì)霧化粒徑進(jìn)行了對(duì)比測量，發(fā)現(xiàn)螺旋噴嘴較其他3種噴嘴的霧化粒徑更小，霧化角較大，適用于火電廠濕法煙氣脫硫系統(tǒng).方立軍等[7]分析了內(nèi)螺紋型霧化噴嘴和HHSJ型螺旋噴嘴的粒徑分布和流量分布，HHSJ型螺旋噴嘴適用于常規(guī)噴淋塔，徑向流量分布較對(duì)稱，霧化角隨壓力的升高變大的趨勢(shì)更明顯.劉乃玲等[8-9]采用因次分析方法建立了螺旋噴嘴液滴直徑的準(zhǔn)則關(guān)系式，用最小二乘法回歸了TF型噴嘴霧化粒子幾種直徑的經(jīng)驗(yàn)公式.楊家俊等[10]針對(duì)不同密度的工質(zhì)，對(duì)不同工作壓力下的螺旋噴嘴霧化性能進(jìn)行了測試，找到了脫硫漿液的最佳配比和較為合適的工作壓力.張德俐等[11]討論了噴孔直徑對(duì)螺旋噴嘴霧化特性的影響，指出用增加壓力來提高霧化角的效果是有限的，增大孔徑會(huì)使其有較大的霧滴覆蓋區(qū)域.李兆東等[12]考慮了螺旋噴嘴孔徑變化對(duì)其霧化特性的影響，得出孔徑大的噴嘴流量隨壓力的升高增加更快、霧化角更大等結(jié)論，但沒有考慮噴嘴高度對(duì)流量分布特性的影響.杜云貴等[13]針對(duì)脫硫噴嘴能耗高的問題，推導(dǎo)出大流量低背壓噴嘴的計(jì)算公式，進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)大流量低背壓(工作壓力在10～50 kPa)噴嘴可降低運(yùn)行能耗，減少噴嘴數(shù)量和投資成本.

綜上所述，螺旋噴嘴比其他類型的噴嘴更適用于脫硫系統(tǒng)的噴淋塔內(nèi)，但在以往文獻(xiàn)中多是針對(duì)體積流量較小(小于50 m3/h)、所需運(yùn)行壓力較高的脫硫噴嘴進(jìn)行研究.而對(duì)于大流量低背壓螺旋噴嘴的流量分布特性研究較少，關(guān)于螺旋噴嘴的高度和孔徑對(duì)流量分布特性影響的研究更少.實(shí)際脫硫過程中，這種大流量螺旋噴嘴的流量分布特性不僅會(huì)影響噴淋塔的尺寸、噴嘴數(shù)目、運(yùn)行壓力，還會(huì)影響脫硫效率.

脫硫漿液經(jīng)螺旋噴嘴霧化后，會(huì)形成由圓錐面組成的噴霧面.在吸收塔內(nèi)，每層噴霧面的位置以及每層的徑向體積流量分布對(duì)噴淋塔的尺寸、塔內(nèi)煙氣中SO2的吸收都至關(guān)重要.螺旋噴嘴的高度和孔徑變化都會(huì)造成噴霧面位置和流量的差異，進(jìn)而影響投資成本和運(yùn)行成本.因此，筆者對(duì)運(yùn)行壓力為0.025～0.035 MPa，質(zhì)量流量為80～140 t/h，螺旋噴嘴的高度為240～290 mm,孔徑大小為90～110 mm范圍內(nèi)的螺旋噴嘴的流量分布特性進(jìn)行研究，討論了螺旋噴嘴的尺寸參數(shù)對(duì)流量分布、霧化角、每層噴霧面所在位置以及徑向體積流率等的影響，為濕法煙氣脫硫中這種大流量低背壓螺旋噴嘴的選型提供了科學(xué)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架及測試系統(tǒng)

螺旋噴嘴霧化流量分布特性測試系統(tǒng)主要由2部分組成，整體示意圖如圖1所示.一部分是螺旋噴嘴的霧化噴射系統(tǒng)，由泵、閥門、螺旋噴嘴、水箱及連接的管路等部件組成；另一部分是流量分布測量系統(tǒng)，分別對(duì)質(zhì)量流量、壓力、徑向噴淋流量分布和噴淋覆蓋面直徑進(jìn)行測量.液體體積流量由電磁流量計(jì)測量，量程為54～1 080 m3/h，壓力等級(jí)為1.6 MPa,準(zhǔn)確度為0.5%.壓力采用標(biāo)準(zhǔn)壓力表來測量，量程為0.25 MPa,精確度為0.005 MPa.徑向噴淋流量采用排狀量筒測量，量筒直徑為60 mm,一共有50個(gè).測量過程中量筒的量程分別為500 mL和50 mL,精確度分別為10 mL和0.5 mL.為了提高量筒測量的精確度，用2種量筒同時(shí)測量.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

選取3個(gè)螺旋噴嘴進(jìn)行對(duì)比研究.螺旋噴嘴的材料為SiSiC滲硅碳化硅,實(shí)物如圖2所示.該螺旋噴嘴霧化粒徑的平均索爾特直徑(D32)為2 000 μm.每個(gè)噴嘴的高度和孔徑大小見表1.

為了討論螺旋噴嘴尺寸對(duì)流量分布的影響，采用螺旋噴嘴的高度與孔徑的比值H/D來表征螺旋噴嘴的尺寸大小(即尺寸當(dāng)量).

圖2 螺旋噴嘴結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of the spiral nozzle表1 螺旋噴嘴的尺寸Tab.1 Sizes of different spiral nozzles

mm

1.2 實(shí)驗(yàn)測量方法

1.2.1 流量分布的測量方法

排狀量筒的位置設(shè)置在噴嘴出口正下方1 m處，此處的工質(zhì)絕大部分已經(jīng)撕裂為液滴，可以較清楚地觀察到液滴的空間分布.以螺旋部的起始點(diǎn)順時(shí)針45°為A方向，螺旋部的起始點(diǎn)逆時(shí)針45°為B方向，B方向的逆時(shí)針90°為C方向，C方向的逆時(shí)針90°為D方向，如圖3所示.通過測量A、B、C、D4個(gè)方向的徑向流量分布，來研究螺旋噴嘴的徑向流量分布特性.

圖3 螺旋噴嘴測量方向的俯視圖Fig.3 Measurement direction view from inflow side

當(dāng)螺旋噴嘴的噴淋系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)，測量時(shí)間t內(nèi)量筒內(nèi)水的體積為V，計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)量筒內(nèi)水的體積qV，即體積流量，mL/s.

每個(gè)量筒的進(jìn)口有效面積為S，體積流率q[7]表示單位面積的體積流量，m/s,表達(dá)式如下：

(1)

1.2.2 霧化角的測量方法

螺旋噴嘴的徑向流量分布大致如圖4所示，由圖4可知，此時(shí)形成了3層噴霧面.通過量筒記錄噴霧面的邊緣位置，計(jì)算出噴霧面的覆蓋直徑DAC和霧化角θ.

圖4 螺旋噴嘴徑向流量分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of the radial flow distribution

以AC方向?yàn)槔?/p>

(2)

(3)

式中：DA為A方向最外層噴霧面的位置；DC為C方向最外層噴霧面的位置；θA為A方向最外層噴霧面的霧化角；θC為C方向最外層噴霧面的霧化角.

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

測量實(shí)驗(yàn)中，霧化介質(zhì)為水.在0.025 MPa、0.030 MPa和0.035 MPa壓力下，分別對(duì)3個(gè)螺旋噴嘴在A、B、C、D4個(gè)方向的流量分布進(jìn)行測量.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 螺旋噴嘴壓力對(duì)質(zhì)量流量的影響

對(duì)每個(gè)噴嘴在不同壓力下的質(zhì)量流量進(jìn)行測量，繪制了螺旋噴嘴質(zhì)量流量與壓力的關(guān)系曲線(見圖5)，其中縱坐標(biāo)為螺旋噴嘴的質(zhì)量流量，橫坐標(biāo)為壓力的平方根.由圖5可知，雖然運(yùn)行壓力較低，但也有連續(xù)穩(wěn)定的噴射壓力與質(zhì)量流量的關(guān)系曲線[13].質(zhì)量流量和壓力的變化規(guī)律也符合陳斌等[4，14]的研究結(jié)論，對(duì)于同一噴嘴，其質(zhì)量流量隨著壓力的升高而增大，且質(zhì)量流量與壓力的平方根近似呈線性關(guān)系.

圖6給出了相同壓力下，螺旋噴嘴的尺寸當(dāng)量H/D與質(zhì)量流量的關(guān)系曲線.從圖6可以看出，H/D增大，質(zhì)量流量減?。浑S著H/D增大和壓力升高，這個(gè)減小趨勢(shì)越明顯.

圖5 螺旋噴嘴壓力與質(zhì)量流量的關(guān)系Fig.5 Flow-pressure curve of nozzles

圖6 螺旋噴嘴尺寸當(dāng)量與質(zhì)量流量的關(guān)系Fig.6 Flow-H/D curve of nozzles

2.2 螺旋噴嘴尺寸對(duì)霧化角的影響

圖7給出了在AC方向上，壓力為0.025 MPa、0.030 MPa和0.035 MPa時(shí)，3個(gè)螺旋噴嘴的噴霧面與尺寸當(dāng)量的關(guān)系.根據(jù)式(2)和式(3)算出在AC方向上，壓力為0.025 MPa、0.030 MPa和0.035 MPa時(shí)螺旋噴嘴的霧化角和噴嘴尺寸當(dāng)量，結(jié)果見圖8.

圖7 螺旋噴嘴尺寸當(dāng)量與覆蓋面直徑的關(guān)系Fig.7 Spray diameter-H/D curve of nozzles

由圖8可知，對(duì)于同一螺旋噴嘴，壓力越高，質(zhì)量流量越大，霧化角越大；結(jié)合上述螺旋噴嘴尺寸當(dāng)量與質(zhì)量流量的關(guān)系，在相同壓力下，螺旋噴嘴的尺寸當(dāng)量越大，質(zhì)量流量越小，霧化角越大，噴霧比較分散.

2.3 螺旋噴嘴尺寸對(duì)徑向體積流率分布的影響

采用表征單位面積體積流量的體積流率q來衡

圖8 螺旋噴嘴尺寸當(dāng)量與霧化角的關(guān)系Fig.8 Spray angle-H/D curve of nozzles

量徑向體積流率分布，實(shí)驗(yàn)中對(duì)4個(gè)方向上的徑向體積流量分布進(jìn)行測量.

圖9和圖10分別為3個(gè)螺旋噴嘴在AC方向和BD方向上的徑向體積流率分布圖，其中橫坐標(biāo)是距離噴嘴中心的距離，縱坐標(biāo)是液體的體積流率.該類螺旋噴嘴可以在運(yùn)行壓力下提供連續(xù)穩(wěn)定的流量，在較寬的壓力范圍內(nèi)都可以提供均勻的霧化噴霧[13].

(a) 0.025 MPa

(b) 0.030 MPa

(c) 0.035 MPa圖9 AC方向螺旋噴嘴的徑向體積流率分布Fig.9 Spray volume flow distribution in AC direction

(a) 0.025 MPa

(b) 0.030 MPa

(c) 0.035 MPa圖10 BD方向螺旋噴嘴的徑向體積流率分布Fig.10 Spray volume flow distribution in BD direction

從圖9和圖10可以看出，與文獻(xiàn)[7]研究的HHSJ型螺旋噴嘴不同，霧化面型線總?cè)?shù)為3，徑向體積流率沿半徑方向有較為明顯的3個(gè)峰值，沿半徑方向形成3個(gè)噴霧面，以螺旋噴嘴所在位置中心呈對(duì)稱分布.對(duì)于不同的螺旋噴嘴尺寸，噴霧面距離噴嘴中心的距離關(guān)系為：1號(hào)>2號(hào)>3號(hào)，每層噴霧面的體積流率關(guān)系為：1號(hào)>2號(hào)>3號(hào).1號(hào)螺旋噴嘴3個(gè)噴霧面的霧化角較小，但質(zhì)量流量較大，噴霧面比較集中且每層噴霧面的徑向體積流率較大；3號(hào)螺旋噴嘴3個(gè)噴霧面的霧化角較大，但質(zhì)量流量較小，噴霧面相對(duì)分散且每層噴霧面的徑向體積流率較小.H/D越大，噴霧的3個(gè)錐面離噴嘴中心距離越大，噴霧覆蓋的范圍越大，霧化角越大，每層噴霧越稀薄，霧化角較均勻.

2.4 4個(gè)方向上的徑向體積流率分布

圖11為1號(hào)螺旋噴嘴在壓力為0.025 MPa時(shí)4個(gè)方向上的徑向體積流率分布圖.從圖11可以看出，螺旋噴嘴4個(gè)方向的徑向體積流率都不完全相同，沿著螺旋噴嘴出口的起始點(diǎn)順時(shí)針方向，徑向體積流率依次減小，即A方向>D方向>B方向>C方向.

(a)

(b)圖11 1號(hào)螺旋噴嘴在0.025 MPa下4個(gè)方向上的 徑向體積流率分布Fig.11 Spray volume flow distribution in A, B, C, D directions of nozzle 1 at 0.025 MPa

2.5 不同壓力下的徑向體積流率分布

圖12給出了1號(hào)螺旋噴嘴在0.025 MPa和0.030 MPa下,4個(gè)方向上的徑向體積流率的曲線圖.從圖12可以看出，隨著壓力的升高，噴霧面的位置向遠(yuǎn)離噴嘴中心的方向移動(dòng)，噴霧面位置增大的同時(shí)，噴霧的徑向體積流率也在增大.

2.6 實(shí)驗(yàn)誤差分析

實(shí)驗(yàn)中的誤差主要包括以下幾個(gè)方面：

(1) 儀器儀表的設(shè)備誤差.

流量計(jì)的準(zhǔn)確度為0.5%.標(biāo)準(zhǔn)壓力表的精確度為0.005 MPa.實(shí)驗(yàn)中采用了2種規(guī)格的量筒.讀數(shù)時(shí)估讀到儀表最小刻度的下一位，并多次讀數(shù)取平均值.

(2) 壓力表、流量計(jì)和量筒的讀數(shù)誤差.

(a) A方向

(b) B方向

(c) C方向

(d) D方向圖12 不同壓力下1號(hào)螺旋噴嘴在4個(gè)方向上的徑向體積流率

Fig.12 Spray volume flow distribution inA,B,C,Ddirections of nozzle 1 at different pressures

讀數(shù)時(shí)操作規(guī)范，平視液面并以凹液面所在位置的刻度為準(zhǔn)，為了盡量減小該誤差，讀數(shù)時(shí)采取讀3次取平均值的方法.

(3) 排狀量筒產(chǎn)生的偶然誤差.

當(dāng)螺旋噴嘴的噴淋系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，打開排狀量筒上的蓋子進(jìn)行測量，計(jì)時(shí)結(jié)束后立即關(guān)上蓋子，將噴淋系統(tǒng)關(guān)閉.操作規(guī)范.

每個(gè)排狀量筒的蓋子打開時(shí)會(huì)有蓋子上的液滴濺到量筒里，或者沿著蓋子邊緣流進(jìn)量筒里，部分打在量筒邊緣的液滴也會(huì)濺到量筒，產(chǎn)生偶然誤差.偶然誤差會(huì)導(dǎo)致圖表中的質(zhì)量流量分布曲線以及徑向體積流率分布曲線上個(gè)別點(diǎn)有誤差.

3 結(jié) 論

(1) 螺旋噴嘴的高度與孔徑的比值H/D對(duì)質(zhì)量流量、霧化角、霧化面位置和徑向體積流率都有影響.

(2) 壓力越高，質(zhì)量流量越大，同一螺旋噴嘴的霧化角越大，每層霧化面的位置距噴嘴中心的距離越遠(yuǎn).

(3) 螺旋噴嘴的高度與孔徑的比值H/D越大，質(zhì)量流量呈減小趨勢(shì)，霧化角呈增大趨勢(shì).

(4) 相同壓力下，H/D越大，質(zhì)量流量越小，噴霧范圍越大，霧化角越大，噴霧面相對(duì)分散，每層噴霧面的徑向體積流率相對(duì)較??；H/D越小，噴霧面相對(duì)集中，每層噴霧面的徑向體積流率相對(duì)較大.

結(jié)果表明，這種螺旋噴嘴滿足大流量低背壓(10～50 kPa)的運(yùn)行要求.在實(shí)際應(yīng)用中，螺旋噴嘴的尺寸參數(shù)對(duì)霧化角、噴霧面的流量分布有直接關(guān)系.噴霧面的位置和每個(gè)位置處的徑向體積流率也直接影響著煙氣脫硫技術(shù)中的脫硫效率.螺旋噴嘴的高度和孔徑需要綜合考慮SO2所需的脫硫漿液的流量、噴淋塔尺寸、運(yùn)行成本以及所需噴嘴個(gè)數(shù)等多方面的因素.

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Flow Distribution Characteristics of Low-pressure High-flux Spiral Nozzles

ZHOUHao,GUOWushuang,ZHUYifan,MAWeiwei

(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Institute for Thermal Power Engineering,Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Experimental studies were conducted on the flow distribution characteristics of low-pressure high-flux spiral nozzles via a flow distribution testing system. To analyze the effects of nozzle size on the flow distribution characteristics, the flow rate of spiral nozzles with different heights and sizes, the position of spray surfaces at each layer, the spray angle as well as the radial volumetric flow were measured by the way of sector-shaped flasks laid in a row. Results show that at the same pressure, the greater the ratio of nozzle height to nozzle diameter is, the less the mass flow rate, the bigger the spray angle and the smaller the spray flow rate of each surface will be; whereas at different pressures, the higher the pressure is, the larger the mass flow rate, the bigger the spray angle and the larger the distance between the spray surface and nozzle center will be.

spiral nozzle; high flux; low pressure; flow distribution characteristics

2016-07-01

2016-09-01

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015CB251501)

周 昊(1973-)，男，江蘇吳江人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事煤的低污染優(yōu)化燃燒方面的研究.電話(Tel．)：13906532015； E-mail：zhouhao@zju.edu.cn．

1674-7607(2017)07-0577-07

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