離心霧化器霧化性能試驗(yàn)分析

□ 王鵬程

江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院 江蘇淮安 223003

1 研究背景

城市垃圾已成為當(dāng)今世界最嚴(yán)重的公害之一。目前,解決垃圾最經(jīng)濟(jì)有效的方法是對(duì)垃圾進(jìn)行焚燒發(fā)電。焚燒處理在垃圾無害化、減量化、資源化方面優(yōu)勢(shì)明顯,在世界各國得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是,因?yàn)槔煞謴?fù)雜,焚燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生含有二氧化硫、氯化氫等有毒有害物質(zhì)的尾氣,若得不到有效凈化處理,將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染。

目前,垃圾焚燒典型的尾氣凈化工藝有三種:半干式凈化、干式凈化、濕式凈化[1]。這三種凈化工藝各有特點(diǎn)。半干式凈化工藝去除污染物的效率介于干式和濕式之間,具有系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單,投資和運(yùn)行費(fèi)用低,不產(chǎn)生廢水等優(yōu)點(diǎn),在垃圾焚燒廠尾氣凈化系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多。

離心霧化器是半干式凈化工藝的重要設(shè)備,霧化效果嚴(yán)重影響垃圾焚燒排放尾氣的質(zhì)量。筆者采用FAM型激光測(cè)粒分析儀對(duì)離心霧化器的霧化性能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),分析霧化性能的有關(guān)影響因素,為垃圾發(fā)電廠尾氣的凈化處理提供指導(dǎo)。

2 霧化機(jī)理

離心霧化器是垃圾焚燒尾氣凈化工藝系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,常以石灰漿液作為吸收劑,其霧化機(jī)理如圖1所示。

▲圖1 離心霧化器霧化機(jī)理

石灰漿液被送至干燥塔頂部轉(zhuǎn)速高達(dá)10 000～20 000 r/min的霧化轉(zhuǎn)盤上,由轉(zhuǎn)盤上方的漿液入口進(jìn)入,然后擴(kuò)散至轉(zhuǎn)盤表面,形成一層薄膜。在離心力的作用下,薄膜逐漸向轉(zhuǎn)盤外緣移動(dòng),剪力作用使薄膜霧化為直徑50～150 μm的均勻細(xì)小霧滴。霧滴大小主要取決于轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和漿液量。這些霧滴具有很大的表面積,與垃圾焚燒尾氣充分混合,發(fā)生強(qiáng)烈的熱交換和化學(xué)反應(yīng),迅速使大部分水分蒸發(fā),形成含水量小的固體灰渣。

3 霧化性能試驗(yàn)系統(tǒng)

霧滴粒徑采用激光測(cè)粒分析儀測(cè)量,原理是光線通過均勻介質(zhì)時(shí),沿著折射光的傳播方向直線傳播,若在均勻介質(zhì)中摻入雜亂分布的微小粒子,則這些粒子會(huì)破壞介質(zhì)的均勻性,引起散射現(xiàn)象[2]。

離心霧化器霧化性能試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示,主要由三大部分組成。石灰漿液供料部分由制漿槽、攪拌器、過濾網(wǎng)、漿液泵、控制閥構(gòu)成,由管道與離心霧化器漿液入口相連。漿液霧化部分由離心霧化器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速機(jī)構(gòu)組成。測(cè)量部分由測(cè)壓表、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、激光測(cè)粒分析儀組成。離心霧化器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果如圖3所示。

▲圖2 離心霧化器霧化性能試驗(yàn)系統(tǒng)

▲圖3 離心霧化器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果

4 試驗(yàn)方法

離心霧化器的霧化性能對(duì)垃圾焚燒尾氣凈化效率和干燥塔尺寸都有十分重要的影響。為了評(píng)價(jià)離心霧化器的霧化性能,需要有衡量霧化性能的指標(biāo),主要衡量指標(biāo)包括霧滴粒徑、霧滴均勻度、噴霧距等。其中,霧滴粒徑和噴霧距是衡量離心霧化器霧化性能的最重要指標(biāo)[3]。離心霧化器霧化性能試驗(yàn)主要分析霧化轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、進(jìn)料速率、石灰漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)離心霧化器霧化性能的影響。

轉(zhuǎn)盤噴嘴的內(nèi)徑為12 mm,沿轉(zhuǎn)盤圓周均勻分布32個(gè)轉(zhuǎn)盤噴嘴。轉(zhuǎn)盤總設(shè)計(jì)流量為3.5 t/h,在轉(zhuǎn)盤下方約0.9 m處取樣。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)的大小,控制石灰漿液的進(jìn)料速率。在不同進(jìn)料速率下,通過激光測(cè)粒分析儀測(cè)量霧滴粒徑。調(diào)整變速機(jī)構(gòu),改變霧化轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速。在不同轉(zhuǎn)速下,通過激光測(cè)粒分析儀測(cè)量霧滴粒徑。改變石灰漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù),然后重復(fù)以上過程。

噴霧距采用直接測(cè)量方式測(cè)量,一般以水平面有90%～99%石灰漿霧滴降落的直徑作為離心霧化器的噴霧距。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

因?yàn)槭覞{霧滴的粒徑不可能完全一致,所以常采用平均粒徑來表征。研究離心霧化器噴霧霧滴平均粒徑運(yùn)用最為廣泛的是索特平均直徑SMD[4],其計(jì)算思想為平均霧滴群總體積與總面積的比值恰好和實(shí)際霧滴群總體積與總面積的比值相等,即:

(1)

(2)

式中:Dvs為霧滴平均粒徑;Di為第i個(gè)霧滴的直徑;Ni為直徑為Di的霧滴數(shù)量;N0為直徑為Dvs的霧滴數(shù)量。

5.1 霧化轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對(duì)霧滴粒徑影響

理論研究表明,若離心霧化器的進(jìn)料速率、霧化轉(zhuǎn)盤直徑、進(jìn)料物理性質(zhì)不變,則霧滴粒徑與霧化轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速成反比[5],即:

(3)

式中:Ns1、Ns2為兩種不同的霧化轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速;Dvs1、Dvs2分別為Ns1、Ns2轉(zhuǎn)速下獲得的相應(yīng)霧滴平均粒徑。

式(3)中指數(shù)p根據(jù)離心霧化器不同的實(shí)際運(yùn)行條件取值,試驗(yàn)中轉(zhuǎn)盤周速為200～300 m/s,各測(cè)量點(diǎn)的進(jìn)料速率均取2 000 kg/h,根據(jù)文獻(xiàn)[5],p取值為0.77,即有:

(4)

式中:Ns為霧化轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速。

根據(jù)上述理論,為了獲得細(xì)小且均勻的霧滴,當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速很低時(shí),可以采用提高轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的方法來提高石灰漿液的霧化質(zhì)量。采用清水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%、20%的四種石灰漿液進(jìn)行試驗(yàn),轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與霧滴粒徑的關(guān)系曲線如圖4所示。對(duì)于不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石灰漿液,試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本上都滿足霧滴粒徑與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速成反比的關(guān)系。當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速提高至12 000 r/min以上后,霧滴粒徑隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速變化將不明顯,此時(shí)再繼續(xù)提高轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對(duì)減小霧滴粒徑幫助不大。轉(zhuǎn)盤有最佳轉(zhuǎn)速,在這一轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速下石灰漿霧滴大小合適,凈化垃圾焚燒產(chǎn)生的酸性氣體效果最佳。實(shí)際轉(zhuǎn)盤最佳轉(zhuǎn)速可以通過試驗(yàn)選取,此次試驗(yàn)中離心霧化器最佳轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為135 00 r/min。

▲圖4 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與霧滴粒徑關(guān)系曲線

5.2 進(jìn)料速率對(duì)霧滴粒徑影響

由文獻(xiàn)[5]可知,當(dāng)霧化轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、霧化轉(zhuǎn)盤直徑及進(jìn)料物理性質(zhì)不變時(shí),霧滴平均粒徑與進(jìn)料速率成正比,即:

(5)

式中:VP1、VP2為兩種不同的進(jìn)料速率。

指數(shù)q根據(jù)離心霧化器不同的實(shí)際運(yùn)行條件取值,試驗(yàn)中各測(cè)量點(diǎn)的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速均為13 500 r/min,進(jìn)料速率為1 000～3 500 kg/h。根據(jù)文獻(xiàn)[5],q取值為0.12,即有:

(6)

式中:VP為進(jìn)料速率。

根據(jù)上述理論,為了獲得細(xì)小且均勻的霧滴,當(dāng)進(jìn)料速率很大時(shí),可以采用減小進(jìn)料速率的方法來提高石灰漿液的霧化質(zhì)量。同樣采用清水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%、20%的四種石灰漿液進(jìn)行試驗(yàn),進(jìn)料速率與霧滴粒徑的關(guān)系曲線如圖5所示。對(duì)于不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石灰漿液,試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本上都滿足霧滴粒徑與進(jìn)料速率成正比的關(guān)系。

▲圖5 進(jìn)料速率與霧滴粒徑關(guān)系曲線

5.3 石灰漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)霧滴粒徑影響

由圖4、圖5可知,隨著石灰漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,霧滴粒徑增大。這是因?yàn)殡S著石灰漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,石灰漿液黏度增大,其它條件不變時(shí),霧化石灰漿液所需要的能量增加,使霧滴粒徑增大,符合能量守恒定律。

5.4 霧化轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對(duì)噴霧距影響

由圖4可知,霧滴粒徑隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的提高而減小。石灰漿霧滴運(yùn)動(dòng)中會(huì)受到空氣阻礙與摩擦作用,粒徑較小的霧滴更容易失去初速度,因此當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速提高時(shí),霧滴粒徑減小,噴霧距也就隨之減小。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的石灰漿液進(jìn)行試驗(yàn),轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與噴霧距的關(guān)系曲線如圖6所示,可知噴霧距隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的提高而減小。圖6中,Ds為噴霧距,各測(cè)量點(diǎn)的進(jìn)料速率均為2 000 kg/h。

▲圖6 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與噴霧距關(guān)系曲線

5.5 進(jìn)料速率對(duì)噴霧距影響

由圖5可知,霧滴粒徑隨進(jìn)料速率的增大而增大。石灰漿霧滴運(yùn)動(dòng)中會(huì)受到空氣阻礙與摩擦作用,粒徑較大的霧滴相比粒徑較小的霧滴更難失去初速度,因此當(dāng)進(jìn)料速率增大時(shí),霧滴粒徑增大,噴霧距也就隨之增大。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的石灰漿液進(jìn)行試驗(yàn),進(jìn)料速率與噴霧距的關(guān)系曲線如圖7所示,可知噴霧距隨進(jìn)料速率的增大而增大。圖7中各測(cè)量點(diǎn)的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速均為13 500 r/min。

▲圖7 進(jìn)料速率與噴霧距關(guān)系曲線

6 結(jié)束語

筆者在介紹離心霧化器霧化機(jī)理的基礎(chǔ)上,采用FAM型激光測(cè)粒分析儀對(duì)離心霧化器的霧化性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:

(1) 霧滴粒徑隨離心霧化器轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的提高而減小,但當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速提高至一定值后,霧滴粒徑變化將不明顯;

(2) 隨著石灰漿液進(jìn)料速率的增大,霧滴粒徑也增大;

(3) 隨著石灰漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,霧滴粒徑也增大;

(4) 噴霧距隨離心霧化器轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的提高而減小,隨進(jìn)料速率的增大而增大。