大流量低背压螺旋喷嘴的流量分布特性研究

周 昊， 郭无双， 朱义凡， 马伟伟

(浙江大学 热能工程研究所，能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027)



大流量低背压螺旋喷嘴的流量分布特性研究

周 昊， 郭无双， 朱义凡， 马伟伟

(浙江大学 热能工程研究所，能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027)

利用流量分布测试系统对大流量低背压螺旋喷嘴的流量分布特性进行实验研究.采用排状量筒法，测量不同高度不同孔径螺旋喷嘴的流量、每层喷雾面位置、雾化角以及径向体积流率，分析螺旋喷嘴的尺寸参数对其流量分布特性的影响规律.结果表明：相同压力下，螺旋喷嘴的高度H与孔径D的比值H/D越大，质量流量越小，雾化角越大，每层喷雾面径向体积流率越小；不同压力下，压力越高，质量流量越大，同一螺旋喷嘴的雾化角越大，每层雾化面的位置距喷嘴中心的距离越远.

螺旋喷嘴； 大流量； 低背压； 流量分布特性

烟气脱硫技术(FGD)是控制燃煤电厂SO2排放最有效和应用最广的技术[1].烟气脱硫技术按其脱硫方式以及脱硫反应产物的形态可分为湿法、干法及半干法3大类.其中，湿法脱硫以其效率高、技术成熟等特点在控制SO2排放中得到了较为广泛的应用[2].浆液通过喷嘴雾化成体积很小的液滴，雾化可以增加烟气与浆液之间的传热传质，提高效率.压力式雾化喷嘴结构简单，操作、维修方便，应用较广.喷嘴的雾化性能和流量分布[3]对喷淋塔的尺寸、所需喷嘴个数、脱硫效率以及运行成本起着非常关键的作用.

近年来，有很多学者对螺旋喷嘴的雾化性能及其影响因素进行了研究，对比各种类型的喷嘴与螺旋喷嘴的雾化特性.陈斌等[4]以空气、水为工质，对单相和两相雾化器喷嘴的雾化特性进行了研究，单相喷嘴的雾化粒径分布随着压力的升高而减小.陈琴珠等[5]对比了螺旋喷嘴、离心式喷嘴和实心X型喷嘴，得出螺旋喷嘴满足大流量雾化粒径小的雾化特性，并优于离心式喷嘴和实心X型喷嘴.刘定平等[6]对目前湿法烟气脱硫系统中常用的4种机械式喷嘴使用图像法对雾化粒径进行了对比测量，发现螺旋喷嘴较其他3种喷嘴的雾化粒径更小，雾化角较大，适用于火电厂湿法烟气脱硫系统.方立军等[7]分析了内螺纹型雾化喷嘴和HHSJ型螺旋喷嘴的粒径分布和流量分布，HHSJ型螺旋喷嘴适用于常规喷淋塔，径向流量分布较对称，雾化角随压力的升高变大的趋势更明显.刘乃玲等[8-9]采用因次分析方法建立了螺旋喷嘴液滴直径的准则关系式，用最小二乘法回归了TF型喷嘴雾化粒子几种直径的经验公式.杨家俊等[10]针对不同密度的工质，对不同工作压力下的螺旋喷嘴雾化性能进行了测试，找到了脱硫浆液的最佳配比和较为合适的工作压力.张德俐等[11]讨论了喷孔直径对螺旋喷嘴雾化特性的影响，指出用增加压力来提高雾化角的效果是有限的，增大孔径会使其有较大的雾滴覆盖区域.李兆东等[12]考虑了螺旋喷嘴孔径变化对其雾化特性的影响，得出孔径大的喷嘴流量随压力的升高增加更快、雾化角更大等结论，但没有考虑喷嘴高度对流量分布特性的影响.杜云贵等[13]针对脱硫喷嘴能耗高的问题，推导出大流量低背压喷嘴的计算公式，进行试验后发现大流量低背压(工作压力在10～50 kPa)喷嘴可降低运行能耗，减少喷嘴数量和投资成本.

综上所述，螺旋喷嘴比其他类型的喷嘴更适用于脱硫系统的喷淋塔内，但在以往文献中多是针对体积流量较小(小于50 m3/h)、所需运行压力较高的脱硫喷嘴进行研究.而对于大流量低背压螺旋喷嘴的流量分布特性研究较少，关于螺旋喷嘴的高度和孔径对流量分布特性影响的研究更少.实际脱硫过程中，这种大流量螺旋喷嘴的流量分布特性不仅会影响喷淋塔的尺寸、喷嘴数目、运行压力，还会影响脱硫效率.

脱硫浆液经螺旋喷嘴雾化后，会形成由圆锥面组成的喷雾面.在吸收塔内，每层喷雾面的位置以及每层的径向体积流量分布对喷淋塔的尺寸、塔内烟气中SO2的吸收都至关重要.螺旋喷嘴的高度和孔径变化都会造成喷雾面位置和流量的差异，进而影响投资成本和运行成本.因此，笔者对运行压力为0.025～0.035 MPa，质量流量为80～140 t/h，螺旋喷嘴的高度为240～290 mm,孔径大小为90～110 mm范围内的螺旋喷嘴的流量分布特性进行研究，讨论了螺旋喷嘴的尺寸参数对流量分布、雾化角、每层喷雾面所在位置以及径向体积流率等的影响，为湿法烟气脱硫中这种大流量低背压螺旋喷嘴的选型提供了科学依据.

1 实验方法

1.1 实验台架及测试系统

螺旋喷嘴雾化流量分布特性测试系统主要由2部分组成，整体示意图如图1所示.一部分是螺旋喷嘴的雾化喷射系统，由泵、阀门、螺旋喷嘴、水箱及连接的管路等部件组成；另一部分是流量分布测量系统，分别对质量流量、压力、径向喷淋流量分布和喷淋覆盖面直径进行测量.液体体积流量由电磁流量计测量，量程为54～1 080 m3/h，压力等级为1.6 MPa,准确度为0.5%.压力采用标准压力表来测量，量程为0.25 MPa,精确度为0.005 MPa.径向喷淋流量采用排状量筒测量，量筒直径为60 mm,一共有50个.测量过程中量筒的量程分别为500 mL和50 mL,精确度分别为10 mL和0.5 mL.为了提高量筒测量的精确度，用2种量筒同时测量.

图1 实验系统工作示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

选取3个螺旋喷嘴进行对比研究.螺旋喷嘴的材料为SiSiC渗硅碳化硅,实物如图2所示.该螺旋喷嘴雾化粒径的平均索尔特直径(D32)为2 000 μm.每个喷嘴的高度和孔径大小见表1.

为了讨论螺旋喷嘴尺寸对流量分布的影响，采用螺旋喷嘴的高度与孔径的比值H/D来表征螺旋喷嘴的尺寸大小(即尺寸当量).

图2 螺旋喷嘴结构示意Fig.2 Structure of the spiral nozzle表1 螺旋喷嘴的尺寸Tab.1 Sizes of different spiral nozzles

mm

1.2 实验测量方法

1.2.1 流量分布的测量方法

排状量筒的位置设置在喷嘴出口正下方1 m处，此处的工质绝大部分已经撕裂为液滴，可以较清楚地观察到液滴的空间分布.以螺旋部的起始点顺时针45°为A方向，螺旋部的起始点逆时针45°为B方向，B方向的逆时针90°为C方向，C方向的逆时针90°为D方向，如图3所示.通过测量A、B、C、D4个方向的径向流量分布，来研究螺旋喷嘴的径向流量分布特性.

图3 螺旋喷嘴测量方向的俯视图Fig.3 Measurement direction view from inflow side

当螺旋喷嘴的喷淋系统稳定工作时，测量时间t内量筒内水的体积为V，计算出单位时间内每个量筒内水的体积qV，即体积流量，mL/s.

每个量筒的进口有效面积为S，体积流率q[7]表示单位面积的体积流量，m/s,表达式如下：

(1)

1.2.2 雾化角的测量方法

螺旋喷嘴的径向流量分布大致如图4所示，由图4可知，此时形成了3层喷雾面.通过量筒记录喷雾面的边缘位置，计算出喷雾面的覆盖直径DAC和雾化角θ.

图4 螺旋喷嘴径向流量分布示意图Fig.4 Schematic diagram of the radial flow distribution

以AC方向为例，

(2)

(3)

式中：DA为A方向最外层喷雾面的位置；DC为C方向最外层喷雾面的位置；θA为A方向最外层喷雾面的雾化角；θC为C方向最外层喷雾面的雾化角.

1.3 实验工况

测量实验中，雾化介质为水.在0.025 MPa、0.030 MPa和0.035 MPa压力下，分别对3个螺旋喷嘴在A、B、C、D4个方向的流量分布进行测量.

2 实验结果与分析

2.1 螺旋喷嘴压力对质量流量的影响

对每个喷嘴在不同压力下的质量流量进行测量，绘制了螺旋喷嘴质量流量与压力的关系曲线(见图5)，其中纵坐标为螺旋喷嘴的质量流量，横坐标为压力的平方根.由图5可知，虽然运行压力较低，但也有连续稳定的喷射压力与质量流量的关系曲线[13].质量流量和压力的变化规律也符合陈斌等[4，14]的研究结论，对于同一喷嘴，其质量流量随着压力的升高而增大，且质量流量与压力的平方根近似呈线性关系.

图6给出了相同压力下，螺旋喷嘴的尺寸当量H/D与质量流量的关系曲线.从图6可以看出，H/D增大，质量流量减小；随着H/D增大和压力升高，这个减小趋势越明显.

图5 螺旋喷嘴压力与质量流量的关系Fig.5 Flow-pressure curve of nozzles

图6 螺旋喷嘴尺寸当量与质量流量的关系Fig.6 Flow-H/D curve of nozzles

2.2 螺旋喷嘴尺寸对雾化角的影响

图7给出了在AC方向上，压力为0.025 MPa、0.030 MPa和0.035 MPa时，3个螺旋喷嘴的喷雾面与尺寸当量的关系.根据式(2)和式(3)算出在AC方向上，压力为0.025 MPa、0.030 MPa和0.035 MPa时螺旋喷嘴的雾化角和喷嘴尺寸当量，结果见图8.

图7 螺旋喷嘴尺寸当量与覆盖面直径的关系Fig.7 Spray diameter-H/D curve of nozzles

由图8可知，对于同一螺旋喷嘴，压力越高，质量流量越大，雾化角越大；结合上述螺旋喷嘴尺寸当量与质量流量的关系，在相同压力下，螺旋喷嘴的尺寸当量越大，质量流量越小，雾化角越大，喷雾比较分散.

2.3 螺旋喷嘴尺寸对径向体积流率分布的影响

采用表征单位面积体积流量的体积流率q来衡

图8 螺旋喷嘴尺寸当量与雾化角的关系Fig.8 Spray angle-H/D curve of nozzles

量径向体积流率分布，实验中对4个方向上的径向体积流量分布进行测量.

图9和图10分别为3个螺旋喷嘴在AC方向和BD方向上的径向体积流率分布图，其中横坐标是距离喷嘴中心的距离，纵坐标是液体的体积流率.该类螺旋喷嘴可以在运行压力下提供连续稳定的流量，在较宽的压力范围内都可以提供均匀的雾化喷雾[13].

(a) 0.025 MPa

(b) 0.030 MPa

(c) 0.035 MPa图9 AC方向螺旋喷嘴的径向体积流率分布Fig.9 Spray volume flow distribution in AC direction

(a) 0.025 MPa

(b) 0.030 MPa

(c) 0.035 MPa图10 BD方向螺旋喷嘴的径向体积流率分布Fig.10 Spray volume flow distribution in BD direction

从图9和图10可以看出，与文献[7]研究的HHSJ型螺旋喷嘴不同，雾化面型线总圈数为3，径向体积流率沿半径方向有较为明显的3个峰值，沿半径方向形成3个喷雾面，以螺旋喷嘴所在位置中心呈对称分布.对于不同的螺旋喷嘴尺寸，喷雾面距离喷嘴中心的距离关系为：1号>2号>3号，每层喷雾面的体积流率关系为：1号>2号>3号.1号螺旋喷嘴3个喷雾面的雾化角较小，但质量流量较大，喷雾面比较集中且每层喷雾面的径向体积流率较大；3号螺旋喷嘴3个喷雾面的雾化角较大，但质量流量较小，喷雾面相对分散且每层喷雾面的径向体积流率较小.H/D越大，喷雾的3个锥面离喷嘴中心距离越大，喷雾覆盖的范围越大，雾化角越大，每层喷雾越稀薄，雾化角较均匀.

2.4 4个方向上的径向体积流率分布

图11为1号螺旋喷嘴在压力为0.025 MPa时4个方向上的径向体积流率分布图.从图11可以看出，螺旋喷嘴4个方向的径向体积流率都不完全相同，沿着螺旋喷嘴出口的起始点顺时针方向，径向体积流率依次减小，即A方向>D方向>B方向>C方向.

(a)

(b)图11 1号螺旋喷嘴在0.025 MPa下4个方向上的 径向体积流率分布Fig.11 Spray volume flow distribution in A, B, C, D directions of nozzle 1 at 0.025 MPa

2.5 不同压力下的径向体积流率分布

图12给出了1号螺旋喷嘴在0.025 MPa和0.030 MPa下,4个方向上的径向体积流率的曲线图.从图12可以看出，随着压力的升高，喷雾面的位置向远离喷嘴中心的方向移动，喷雾面位置增大的同时，喷雾的径向体积流率也在增大.

2.6 实验误差分析

实验中的误差主要包括以下几个方面：

(1) 仪器仪表的设备误差.

流量计的准确度为0.5%.标准压力表的精确度为0.005 MPa.实验中采用了2种规格的量筒.读数时估读到仪表最小刻度的下一位，并多次读数取平均值.

(2) 压力表、流量计和量筒的读数误差.

(a) A方向

(b) B方向

(c) C方向

(d) D方向图12 不同压力下1号螺旋喷嘴在4个方向上的径向体积流率

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

读数时操作规范，平视液面并以凹液面所在位置的刻度为准，为了尽量减小该误差，读数时采取读3次取平均值的方法.

(3) 排状量筒产生的偶然误差.

当螺旋喷嘴的喷淋系统稳定工作后，打开排状量筒上的盖子进行测量，计时结束后立即关上盖子，将喷淋系统关闭.操作规范.

每个排状量筒的盖子打开时会有盖子上的液滴溅到量筒里，或者沿着盖子边缘流进量筒里，部分打在量筒边缘的液滴也会溅到量筒，产生偶然误差.偶然误差会导致图表中的质量流量分布曲线以及径向体积流率分布曲线上个别点有误差.

3 结 论

(1) 螺旋喷嘴的高度与孔径的比值H/D对质量流量、雾化角、雾化面位置和径向体积流率都有影响.

(2) 压力越高，质量流量越大，同一螺旋喷嘴的雾化角越大，每层雾化面的位置距喷嘴中心的距离越远.

(3) 螺旋喷嘴的高度与孔径的比值H/D越大，质量流量呈减小趋势，雾化角呈增大趋势.

(4) 相同压力下，H/D越大，质量流量越小，喷雾范围越大，雾化角越大，喷雾面相对分散，每层喷雾面的径向体积流率相对较小；H/D越小，喷雾面相对集中，每层喷雾面的径向体积流率相对较大.

结果表明，这种螺旋喷嘴满足大流量低背压(10～50 kPa)的运行要求.在实际应用中，螺旋喷嘴的尺寸参数对雾化角、喷雾面的流量分布有直接关系.喷雾面的位置和每个位置处的径向体积流率也直接影响着烟气脱硫技术中的脱硫效率.螺旋喷嘴的高度和孔径需要综合考虑SO2所需的脱硫浆液的流量、喷淋塔尺寸、运行成本以及所需喷嘴个数等多方面的因素.

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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

国家重点基础研究发展计划资助项目(2015CB251501)

周 昊(1973-)，男，江苏吴江人，教授，博士生导师，主要从事煤的低污染优化燃烧方面的研究.电话(Tel．)：13906532015； E-mail：zhouhao@zju.edu.cn．

1674-7607(2017)07-0577-07

X701

A

470.30