逆喷式Y型重油喷枪的流量特性及燃烧性能研究

杨国华，吕文豪，向 轶，池保华

(1.西北工业大学 航天学院，陕西 西安 710072；2.西安航天动力研究所，陕西 西安 710100；3.西安航天源动力工程有限公司，陕西 西安 710100)

随着炼油技术的不断进步，劣质重油的高效清洁利用已成为全球炼油行业的焦点，出现了加氢裂化、催化裂化、延迟焦化等一批新工艺，有效提高了石油产品的附加值[1-2]。目前在冶金、内燃机、工业窑炉等领域仍有燃用重油的应用，结合国内外越发严格的环保标准，对重油喷枪的性能提出了新的要求。为改善重油喷枪的雾化和燃烧质量，研究者们做了大量的工作，包括设计喷枪新结构、改变油品特性等[3-4]。气流雾化油喷枪的工质为气液两相，采用蒸汽或压缩空气将油雾化，经过多年的发展，已经在原有内混式、外混式和中间混合式结构的基础上，发展出了联合雾化、超声波雾化、低压空气雾化等多种型式[5]，但由于重油存在高黏度、高密度和高胶质的特点，使得其燃烧过程普遍存在点火难、升温慢、燃烧不完全、NOx排放高等问题[6]，因此开发一种出力大、雾化好、燃烧效率高、污染物排放低的新型重油喷枪是很有必要的。

Y型喷枪具有调节比大、耗气量小、出力大、雾化质量好的优点，本文结合重油的特点，设计了逆喷式Y型重油喷枪，通过研究该喷枪的流量特性和燃烧性能，获得工质流量随工质压力变化的规律，掌握燃烧过程中火焰形态及污染物排放情况，可以为这种新型喷枪的设计运行调节提供理论依据。

1 实验设备和工况

1.1 逆喷式Y型重油喷枪结构

逆喷式Y型重油喷枪的主要结构如图1所示。其核心部件喷头如图2所示，分为气孔、油孔、混合孔和出口四个部分，其直径分别为d1、d2、d3和d4。雾化气体和重油分别从气孔和油孔进入，逆向撞击后在混合孔中完全混合成两相流，最终从出口喷出，形成雾化液滴。通过对d1、d2、d3和d4值的改变，调整喷头结构，可以获得不同的流量特性和雾化效果，直接影响后续的重油燃烧性能。

图1 逆喷式Y型重油喷枪结构

图2 喷头结构

1.2 喷雾单元

在本实验中，由两根喷枪组成一个喷雾单元，且两根喷枪出口之间呈90°夹角，如图3所示。在实际应用中，考虑到火焰稳定、分布合理、低氮燃烧等因素，需要对多个喷雾单元进行排列，形成不同的布置形式，本文根据工质特点和燃烧性能要求，设计了均布型和三分割型两种布置形式，如图4所示。

图3 喷雾单元示意图

图4 多个喷雾单元布置形式

1.3 实验系统及工质

热态实验台的系统流程如图5所示，重油在喷枪中经蒸汽雾化后，喷入燃烧炉炉膛充分燃烧。本次实验采用25#变压器油模拟重油，其物性参数表见表1。

图5 热态实验台系统流程图

表1 25#变压器油物性参数

1.4 实验工况及步骤

基于图2所示的喷头结构，改变喷头出口直径d4值，可以在相同的流量下得到不同的出口流速，使喷头出口的两相流拥有不同的动量，d4值越大，喷头出口动量越小。本实验设计了3种d4值，结合图4所示的两种喷雾单元布置形式，共设置4种工况，见表2。

表2 实验工况设置

实验步骤为：实验进行初期，使用柴油喷枪点火并烘炉，炉温达到500 ℃时投入重油喷枪，待运行稳定后撤出柴油喷枪；逐渐提高重油压力及雾化蒸汽压力，达到表2中的预设工况后，正式进行实验。实验过程中先调节雾化蒸汽压力(记为“汽压”)，并在同一汽压下再调节重油进口压力(记为“油压”)，观察并记录相关流量特性数据。使用Testo 350烟气分析仪测量尾部烟气成份，获得NOx、CO等污染物排放数据。

2 重油喷枪的流量特性分析

2.1 各工况下的重油喷枪流量特性数据

根据实验步骤，在四种工况下分别进行了逆喷式Y型重油喷枪的热态实验，记录下各种形式喷枪的流量特性数据，见表3～表6。基于表中的实验数据，可以得出两种工质的流量随压力变化的规律，获得合理的油汽配比。

表3 “均布型+偏大出口动量”重油喷枪的流量特性数据(工况1)

表4 “均布型+中等出口动量”重油喷枪的流量特性数据(工况2)

表5 “均布型+偏小出口动量”重油喷枪的流量特性数据(工况3)

表6 “三分割型+中等出口动量”重油喷枪的流量特性数据(工况4)

2.2 油压对重油流量的影响

重油流量反映了喷枪的出力大小。实际运行中通常采用改变油压的方式调节重油流量。根据表3～表6的数据，得到重油流量qmf随油压pf的变化特性，如图6所示。可以发现除工况2外，各工况下的qmf都随pf的增大而增大。工况2的变化曲线与其他工况不同，认为是受汽压影响所致，但总体上变化幅度不大。

图6 重油流量随油压的变化特性

分析原因，根据Y型喷枪的特点，pf与qmf之间的关系式为[5]

qmf=ρmf×v×A2

(1)

(2)

△p=pf-p3

(3)

式中：qmf为重油流量，kg/h；ρmf为重油密度，取950 kg/m3；v为油孔出口流速，m/s；A2为油孔截面积，m2；pf为油压，MPa；p3为混合孔压力，MPa；μf为油孔流量系数，取0.73；△p为油压和混合孔压力差值，MPa。

分析式(1)～式(3)，发现重油流量由油压pf和混合孔压力p3差值△p决定，根据表3～表6中数据，当油压pf增大时，△p值增大，△p增大增强了重油进出口之间的驱动力，使油孔出口流速v增加，在油孔截面积A2不变时，重油流量qmf也随之增大。

结合实验数据及理论分析，认为逆喷式Y型重油喷枪的重油流量大小与油压正相关，在操作中通过改变重油压力即可实现对重油流量的调节。

2.3 汽压和油压对雾化蒸汽流量的影响

对于Y型喷枪，雾化蒸汽的流量直接影响喷枪运行时的雾化效果和运行成本，在亚临界状态下，流量qmg大小受到汽压pg和油压pf的共同影响，而在实际运行中，通过调节汽压和油压大小来改变工质流量的操作也最便捷，因此有必要分别研究雾化蒸汽流量随汽压和油压的变化特性。

1)汽压对雾化蒸汽流量的影响

在本实验选取油压相等时的实验结果分析汽压变化带来的影响，分别取工况1中序号3和5(pf=0.897 MPa)、工况4中序号4和6的实验数据(pf=0.927 MPa)，得到图7。可以发现在同样油压下，汽压越高，蒸汽流量越大。

分析原因，Y型喷枪的雾化蒸汽流量计算公式如下[6]：

图7 蒸汽流量的随汽压的变化特性

(4)

β=p3/pg

(5)

式中：qmg为雾化蒸汽流量，kg/h；A1为气孔截面积，m2；κ为绝热系数，取1.4；ρg为蒸汽密度，取3.36kg/m3；pg为汽压，MPa；p3为混合孔压力，MPa；β为混合孔压力/汽压的比值。

式(4)为不考虑压力损失影响下的蒸汽流量计算公式，可以发现qmg主要由p3和pg两个变量决定，油压pf通过改变混合孔压力p3的值来影响qmg。当油压pf不变时，可认为p3值只受pg影响，此时qmg的变化只与pg有关。根据式(4)，分析表3～表6中数据，当pg增大时，β值也增大，计算得出qmg也随之增大，由此验证了图7得出的结论，即雾化蒸汽流量随汽压的升高而增大。

2)油压对雾化蒸汽流量的影响

雾化蒸汽流量同样与油压大小相关。根据表3～表6，选取数据较全的工况1和工况4，得出在相同汽压下，喷枪的油压pf对蒸汽流量qmg的影响，如图8所示。可以发现雾化蒸汽流量随油压的升高而减小，分析原因，主要有以下两点：

(1)油压pf升高，混合孔压力p3也相应升高，当汽压不变时，混合孔压力和汽压之间的压差减小，即驱动力减弱，导致蒸汽流量减小。

(2)从表3和表6的数据看出，两种工质存在一定的温度差，重油温度比蒸汽温度低10～20 ℃，这就导致部分蒸汽在接触到重油时会冷凝成水，当油压增大时，重油流量增大，即冷凝为水的蒸汽量也随之增大，最终导致蒸汽流量减小[7]。

基于以上分析，发现亚临界状态下的雾化蒸汽流量由油压和汽压共同决定。在油压不变时，汽压越高，蒸汽流量越大；汽压不变时，油压越高，蒸汽流量越小。因此在实际操作中需要同时对汽压和油压进行调节，以获得所需的蒸汽流量。

图8 油压对蒸汽流量的影响

2.4 气孔流量系数

流量系数定义为“流量测量值/流量计算值”的比值，是评价喷枪性能的重要指标，流量系数越大，说明喷枪内部的压力损失越小。流量系数与喷枪结构、运行参数有关，根据前期的测量结果，逆喷式Y型重油喷枪的油孔流量系数μ2随工况变化不大，取μ2=0.73。本实验主要考查重油流量qmf对气孔流量系数μ1的影响。

图9 气孔流量系数随重油流量的变化特性

2.5 混合孔压力与汽压的关系

1)混合孔压力随汽压的变化

对于逆喷式Y型重油喷枪，气体和液体在混合孔内进行混合，流体性质复杂，混合孔的压力可由式(1)～式(3)确定，但该式也属于近似经验性估算，对于某些工况下的计算精确度不高。为了简化计算，提高准确度，需针对本实验中混合孔压力p3随汽压pg的变化特性进行拟合，获得经验公式，以预测其变化趋势。根据表3～表6，得到四种工况下混合孔压力p3与汽压pg之间的拟合公式，见表7，该公式可应用于逆喷式Y型重油喷枪的设计和调试。

表7 混合孔压力与汽压之间的拟合公式

2)混合孔压力/汽压的比值β

混合孔压力/汽压的比值β可用于判断临界状态，当β≤0.528时，雾化气体工质的出口流速达到当地音速，此时雾化气体工质流量只与气体压力相关，不受其下游状态变化的影响[8]。根据表7，所有工况下均为β>0.528，即雾化蒸汽仍处于亚临界状态，其流量受到汽压和油压的共同影响。

3 重油喷枪的燃烧性能分析

3.1 重油喷枪燃烧火焰特性

实验进行期间，从燃烧炉观察孔记录下四种工况的火焰图像，如图10所示。可以发现四种火焰均稳定性较好，颜色明亮，呈橘黄色，无冒黑烟现象，说明燃烧充分。同时炉膛火焰充满度较好，说明燃烧均匀，布置合理，燃烧组织良好。因此基于逆喷式Y型重油喷枪的均布型和三分割型两种布置形式均适用于工业应用。

图10 四种工况的火焰图像

3.2 重油喷枪的燃烧污染物排放情况

热态实验过程中，通过调节一二三次风的配比及旋流度，使尾部烟气中的NOx和CO浓度降到最低，O2含量在3%左右，获得最优工况。采用Testo 350测量了三种均布型喷雾单元在最优工况下燃烧后的尾部烟气成份，获得烟气污染物的排放数据，见表8。

本文主要研究流体在喷枪出口的动量对污染物生成量的影响。混合流体的出口动量与喷头出口直径d4相关，d4越小，出口动量越大，重油的喷射速率越大，因此出口动量最终会影响重油的点火燃烧。

从表8中的数据可以看出，三种均布型喷雾单元的NOx排放量相差很小，说明出口动量对NOx生成影响不大。但三种均布型喷雾单元的CO值差异较大，其中工况3的CO排放量最低，原因是在混合流体的出口动量较小时，重油与空气有更长的接触时间，燃烧更充分，也说明适当扩大逆喷式Y型重油喷枪的喷头出口直径d4可以使重油得以更充分地燃烧。考虑污染物排放因素时，工况3对应的“均布型+偏小出口动量”喷雾单元性能最优。

表8 重油喷枪的燃烧污染物排放情况

4 结 论

通过本文的热态实验，获得了逆喷式Y型重油喷枪的流量特性及燃烧性能，得出的数据可以为该喷枪的工程应用提供参考，结论如下：

(1)喷枪的重油流量大小与油压正相关，可通过改变油压实现对重油流量的调节；本实验中的雾化蒸汽均处于亚临界状态，其流量大小受到汽压和油压的共同影响，随汽压的升高而增大，随油压的升高而减小。

(2)喷枪的气孔流量系数随重油流量的增大而减小，即在实际应用中应防止提高重油流量后导致喷枪内部压力损失过大；拟合出了混合孔压力随汽压变化的经验公式，可用于喷枪的设计调试。

(3)通过实验中的火焰形态判断出重油燃烧充分、燃烧组织良好，说明均布型和三分割型两种布置形式均适用于工业应用；三种均布型燃烧后的NOx排放量相差不大，但CO值相差较大，考虑污染物排放因素时，“均布型+偏小出口动量”的喷雾单元性能最优。

但需要指出的是，燃用该重油喷枪时产生的NOx浓度在280 mg/m3(标准)左右，与50 mg/m3(左右)的大气污染物超低排放标准有较大差距，因此在实际应用中，还需要增设烟气脱硝设备，以确保污染物的达标排放。