离心雾化器雾化性能试验分析

□ 王鹏程

江苏电子信息职业学院 江苏淮安 223003

1 研究背景

城市垃圾已成为当今世界最严重的公害之一。目前,解决垃圾最经济有效的方法是对垃圾进行焚烧发电。焚烧处理在垃圾无害化、减量化、资源化方面优势明显,在世界各国得到越来越广泛的应用。但是,因为垃圾成分复杂,焚烧时会产生含有二氧化硫、氯化氢等有毒有害物质的尾气,若得不到有效净化处理,将对环境产生严重污染。

目前,垃圾焚烧典型的尾气净化工艺有三种:半干式净化、干式净化、湿式净化[1]。这三种净化工艺各有特点。半干式净化工艺去除污染物的效率介于干式和湿式之间,具有系统相对简单,投资和运行费用低,不产生废水等优点,在垃圾焚烧厂尾气净化系统中的应用越来越多。

离心雾化器是半干式净化工艺的重要设备,雾化效果严重影响垃圾焚烧排放尾气的质量。笔者采用FAM型激光测粒分析仪对离心雾化器的雾化性能进行现场试验,分析雾化性能的有关影响因素,为垃圾发电厂尾气的净化处理提供指导。

2 雾化机理

离心雾化器是垃圾焚烧尾气净化工艺系统中的关键设备,常以石灰浆液作为吸收剂,其雾化机理如图1所示。

▲图1 离心雾化器雾化机理

石灰浆液被送至干燥塔顶部转速高达10 000～20 000 r/min的雾化转盘上,由转盘上方的浆液入口进入,然后扩散至转盘表面,形成一层薄膜。在离心力的作用下,薄膜逐渐向转盘外缘移动,剪力作用使薄膜雾化为直径50～150 μm的均匀细小雾滴。雾滴大小主要取决于转盘转速和浆液量。这些雾滴具有很大的表面积,与垃圾焚烧尾气充分混合,发生强烈的热交换和化学反应,迅速使大部分水分蒸发,形成含水量小的固体灰渣。

3 雾化性能试验系统

雾滴粒径采用激光测粒分析仪测量,原理是光线通过均匀介质时,沿着折射光的传播方向直线传播,若在均匀介质中掺入杂乱分布的微小粒子,则这些粒子会破坏介质的均匀性,引起散射现象[2]。

离心雾化器雾化性能试验系统如图2所示,主要由三大部分组成。石灰浆液供料部分由制浆槽、搅拌器、过滤网、浆液泵、控制阀构成,由管道与离心雾化器浆液入口相连。浆液雾化部分由离心雾化器、驱动电机、变速机构组成。测量部分由测压表、转子流量计、激光测粒分析仪组成。离心雾化器现场试验效果如图3所示。

▲图2 离心雾化器雾化性能试验系统

▲图3 离心雾化器现场试验效果

4 试验方法

离心雾化器的雾化性能对垃圾焚烧尾气净化效率和干燥塔尺寸都有十分重要的影响。为了评价离心雾化器的雾化性能,需要有衡量雾化性能的指标,主要衡量指标包括雾滴粒径、雾滴均匀度、喷雾距等。其中,雾滴粒径和喷雾距是衡量离心雾化器雾化性能的最重要指标[3]。离心雾化器雾化性能试验主要分析雾化转盘转速、进料速率、石灰浆液质量分数对离心雾化器雾化性能的影响。

转盘喷嘴的内径为12 mm,沿转盘圆周均匀分布32个转盘喷嘴。转盘总设计流量为3.5 t/h,在转盘下方约0.9 m处取样。通过调节转子流量计的大小,控制石灰浆液的进料速率。在不同进料速率下,通过激光测粒分析仪测量雾滴粒径。调整变速机构,改变雾化转盘转速。在不同转速下,通过激光测粒分析仪测量雾滴粒径。改变石灰浆液质量分数,然后重复以上过程。

喷雾距采用直接测量方式测量,一般以水平面有90%～99%石灰浆雾滴降落的直径作为离心雾化器的喷雾距。

5 试验结果分析

因为石灰浆雾滴的粒径不可能完全一致,所以常采用平均粒径来表征。研究离心雾化器喷雾雾滴平均粒径运用最为广泛的是索特平均直径SMD[4],其计算思想为平均雾滴群总体积与总面积的比值恰好和实际雾滴群总体积与总面积的比值相等,即:

(1)

(2)

式中:Dvs为雾滴平均粒径;Di为第i个雾滴的直径;Ni为直径为Di的雾滴数量;N0为直径为Dvs的雾滴数量。

5.1 雾化转盘转速对雾滴粒径影响

理论研究表明,若离心雾化器的进料速率、雾化转盘直径、进料物理性质不变,则雾滴粒径与雾化转盘转速成反比[5],即:

(3)

式中:Ns1、Ns2为两种不同的雾化转盘转速;Dvs1、Dvs2分别为Ns1、Ns2转速下获得的相应雾滴平均粒径。

式(3)中指数p根据离心雾化器不同的实际运行条件取值,试验中转盘周速为200～300 m/s,各测量点的进料速率均取2 000 kg/h,根据文献[5],p取值为0.77,即有:

(4)

式中:Ns为雾化转盘转速。

根据上述理论,为了获得细小且均匀的雾滴,当转盘转速很低时,可以采用提高转盘转速的方法来提高石灰浆液的雾化质量。采用清水和质量分数为5%、10%、15%、20%的四种石灰浆液进行试验,转盘转速与雾滴粒径的关系曲线如图4所示。对于不同质量分数的石灰浆液,试验实测数据基本上都满足雾滴粒径与转盘转速成反比的关系。当转盘转速提高至12 000 r/min以上后,雾滴粒径随转盘转速变化将不明显,此时再继续提高转盘转速对减小雾滴粒径帮助不大。转盘有最佳转速,在这一转盘转速下石灰浆雾滴大小合适,净化垃圾焚烧产生的酸性气体效果最佳。实际转盘最佳转速可以通过试验选取,此次试验中离心雾化器最佳转盘转速为135 00 r/min。

▲图4 转盘转速与雾滴粒径关系曲线

5.2 进料速率对雾滴粒径影响

由文献[5]可知,当雾化转盘转速、雾化转盘直径及进料物理性质不变时,雾滴平均粒径与进料速率成正比,即:

(5)

式中:VP1、VP2为两种不同的进料速率。

指数q根据离心雾化器不同的实际运行条件取值,试验中各测量点的转盘转速均为13 500 r/min,进料速率为1 000～3 500 kg/h。根据文献[5],q取值为0.12,即有:

(6)

式中:VP为进料速率。

根据上述理论,为了获得细小且均匀的雾滴,当进料速率很大时,可以采用减小进料速率的方法来提高石灰浆液的雾化质量。同样采用清水和质量分数为5%、10%、15%、20%的四种石灰浆液进行试验,进料速率与雾滴粒径的关系曲线如图5所示。对于不同质量分数的石灰浆液,试验实测数据基本上都满足雾滴粒径与进料速率成正比的关系。

▲图5 进料速率与雾滴粒径关系曲线

5.3 石灰浆液质量分数对雾滴粒径影响

由图4、图5可知,随着石灰浆液质量分数的增大,雾滴粒径增大。这是因为随着石灰浆液质量分数的增大,石灰浆液黏度增大,其它条件不变时,雾化石灰浆液所需要的能量增加,使雾滴粒径增大,符合能量守恒定律。

5.4 雾化转盘转速对喷雾距影响

由图4可知,雾滴粒径随转盘转速的提高而减小。石灰浆雾滴运动中会受到空气阻碍与摩擦作用,粒径较小的雾滴更容易失去初速度,因此当转盘转速提高时,雾滴粒径减小,喷雾距也就随之减小。以质量分数为20%的石灰浆液进行试验,转盘转速与喷雾距的关系曲线如图6所示,可知喷雾距随转盘转速的提高而减小。图6中,Ds为喷雾距,各测量点的进料速率均为2 000 kg/h。

▲图6 转盘转速与喷雾距关系曲线

5.5 进料速率对喷雾距影响

由图5可知,雾滴粒径随进料速率的增大而增大。石灰浆雾滴运动中会受到空气阻碍与摩擦作用,粒径较大的雾滴相比粒径较小的雾滴更难失去初速度,因此当进料速率增大时,雾滴粒径增大,喷雾距也就随之增大。以质量分数为20%的石灰浆液进行试验,进料速率与喷雾距的关系曲线如图7所示,可知喷雾距随进料速率的增大而增大。图7中各测量点的转盘转速均为13 500 r/min。

▲图7 进料速率与喷雾距关系曲线

6 结束语

笔者在介绍离心雾化器雾化机理的基础上,采用FAM型激光测粒分析仪对离心雾化器的雾化性能进行试验研究,结果表明:

(1) 雾滴粒径随离心雾化器转盘转速的提高而减小,但当转盘转速提高至一定值后,雾滴粒径变化将不明显;

(2) 随着石灰浆液进料速率的增大,雾滴粒径也增大;

(3) 随着石灰浆液质量分数的增大,雾滴粒径也增大;

(4) 喷雾距随离心雾化器转盘转速的提高而减小,随进料速率的增大而增大。