同轴四通道喷嘴气流式雾化特性影响因素研究

徐祖良，汪宇昊，赵辉，周骛，蔡小舒，刘海峰

（1 华东理工大学上海煤气化工程技术研究中心，上海 200237； 2 上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

引 言

喷嘴雾化是指液体通过喷嘴等雾化器喷射到气体介质中，在液体表面张力和气体介质外在剪切力等内外力的作用下，将液体破裂成小液滴的过程[1-6]。喷嘴雾化在化工、能源、航空航天、农业、医学等领域有着广泛的应用[7-9]。由于雾化过程涉及高速流体自身的湍流特性和气液间相互作用等多种因素，雾化理论和模型往往十分复杂[6,10-12]。气流式喷嘴雾化性能好、处理能力大，是雾化重要方式之一[13-17]。在气流式雾化过程中，喷嘴结构、雾化介质性质、流量和速度等都会对雾化的效果产生显著影响[4,8,18-20]。

Chen 等[21]通过响应面方法研究了气流式雾化中液体黏度、气液喷射压力对雾化粒度的影响。康忠涛等[22]针对气液同轴离心式喷嘴雾化，对同轴气体作用下的锥形液膜进行时间稳定性分析，建立了离心式喷嘴出口参数预测模型。Vadillo 等[23]利用阴影成像法发现雾化平均粒径随气液流速比的增大而减小。陈小艳等[24]利用图像法测量研究了大尺度喷嘴在不同流量负荷和距喷口位置处雾化粒径的典型分布规律。Lilan 等[25]将雾化场划分为多个观测区域，通过对几个局部观测区域的测量，构建了整个雾化场的液滴尺寸分布模型。García 等[26]探究了高液气质量比条件下高黏度流体的雾化特性，获得了雾化粒径分布曲线。闫云飞等[27]则通过比较不同结构气流式喷嘴雾化性能，得到了喷嘴结构参数对雾化性能的影响特点。尽管前人对喷嘴雾化进行了大量研究，但由于喷嘴形式不同，雾化机理各异；针对四通道喷嘴气流式雾化鲜见报道，而本文正是针对一种新型四通道喷嘴雾化进行研究。

作为水煤浆气流床气化装置的核心设备，除雾化性能要求外，喷嘴烧蚀严重、使用寿命短一直是制约气化装置长周期稳定安全运行的难题，难以为炼厂的后续系统稳定供氢[28-30]。因此，延长喷嘴使用寿命是延长煤气化装置运行周期、提高效益，乃至为炼厂提供稳定氢源的关键之一。华东理工大学和中石化合作开发的SE 水煤（焦）浆气化工艺采用了一种同轴四通道的喷嘴结构——喷嘴由内至外分别为氧-浆-氧-浆。其优势在于最外侧通道的水煤浆作为冷却介质强化了喷嘴自冷却保护，将炉内合成气和喷嘴出口氧气隔离，避免二者在喷嘴出口区域反应，从而缓解高温烧蚀，大幅延长喷嘴使用寿命。这种四通道喷嘴的雾化性能对气化过程具有重要影响，本文针对该四通道气流式喷嘴，分析其在不同介质速度及分配比条件下雾化效果。

1 实验装置及实验流程

实验采用的喷嘴结构如图1 所示，从中心通道至最外层环型通道依次编号为一、二、三、四，实验中各通道内流经的介质依次为空气-水-空气-水。D1是中心通道直径，D2i、D2o是环隙通道二的内径和外径，D3i、D3o是环隙通道三的内径和外径，D4i、D4o是最外环通道四的内径和外径。喷嘴的具体尺寸如表1所示。

图1 同轴四通道射流喷嘴Fig.1 Coaxial four-channel jet nozzle

表1 同轴四通道喷嘴尺寸Table 1 The size of coaxial four-channel nozzle

实验的流程如图2所示。空气由罗茨鼓风机提供，经转子流量计后进入喷嘴中心通道一和环隙通道三；储水箱中的水自水泵经流量计后进入喷嘴环隙通道二和四。二者在雾化室喷嘴出口发生剧烈剪切作用使液体雾化。采用马尔文激光粒度仪（Spraytec）在常温常压下采集信号进行测量，测点距喷嘴出口400 mm，由计算机处理后可得雾化液滴平均直径及其分布。对同一实验参数点进行60 次重复测量，取均值以消除随机误差。喷嘴入口气压<0.04 MPa，水压<0.4 MPa。

图2 雾化实验流程Fig.2 Atomization experiment process

2 实验结果与讨论

在喷雾过程中，喷嘴出口雾滴的粒径分布是评价雾化效果的重要参数，适宜的雾滴粒径对于强化反应、提高传质-传热具有重要的作用；而获得理想雾化粒度分布的关键操作参数是各通道的流体速度及分配比。本文以D32（索特平均直径，当量比表面直径）作为表征雾化粒径的参数，主要实验操作参数如表2所示。

表2 实验条件Table 2 Summary of the test conditions

2.1 介质流速对雾化效果的影响

本文研究了不同气、液流速条件下的雾化液滴直径D32。实验中为确定液速对雾化粒径的影响，保持通道一和通道三中气速不变，改变通道二和通道四内液速进行实验，得到了通道二、四液体速度对雾化粒径D32的影响。图3 是最外侧通道环隙宽度不同的三种规格喷嘴在保持u1g=103.68 m/s，u3g=99.13 m/s，控制u2l分别为0.16、0.20、0.24 m/s，调节u41为0.07～0.29 m/s，所进行的雾化实验结果。

然后保持通道一气速和通道二液速不变，改变通道三气速和通道四液速的情况下进行雾化实验。三种规格喷嘴在保持u1g=103.68 m/s，u2l=0.20 m/s，控制u3g分别为79.30、99.13、118.95 m/s，调节u4l为0.07～0.29 m/s所进行的雾化实验结果如图4所示。

实验结果表明，在其他三通道流速一定的情况下，改变通道四的液速对雾化液滴直径有显著影响。D32随着通道四流速的提高而增大，这一趋势在图3 和图4 中均可体现。当通道三气速从79.30 提高到99.13 m/s后，雾化效果明显改善，D32大幅减小，当通道三的气速继续提高到118.95 m/s 后，D32的减小幅度较前者明显变缓，说明再进一步提高气速对提高雾化效果的影响变小。

图3 不同通道二液速条件下通道四液速对雾化的影响Fig.3 Velocity influence of channel 4 on atomization under different u2l

图4 不同通道三气速条件下通道四液速对雾化的影响Fig.4 Velocity influence of channel 4 on atomization under different u3g

另外，通道二和通道四的液速均会对雾化效果产生影响，通道四中液体雾化条件较差，需要重点关注。因为通道二为中间通道，其液膜两侧均为气体通道，两侧均有气流的剪切应力存在，双侧剪切应力作用下使通道二中的液体破碎效果更加显著，雾化粒径小；而通道四为四通道喷嘴的最外层通道，气流只与其单侧(内侧)液面产生接触，液体受到的是单侧剪切力，单侧剪切力下，液体较难产生多次破裂，不利于雾化，易出现较大的D32。在雾化过程中，雾化液滴的形成是液体的表面张力和气液界面剪切力等多种力共同作用的结果，随着气速的增加，液体表面张力难以“抗衡”剪切力导致液体破裂，因此增加气速对减小D32效果显著，但当气速增加到较高的情况时（>100 m/s），单纯增加气速的效果将变弱。通道三内外两侧均为液体，会对两侧液体均产生剪切作用，其剪切作用面较通道一更大，对整个雾化效果的影响程度大。

2.2 气量分配比对雾化效果的影响

对四通道喷嘴而言，气量在通道一和通道三之间的分配比α是一个很重要的操作变量。分别保持Q2l=50 L/h，Q4l=50 L/h 和Q2l=70 L/h，Q4l=30 L/h，调节总气量（50 m3/h）在通道一、三中的分配比，得到实验结果如图5所示。

对图5 结果进行拟合，得到两条拟合曲线D32和α、β等参数的关系为

图5 气量在通道一、三分配比对雾化效果的影响[图中黑线为式(1)拟合曲线]Fig.5 The effect of gas distribution ratio of channel 1 and channel 3 on atomization results(The line in the fig is the fitting results of Eq.(1))

式中，α为气量在通道一、三间分配比；β为液量在通道二、四间分配比；S为通道面积，mm2。式(1)的函数选取参考本团队前期三通道气流式雾化过程中气量分配比影响部分函数[31-32]。拟合公式的相关系数R2=0.95。结果表明，D32随α呈现先增再减的非单调变化趋势，在不同液量分配比β下存在不同的极值点。

在关于同轴三通道气流式雾化过程的研究中，文献[33]和[34]通过线性稳定性分析的方法研究了三通道喷嘴环形液膜在内侧和外侧气流作用下的雾化过程，前者认为在三通道喷嘴气流式雾化过程中，外侧气流的气动力起主要作用；后者则认为中心通道的气动力起更加重要的作用。而根据本文实验结果，在四通道喷嘴气流式雾化过程中，气体对于雾化效果的影响不是独立的，而是复杂的相互影响的关系，一侧的气流在剪切液体的同时会使液体产生加速效果，这样导致另一侧气液界面速度差变小，剪切作用力减小，雾化效果削弱。为得到较好的雾化效果，需根据液量不同调整不同的气量分配。

2.3 液量分配比对雾化效果的影响

液量分配比β作为四通道气流式雾化喷嘴的一个重要可调节变量，对雾化效果影响如图6 所示。本节实验考察了保持气量不变时，调节总液量(100 L/h)在通道二、四中分配比的雾化情况。结果表明，在Q1g=5 m3/h,Q3g=50 m3/h下，增大通道二液量占比可以降低D32，但这种降低趋势会随着液量分配比的逐渐增大而趋缓。因为通道二内外两侧均为气体，同时产生的剪切作用力使液体破裂成较小的雾化液滴；而通道四液体只受到单侧剪切力作用，并且液体在初次破裂后，不易产生二次雾化，导致出现较大的雾化颗粒，所以增大通道二液量占比有利于提升雾化效果。所以，为了保持良好雾化效果，建议液量分配比β应大于2.0。

图6 液量在通道二、四分配比对雾化效果的影响Fig.6 The effect of liquid distribution ratio of channel 2 and channel 4 on atomization results

2.4 外环液膜厚度对雾化效果的影响

本节主要考察四通道喷嘴最外侧通道结构参数对雾化的影响，研究结果表明，喷嘴出口外环液膜厚度对D32会产生较大影响。图7 是以不同尺寸的三个喷嘴作为研究对象所得实验结果。图7(a)为调节外环液速、固定其余各通道流速，图7(b)、(c)是调节外环流量、固定其余各通道流量，测量得到的不同外环宽度喷嘴的雾化粒径。对比图7(a)中三条曲线，可知外环液膜厚度越大，雾化粒径随液速增加的速度越快。结合图7(b)、(c)中曲线增长趋势，发现随着最外侧通道液量的增加，外环液膜厚度造成的雾化粒径差距变小；且在内层液体通道的流量相同的情况下，考虑体积守恒，增加相同的液量，外环液膜厚度越小的喷嘴出口流通面积越小，其液速增量越大。而从图7(a)中三条曲线增长趋势来看，还是液膜厚度较厚的喷嘴增长更快，表明在相同的液量下，使用液膜厚度越小的喷嘴，可以获得更低的雾化粒径。

图7 液膜厚度对雾化效果的影响Fig.7 The effect of liquid film thickness on atomization results

2.5 粒径分布分析

雾化粒径分布作为表征雾化效果的重要参数，对研究不同工况下雾化效果具有重要的指导意义。分别对典型工况下的粒径分布进行分析，具体结果如图8所示。

实验表明，雾化后的粒径为典型单峰分布，雾化后粒径大小主要集中于50～200µm 之间。图8(a)表明，随着通道四液量的增加，雾化粒径逐渐变大，雾化粒度分布变宽；图8(b)表明，随着通道三气量的提高，雾化粒径逐渐变小，雾化粒度分布变窄。

图8 典型工况下的雾化粒径分布Fig.8 Atomized particle size distribution under typical working conditions

2.6 实验回归分析

基于气流式同轴雾化破碎机理，液膜主要受气流Rayleigh-Taylor 不稳定性作用发生破裂[35]，不稳定波长和气速的关系为

式中，C1,C2为常数。结合实验四通道喷嘴的结构参数特性，可将四通道喷嘴各参数对雾化效果的影响归纳为以下参数的关系式（不考虑速度为0 的情况）：

对各工况下测量的D32（µm）结果进行关联，其中参数α1=3.26×104，α2=0.25，α3=-0.24，α4=0.22，α5=-0.84，α6=0.31，最外侧通道四液体环隙宽度（外环液膜厚度）h的单位为mm，u1～4的单位为m/s。可以发现喷嘴通道三流速影响最大，其次是通道四流速，通道一和通道二的流速影响最小；减小最外侧通道四液膜厚度，有利于四通道喷嘴雾化。计算结果与实验结果的最大相对误差为16.51%，平均误差为2.93%，相关系数为0.943。说明含6 个参数的关系式基本反映各参数对雾化粒径结果的影响。图9为全部计算结果与实验结果的比较，由图9可知，绝大多数点都落在关系式计算结果误差10% 范围内。

图9 D32计算结果与实验结果的比较Fig.9 Comparison of calculated results and experimental results of D32

3 结 论

对四通道喷嘴气流式雾化性能进行了研究，重点考察了各通道介质流速、流量分配比及外环液膜厚度等因素对雾化粒径结果的影响，在本实验条件下得到以下主要结论。

(1)对同轴四通道喷嘴气流式雾化效果影响程度从大到小依次为：通道三、通道四、通道二和通道一。

(3)增大液量在通道二、四分配比可以降低雾化粒径。建议分配比大于2.0。

(4)最外侧液体通道四的环隙越宽，即外环液膜厚度越大，雾化粒径越大。在相同液量下，使用四通道环隙较小的喷嘴可以获得更小的雾化粒径。

(5)基于数据分析得到了喷嘴各影响因素和雾化粒径的关系为（不考虑速度为0的情况）：