氣動(dòng)旋流霧化原油噴嘴霧化特性的實(shí)驗(yàn)研究

揭 濤

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所,上海 201108）

液體燃燒時(shí)污染物的排放量及燃料的燃燒效率取決于燃料的霧化質(zhì)量，所以研究燃燒器的冷態(tài)流場(chǎng)試驗(yàn)的關(guān)鍵就是燃油燃燒器的霧化。本文借助可適性相位多普勒激光測(cè)速儀對(duì)不同霧化壓力下的噴嘴特性進(jìn)行分析和研究，使試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)更具指導(dǎo)意義，為相關(guān)研究提供參考。

1 噴嘴結(jié)構(gòu)及霧化機(jī)理

結(jié)合邊際油田的實(shí)際狀況，霧化方式為旋流式的新型內(nèi)混式氣動(dòng)旋流霧化原油燃燒器噴嘴，其工作原理為：噴嘴的中心氣管四周可以噴出油，同徑向噴孔噴出的空氣相混合，混合氣體在燃燒室中不斷進(jìn)行摩擦、撞擊，完成第一次霧化，之后以螺旋的方式從旋流噴頭通道中將混合油氣噴出，在爐膛內(nèi)同空氣進(jìn)行摻混，完成第二次霧化[1]。

2 實(shí)驗(yàn)研究裝置及內(nèi)容

在試驗(yàn)研究模擬過(guò)程中，對(duì)油由泵進(jìn)行加壓處理，使原油通過(guò)壓力表和流量計(jì)之后達(dá)到噴嘴，之后進(jìn)行空氣過(guò)濾后，將其在往復(fù)式壓縮機(jī)中進(jìn)行壓縮，利用噴嘴內(nèi)管進(jìn)入緩沖罐，最后使原油同處理后的空氣進(jìn)行充分的混合并噴出。

可適性相位多普勒激光測(cè)速儀是實(shí)驗(yàn)研究的重要設(shè)備，該設(shè)備取得液體流速信息的主要依據(jù)就是照射光光波同示蹤粒子光波在流體中的頻差，結(jié)合由運(yùn)動(dòng)粒子產(chǎn)生的不同光頻信號(hào)（大于等于2個(gè)）的相位漂移，從而對(duì)粒子的不同信息進(jìn)行明確，比如：粒子時(shí)空分布狀況、粒子濃度、粒子大小等[2]。

利用可適性相位多普勒激光測(cè)速儀對(duì)霧化場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，涉及到多項(xiàng)設(shè)備和儀器，包括多個(gè)操作環(huán)節(jié)，試驗(yàn)研究過(guò)程主要包括：

（1）對(duì)測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行編制，將編制結(jié)果傳輸?shù)街羏ind軟件并保存；

（2）將自動(dòng)坐標(biāo)架、可適性相位多普勒激光測(cè)速儀開(kāi)啟；

（3）在find軟件中將設(shè)定好的文件打開(kāi)；

（4）將空氣壓縮機(jī)開(kāi)啟，并保證氣體在緩沖罐中達(dá)到預(yù)定壓力標(biāo)準(zhǔn)，將閥門(mén)緩緩打開(kāi)；

（5）將離心泵開(kāi)啟后，對(duì)泵的輸出壓力進(jìn)行設(shè)定，將噴嘴閥門(mén)打開(kāi)；

（6）根據(jù)設(shè)定值對(duì)噴嘴水壓、霧化氣壓進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)噴嘴處的噴霧達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，完成測(cè)量工作。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 半徑方向位置及濃度分布

試驗(yàn)可得沿半徑方向的粒子濃度在距噴口1.714mm處的橫截面時(shí)的濃度分布狀況，當(dāng)粒子位于斷面測(cè)量半徑中間部位的時(shí)候，濃度達(dá)到最大值，而當(dāng)位于界面軸線外端及周線處時(shí)，濃度最小[3]。由此可知沿半徑方向的粒子濃度會(huì)隨著同噴口和截面之間距離的增大而不斷變化，呈現(xiàn)出一種鐘形分布狀況。霧化場(chǎng)中間部位的空氣柱能夠使得空氣和油滴進(jìn)行充分的融合，保證內(nèi)、外部燃燒的充分性，大大提高了燃燒的效率，使得燃燒器性能得到進(jìn)一步的提升。

根據(jù)不同壓力下半徑方向位置和濃度的曲線分布狀況可知，當(dāng)霧化壓力達(dá)到0.26MPa的情況下，同中間部位相比，粒子的濃度明顯減小，表示0.26MPa的壓力下，不會(huì)出現(xiàn)鐘型分布的狀態(tài)，旋流分離和霧化速度相對(duì)較小。只有當(dāng)霧化壓力超過(guò)固定結(jié)構(gòu)的噴嘴時(shí)，霧化場(chǎng)的旋流霧化效果才能達(dá)到最佳。

3.2 霧化氣量

新型氣動(dòng)旋流霧化原油燃燒器噴嘴的結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)直接影響著霧化氣量，由于霧化氣體為空氣，當(dāng)霧化氣量增大時(shí)，對(duì)壓縮機(jī)排放量的要求也會(huì)相繼提高，最終會(huì)降低總效益[4]。在邊際油田中應(yīng)首先要確保噴嘴霧化質(zhì)量，并最大限度的減小用氣量，在壓力增大的過(guò)程中，霧化氣流量、油流量的也會(huì)增大，導(dǎo)致氣液質(zhì)量各不相同，噴嘴在不同壓力下對(duì)應(yīng)的霧化氣量均小于0.1。

3.3 霧化粒子速度場(chǎng)

試驗(yàn)研究獲得的霧化壓力為0.4MPa的情況下，平行斷面二維速度矢量圖中，旋流式射流噴嘴外湍流射流流場(chǎng)比較復(fù)雜，不僅包括尾渦運(yùn)動(dòng)、自由射流運(yùn)動(dòng)，還包括紊流運(yùn)動(dòng)，噴嘴處的霧化場(chǎng)總體為放射狀態(tài)，射流在噴口的速度在30m/s以上[5]。

燃燒室著火后的混合環(huán)節(jié)就是擴(kuò)散混合，而油霧燃燒本質(zhì)上也可以看作是擴(kuò)散燃燒，空氣中油蒸氣擴(kuò)散速度、油滴蒸發(fā)速度影響著油霧的燃燒速度。如果噴嘴處的湍流強(qiáng)度達(dá)到一定程度的話，空氣同油霧的混合會(huì)更有效，改善油蒸氣擴(kuò)散和油滴蒸發(fā)速度，保持穩(wěn)定、高效的燃燒。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)氣動(dòng)旋流霧化原油噴嘴霧化特性的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)半徑方向粒子濃度在霧化場(chǎng)中分布形式為鐘形，空氣柱在粒子中能夠保證燃燒的穩(wěn)定性，燃燒更加充分；在確保霧化質(zhì)量的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減小用氣量，通過(guò)較小型號(hào)的壓縮機(jī)進(jìn)行供氣，不僅為后期維修工作提供方便，還能減少功率損耗，在邊際油田中發(fā)揮著重要作用，在原油加熱爐燃燒器（無(wú)配套蒸汽鍋爐）中非常適用。

[1]田春霞,仇性啟,崔運(yùn)靜.噴嘴霧化技術(shù)進(jìn)展[J].工業(yè)加熱,2005(04).

[2]王立榮.新型旋流式與內(nèi)混式氣動(dòng)霧化噴嘴比較[J].石油化工設(shè)備,2002(02).

[3]陳斌,郭烈錦,張西民,高暉,Panidis Th.,Papailiou D.D..噴嘴霧化特性實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2001(02).

[4]王宗明,段希利,仇性啟.氣動(dòng)旋流噴嘴燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究[J].石油化工設(shè)備,2004(03).

[5]李進(jìn)賢,徐敏,陳步學(xué)等.氣/液同軸旋流式噴嘴霧化特性實(shí)驗(yàn)研究[J].宇航學(xué)報(bào),2000(S1).