大流量低背壓螺旋噴嘴的流量分布特性研究

周 昊， 郭無雙， 朱義凡， 馬偉偉

(浙江大學 熱能工程研究所，能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027)

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大流量低背壓螺旋噴嘴的流量分布特性研究

周 昊， 郭無雙， 朱義凡， 馬偉偉

(浙江大學 熱能工程研究所，能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027)

利用流量分布測試系統對大流量低背壓螺旋噴嘴的流量分布特性進行實驗研究.采用排狀量筒法，測量不同高度不同孔徑螺旋噴嘴的流量、每層噴霧面位置、霧化角以及徑向體積流率，分析螺旋噴嘴的尺寸參數對其流量分布特性的影響規律.結果表明：相同壓力下，螺旋噴嘴的高度H與孔徑D的比值H/D越大，質量流量越小，霧化角越大，每層噴霧面徑向體積流率越小；不同壓力下，壓力越高，質量流量越大，同一螺旋噴嘴的霧化角越大，每層霧化面的位置距噴嘴中心的距離越遠.

螺旋噴嘴； 大流量； 低背壓； 流量分布特性

煙氣脫硫技術(FGD)是控制燃煤電廠SO2排放最有效和應用最廣的技術[1].煙氣脫硫技術按其脫硫方式以及脫硫反應產物的形態可分為濕法、干法及半干法3大類.其中，濕法脫硫以其效率高、技術成熟等特點在控制SO2排放中得到了較為廣泛的應用[2].漿液通過噴嘴霧化成體積很小的液滴，霧化可以增加煙氣與漿液之間的傳熱傳質，提高效率.壓力式霧化噴嘴結構簡單，操作、維修方便，應用較廣.噴嘴的霧化性能和流量分布[3]對噴淋塔的尺寸、所需噴嘴個數、脫硫效率以及運行成本起著非常關鍵的作用.

近年來，有很多學者對螺旋噴嘴的霧化性能及其影響因素進行了研究，對比各種類型的噴嘴與螺旋噴嘴的霧化特性.陳斌等[4]以空氣、水為工質，對單相和兩相霧化器噴嘴的霧化特性進行了研究，單相噴嘴的霧化粒徑分布隨著壓力的升高而減小.陳琴珠等[5]對比了螺旋噴嘴、離心式噴嘴和實心X型噴嘴，得出螺旋噴嘴滿足大流量霧化粒徑小的霧化特性，并優于離心式噴嘴和實心X型噴嘴.劉定平等[6]對目前濕法煙氣脫硫系統中常用的4種機械式噴嘴使用圖像法對霧化粒徑進行了對比測量，發現螺旋噴嘴較其他3種噴嘴的霧化粒徑更小，霧化角較大，適用于火電廠濕法煙氣脫硫系統.方立軍等[7]分析了內螺紋型霧化噴嘴和HHSJ型螺旋噴嘴的粒徑分布和流量分布，HHSJ型螺旋噴嘴適用于常規噴淋塔，徑向流量分布較對稱，霧化角隨壓力的升高變大的趨勢更明顯.劉乃玲等[8-9]采用因次分析方法建立了螺旋噴嘴液滴直徑的準則關系式，用最小二乘法回歸了TF型噴嘴霧化粒子幾種直徑的經驗公式.楊家俊等[10]針對不同密度的工質，對不同工作壓力下的螺旋噴嘴霧化性能進行了測試，找到了脫硫漿液的最佳配比和較為合適的工作壓力.張德俐等[11]討論了噴孔直徑對螺旋噴嘴霧化特性的影響，指出用增加壓力來提高霧化角的效果是有限的，增大孔徑會使其有較大的霧滴覆蓋區域.李兆東等[12]考慮了螺旋噴嘴孔徑變化對其霧化特性的影響，得出孔徑大的噴嘴流量隨壓力的升高增加更快、霧化角更大等結論，但沒有考慮噴嘴高度對流量分布特性的影響.杜云貴等[13]針對脫硫噴嘴能耗高的問題，推導出大流量低背壓噴嘴的計算公式，進行試驗后發現大流量低背壓(工作壓力在10～50 kPa)噴嘴可降低運行能耗，減少噴嘴數量和投資成本.

綜上所述，螺旋噴嘴比其他類型的噴嘴更適用于脫硫系統的噴淋塔內，但在以往文獻中多是針對體積流量較小(小于50 m3/h)、所需運行壓力較高的脫硫噴嘴進行研究.而對于大流量低背壓螺旋噴嘴的流量分布特性研究較少，關于螺旋噴嘴的高度和孔徑對流量分布特性影響的研究更少.實際脫硫過程中，這種大流量螺旋噴嘴的流量分布特性不僅會影響噴淋塔的尺寸、噴嘴數目、運行壓力，還會影響脫硫效率.

脫硫漿液經螺旋噴嘴霧化后，會形成由圓錐面組成的噴霧面.在吸收塔內，每層噴霧面的位置以及每層的徑向體積流量分布對噴淋塔的尺寸、塔內煙氣中SO2的吸收都至關重要.螺旋噴嘴的高度和孔徑變化都會造成噴霧面位置和流量的差異，進而影響投資成本和運行成本.因此，筆者對運行壓力為0.025～0.035 MPa，質量流量為80～140 t/h，螺旋噴嘴的高度為240～290 mm,孔徑大小為90～110 mm范圍內的螺旋噴嘴的流量分布特性進行研究，討論了螺旋噴嘴的尺寸參數對流量分布、霧化角、每層噴霧面所在位置以及徑向體積流率等的影響，為濕法煙氣脫硫中這種大流量低背壓螺旋噴嘴的選型提供了科學依據.

1 實驗方法

1.1 實驗臺架及測試系統

螺旋噴嘴霧化流量分布特性測試系統主要由2部分組成，整體示意圖如圖1所示.一部分是螺旋噴嘴的霧化噴射系統，由泵、閥門、螺旋噴嘴、水箱及連接的管路等部件組成；另一部分是流量分布測量系統，分別對質量流量、壓力、徑向噴淋流量分布和噴淋覆蓋面直徑進行測量.液體體積流量由電磁流量計測量，量程為54～1 080 m3/h，壓力等級為1.6 MPa,準確度為0.5%.壓力采用標準壓力表來測量，量程為0.25 MPa,精確度為0.005 MPa.徑向噴淋流量采用排狀量筒測量，量筒直徑為60 mm,一共有50個.測量過程中量筒的量程分別為500 mL和50 mL,精確度分別為10 mL和0.5 mL.為了提高量筒測量的精確度，用2種量筒同時測量.

圖1 實驗系統工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

選取3個螺旋噴嘴進行對比研究.螺旋噴嘴的材料為SiSiC滲硅碳化硅,實物如圖2所示.該螺旋噴嘴霧化粒徑的平均索爾特直徑(D32)為2 000 μm.每個噴嘴的高度和孔徑大小見表1.

為了討論螺旋噴嘴尺寸對流量分布的影響，采用螺旋噴嘴的高度與孔徑的比值H/D來表征螺旋噴嘴的尺寸大小(即尺寸當量).

圖2 螺旋噴嘴結構示意Fig.2 Structure of the spiral nozzle表1 螺旋噴嘴的尺寸Tab.1 Sizes of different spiral nozzles

mm

1.2 實驗測量方法

1.2.1 流量分布的測量方法

排狀量筒的位置設置在噴嘴出口正下方1 m處，此處的工質絕大部分已經撕裂為液滴，可以較清楚地觀察到液滴的空間分布.以螺旋部的起始點順時針45°為A方向，螺旋部的起始點逆時針45°為B方向，B方向的逆時針90°為C方向，C方向的逆時針90°為D方向，如圖3所示.通過測量A、B、C、D4個方向的徑向流量分布，來研究螺旋噴嘴的徑向流量分布特性.

圖3 螺旋噴嘴測量方向的俯視圖Fig.3 Measurement direction view from inflow side

當螺旋噴嘴的噴淋系統穩定工作時，測量時間t內量筒內水的體積為V，計算出單位時間內每個量筒內水的體積qV，即體積流量，mL/s.

每個量筒的進口有效面積為S，體積流率q[7]表示單位面積的體積流量，m/s,表達式如下：

(1)

1.2.2 霧化角的測量方法

螺旋噴嘴的徑向流量分布大致如圖4所示，由圖4可知，此時形成了3層噴霧面.通過量筒記錄噴霧面的邊緣位置，計算出噴霧面的覆蓋直徑DAC和霧化角θ.

圖4 螺旋噴嘴徑向流量分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of the radial flow distribution

以AC方向為例，

(2)

(3)

式中：DA為A方向最外層噴霧面的位置；DC為C方向最外層噴霧面的位置；θA為A方向最外層噴霧面的霧化角；θC為C方向最外層噴霧面的霧化角.

1.3 實驗工況

測量實驗中，霧化介質為水.在0.025 MPa、0.030 MPa和0.035 MPa壓力下，分別對3個螺旋噴嘴在A、B、C、D4個方向的流量分布進行測量.

2 實驗結果與分析

2.1 螺旋噴嘴壓力對質量流量的影響

對每個噴嘴在不同壓力下的質量流量進行測量，繪制了螺旋噴嘴質量流量與壓力的關系曲線(見圖5)，其中縱坐標為螺旋噴嘴的質量流量，橫坐標為壓力的平方根.由圖5可知，雖然運行壓力較低，但也有連續穩定的噴射壓力與質量流量的關系曲線[13].質量流量和壓力的變化規律也符合陳斌等[4，14]的研究結論，對于同一噴嘴，其質量流量隨著壓力的升高而增大，且質量流量與壓力的平方根近似呈線性關系.

圖6給出了相同壓力下，螺旋噴嘴的尺寸當量H/D與質量流量的關系曲線.從圖6可以看出，H/D增大，質量流量減小；隨著H/D增大和壓力升高，這個減小趨勢越明顯.

圖5 螺旋噴嘴壓力與質量流量的關系Fig.5 Flow-pressure curve of nozzles

圖6 螺旋噴嘴尺寸當量與質量流量的關系Fig.6 Flow-H/D curve of nozzles

2.2 螺旋噴嘴尺寸對霧化角的影響

圖7給出了在AC方向上，壓力為0.025 MPa、0.030 MPa和0.035 MPa時，3個螺旋噴嘴的噴霧面與尺寸當量的關系.根據式(2)和式(3)算出在AC方向上，壓力為0.025 MPa、0.030 MPa和0.035 MPa時螺旋噴嘴的霧化角和噴嘴尺寸當量，結果見圖8.

圖7 螺旋噴嘴尺寸當量與覆蓋面直徑的關系Fig.7 Spray diameter-H/D curve of nozzles

由圖8可知，對于同一螺旋噴嘴，壓力越高，質量流量越大，霧化角越大；結合上述螺旋噴嘴尺寸當量與質量流量的關系，在相同壓力下，螺旋噴嘴的尺寸當量越大，質量流量越小，霧化角越大，噴霧比較分散.

2.3 螺旋噴嘴尺寸對徑向體積流率分布的影響

采用表征單位面積體積流量的體積流率q來衡

圖8 螺旋噴嘴尺寸當量與霧化角的關系Fig.8 Spray angle-H/D curve of nozzles

量徑向體積流率分布，實驗中對4個方向上的徑向體積流量分布進行測量.

圖9和圖10分別為3個螺旋噴嘴在AC方向和BD方向上的徑向體積流率分布圖，其中橫坐標是距離噴嘴中心的距離，縱坐標是液體的體積流率.該類螺旋噴嘴可以在運行壓力下提供連續穩定的流量，在較寬的壓力范圍內都可以提供均勻的霧化噴霧[13].

(a) 0.025 MPa

(b) 0.030 MPa

(c) 0.035 MPa圖9 AC方向螺旋噴嘴的徑向體積流率分布Fig.9 Spray volume flow distribution in AC direction

(a) 0.025 MPa

(b) 0.030 MPa

(c) 0.035 MPa圖10 BD方向螺旋噴嘴的徑向體積流率分布Fig.10 Spray volume flow distribution in BD direction

從圖9和圖10可以看出，與文獻[7]研究的HHSJ型螺旋噴嘴不同，霧化面型線總圈數為3，徑向體積流率沿半徑方向有較為明顯的3個峰值，沿半徑方向形成3個噴霧面，以螺旋噴嘴所在位置中心呈對稱分布.對于不同的螺旋噴嘴尺寸，噴霧面距離噴嘴中心的距離關系為：1號>2號>3號，每層噴霧面的體積流率關系為：1號>2號>3號.1號螺旋噴嘴3個噴霧面的霧化角較小，但質量流量較大，噴霧面比較集中且每層噴霧面的徑向體積流率較大；3號螺旋噴嘴3個噴霧面的霧化角較大，但質量流量較小，噴霧面相對分散且每層噴霧面的徑向體積流率較小.H/D越大，噴霧的3個錐面離噴嘴中心距離越大，噴霧覆蓋的范圍越大，霧化角越大，每層噴霧越稀薄，霧化角較均勻.

2.4 4個方向上的徑向體積流率分布

圖11為1號螺旋噴嘴在壓力為0.025 MPa時4個方向上的徑向體積流率分布圖.從圖11可以看出，螺旋噴嘴4個方向的徑向體積流率都不完全相同，沿著螺旋噴嘴出口的起始點順時針方向，徑向體積流率依次減小，即A方向>D方向>B方向>C方向.

(a)

(b)圖11 1號螺旋噴嘴在0.025 MPa下4個方向上的 徑向體積流率分布Fig.11 Spray volume flow distribution in A, B, C, D directions of nozzle 1 at 0.025 MPa

2.5 不同壓力下的徑向體積流率分布

圖12給出了1號螺旋噴嘴在0.025 MPa和0.030 MPa下,4個方向上的徑向體積流率的曲線圖.從圖12可以看出，隨著壓力的升高，噴霧面的位置向遠離噴嘴中心的方向移動，噴霧面位置增大的同時，噴霧的徑向體積流率也在增大.

2.6 實驗誤差分析

實驗中的誤差主要包括以下幾個方面：

(1) 儀器儀表的設備誤差.

流量計的準確度為0.5%.標準壓力表的精確度為0.005 MPa.實驗中采用了2種規格的量筒.讀數時估讀到儀表最小刻度的下一位，并多次讀數取平均值.

(2) 壓力表、流量計和量筒的讀數誤差.

(a) A方向

(b) B方向

(c) C方向

(d) D方向圖12 不同壓力下1號螺旋噴嘴在4個方向上的徑向體積流率

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

讀數時操作規范，平視液面并以凹液面所在位置的刻度為準，為了盡量減小該誤差，讀數時采取讀3次取平均值的方法.

(3) 排狀量筒產生的偶然誤差.

當螺旋噴嘴的噴淋系統穩定工作后，打開排狀量筒上的蓋子進行測量，計時結束后立即關上蓋子，將噴淋系統關閉.操作規范.

每個排狀量筒的蓋子打開時會有蓋子上的液滴濺到量筒里，或者沿著蓋子邊緣流進量筒里，部分打在量筒邊緣的液滴也會濺到量筒，產生偶然誤差.偶然誤差會導致圖表中的質量流量分布曲線以及徑向體積流率分布曲線上個別點有誤差.

3 結 論

(1) 螺旋噴嘴的高度與孔徑的比值H/D對質量流量、霧化角、霧化面位置和徑向體積流率都有影響.

(2) 壓力越高，質量流量越大，同一螺旋噴嘴的霧化角越大，每層霧化面的位置距噴嘴中心的距離越遠.

(3) 螺旋噴嘴的高度與孔徑的比值H/D越大，質量流量呈減小趨勢，霧化角呈增大趨勢.

(4) 相同壓力下，H/D越大，質量流量越小，噴霧范圍越大，霧化角越大，噴霧面相對分散，每層噴霧面的徑向體積流率相對較小；H/D越小，噴霧面相對集中，每層噴霧面的徑向體積流率相對較大.

結果表明，這種螺旋噴嘴滿足大流量低背壓(10～50 kPa)的運行要求.在實際應用中，螺旋噴嘴的尺寸參數對霧化角、噴霧面的流量分布有直接關系.噴霧面的位置和每個位置處的徑向體積流率也直接影響著煙氣脫硫技術中的脫硫效率.螺旋噴嘴的高度和孔徑需要綜合考慮SO2所需的脫硫漿液的流量、噴淋塔尺寸、運行成本以及所需噴嘴個數等多方面的因素.

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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

國家重點基礎研究發展計劃資助項目(2015CB251501)

周 昊(1973-)，男，江蘇吳江人，教授，博士生導師，主要從事煤的低污染優化燃燒方面的研究.電話(Tel．)：13906532015； E-mail：zhouhao@zju.edu.cn．

1674-7607(2017)07-0577-07

X701

A

470.30