離心霧化器霧化性能試驗分析

□ 王鵬程

江蘇電子信息職業學院 江蘇淮安 223003

1 研究背景

城市垃圾已成為當今世界最嚴重的公害之一。目前,解決垃圾最經濟有效的方法是對垃圾進行焚燒發電。焚燒處理在垃圾無害化、減量化、資源化方面優勢明顯,在世界各國得到越來越廣泛的應用。但是,因為垃圾成分復雜,焚燒時會產生含有二氧化硫、氯化氫等有毒有害物質的尾氣,若得不到有效凈化處理,將對環境產生嚴重污染。

目前,垃圾焚燒典型的尾氣凈化工藝有三種:半干式凈化、干式凈化、濕式凈化[1]。這三種凈化工藝各有特點。半干式凈化工藝去除污染物的效率介于干式和濕式之間,具有系統相對簡單,投資和運行費用低,不產生廢水等優點,在垃圾焚燒廠尾氣凈化系統中的應用越來越多。

離心霧化器是半干式凈化工藝的重要設備,霧化效果嚴重影響垃圾焚燒排放尾氣的質量。筆者采用FAM型激光測粒分析儀對離心霧化器的霧化性能進行現場試驗,分析霧化性能的有關影響因素,為垃圾發電廠尾氣的凈化處理提供指導。

2 霧化機理

離心霧化器是垃圾焚燒尾氣凈化工藝系統中的關鍵設備,常以石灰漿液作為吸收劑,其霧化機理如圖1所示。

▲圖1 離心霧化器霧化機理

石灰漿液被送至干燥塔頂部轉速高達10 000～20 000 r/min的霧化轉盤上,由轉盤上方的漿液入口進入,然后擴散至轉盤表面,形成一層薄膜。在離心力的作用下,薄膜逐漸向轉盤外緣移動,剪力作用使薄膜霧化為直徑50～150 μm的均勻細小霧滴。霧滴大小主要取決于轉盤轉速和漿液量。這些霧滴具有很大的表面積,與垃圾焚燒尾氣充分混合,發生強烈的熱交換和化學反應,迅速使大部分水分蒸發,形成含水量小的固體灰渣。

3 霧化性能試驗系統

霧滴粒徑采用激光測粒分析儀測量,原理是光線通過均勻介質時,沿著折射光的傳播方向直線傳播,若在均勻介質中摻入雜亂分布的微小粒子,則這些粒子會破壞介質的均勻性,引起散射現象[2]。

離心霧化器霧化性能試驗系統如圖2所示,主要由三大部分組成。石灰漿液供料部分由制漿槽、攪拌器、過濾網、漿液泵、控制閥構成,由管道與離心霧化器漿液入口相連。漿液霧化部分由離心霧化器、驅動電機、變速機構組成。測量部分由測壓表、轉子流量計、激光測粒分析儀組成。離心霧化器現場試驗效果如圖3所示。

▲圖2 離心霧化器霧化性能試驗系統

▲圖3 離心霧化器現場試驗效果

4 試驗方法

離心霧化器的霧化性能對垃圾焚燒尾氣凈化效率和干燥塔尺寸都有十分重要的影響。為了評價離心霧化器的霧化性能,需要有衡量霧化性能的指標,主要衡量指標包括霧滴粒徑、霧滴均勻度、噴霧距等。其中,霧滴粒徑和噴霧距是衡量離心霧化器霧化性能的最重要指標[3]。離心霧化器霧化性能試驗主要分析霧化轉盤轉速、進料速率、石灰漿液質量分數對離心霧化器霧化性能的影響。

轉盤噴嘴的內徑為12 mm,沿轉盤圓周均勻分布32個轉盤噴嘴。轉盤總設計流量為3.5 t/h,在轉盤下方約0.9 m處取樣。通過調節轉子流量計的大小,控制石灰漿液的進料速率。在不同進料速率下,通過激光測粒分析儀測量霧滴粒徑。調整變速機構,改變霧化轉盤轉速。在不同轉速下,通過激光測粒分析儀測量霧滴粒徑。改變石灰漿液質量分數,然后重復以上過程。

噴霧距采用直接測量方式測量,一般以水平面有90%～99%石灰漿霧滴降落的直徑作為離心霧化器的噴霧距。

5 試驗結果分析

因為石灰漿霧滴的粒徑不可能完全一致,所以常采用平均粒徑來表征。研究離心霧化器噴霧霧滴平均粒徑運用最為廣泛的是索特平均直徑SMD[4],其計算思想為平均霧滴群總體積與總面積的比值恰好和實際霧滴群總體積與總面積的比值相等,即:

(1)

(2)

式中:Dvs為霧滴平均粒徑;Di為第i個霧滴的直徑;Ni為直徑為Di的霧滴數量;N0為直徑為Dvs的霧滴數量。

5.1 霧化轉盤轉速對霧滴粒徑影響

理論研究表明,若離心霧化器的進料速率、霧化轉盤直徑、進料物理性質不變,則霧滴粒徑與霧化轉盤轉速成反比[5],即:

(3)

式中:Ns1、Ns2為兩種不同的霧化轉盤轉速;Dvs1、Dvs2分別為Ns1、Ns2轉速下獲得的相應霧滴平均粒徑。

式(3)中指數p根據離心霧化器不同的實際運行條件取值,試驗中轉盤周速為200～300 m/s,各測量點的進料速率均取2 000 kg/h,根據文獻[5],p取值為0.77,即有:

(4)

式中:Ns為霧化轉盤轉速。

根據上述理論,為了獲得細小且均勻的霧滴,當轉盤轉速很低時,可以采用提高轉盤轉速的方法來提高石灰漿液的霧化質量。采用清水和質量分數為5%、10%、15%、20%的四種石灰漿液進行試驗,轉盤轉速與霧滴粒徑的關系曲線如圖4所示。對于不同質量分數的石灰漿液,試驗實測數據基本上都滿足霧滴粒徑與轉盤轉速成反比的關系。當轉盤轉速提高至12 000 r/min以上后,霧滴粒徑隨轉盤轉速變化將不明顯,此時再繼續提高轉盤轉速對減小霧滴粒徑幫助不大。轉盤有最佳轉速,在這一轉盤轉速下石灰漿霧滴大小合適,凈化垃圾焚燒產生的酸性氣體效果最佳。實際轉盤最佳轉速可以通過試驗選取,此次試驗中離心霧化器最佳轉盤轉速為135 00 r/min。

▲圖4 轉盤轉速與霧滴粒徑關系曲線

5.2 進料速率對霧滴粒徑影響

由文獻[5]可知,當霧化轉盤轉速、霧化轉盤直徑及進料物理性質不變時,霧滴平均粒徑與進料速率成正比,即:

(5)

式中:VP1、VP2為兩種不同的進料速率。

指數q根據離心霧化器不同的實際運行條件取值,試驗中各測量點的轉盤轉速均為13 500 r/min,進料速率為1 000～3 500 kg/h。根據文獻[5],q取值為0.12,即有:

(6)

式中:VP為進料速率。

根據上述理論,為了獲得細小且均勻的霧滴,當進料速率很大時,可以采用減小進料速率的方法來提高石灰漿液的霧化質量。同樣采用清水和質量分數為5%、10%、15%、20%的四種石灰漿液進行試驗,進料速率與霧滴粒徑的關系曲線如圖5所示。對于不同質量分數的石灰漿液,試驗實測數據基本上都滿足霧滴粒徑與進料速率成正比的關系。

▲圖5 進料速率與霧滴粒徑關系曲線

5.3 石灰漿液質量分數對霧滴粒徑影響

由圖4、圖5可知,隨著石灰漿液質量分數的增大,霧滴粒徑增大。這是因為隨著石灰漿液質量分數的增大,石灰漿液黏度增大,其它條件不變時,霧化石灰漿液所需要的能量增加,使霧滴粒徑增大,符合能量守恒定律。

5.4 霧化轉盤轉速對噴霧距影響

由圖4可知,霧滴粒徑隨轉盤轉速的提高而減小。石灰漿霧滴運動中會受到空氣阻礙與摩擦作用,粒徑較小的霧滴更容易失去初速度,因此當轉盤轉速提高時,霧滴粒徑減小,噴霧距也就隨之減小。以質量分數為20%的石灰漿液進行試驗,轉盤轉速與噴霧距的關系曲線如圖6所示,可知噴霧距隨轉盤轉速的提高而減小。圖6中,Ds為噴霧距,各測量點的進料速率均為2 000 kg/h。

▲圖6 轉盤轉速與噴霧距關系曲線

5.5 進料速率對噴霧距影響

由圖5可知,霧滴粒徑隨進料速率的增大而增大。石灰漿霧滴運動中會受到空氣阻礙與摩擦作用,粒徑較大的霧滴相比粒徑較小的霧滴更難失去初速度,因此當進料速率增大時,霧滴粒徑增大,噴霧距也就隨之增大。以質量分數為20%的石灰漿液進行試驗,進料速率與噴霧距的關系曲線如圖7所示,可知噴霧距隨進料速率的增大而增大。圖7中各測量點的轉盤轉速均為13 500 r/min。

▲圖7 進料速率與噴霧距關系曲線

6 結束語

筆者在介紹離心霧化器霧化機理的基礎上,采用FAM型激光測粒分析儀對離心霧化器的霧化性能進行試驗研究,結果表明:

(1) 霧滴粒徑隨離心霧化器轉盤轉速的提高而減小,但當轉盤轉速提高至一定值后,霧滴粒徑變化將不明顯;

(2) 隨著石灰漿液進料速率的增大,霧滴粒徑也增大;

(3) 隨著石灰漿液質量分數的增大,霧滴粒徑也增大;

(4) 噴霧距隨離心霧化器轉盤轉速的提高而減小,隨進料速率的增大而增大。