同軸四通道噴嘴氣流式霧化特性影響因素研究

徐祖良，汪宇昊，趙輝，周騖，蔡小舒，劉海峰

（1 華東理工大學上海煤氣化工程技術研究中心，上海 200237； 2 上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

引 言

噴嘴霧化是指液體通過噴嘴等霧化器噴射到氣體介質中，在液體表面張力和氣體介質外在剪切力等內外力的作用下，將液體破裂成小液滴的過程[1-6]。噴嘴霧化在化工、能源、航空航天、農業、醫學等領域有著廣泛的應用[7-9]。由于霧化過程涉及高速流體自身的湍流特性和氣液間相互作用等多種因素，霧化理論和模型往往十分復雜[6,10-12]。氣流式噴嘴霧化性能好、處理能力大，是霧化重要方式之一[13-17]。在氣流式霧化過程中，噴嘴結構、霧化介質性質、流量和速度等都會對霧化的效果產生顯著影響[4,8,18-20]。

Chen 等[21]通過響應面方法研究了氣流式霧化中液體黏度、氣液噴射壓力對霧化粒度的影響。康忠濤等[22]針對氣液同軸離心式噴嘴霧化，對同軸氣體作用下的錐形液膜進行時間穩定性分析，建立了離心式噴嘴出口參數預測模型。Vadillo 等[23]利用陰影成像法發現霧化平均粒徑隨氣液流速比的增大而減小。陳小艷等[24]利用圖像法測量研究了大尺度噴嘴在不同流量負荷和距噴口位置處霧化粒徑的典型分布規律。Lilan 等[25]將霧化場劃分為多個觀測區域，通過對幾個局部觀測區域的測量，構建了整個霧化場的液滴尺寸分布模型。García 等[26]探究了高液氣質量比條件下高黏度流體的霧化特性，獲得了霧化粒徑分布曲線。閆云飛等[27]則通過比較不同結構氣流式噴嘴霧化性能，得到了噴嘴結構參數對霧化性能的影響特點。盡管前人對噴嘴霧化進行了大量研究，但由于噴嘴形式不同，霧化機理各異；針對四通道噴嘴氣流式霧化鮮見報道，而本文正是針對一種新型四通道噴嘴霧化進行研究。

作為水煤漿氣流床氣化裝置的核心設備，除霧化性能要求外，噴嘴燒蝕嚴重、使用壽命短一直是制約氣化裝置長周期穩定安全運行的難題，難以為煉廠的后續系統穩定供氫[28-30]。因此，延長噴嘴使用壽命是延長煤氣化裝置運行周期、提高效益，乃至為煉廠提供穩定氫源的關鍵之一。華東理工大學和中石化合作開發的SE 水煤（焦）漿氣化工藝采用了一種同軸四通道的噴嘴結構——噴嘴由內至外分別為氧-漿-氧-漿。其優勢在于最外側通道的水煤漿作為冷卻介質強化了噴嘴自冷卻保護，將爐內合成氣和噴嘴出口氧氣隔離，避免二者在噴嘴出口區域反應，從而緩解高溫燒蝕，大幅延長噴嘴使用壽命。這種四通道噴嘴的霧化性能對氣化過程具有重要影響，本文針對該四通道氣流式噴嘴，分析其在不同介質速度及分配比條件下霧化效果。

1 實驗裝置及實驗流程

實驗采用的噴嘴結構如圖1 所示，從中心通道至最外層環型通道依次編號為一、二、三、四，實驗中各通道內流經的介質依次為空氣-水-空氣-水。D1是中心通道直徑，D2i、D2o是環隙通道二的內徑和外徑，D3i、D3o是環隙通道三的內徑和外徑，D4i、D4o是最外環通道四的內徑和外徑。噴嘴的具體尺寸如表1所示。

圖1 同軸四通道射流噴嘴Fig.1 Coaxial four-channel jet nozzle

表1 同軸四通道噴嘴尺寸Table 1 The size of coaxial four-channel nozzle

實驗的流程如圖2所示。空氣由羅茨鼓風機提供，經轉子流量計后進入噴嘴中心通道一和環隙通道三；儲水箱中的水自水泵經流量計后進入噴嘴環隙通道二和四。二者在霧化室噴嘴出口發生劇烈剪切作用使液體霧化。采用馬爾文激光粒度儀（Spraytec）在常溫常壓下采集信號進行測量，測點距噴嘴出口400 mm，由計算機處理后可得霧化液滴平均直徑及其分布。對同一實驗參數點進行60 次重復測量，取均值以消除隨機誤差。噴嘴入口氣壓<0.04 MPa，水壓<0.4 MPa。

圖2 霧化實驗流程Fig.2 Atomization experiment process

2 實驗結果與討論

在噴霧過程中，噴嘴出口霧滴的粒徑分布是評價霧化效果的重要參數，適宜的霧滴粒徑對于強化反應、提高傳質-傳熱具有重要的作用；而獲得理想霧化粒度分布的關鍵操作參數是各通道的流體速度及分配比。本文以D32（索特平均直徑，當量比表面直徑）作為表征霧化粒徑的參數，主要實驗操作參數如表2所示。

表2 實驗條件Table 2 Summary of the test conditions

2.1 介質流速對霧化效果的影響

本文研究了不同氣、液流速條件下的霧化液滴直徑D32。實驗中為確定液速對霧化粒徑的影響，保持通道一和通道三中氣速不變，改變通道二和通道四內液速進行實驗，得到了通道二、四液體速度對霧化粒徑D32的影響。圖3 是最外側通道環隙寬度不同的三種規格噴嘴在保持u1g=103.68 m/s，u3g=99.13 m/s，控制u2l分別為0.16、0.20、0.24 m/s，調節u41為0.07～0.29 m/s，所進行的霧化實驗結果。

然后保持通道一氣速和通道二液速不變，改變通道三氣速和通道四液速的情況下進行霧化實驗。三種規格噴嘴在保持u1g=103.68 m/s，u2l=0.20 m/s，控制u3g分別為79.30、99.13、118.95 m/s，調節u4l為0.07～0.29 m/s所進行的霧化實驗結果如圖4所示。

實驗結果表明，在其他三通道流速一定的情況下，改變通道四的液速對霧化液滴直徑有顯著影響。D32隨著通道四流速的提高而增大，這一趨勢在圖3 和圖4 中均可體現。當通道三氣速從79.30 提高到99.13 m/s后，霧化效果明顯改善，D32大幅減小，當通道三的氣速繼續提高到118.95 m/s 后，D32的減小幅度較前者明顯變緩，說明再進一步提高氣速對提高霧化效果的影響變小。

圖3 不同通道二液速條件下通道四液速對霧化的影響Fig.3 Velocity influence of channel 4 on atomization under different u2l

圖4 不同通道三氣速條件下通道四液速對霧化的影響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會對霧化效果產生影響，通道四中液體霧化條件較差，需要重點關注。因為通道二為中間通道，其液膜兩側均為氣體通道，兩側均有氣流的剪切應力存在，雙側剪切應力作用下使通道二中的液體破碎效果更加顯著，霧化粒徑小；而通道四為四通道噴嘴的最外層通道，氣流只與其單側(內側)液面產生接觸，液體受到的是單側剪切力，單側剪切力下，液體較難產生多次破裂，不利于霧化，易出現較大的D32。在霧化過程中，霧化液滴的形成是液體的表面張力和氣液界面剪切力等多種力共同作用的結果，隨著氣速的增加，液體表面張力難以“抗衡”剪切力導致液體破裂，因此增加氣速對減小D32效果顯著，但當氣速增加到較高的情況時（>100 m/s），單純增加氣速的效果將變弱。通道三內外兩側均為液體，會對兩側液體均產生剪切作用，其剪切作用面較通道一更大，對整個霧化效果的影響程度大。

2.2 氣量分配比對霧化效果的影響

對四通道噴嘴而言，氣量在通道一和通道三之間的分配比α是一個很重要的操作變量。分別保持Q2l=50 L/h，Q4l=50 L/h 和Q2l=70 L/h，Q4l=30 L/h，調節總氣量（50 m3/h）在通道一、三中的分配比，得到實驗結果如圖5所示。

對圖5 結果進行擬合，得到兩條擬合曲線D32和α、β等參數的關系為

圖5 氣量在通道一、三分配比對霧化效果的影響[圖中黑線為式(1)擬合曲線]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為氣量在通道一、三間分配比；β為液量在通道二、四間分配比；S為通道面積，mm2。式(1)的函數選取參考本團隊前期三通道氣流式霧化過程中氣量分配比影響部分函數[31-32]。擬合公式的相關系數R2=0.95。結果表明，D32隨α呈現先增再減的非單調變化趨勢，在不同液量分配比β下存在不同的極值點。

在關于同軸三通道氣流式霧化過程的研究中，文獻[33]和[34]通過線性穩定性分析的方法研究了三通道噴嘴環形液膜在內側和外側氣流作用下的霧化過程，前者認為在三通道噴嘴氣流式霧化過程中，外側氣流的氣動力起主要作用；后者則認為中心通道的氣動力起更加重要的作用。而根據本文實驗結果，在四通道噴嘴氣流式霧化過程中，氣體對于霧化效果的影響不是獨立的，而是復雜的相互影響的關系，一側的氣流在剪切液體的同時會使液體產生加速效果，這樣導致另一側氣液界面速度差變小，剪切作用力減小，霧化效果削弱。為得到較好的霧化效果，需根據液量不同調整不同的氣量分配。

2.3 液量分配比對霧化效果的影響

液量分配比β作為四通道氣流式霧化噴嘴的一個重要可調節變量，對霧化效果影響如圖6 所示。本節實驗考察了保持氣量不變時，調節總液量(100 L/h)在通道二、四中分配比的霧化情況。結果表明，在Q1g=5 m3/h,Q3g=50 m3/h下，增大通道二液量占比可以降低D32，但這種降低趨勢會隨著液量分配比的逐漸增大而趨緩。因為通道二內外兩側均為氣體，同時產生的剪切作用力使液體破裂成較小的霧化液滴；而通道四液體只受到單側剪切力作用，并且液體在初次破裂后，不易產生二次霧化，導致出現較大的霧化顆粒，所以增大通道二液量占比有利于提升霧化效果。所以，為了保持良好霧化效果，建議液量分配比β應大于2.0。

圖6 液量在通道二、四分配比對霧化效果的影響Fig.6 The effect of liquid distribution ratio of channel 2 and channel 4 on atomization results

2.4 外環液膜厚度對霧化效果的影響

本節主要考察四通道噴嘴最外側通道結構參數對霧化的影響，研究結果表明，噴嘴出口外環液膜厚度對D32會產生較大影響。圖7 是以不同尺寸的三個噴嘴作為研究對象所得實驗結果。圖7(a)為調節外環液速、固定其余各通道流速，圖7(b)、(c)是調節外環流量、固定其余各通道流量，測量得到的不同外環寬度噴嘴的霧化粒徑。對比圖7(a)中三條曲線，可知外環液膜厚度越大，霧化粒徑隨液速增加的速度越快。結合圖7(b)、(c)中曲線增長趨勢，發現隨著最外側通道液量的增加，外環液膜厚度造成的霧化粒徑差距變小；且在內層液體通道的流量相同的情況下，考慮體積守恒，增加相同的液量，外環液膜厚度越小的噴嘴出口流通面積越小，其液速增量越大。而從圖7(a)中三條曲線增長趨勢來看，還是液膜厚度較厚的噴嘴增長更快，表明在相同的液量下，使用液膜厚度越小的噴嘴，可以獲得更低的霧化粒徑。

圖7 液膜厚度對霧化效果的影響Fig.7 The effect of liquid film thickness on atomization results

2.5 粒徑分布分析

霧化粒徑分布作為表征霧化效果的重要參數，對研究不同工況下霧化效果具有重要的指導意義。分別對典型工況下的粒徑分布進行分析，具體結果如圖8所示。

實驗表明，霧化后的粒徑為典型單峰分布，霧化后粒徑大小主要集中于50～200μm 之間。圖8(a)表明，隨著通道四液量的增加，霧化粒徑逐漸變大，霧化粒度分布變寬；圖8(b)表明，隨著通道三氣量的提高，霧化粒徑逐漸變小，霧化粒度分布變窄。

圖8 典型工況下的霧化粒徑分布Fig.8 Atomized particle size distribution under typical working conditions

2.6 實驗回歸分析

基于氣流式同軸霧化破碎機理，液膜主要受氣流Rayleigh-Taylor 不穩定性作用發生破裂[35]，不穩定波長和氣速的關系為

式中，C1,C2為常數。結合實驗四通道噴嘴的結構參數特性，可將四通道噴嘴各參數對霧化效果的影響歸納為以下參數的關系式（不考慮速度為0 的情況）：

對各工況下測量的D32（μm）結果進行關聯，其中參數α1=3.26×104，α2=0.25，α3=-0.24，α4=0.22，α5=-0.84，α6=0.31，最外側通道四液體環隙寬度（外環液膜厚度）h的單位為mm，u1～4的單位為m/s。可以發現噴嘴通道三流速影響最大，其次是通道四流速，通道一和通道二的流速影響最小；減小最外側通道四液膜厚度，有利于四通道噴嘴霧化。計算結果與實驗結果的最大相對誤差為16.51%，平均誤差為2.93%，相關系數為0.943。說明含6 個參數的關系式基本反映各參數對霧化粒徑結果的影響。圖9為全部計算結果與實驗結果的比較，由圖9可知，絕大多數點都落在關系式計算結果誤差10% 范圍內。

圖9 D32計算結果與實驗結果的比較Fig.9 Comparison of calculated results and experimental results of D32

3 結 論

對四通道噴嘴氣流式霧化性能進行了研究，重點考察了各通道介質流速、流量分配比及外環液膜厚度等因素對霧化粒徑結果的影響，在本實驗條件下得到以下主要結論。

(1)對同軸四通道噴嘴氣流式霧化效果影響程度從大到小依次為：通道三、通道四、通道二和通道一。

(3)增大液量在通道二、四分配比可以降低霧化粒徑。建議分配比大于2.0。

(4)最外側液體通道四的環隙越寬，即外環液膜厚度越大，霧化粒徑越大。在相同液量下，使用四通道環隙較小的噴嘴可以獲得更小的霧化粒徑。

(5)基于數據分析得到了噴嘴各影響因素和霧化粒徑的關系為（不考慮速度為0的情況）：