1、书书书收稿日期 : 2012 07 19基金项目 : 广东省科技资助项目 ( 2011B090400289) ; 国家级大学生创新训练项目 ( 20111056163)文章编号 : 1005 0329( 2013)檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐04 0001 06试验研究4种脱硫喷嘴雾化特性对比试验刘定平 ， 李史栋( 华南理工大学 ， 广东广州 510640)摘 要 : 对目前湿法烟气脱硫系统中常用的 4 种机械式雾化喷嘴进行了雾化试验 ， 采用高速数码摄影法对 4 种喷嘴在不同压力下的喷雾状况进行测试 ， 并用 ImageJ 软件处理 ， 得到各喷嘴在不同工况下的粒径 、粒径分布和雾化角
2、等特性 。研究结果表明 : 4 种喷嘴雾化粒径随液压的增大呈减小趋势 ， 其中螺旋喷嘴雾化粒径最小 ， 扇形喷嘴雾化粒径最大 ; 螺旋喷嘴 、空心锥喷嘴和扇形喷嘴的雾化角随液压增大变化不大 ， 较为稳定 ， 实心锥喷嘴雾化角随液压增大而增大 ， 螺旋喷嘴与扇形喷嘴的雾化角较大 ， 空心锥喷嘴的雾化角最小 ; 各喷嘴在小于 0 2MPa 的液压下粒径分布不均匀 ， 当达到 0 2MPa后粒径分布较为均匀 。综合结构特点和雾化特性 ， 螺旋喷嘴较适用于火电厂湿法烟气脱硫系统 。关键词 : 湿法烟气脱硫 ; 机械式喷嘴 ; 雾化特性 ; 粒径 ; 雾化角中图分类号 : TH1375; TK121 文
3、献标识码 : A doi: 103969/j issn1005 0329201304001Contrast Experiment of the Spray Characteristics of Four Atomizing NozzleLIU Ding-ping， LI Shi-dong( South China University of Technology University， Guangzhou 510640， China)Abstract: A series of atomization experiments is done for four commonly used atom
4、izing nozzles in wet flue gas desulfurizationA high speed digital camera is used to take the atomization photos under different hydraulic pressure and the photos are analysisedwith ImageJ Then get the spray particle， distribution of the spray particle and the spray angle The results of the experimen
5、tsshow that the pray particles of four kinds of nozzle become smaller with the increase of the hydraulic pressure The pray particleof spiral nozzle is smallest and that of fan-shaped nozzle is largest The spray angles of spiral nozzle， fan-shaped nozzle and hollowcone nozzle are relatively stable wi
6、th the increase of the hydraulic pressure And that of Solid cone nozzle becomes larger with theincrease of the hydraulic pressure The spray angles of Spiral nozzle and Fan-shaped nozzle are relatively larger and the spray an-gle of Hollow cone nozzle is smallest The spray particles of all the four k
7、inds of nozzle are unevenly distributed under 0 2MPaand are relatively evenly distributed above 0 2MPa Comprehensively considering the structural characteristics and atomizationcharacteristics， spiral nozzle is more suitable for wet flue gas desulfurization system in thermal power plantKey words: we
8、t flue gas desulfurization; mechanical nozzle; spray characteristics; partical size; spray angle1 前言SO2是大气中数量较大 ， 影响范围较广的一种气态污染物 ， 其主要来源是火电厂燃煤燃烧时产生的废气 ， 提高火电厂烟气脱硫水平是减少SO2排放的重要手段 。湿法烟气脱硫技术因脱硫效率可达 90% 以上而得到了广泛的运用 ， SO2的吸收反应主要发生在吸收液雾化液滴表面 ， 因此雾化粒径对脱硫效率有着重大的影响 1， 2。而雾化喷嘴是决定雾化粒径等特性的关键设备 ， 影响雾化特性的因素有多种 ，
9、通过试验研究雾化特性是一种有效的方法 。12013 年第 41 卷第 4 期 流 体 机 械本文针对螺旋喷嘴 、实心锥喷嘴 、空心锥喷嘴和扇形喷嘴 4 种常用的机械雾化喷嘴进行对比试验 ， 对比研究各喷嘴在不同工况下的雾化粒径 、粒径分布和雾化角等特性指标 ， 其结果可为湿法烟气脱硫喷嘴选取提供依据 。2 4 种脱硫喷嘴原理及结构分析为了保证湿法烟气脱硫效果 ， 其脱硫塔内喷嘴的选用十分重要 。目前常用喷嘴按工作原理可分为压力式 、旋转式 、撞击式 、静电雾化式等 3。其中压力式喷嘴由于其结构简单 ， 操作维修方便在湿法烟气脱硫中得到了广泛的应用 。本试验选用了比较常见的 4 种压力式喷嘴 进
10、行对比雾化试验 ， 研究其雾化特性 。4 种机械雾化喷射如图 1 所示 。( a) 螺旋喷嘴 ( b) 实心锥喷嘴 ( c) 空心锥喷嘴 ( d) 扇形喷嘴图 1 4 种机械雾化喷嘴21 螺旋喷嘴螺旋喷嘴是由中间空腔和四周逐渐变小的螺旋状喷口组成 ， 如图 1( a) 所示 。其内腔与螺旋状喷口的起始点相切 ， 喷嘴腔体从入口至出口呈流线型 ， 能极好的减少流体的阻力 4。液体在压力下通过小孔喷出 ， 实现压力势能向动能的转换 ， 获得相对气体较高的流动速度 。液柱撞击在呈一定角度的螺旋面上 ， 从而使其外层液体分裂成一层层逐渐变小的同心圆锥面薄膜 ， 并从螺旋喷头的空隙中喷出 。薄膜与空气产
11、生气液间的剪切作用 ， 破碎成为小水滴 ， 实现雾化 。所有圆锥面雾化形成一个完整的实心锥形状的喷雾场 5。22 实心锥喷嘴实心锥喷嘴是由一个圆锥形的空腔和一个旋芯构成 ， 如图 1( b) 。通过旋芯 ， 液体被整合成旋转喷射流 ， 在压力作用下通过拉法尔喷管加速喷出 ， 实现压力势能向动能的转换 ， 从而获得相对于周围气体较高的流动速度 。其旋芯可以加速旋转运动 ， 使雾化更充分 。旋转喷射流在刚出喷口时呈麻花状 ， 且在一段很短的距离内处于尚未雾化的液膜态 。随着旋转喷射流向前运动 ， 高速运动的液体柱与空气发生挤压变形 ; 同时旋转喷射流与空气产生剧烈的摩擦和剪切作用 ， 液膜出现振幅
12、越来越大的扰动波 ， 液膜逐渐破碎成小液滴实现雾化 6。23 空心锥喷嘴空心锥喷嘴是由一个内腔体和一个圆台形旋帽盖组成 。内腔体为一个圆柱形空腔 ， 圆柱头上有 4 个呈一定角度的小喷口 ， 圆柱空腔上连接有一个小圆柱条 ， 与圆台形旋帽盖上的圆形喷孔形成窄缝 ， 成为喷嘴出口 ， 如图 1( c) 。其工作原理为高速流动的液体从 4 个呈一定角度的小喷口进入圆台形旋帽盖和喷嘴内腔体之间的缝隙 ， 使得压力势能转换为动能 。旋帽盖和喷嘴内腔体间的缝隙越靠近出口越小 ， 液体运动受压速度变快 ， 在出口处液体绕空气心旋转喷出形成一个空心锥状液膜 ， 液膜与空气进行摩擦剪切作用破碎成为小液滴 ，
13、实现雾化 7。24 扇形喷嘴扇形喷嘴整体呈圆柱形 ， 中部切削成一定弧度的椭圆形截面 ， 喷嘴出口处与椭圆斜面相切为圆孔形状 ， 如图 1( d) 。通道宽阔流畅不易阻塞 。当高速水流冲击出口斜面时因惯性挤压形成扇形状液膜 ， 因其对空气具有较大的相对速度 ， 与空气剧烈摩擦剪切破碎成小液滴进而实现雾化 。综上可知 ， 4 种喷嘴均是通过压力势能转换为动能使流经喷嘴的液体高速运动 ， 使其初步形成液膜并与空气产生剪切作用 ， 破碎成小水滴实现雾化 。不同点在于 4 种喷嘴的结构不同使得液体在喷嘴中流动的路径 、形成液膜的方式和液膜2 FLUID MACHINERY Vol. 41， No4，
14、2013形状均不同 ， 从而使 4 种喷嘴形成的雾化场不同 。3 试验研究衡量喷嘴雾化性能的指标主要有雾化粒径 、雾化角 、雾化粒径分布等 8 11。通过试验研究 4种脱硫雾化喷嘴在不同液压下雾化粒径 、雾化角 、雾化粒径分布的变化规律 ， 可得出各种喷嘴的特点和适用性 。31 试验装置设计试验装置由循环系统 、喷液系统和粒径测量系统 3 部分组成 ， 如图 2 所示 。循环系统实现工质的循环补充 ; 喷液系统可模拟各种不同工况液压进行多组试验 ; 粒径测量系统由高速数码照相机和计算机数据采集分析系统组成 ， 可对不同喷嘴实验时的雾化特性进行测试与分析 。图 2 试验装置结构示意32 试验方案
15、液滴粒径测试方法大致分为 2 类 : 机械法和光学法 。机械法是通过辅助设备 ， 在某一设定条件下 ， 通过对比分析所选参照物对粒径进行定性分析 。由于其准确性差 ， 不适合做精密的对比分析 。光学法主要使用摄像机 、光学分析仪器或光谱分析对粒径进行定量分析 ， 准确性高 ， 可在不对测量的环境 、对象和条件加以限制的情况下对液滴进行测量 ， 相比机械法具有突出优势 12。因此试验选用了光学法中易操作 、易实现的拍摄法 ， 通过高清摄像机拍摄雾化喷嘴雾化区域的工作状况 ， 然后用 ImageJ 软件分析计算粒径 。试验使用尼康 D80 数码单反相机拍摄图像 ，有效像素为 1020 万 ， 快门
16、速度最高可设为 1/4000s， 照片的最高分辨率为 3872 2592。通过软件对照片进行分析可得 ， 在试验条件下所拍摄的照片用软件所能处理的最小极限长度为 673m。而在试验条件下各喷嘴的平均粒径都在 100m 以上 ， 所以本方法的精度可满足试验要求 。由于 ImageJ 是开源的 ， 用户自定义 java 插件可以满足各种图像处理和分析要求 ， 具有较强的扩展性 13。火电厂湿法脱硫一般采用密度为 1050kg/m3的石灰石浆液在液压为 0 3MPa 左右的情况下对烟气进行脱硫处理 。为了模拟工况和方便对比 ，本试验分别选用了水和密度为 1050kg/m3的石灰石浆液作为工质 ， 并
17、且参照火力发电厂脱硫喷嘴的液压 ， 分别在 0 1 0 5MPa 的液压范围内 ， 每隔 005MPa 选取工况点试验 。在各工况点分别拍摄多张雾化照片 ， 使用 ImageJ 软件对图片进行分析 ， 可以得到试验所需的雾化粒径 、雾化粒径分布以及雾化角 3 个特性指标 。采用表面积 体积平均粒径算法计算平均粒径 ， 其公式为 :d_SV=d3i/d2i式中 di各个液滴的颗粒直径4 试验结果及分析41 雾化粒径图 3 为试验中拍摄到的原始照片 ， 选择效果较好 ， 液滴较清晰的区域进行处理 ， 并用软件对其进行标记可得到图 4。运用软件内置算法可得出每个液滴的粒径大小 ， 并进行统计分析 。
18、图 3 试验拍摄原始照片图 4 软件处理图片在 01 05MPa 的液压范围内 ， 采用清水进行试验 。4 种喷嘴的雾化粒径随液压的变化情况32013 年第 41 卷第 4 期 流 体 机 械如图 5 所示 。图 5 4 种喷嘴清水试验的粒径对比由图 5 分析可知 ， 扇形喷嘴 、实心锥喷嘴 、空心锥喷嘴和螺旋喷嘴的雾化粒径范围分别为1800 2100m、1700 2100m、1100 1900m、200 600m。4 种喷嘴的雾化粒径随液压增大呈逐渐减小的趋势 ， 其中空心锥喷嘴变化最为明显 。扇形喷嘴雾化粒径相对最大 ， 螺旋喷嘴的雾化粒径相对较小 。为了模拟现场实际雾化状况 ， 在此选取
19、1050kg/m3的石灰石浆液进行试验 。其结果如图6 所示 。由图可得 ， 扇形喷嘴 、实心锥喷嘴 、空心锥喷嘴和螺旋喷嘴的雾化粒径范围分别为 18002200m、1700 2100m、1200 1900m、200 500m。4 种喷嘴的雾化粒径变化与清水实验相似 ， 雾化粒径随液压增大呈减小趋势 。图 6 4 种喷嘴石灰石浆液实验粒径对比42 雾化粒径分布试验分析可得 ， 4 种喷嘴的粒径分布随液压增大逐步变得均匀 。其中液压小于 0 2MPa 时粒径分布不均匀 ， 各个粒径范围均分布有一定数量的液滴 ， 分布散乱 。液压大于 0 2MPa 时粒径分布均匀 。图 7 为 4 种喷嘴在石灰石
20、浆液试验中处于初始液压 01MPa 时的粒径分布情况 。图 8 为 4 种喷嘴在液压 03MPa 时的粒径分布情况 。( a) 螺旋喷嘴 ( b) 实心锥喷嘴 ( c) 空心锥喷嘴 ( d) 扇形喷嘴图 7 4 种喷嘴在液压为 01MPa 的粒径分布( a) 螺旋喷嘴 ( b) 实心锥喷嘴 ( c) 空心锥喷嘴 ( d) 扇形喷嘴图 8 4 种喷嘴在液压为 03MPa 的粒径分布比较 4 种喷嘴分布图可知 ， 螺旋喷嘴的雾化粒径基本上集中在平均粒径附近 ， 分布最为均匀 。实心锥喷嘴的粒径分布较为均匀 ， 分布在偏离平均粒径附近范围较大的区域内的液滴较少 ， 但相对螺旋喷嘴均匀性较差 。空心锥
21、喷嘴在偏离平均粒径附近范围较大的区域也分布有一定数量的液滴 ， 均匀性较差 。扇形喷嘴的粒径分布均匀性在4 种喷嘴中最差 。43 雾化角试验中拍摄到的石灰石浆液实验中 4 种喷嘴4 FLUID MACHINERY Vol. 41， No4， 2013在液压为 0 3MPa 时的雾化角照片如图 9。通过ImageJ 软件自带的角度测量工具可测出不同喷嘴在不同液压下的雾化角 。( a) 螺旋喷嘴 ( b) 实心锥喷嘴 ( c) 空心锥喷 ( d) 扇形喷嘴图 9 4 种喷嘴的雾化角由图 10 得 4 种喷嘴的雾化角对比 。扇形喷嘴的雾化角最大 ， 随液压变化不大 ， 在 110左右变化 。螺旋喷嘴
22、的雾化喷嘴较大 ， 随液压变化不大 ， 在 105左右变化 。实心锥喷嘴的雾化角随液压增大而增大 。空心锥喷嘴雾化角最小 ， 随液压变化不大 ， 在 50左右变化 。图 10 4 种喷嘴雾化角的对比5 4 种喷嘴雾化性能比较火电厂脱硫喷嘴要求粒径较小且变化稳定 ，分布均匀 ， 雾化角较大且稳定 。综合各喷嘴结构特点及试验结果 ， 可比较 4 种喷嘴的雾化性能和适用性 。螺旋喷嘴在 4 种喷嘴中结构较为简单 ， 操作维修方便 ， 而且雾化粒径最小 ， 在 0 1 0 5MPa的液压范围内 ， 螺旋喷嘴的雾化粒径范围大致为200 600m， 最小可达 204m。由于其雾化场为实心锥状 ， 液滴分布
23、致密 ， 依靠空气切割由螺旋喷嘴间隙中喷出的多层液膜 ， 因此在 4 种喷嘴中粒径分布最为均匀 。同时由于其结构特点使工质能从螺旋体间隙射出 ， 雾化角较大 ， 可达 105左右 ，可增大其雾化范围 。实心锥喷嘴的雾化粒径在 4 种喷嘴中较大 ，雾化粒径范围为 1700 2100m， 且结构相对复杂 ， 维修麻烦 。由于其雾化场为实心锥状 ， 依靠空气切割单层液膜实现雾化 ， 因此粒径分布均匀 。其雾化主要依靠旋心的旋转作用使液柱旋转并形成液膜 ， 液压越大 ， 离心力越大 ， 则形成的液膜角度越大 ， 因此雾化角随液压增大而增大 ， 不稳定 。空心锥喷嘴的雾化粒径在 4 种喷嘴中较小 ，雾化
24、粒径范围大致为 1100 1900m， 雾化效果良好 ， 但粒径随液压变化大 ， 不利于系统运行的稳定性 。且其结构复杂 ， 操作维修不便 ， 运行成本高 。其雾化过程与实心锥喷嘴类似 ， 只是雾化场呈空心锥状 ， 因此粒径分布也较为均匀 。由于其结构特点使得其雾化角较小 ， 同时因为空心锥喷嘴依靠挤压形成液膜 ， 因此雾化角较为稳定 ， 基本不受液压影响 。扇形喷嘴雾化粒径最大 ， 粒径范围为 1800 2200m。而且由于扇形喷嘴依靠撞击形成液膜 ，液膜形成过程中同时形成部分微粒 ， 而随后液膜又被空气切割形成小液滴 ， 并不是所有液滴都由空气切割形成 ， 所以相对其它 3 种喷嘴 ， 扇
25、形喷嘴的雾化粒径分布均匀性差 。但是它在 4 种喷嘴中结构最简单 ， 流道最为畅通 ， 且由于扇形喷嘴的雾化场为梭状 ， 液膜呈扇形 ， 扩散范围大 ， 雾化角也最大 。52013 年第 41 卷第 4 期 流 体 机 械6 结论( 1) 4 种喷嘴雾化粒径随液压增大呈变小趋势 。其中螺旋喷嘴粒径最小 ， 空心锥喷嘴粒径较小 ， 实心锥喷嘴粒径较大 ， 扇形喷嘴粒径最大 。螺旋喷嘴在 0 1MPa 液压下粒径即可达 600m 左右 ;( 2) 螺旋喷嘴 ， 空心锥喷嘴和扇形喷嘴的雾化角随液压增大变化不大 ， 基本保持稳定 ， 实心锥喷嘴雾化角随液压增大而增大 。其中扇形喷嘴雾化角最大 ， 螺旋
26、喷嘴次之 ， 实心锥喷嘴雾化角较小 ， 空心锥喷嘴雾化角最小 ;( 3) 4 种喷嘴在低于 0 2MPa 时粒径分布不均匀 ， 在达到 0 2MPa 后粒径分布较为均匀 。螺旋喷嘴粒径分布均匀性最好 ， 实心锥喷嘴次之 ， 空心锥喷嘴较差 ， 扇形喷嘴最差 ;( 4) 综合 4 种喷嘴的雾化特性 ， 螺旋喷嘴的雾化性能最好 ， 空心锥喷嘴次之 ， 实心锥喷嘴较差 ， 扇形喷嘴最差 。参考文献 1 Irvan Dahlan， Keat Teong Lee， Azlina Harun Kamarud-din， et al Analysis of SO2sorption capacity of ri
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