戴研究與探討空氣霧化水煤漿噴嘴流量特性試驗(yàn)研究趙子通,周俊虎,黃鎮(zhèn)字,杜聰,趙琛杰,周志軍,劉建忠(浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310027)摘要:對(duì)大客量撞擊式空氣霧化水煤漿噴嘴進(jìn)行了試驗(yàn)研究,分析了噴嘴運(yùn)行參數(shù)和噴嘴內(nèi)各主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴嘴流量特性的影響以及研究了噴嘴霧化效果,經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,分別指出了各個(gè)因素的彩響程度、原因及相應(yīng)調(diào)節(jié)方窠,同時(shí)得出新開發(fā)噴嘴的霧化效果完全滿足燃燒要求,對(duì)以后此類噴嘴的研究有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:空氣霧化;噴嘴;流量特性中圖分類號(hào):TK263.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1004-3950(2010)02-0001-05Study of the flow characteristics for the air-atomized CwS nozzleZHAO Zi-tong, ZHOU Jun-hu, HUANG Zhen-yu, et alState Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, ChinaAbstract: The atomization characteristics of CWS nozzle using air as the atomization medium were investigaled, the operating parameters and the main structures of the new nozzle that impact of its flow characteristics and atomizing proper-ties were analyzed. By the result of experiments, the influent effects of various factors for the new nozzle, as well as thecauses and corresponding adjustment program were pointed out. Finally, the newly developed nozzle atomizing proper-ties fully meet the combustion requirements which provide reference for the future study of this kind of nozzleKey words: air atomization; nozzle; flow characteristic0前言耗降低約20%。由于水煤漿的粘度較高(約為0.5-2Pas),遠(yuǎn)高于重油(0.03~0.08Pas),對(duì)中國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó),于這種高粘度、高濃度非牛頓固液兩相流體,實(shí)現(xiàn)在一次能源消費(fèi)構(gòu)成中,煤炭的份額比世界平均良好的霧化是相當(dāng)困難但又十分重要的,為解決值高41%山。同時(shí)中國(guó)對(duì)石油的消耗也迅猛增這種高粘度工質(zhì)的霧化質(zhì)量問題,采用或改造了加中國(guó)石油消費(fèi)量已由1995年的1.611增加到大量液態(tài)工質(zhì)霧化方法。早期應(yīng)用較為廣泛2000年的2.11t,年均增長(zhǎng)率565%,而2007年我的水煤漿噴嘴多為Y型1-”、T型10和旋流國(guó)原油表觀消費(fèi)量約為346億t,同比增長(zhǎng)73%,型:13,為了改善噴嘴的霧化效果,很多學(xué)者綜達(dá)歷史高位23。從保證石油安全穩(wěn)定供應(yīng)的角合了氣力對(duì)沖撞擊式霧化噴嘴的特點(diǎn)進(jìn)行噴嘴度考慮中國(guó)必須采取各種措施減緩石油消費(fèi)的結(jié)構(gòu)的改造,即為組合式霧化噴嘴,這種噴嘴增加幅度;與此同時(shí),從能源環(huán)境與能源經(jīng)濟(jì)考慮,通過對(duì)液體進(jìn)行多級(jí)深度霧化,達(dá)到提高高粘度中國(guó)必須加快潔凈煤技術(shù)的發(fā)展走能源可持續(xù)發(fā)流體霧化的效果。如浙江大學(xué)自行研制的撞擊式展道路。水煤漿技術(shù)屬于我國(guó)潔凈煤技術(shù)中煤炭水煤漿噴嘴在山東白楊河電廠的成功應(yīng)用,不加工部分,它可以大量利用煤粉、大量減少煤粉燃僅體現(xiàn)出組合式噴嘴高效霧化性能,而且噴嘴的燒帶來的粉塵污染,經(jīng)物理加工即可達(dá)到以煤節(jié)容量從原來的Ith提高到現(xiàn)在的6t/h,為發(fā)展油、代油的目的“。1.8~2.It水煤漿可代替It大容量水煤漿噴嘴提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)原油燃用水煤漿可使燃燒效率提高5%-10%,能為了提高水煤漿鍋爐的運(yùn)行效率,進(jìn)一步降收稿日期:2009-12-23基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研充發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(973項(xiàng)目)資助(2010CB227001)作者簡(jiǎn)介:趙子通(1984-),男,壯族,廣酉南寧人,確士研究生,主要從事水煤漿噴嘴的開發(fā)和應(yīng)用研究研究與探討菜L低成本和能耗,采用壓縮空氣來代替蒸汽作為霧度測(cè)量采用LS200分體式激光噴霧粒度分析化介質(zhì)是新的嘗試。由于空氣本身含水量很低,儀測(cè)量范圍為0.5~1000μm?？紤]到水煤漿粘并能給水煤漿燃燒提供一定的氧量,而且在霧化度大霧化過的水煤漿容易沉淀,且試驗(yàn)裝置的清過程中與煤漿能夠充分混合,這對(duì)于水煤漿的著洗較困難,實(shí)驗(yàn)時(shí)采用建筑膠水來代替水煤漿進(jìn)火很有幫助;同時(shí)能減小排煙量和降低腐蝕。行冷態(tài)霧化試驗(yàn),試驗(yàn)噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示。壓縮空氣霧化代替蒸汽霧化對(duì)于在燃油鍋爐上節(jié)約成本、提高效率效果明顯6。文獻(xiàn)[17]利用數(shù)值模擬方法研究了霧化介質(zhì)由高溫蒸汽改成口電磁流量計(jì)常溫空氣后對(duì)燃油常壓爐內(nèi)燃燒的影響。研究表白渦街流量計(jì)明,將蒸汽改成空氣霧化的方案是可行的,不會(huì)造↓圖式學(xué)壓樹成加熱爐操作地和運(yùn)行較大變化,有利于提高加熱爐熱效率。文獻(xiàn)[18]主要從經(jīng)濟(jì)角度對(duì)蒸汽霧化和壓縮空氣霧化兩種霧化方法在同一燃油爐2日◆引風(fēng)機(jī)窯上進(jìn)行比較,在同等條件下,壓縮空氣霧化比蒸汽霧化節(jié)油。霧化氣與重油比值為0.534和圖18th噴嘴冷態(tài)霧化試驗(yàn)系統(tǒng)0857時(shí),可分別節(jié)油1.74%和2.62%,霧化氣1-LS2000激光粒度分析儀;2一分離器與重油比值控制得越小節(jié)油效果越好。表1為廣州華南橡膠輪胎有限公司燃油鍋爐上采用空氣霧噴嘴出口孔化與蒸汽霧化的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。小混合室表1重油蒸汽、空氣霧化經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比槍前壓力3支油槍耗汽Y型霧化氣項(xiàng)目成本T型霧化氣蒸汽霧化0.6555kgh(蒸汽)180元/t圖2撞擊式水煤漿噴嘴結(jié)構(gòu)示意空氣霧化0.8810m3/h(空氣)0.0714元/m3撞擊式水煤漿噴嘴是一種組合型氣力霧化噴為配合某電廠670t/h超高壓水煤漿鍋爐的嘴,它的結(jié)構(gòu)如圖2所示。噴嘴采用中間進(jìn)漿,環(huán)低成本高效率運(yùn)行,新開發(fā)一批采用壓縮空氣進(jìn)周進(jìn)氣的工質(zhì)輸送方式,由后至前依次布置“Y”行霧化的大型撞擊式噴嘴,為了進(jìn)一步了解噴嘴型、T”型和撞擊型霧化。研究表明221,影響的霧化特性,通過冷態(tài)模擬試驗(yàn)和熱態(tài)選型試驗(yàn)撞擊式噴嘴流量特性的因素主要有噴嘴幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較選擇達(dá)到應(yīng)用要求的噴嘴。鍋爐采用參數(shù)、工質(zhì)和霧化氣特性和運(yùn)行參數(shù)其中噴嘴幾自然循環(huán)、單汽包、單爐膛、四角切圓燃燒平衡通何參數(shù)主要有進(jìn)漿孔、Y型氣孔、T型縫寬以及霧風(fēng)、管式空氣預(yù)熱器、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)、高化頭出口孔等尺寸;運(yùn)行參數(shù)包括漿壓和氣壓。強(qiáng)度螺栓連接、露天布置方式。熱態(tài)試驗(yàn)選擇在因此試驗(yàn)主要考查這些因素對(duì)噴嘴的流量特性的底層燃燒器(A層,共5層)進(jìn)行單槍試驗(yàn)。影響。用a、B分別表示出口面積比和孔徑比,定義如下:1實(shí)驗(yàn)裝置和試驗(yàn)噴嘴結(jié)構(gòu)aY型氣孔面積+T型氣孔面積(1)圖1為8t/h噴嘴冷態(tài)霧化試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng),整個(gè)Y型孔徑或T型縫寬或出口孔徑試驗(yàn)臺(tái)由霧化工質(zhì)系統(tǒng)、霧化介質(zhì)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)漿孔孔徑(2)及引風(fēng)清潔系統(tǒng)等部分組成。實(shí)驗(yàn)中液體流量計(jì)量程其流速范圍為0.05-10m/s,氣體流量計(jì)2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析規(guī)格為80~800m3/h。壓力表為普通的機(jī)械式2.1工質(zhì)流量和霧化氣流量的理論分析壓力表,量程為0~1.6MPa,精度為005MPa,粒對(duì)于工質(zhì)流量煤漿的流速較低,因此可以看一研究與探討作不可壓縮層流,其流量計(jì)算如下21225pmd(P-P.)Q。.3式中:P和P分別為供漿壓力和小混合室壓力;鹽024d為進(jìn)漿孔徑;l為進(jìn)漿孔長(zhǎng);p和μ分別為工質(zhì)●a=152a=164的密度和粘度。由上式可知,工質(zhì)流量正比于進(jìn)漿孔徑前后壓差和進(jìn)漿孔徑的四次方,并反比于進(jìn)漿孔長(zhǎng)度0.8霧化氣壓力MPa由于霧化空氣射入混合室的速度很快,可以圖3膠水試驗(yàn)時(shí)出口面積對(duì)噴嘴氣耗率的影響將這一過程看作絕熱過程,因此結(jié)合一維定常流動(dòng)方程可得霧化空氣質(zhì)量流量23-21a=1.32,出口孔B=0.6024ra=14.出山孔B=06G=HAk-1P(4)式中:P和P分別為霧化氣壓力和混合室壓力;0.16p為霧化氣密度;A為氣孔面積;G為空氣質(zhì)量0.14為氣孔流量系數(shù),一般取0.8~0.9。由上式可知霧化氣流量不僅與霧化氣參數(shù)、氣孔結(jié)構(gòu)有關(guān),還與混合室的壓力有關(guān)。對(duì)于壓縮空氣,當(dāng)0060700.750.800.85090PP≤0.528,即氣孔出口壓力達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí),霧化氣壓力MPa氣流量達(dá)到最大值,氣體流速達(dá)到音速,此時(shí)霧化圖4煤漿試驗(yàn)時(shí)出口面積對(duì)噴嘴氣耗率的影響氣流量不受混合室壓力的影響。2.2各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴嘴流量特性的影響魯a=132,出口孔B=0.0.28a=12.2.1噴嘴出口孔徑對(duì)流量特性的影響026圖3和圖4、圖5(圖4和圖5為不同進(jìn)漿孔徑下的比較)分別為設(shè)計(jì)負(fù)荷4.5Uh工況下,改變噴嘴出口結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)冷態(tài)和熱態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果0.16從圖中可以看出,隨著霧化氣壓力的升高,氣耗率也增加,由式(4)可知霧化氣流量與霧化氣壓力成正比,隨著氣壓的增加,氣流量也隨著增大,考0.10慮到噴嘴的工質(zhì)流量不變,氣耗率也隨著氣壓的0.700.750.800.850.900951.00霧化氣壓力MPa升髙而增加;隨著噴嘴出口流通面積的增加,噴嘴圖5煤漿試驗(yàn)時(shí)出口面積對(duì)噴嘴氣耗率的影響內(nèi)部的壓力降低,混合室的壓力也相應(yīng)降低,因此初始?xì)鈮翰蛔兊臈l件下霧化氣流量會(huì)增加,氣耗不變漿壓必然隨之上升。圖7和圖8對(duì)比可知,率也隨著增加。此外冷態(tài)和熱態(tài)試驗(yàn)所用的工質(zhì)隨著進(jìn)漿孔徑的加大進(jìn)漿孔處的漿壓損失減小粘度不同,粘度低的膠水的平均氣耗率明顯要比因此漿壓降低。冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)除極個(gè)別組合外,多數(shù)水煤漿的氣耗率高。因此,提高噴嘴的氣耗率可噴嘴組合的霧化氣氣壓高于液壓005-0.LMPa;以選用出口孔較大的結(jié)構(gòu),同時(shí)可以提高水煤漿而熱態(tài)工質(zhì)水煤漿的壓力高于霧化氣壓力0.05的溫度以降低其粘度,進(jìn)一步改善霧化效果。0.16MPa,兩者幾乎相反。原因有兩個(gè)方面通過改變氣壓得到氣壓一漿壓的關(guān)系如圖6一是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的測(cè)壓點(diǎn)到噴嘴進(jìn)漿孔處距離較和圖7、圖8(圖7和圖8為不同進(jìn)漿孔徑下比較長(zhǎng),且水煤漿的粘度比膠水的粘度大很多,導(dǎo)致供結(jié)果)。可以看出,隨著霧化氣壓力的升高,氣壓漿壓力損失較大,從而影響供漿壓力;二是噴嘴出與漿壓的差值變大(正負(fù)值),這是因?yàn)閮?nèi)混室的口處煤漿顆粒霧化效果較好比較細(xì)且均勻顆粒壓力主要受霧化氣壓力的影響,為使?jié){流量保持之間的縫隙很小,造成氣體在出口處產(chǎn)生“堵斜源二和孝研究與探討塞”,使得混合室的壓力回升,供漿壓力增加,從的氣耗率也增加,圖9和圖11分別驗(yàn)證了Y型氣圖7和圖8可以看出隨著出口孔的增加供漿壓力孔和T型縫寬對(duì)氣流量的影響。圖10是Y型氣減小?？缀蚑型縫寬等比例放大下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果,隨著氣流通道面積的增大,氣耗率也增加。但是T型縫寬的增大,會(huì)進(jìn)一步影響小混合室的壓力,從0.14而增大工質(zhì)的壓力,圖12驗(yàn)證了這一點(diǎn),隨著T之個(gè)0.型縫寬的增大,氣壓與工質(zhì)壓力之差減小,但在較40.08=219高的氣壓情況下,影響程度減小。H0.060000了-0.02霧化壓力MPa圖6膠水試驗(yàn)噴嘴出口面積對(duì)氣壓和工質(zhì)壓力的影響口孔月=06a=1320.08008509009510010霧化空氣壓力MPa圖9膠水試驗(yàn)Y型孔徑對(duì)噴嘴氣耗率的影響0.13Y型孔β=0.35T型縫寬B=01-0.15024Y型孔B=0.4T型縫寬B0.700.750.800.850.90095霧化氣壓力MPa0.18016圖7煤漿試驗(yàn)時(shí)噴嘴出口面積對(duì)氣壓和￥04工質(zhì)壓力的彩響0.1208070075080085090霧化空氣壓力MPa2-0.08圖10煤漿試驗(yàn)Y型氣孔和T型縫寬對(duì)噴嘴氣耗率的影響-0.13出口孔B=0.545a=1.32一出口=0.545a=l逢寬B=0.0730.700.750.800.850.900.95100供氣壓力MPa圖8煤漿試驗(yàn)時(shí)噴嘴出口面積對(duì)氣壓和工質(zhì)壓力的影響0.2622.2Y型氣孔和T型件對(duì)噴嘴流量特性的影響霧化空氣主要從Y型氣孔和T型件處進(jìn)入霧化空氣壓力MPa噴嘴,根據(jù)理論公式(4)可知增加Y型氣孔孔徑圖11膠水試驗(yàn)時(shí)T型件纏寬對(duì)氣耗率的影響和加大T型件縫寬都增加氣流通道截面積,在保持霧化氣壓力和工質(zhì)流量不變的情況下,氣流量2,3氣耗率與SMD的關(guān)系將隨著氣體流通截面積的增大而增加,從而噴嘴介質(zhì)霧化噴嘴的基本原理是以高速氣流沖擊研究與探討3結(jié)論T型縫寬B=0.0T型縫寬B=0.091T型纏寬B=0.118經(jīng)過理論分析,通過選型試驗(yàn)對(duì)大型水煤漿No空氣霧化噴嘴的流量特性和霧化效果進(jìn)行了研究,試驗(yàn)中考察了幾個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)噴嘴流量特性的影響,發(fā)現(xiàn)進(jìn)漿孔直徑、出口孔面積、運(yùn)行參數(shù)對(duì)噴嘴流量特性的影響比較明顯分別指出了各個(gè)因素的影響程度、原因,同時(shí)也驗(yàn)0.800850900951001051.10霧化空氣壓力MPa證了開發(fā)的噴嘴的霧化效果,為大型水煤漿噴嘴圖2膠水試驗(yàn)時(shí)T型件對(duì)氣壓和工質(zhì)壓力的影晌設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用選型提供依據(jù)。低速液體燃料,把燃料撕裂成很細(xì)的液滴,其根本參考文獻(xiàn)就是動(dòng)量的交換。因此擁有一定壓力的氣體提高[1]江澤民對(duì)中國(guó)能源問題的思考[門].上海交通大學(xué)其流量即氣耗率將產(chǎn)生高動(dòng)量的氣體,強(qiáng)化霧化學(xué)報(bào),2008,42(3):345-349效果,圖13、14驗(yàn)證了這一點(diǎn),隨著氣耗率的增[2]編輯委員會(huì)中國(guó)能源發(fā)展報(bào)告[M].北京:中國(guó)計(jì)加,SMD明顯變細(xì),其中圖13為單獨(dú)增加Y型氣量出版社,2001孔流量,圖14為噴嘴在不同負(fù)荷下的霧化效果。[3]常志鵬,我國(guó)能源利用效率落后20年[N]市場(chǎng)同時(shí)可以看出新開發(fā)的噴嘴霧化效果都很不錯(cuò),報(bào),2005-9-28.氣耗率為2%-30%時(shí),SMD的值在60~85um[4]付華趙繼榮潔凈的代油燃料一水煤漿[能變化對(duì)于高粘度水煤漿完全可以保證在120μm源工程,2000(4):22-24.范圍內(nèi)。[5]俞珠峰潔凈煤技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004[6]岑可法姚強(qiáng)曹欣玉,等.煤漿燃燒流動(dòng)傳熱B=0091Y型孔B=0.36和氣化的理論與應(yīng)用技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出5-Y型孔B-0.41B=0l18版,1997[7]賈桂芝,水煤漿技術(shù)綜述[J]中氮肥,1994(4):17[8]章明川,呂勇,王峻曄,等.Y型噴嘴內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)及液膜霧化的數(shù)學(xué)模型[J]燃燒科學(xué)與技術(shù),2000,6(3):19-23[9]何佩敖.“Y"型蒸汽霧化油噴嘴在電站蒸汽鍋爐和220240.260.280.300.320.340.36艦艇鍋爐中的運(yùn)用[]熱能動(dòng)力工程,1993,8(6)氣耗率圖13氣耗率對(duì)SMD值的影響[10]CWM燃燒技術(shù),日揮柱式會(huì)社,1984,9[1l]樊未軍蕭琦.旋流多級(jí)氣功噴嘴設(shè)計(jì)和噴霧特性研究[J]工程熱物理學(xué)報(bào)2002,23(3):391-303Y型孔B=0.36T型縫寬B=0.091·Y型孔B=0.36T型縫寬B=0.118[12]張弛張榮偉徐國(guó)強(qiáng),等.直射式雙旋流空氣霧1·Y型孔B=041T型縫寬B=018化噴嘴的霧化效果[J].航空動(dòng)學(xué)報(bào),2006,21(5)[13] LEFEBVRE A H. 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