（工程热物理专业论文）大型水煤浆喷嘴的开发与雾化机理研究.pdf

浙江太学硕士学位论文牵习巨 工6 8 0 1 1 9 大型水蠊摹喧嘴的开发与雾化机理研克 摘要 鉴于水煤浆技术的不断成熟及其带来的巨大经济和社会效益，越来越多的大 容量锅炉开始改烧水煤浆。现有喷嘴容量难以满足大容量锅炉的负荷要求，针对 这个问题，本文进行了一系列试验研究，对雾化机理进行了初步探讨，最终开发 出一套容量为6 t h 的大型撞击式水煤浆雾化喷嘴。 在第二章，对国内外水煤浆喷嘴的发展现状、雾化试验台各参数测量方法等 做了详细的综述。在第三章中讲述了描述雾化质量的指标及雾化颗粒分布的表达 方式，并确定s m d 作为本文试验中评述雾化质量的主要指标。 液体燃料的雾化是一个复杂的物理过程，雾化机理的研究一直是雾化技术的 难点，近年来国内外对雾化机理的研究上大部分都停留在代数经验为主的阶段。 本文做了一些基础性试验，对气液平行射流的雾化、气液不同冲击角时的雾化进 行了研究，定量评估了气液平行射流中s m d 和气动量的关系，并明确了不同的 气液冲击角对雾化效果的影响，为撞击式喷嘴的设计提供了借鉴意见。 水煤浆浓度高、粘度大，雾化困难和磨损严重是水煤浆喷嘴需要克服的两个 难题。在对国内外常用雾化喷嘴的综述过程中，发现撞击式水煤浆喷嘴在这两方 面都有较好表现，且不宜堵塞。鉴于此，本文对撞击式水煤浆喷嘴进行了详细的 试验研究，明确了影响撞击式水煤浆喷嘴雾化特性和流量特性的主要因素，本着 保证雾化效果、加大容量、精简喷嘴结构的原则调整各个参数，开发出一套容量 为6 t h 的水煤浆雾化喷嘴，并通过冷态雾化试验对此套喷嘴进行了雾化性能和 流量特性的测量。 另外，还详细地讲述了撞击式水煤浆喷嘴的设计计算方法并用v b 语言编 制了自动计算程序，简化设计过程。 浙江大学嘎士学位论文孛习臣太型水煤策喷嘴的开发与雾化机理研究 a b s t r a c t w l 他t e a st h ec w st e c h n o l o g y d e v e l o p s c o n t i n u o u s l y a n di th a s b r o u g h t e c o n o m i c a la n ds o c i a le f f e c t ，m o r ea n dm o r el a r g e - c a p a c i t yb o i l e r sa r er e f i t t e dt ob u r n c w si n s t e a do fo i lo rc o a l n l ec a p a c i t yo fc u s t o m a r ya t o m i z e rc a n ts e t t l ef o rt h e l o a do ft h el a r g e - c a p a c i t yb o i l e r s i no r d e rt og e to v e rt h i sd i f f i c u l t y , w ec a l r yo u ta s e r i e so fe x p e r i m e n t s ，a n di n v e s t i g a t et h em e c h a n i s mo fa t o m i z a t i o n as u i to f d a s h i n g s t y l ec w s a t o m i z e r sw i t h6 t ，l lc a p a c i t yh a v eb e e nd e v e l o p e d i nc h a p t e r2 ，w eh a v er e v i e w e dt h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n a t i o n a lc w sa t o m i z e r s a n dt h em e t h o d su s at om e a s u r ep a r a m e t e r so fa t o m i z a t i o n t h ea t o m i z i n gq u a i l t y a n dt h ed i s t r i b u t i n go ft h ea t o m i z i n gp a r t i c l es i z ea r ed e s c r i b e di nc h a p t e r3 s m di s t h o u g h ta st h em a l n c r i t e r i o no f a t o m i z i n gq u a l i t y a t o m i z a t i o no fl i q u i df u e li sac o m p l e xp r o c e s s n l e s t u d y o fa t o m i z i n g m e c h a n i s mi sv e r yd i m c u l ti na t o m i z i n gt e c h n o l o g y i nl l e c e n ty e a r s t h ei n t e m a t i o n a l s t u d yo i la t o m i z i n gm e c h a n i s m i ss t i l li np e r i o do f a l g e b r ae x p e r i e n c e i nt h i st h e s i s ， w ec a r r yo u tas e r i e so fe l e m e n t a r ye x p e r i m e n t st or e s e a r c ht h ea t o m i z a t i o no f a i r - l i q u i dp a r a l l e ls p r a y i n g a n d a i r - l i q u i dc o l l i d i n gs p r a y i n g 诵t h c e r t a i n a n g l e e q u a t i o n sa r ee d u c e d t od e s c r i b et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns m e ) a n da i rm o m e n t u mi n a i r - l i q u i dp a r a l l e ls p r a y i n g ，a n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns m d a n da n g l ei na i r - l i q u i d c o l l i d i n gs p r a y i n gw i t h c e r t a i na n g l e i tw i l lb eag o o dr e f e f e n c et o d e s i g nt h e d a s h i n g - s t y l ea t o m i z e r d u et ot h eh i g hc o n c e n t r a t i o na n dh i g hv i s c o s i t yo ft h ec w s b a da t o m i z i n g p r o p e r t i e sa n db a dw e a r p r o o fa b i l i t y a m u c hs e r i o u sp r o b l e m sa l l a l o n g ，a f t e r r e v i e w e dt h ei n t c m a t i o n a lc w sa t o m i z e r sc a r e f u l l y , i ti sf o u n dt h a td a s h i n g - s t y l e c w sa t o m i z e r sc a no v e r c o m et h e s ed i f f i c u l t i e s ，s ow ea d d r e s so ne x p e r i m e n t so f d a s h i n g s t y l ec w s a t o m i z e rd e t a i l e d l y t h em a i nf a c t st h a ta f f e c to n 也ea t o m i z i n g c h a r a c t e r i s t i ca n dl o a dc h a r a c t e r i s t i co f d a s h i n g - s t y l ea t o m i z e r a r ew e l lk n o w n i no r d e r t oa s s u r eg o o da t o m i z i n gq u a l i t y , i n c r e a s et h ec a p a c i t ya n ds i m p l i f ys t r u c t u r e ，w e a d j u s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r sa n dd e v e l o pas u i to fd a s h i n g s t y l ec w s a t o m i z e r sw i t h 6 t ，1 1c a p a c i t y t h ea t o m i z i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dl o a dc h a r a c t e r i s t i co fc w sa t o m i z e r a r em e a s u r e d b yc o o l - s t a t ee x p e r i m e n t s b e s i d e s ，w ed e s c r i b et h em e t h o do fd e s i g n i n gs i m u l 砒i o no fd a s h i n g - s t y l e c w sa t o m i z e ri nd e t a i la n dh a v ef i n i s h e da na u t o m a t i c a l l ys i m u l a t i n gp r o g r a mw i t h v b c o m p u t e rl a n g u a g e ，w h i c h w i l ls i m p l i f yt h ep r o c e s so fd e s i g n i i 浙江大学项士拳住论文t 聿习巨 太型木壤摹喷臂的开生与雾化机理研完 第一章绪论 1 1 前言 充足的能源供应，是一个国家社会生产发展的前提。我国是能源消耗大国， 尤其近几年来国内经济发展迅猛，电力及其他形式的能源消耗量急剧增加，以致 有些地区出现电力供应紧张的局面。现代社会经济的高速发展势必要求加大能源 的供应量。 我国是一个贫油富煤的国家，煤炭是能源消费的主体。1 9 9 5 年探明的储量 为1 0 0 8 7 0 8 亿吨居世界第三位，估计在地下深1 5 0 0 米以内的煤炭资源储量为 4 0 0 0 0 亿吨。我国己探明的石油资源为7 0 多亿吨，其中可采储量仅1 6 亿吨：已 探明的天然气资源3 1 3 0 亿立方米，因此煤炭占我国各种化石燃料资源总储量的 9 5 以上。目前，我国是世界上能源生产和消费的大国。从1 9 7 6 1 9 9 0 年的1 5 年间，我国的能源产量从5 3 0 4 亿吨标准煤增加到1 0 3 9 2 2 亿吨标准煤。据估计 到2 0 0 5 年，我国的能源产量将达到2 0 亿吨标准煤以上f l 】。在我国的一次能源消 费结构中，煤炭占主导地位，虽它占一次能源总消费量的比例每年略有变化，但 在1 9 9 9 年之前总在6 8 以上【2 】，从我国国情出发，从今后相当长的一段时间内， 我国以煤为主的能源结构不会改变，到2 0 5 0 年也将占6 0 左右，可见，煤在中 国的能源中占有举足轻重的地位。因此，我们可以发展洁净煤技术，减少污染物 排放，提高利用效率和经济效益，并促使能源供应来源多样化。 煤是锅炉的主要燃料，在我国，3 1 5 的煤炭用于电站锅炉，4 0 用于工业 锅炉和窑炉，煤在锅炉中的燃烧，一方面是热效率低浪费大量能源。工业锅炉的 平均热效率为6 0 左右，电站锅炉虽然可达9 0 左右，但与世界上发达国家相 比差距仍很大，据介绍我国发一度电，比发达国家要多耗3 7 克标准煤。另一方 面，即给环境带来了严重的污染【3 1 。这是由于煤炭内含有较多的灰份、硫份、燃 烧利用后会排放出不少的飘尘、二氧化硫、氮氧化物等，引起大气污染，形成严 重的环境问题。据统计，燃煤排放的固态粉尘及s 0 2 分别占总粉量和s 0 2 排放量 的5 0 和8 0 以上，特别在燃用高硫煤时，缺乏先进的脱硫脱硝技术，污染更 加严重。目前，我国的绝大部分城市已严禁在市区内使用燃煤工业锅炉。但是， 我国现在绝大部分火电厂运行的是煤粉锅炉。如何解决煤粉锅炉对环境的污染， 是国内外科学界较长时间研究的重要课题。煤浆作为一种低污染、高效率的洁净 煤燃烧技术就是在这样的背景下产生并发展起来的。 。这样 煤浆的概念早在一百多年前就产生了，但是由于当时油价等诸因素的影响而 浙江大学硕士学位论文- 辛习臣大型水堆策喷啃的开发与雾化机理研究 并未获得大的发展。但自七十年代世界石油危机以来，世界上许多国家都在努力 探求能够替代石油的各种途径，由于煤浆还可以象重油一样操作和使用，煤浆技 术又提上日程。水煤浆是煤浆的一种，另外还有油煤浆、甲醇煤浆和液态二氧化 碳煤浆等。但是由于水煤浆完全摆脱了对于石油的依赖，既保持了原煤炭的物理 化学性质，又可以像重油一样具有良好的流动性和稳定性，能百分之百地代替重 油，所以备受人们的青睐。 近年来，石油资源日益短缺，价格急剧上涨，发电成本大大增加【l0 ，”l 。尤其 对于中国富油贫煤这样的国情，石油愈显其宝贵。基于水煤浆的各个特点，水煤 浆代油燃烧技术日益受到人们的关注，并正在逐步走向实用化。 发展水煤浆技术还可以解决我国能源运输结构问题。我国煤炭资源丰富，但 分布极不均匀，绝大部分集中在华北和西北地区。这两个地区的煤炭储藏量占全 国储藏量的6 6 以上。而华东、中南的煤炭储藏量尚不足5 。客观上形成了产 区远离消费中心的布局：“西煤东运，北煤南运”。铁路是我国最重要的交通运输 工具，也是煤炭运输的主要途径。据统计历年来煤炭货运量约占铁路货运量的 4 0 。我国铁路货运的负担很重，截至2 0 0 3 年1 0 月，我国铁路以占世界6 的 营业里程，完成了世界2 3 的运量【2 0 】。就是以这样的效率，铁路货运目前只能 满足6 0 的需求。因为运输能力不足，一些煤矿只能以运定产，以防煤炭积压， 铁路运输能力已经成了国民经济发展的一个瓶颈。水煤浆技术的发展，可使得用 煤浆管道输煤成为煤炭运输的方式之一，从而可以代替部分铁路运输，大大缓解 能源运输长期紧张的局面。由于管道输浆具有运量大、投资少、沿途煤炭损耗少、 不占地不受地形限制等优点，在我国是一种很有发展前景的运煤方式。1 4 】 水煤浆技术具有低污染、易处理、易储存、易运输等明显优势，在近十几年 来得到了迅猛的发展。水煤浆技术的开发和利用，适应了我国的基本国情，符合 以煤代油的基本国策，也符合世界能源发展的方向。因此进一步开展水煤浆的研 究工作，扩大水煤浆的应用领域，必将对我国能源结构的转变，提高能源的综合 利用率，减少环境污染，缓解铁路运输压力，促进国民经济的发展，具有重要的 现实意义。 近年来水煤浆得到了越来越多的应用。水煤浆的应用是一个系统技术工程， 包括多个方面的技术，如水煤浆的制备、储存、运输、雾化、燃烧、流变特性以 及电厂改造等。 1 2 水煤浆的流变特性 水煤浆是含有一定量的水和少量添加剂与煤粉混合而成的一种多相流体混 合物，属于非牛顿流体，呈黑色、高粘性，密度约为1 2 0 0 k g m 3 。水煤浆的流变 特性是水煤浆制备、输送、雾化和燃烧的基本特性，鉴于它对雾化的影响，本节 对其作一简介。 2 浙江大学硕士学位论文车习臣大型水煤泉喷嘴的开发与雾化机理研究 从机理上讲：水煤浆的流变特性受以下作用的支配：煤粒和煤粒的相互作用， 煤粒和水、添加剂的作用。高浓度下煤粒形成的网络结构等等。在工程设计和使 用中，人们往往用“粘度”来表示流体的流交特性。 对于牛顿型流体【5 1 ，其粘度r l = _ ；_ - 口甜j a y 式中： f为剪切应力 d u ，咖为速度梯度 粘度露为一常数，只与流体神类、温度、压力有关。因此牛顿流体的剪切力 和速度梯度呈一线性关系。对水煤浆而言，低浓度时，剪切应力和速度梯度基本 符合线性关系，当煤浆浓度大于5 0 时，就明显偏离了线性关系，应属于非牛 顿流体。显然随着浓度的增加，水煤浆的流变特性发生了显著变化。文献【5 】中 认为，对浓度 5 0 的水煤浆，使用非牛顿流体的剪切应力关联式： f = 七( 驯毋r 式中：k为均匀系数 ，l为流变特性系数。 得出糟值在o 4 o 6 之间，小于l 。这表明水煤浆属于非牛顿流体中的拟塑性流 体。 作为一种非牛顿拟塑性流体，水煤浆的粘度可分为结构粘度和牛顿粘度两部 分，它表现出的总粘度称为表观粘度。即： 表观粘度= 结构粘度十牛顿粘度 表观粘度中的结构粘度易受外在因素影响，在外力作用下( 如搅拌等) ，结构粘度 下降，因此表现粘度下降。当外力消失后，性状又可恢复。即具有所谓的触变性。 在煤浆试验中，对沉降的煤浆样品搅拌后，流动性迅速变好。在装置生产中，水 煤浆在生产各阶段如贮存或泵送等，其流动状态不同，因此表观粘度应该是不同 的。i s 枯虞t 6 0 6 5礁度w 1 浙江大学礓士学位论文牵习巨 大型米堆摹喷嘴的开生与雾化机理研克 图1 水煤浆粘度随煤浆浓度的变化关系 水煤浆粘度随着剪切速率的增大而降低。随着水煤浆浓度的提高而增大1 6 1 7 1 。 圈l 所示为水煤浆粘度随煤浆浓度的变化关系。另外水煤浆本身的酸碱度p h 值 对粘度也有很大的影响盈l 。 水煤浆浓度是指水煤浆物系中的含固量，即煤浆中的煤的质量与煤、添加剂 中的水分及外给水质量之比，以重量百分数表示。它对煤浆的泵送、雾化效果都 有很大的影响。一般工业化水煤浆浓度在6 0 6 8 之间【5 】。 1 3 课题的提出及本论文主要研究内容 对于普通的液体燃料，在燃烧之前都有一个蒸发过程。如果把液体燃料雾化 化，可以大大增加燃料的表面积，加速蒸发，从而加速着火燃烧。水煤浆也是一 种液体燃料不过它是靠煤浆中煤粉的燃烧放出热量。在水煤浆中的煤粉燃烧之 前有一个水份蒸发的过程。雾化同样可以缩短水份蒸发过程，加速着火。 但水煤浆是一种高浓度、商粘度的液体，其雾化比其他燃料困难的多。水煤 浆代替煤粉在电站锅炉中的稳定燃烧技术的关键是水煤浆的雾化效果、雾化喷嘴 的设计、炉内燃烧工况的组织与调整，以及如何实现经济与低污染燃烧等。1 3 1 很多学者在煤浆的雾化方面做了研究。包括雾化的基本理论、水煤浆性质对 雾化的影响、各种喷嘴型式的雾化机理、雾化喷嘴的开发、喷嘴的磨损机理及防 磨措施等。经过二十多年的研究发展，水煤浆雾化技术已逐渐成熟起来。越来越 多的燃油或煤粉锅炉改烧水煤浆【4 1 ，并得到了巨大的经济和社会效益i i 5 - 1 9 l 。但 随着实际应用范围的不断扩大和新闯题的不断出现对雾化进行研究的迫切性也 越来越大，比如： _ 喷嘴容量大型化问题。到目前为止，实际应用的水煤浆喷嘴容量一般小 于3 。5 t h 。随改烧水煤浆锅炉容量的不断增大，水煤浆喷嘴也应有相应 的容量，以保证锅炉负荷。开发雾化良好的大容量喷嘴即成为一个新课 题。 一喷嘴内部气液多相流动的试验和理论研究。水煤浆喷嘴多为气力雾化喷 嘴，喷嘴内部气液多相流动状况复杂，现在还没有一套精细的理论及计 算式来解释描述内部的流场，对雾化效果的预测也停留在半经验公式的 水平上，对内部多相流动及相应试验的研究还远远不够。 各种喷嘴的雾化机理。新型的雾化喷嘴不断出现，其雾化机理及影响因 素都需要有清晰的认识。 试验条件和工程实际应用的相互模拟。喷嘴的开发一般都是在试验室中 进行的，但试验室的试验条件般和工程实际应用时的条件不同，比如 实际应用时一般用过热蒸汽来雾化煤浆，但在试验室内很难得到足够量 的高品质蒸汽。一般用压缩空气来代替；还比如试验室内对煤浆的循环 浙江大学硕士学位论文李习巨大型木堞摹喷嘴的开生与雾化机理研宽 利用比较困难，一般都是用物理性质相近的工质来替代水煤浆。由于这 些模拟雾化和实际应用时物质的性质差异，就需要在设计喷嘴时考虑其 问的相互模拟，对这方面的研究仍需更深入的研究。 在本文中，我们首先介绍了雾化的意义及喷嘴当前研究状况，并对撞击式水 煤浆雾化喷嘴做了一个简述( 详见第二章) 。另外在雾化机理方面做了一些基础 理论研究工作：对平行射流雾化的试验研究和气液冲击角的试验研究( 详见第四 章) 。详述了撞击式水煤浆喷嘴的设计方法并用v b 语言编制了撞击式水煤浆喷 嘴的辅助设计计算程序，大大简化了设计过程( 详见第五章) 。通过试验对撞击 式水煤浆喷嘴进行了研究，确定了影响撞击式喷嘴浆流量和影响喷嘴雾化效果的 主要因素，开发出一套容量为6 t ，h 的大容量喷嘴，并用冷态雾化试验检验了其 雾化性能和负荷调节性能( 详见第六章) 。另外关于雾化质量及雾化颗粒分布的 表达式作为基础知识也写成了一章( 详见第三章) 。最后对本文做了一个总结( 第 七章) 。 参考文献 1 】刘正蓝优化配煤专家系统的研究与开发浙江大学硕士学位论文2 0 0 1 1 【2 】中国国家统计局中国能源统计年鉴1 9 9 9 ) ) 【3 】何天荣“水煤浆技术及其在锅炉中的燃烧”锅炉压力容器安全技术， 2 0 0 3 ( 2 ) ：1 - 4 4 】岑可法，姚强，曹欣玉，等煤浆燃烧、流动、传热和气化的理论与应用技 术【m 】杭州：浙江大学出版社，1 9 9 7 【5 】黎军水煤浆特性浅析安徽化工2 0 0 0 ，2 6 ( 2 ) - 6 8 【6 】王春云徐丽水煤浆特性浅析及应用动向中氮肥1 9 9 4 ( 4 ) 一1 2 1 6 【7 】周德悟张桂安水煤浆流变特性影响因素的研究煤气与热力1 9 8 9 ( 3 ) - 9 1 3 【8 】8 曾纪良张毓麟水煤浆技术在燃油锅炉改造中的应用广东电 力2 0 0 2 ，1 5 ( 6 ) - 2 7 - 3 0 ，3 4 【9 】刘妙惠电站油炉改烧水煤浆技术在广东地区的应用电力环境保 护2 0 0 2 ，1 8 ( 4 ) - 3 9 - 4 l 【1 0 】游小波刘建忠等万丰热电厂2 号燃油锅炉改烧水煤浆工程实例热能动力 工程2 0 0 2 ，1 7 ( 4 ) - 4 1 4 - 4 1 7 【1 1 】蒋德华2 2 0 t h 燃油锅炉改烧水煤浆的设计与调试锅炉制造2 0 0 2 ( 1 ) - 6 2 6 4 【1 2 】胡中兴2 2 0 t h 燃油锅炉改烧水煤浆锅炉的设计武锅技术2 0 0 1 ( 4 ) - l - 8 ，1 3 【1 3 】孙德强姚强等2 3 0 t h 电站锅炉燃用水煤浆技术洁净煤技 术2 0 0 0 ，6 ( b 1 0 ) - 2 7 - 5 7 【1 4 】邓文剑易立云3 0 0 t h 燃油锅炉改烧水煤浆后的性能华北电力技 术1 9 9 3 ( 2 ) 6 2 6 3 浙江大学硕士学位论文孛习臣 大型水壤摹喷嘴的开生与争化机理研宄 【1 5 】吴泽民一举多得的茂名热电厂油炉改烧水煤浆技改工程中国经贸导 刊2 0 0 2 ( 1 4 ) - 5 4 - 5 4 【1 6 】曾东渝茂名热电厂l 号炉改烧水煤浆示范工程环境影响评估广东电力科技 信息2 0 0 1 ( 6 ) - 1 - 1 【1 7 】杨福仁电站燃油炉改烧煤气水煤浆等燃料的可行性探讨黑龙江电力技 术1 9 9 7 。1 9 ( 1 ) 2 8 3 0 【1 8 】龚国琳改变能源结构，实现胜利油田白用燃料以煤代油之路：开发应用水煤 浆技术油田建设设计19 9 5 ( 1 ) 2 9 3 4 【1 9 】刘焕杰艾援援用水煤浆燃料替代燃料油燃烧的经济效益华中电 力2 0 0 3 ，1 6 ( 2 ) - 4 3 4 4 4 7 【2 0 新华社新闻北京2 0 0 4 年1 月1 0 日 【2 1 u s u i h a n ds a n o yt h i x o t r o p yo f ac o a lw a t e r m i x t u r e j c h e m e n g j a p a n 【2 2 u s u i h a n ds a n o yt h i x o t r o p ya n ds t a b i l i t yo fh i g h l yl o a d e dc o a lw a t e r m i x t u r e ，p r o c w o r l dc o n g r e s so f c h e m e n g 1 - 4 6 5 t o k y o1 9 8 6 浙江大学硬士学位论文牵习臣大型水壤策喷嘴的开生与雾化机理研宽 第二章水煤浆的雾化 2 1 水煤浆雾化的意义 燃料的燃烧是一种剧烈的放热化学反应，它发生的前提是有足够的氧化剂并 且燃料的温度高到燃点及以上。对于液体燃料，燃点一般高于沸点，液体燃料在 燃烧之前都有汽化的过程。我们通常把液体燃料雾化，雾化后液体燃料分裂成一 群球体或近似球体的液滴，假设它们分别是半径为t 的球体，那么单位质量的表 d 啊，21 面积为_ = k = 二，可见小颗粒的比表面积比大颗粒的比表面积大，雾化会 4 孵；p 3r j p 使整个液体燃料的总表面积增大。大的表面积可以加快汽化的速度，也就缩短了 着火的时间。 水煤浆是一种含有固体颗粒的混合液体燃料，它的燃烧过程与煤粉以及普 通的液体燃料不同，由于水份的存在，燃烧前有一个水份蒸发过程。因此总的燃 烧过程可分为三个阶段：水份蒸发阶段、挥发份析出及燃烧阶段、碳燃烬阶段【1 】f 2 】。 在水份蒸发阶段，水份要吸收大量的热量才能蒸发完毕，吸收这些着火热需要一 定的时间。根据水煤浆燃烧机理的研究结果，水份蒸发时间占水煤浆燃烬总时间 的6 8 i l 】，浓度越低。水份蒸发所占的时间百分比就越高。由s p a l d i n g 的水份 蒸发理论或其他学者研究结果可知，单个水滴的水份蒸发时间与水滴半径的平方 成正比 3 1 1 4 】。可见把水煤浆雾化成细小液滴对减少水份蒸发时间和水煤浆的快速 着火是及其必要的。 浆滴的大小不仅影响水份蒸发时间，而且还直接影响燃烬时间。据水煤浆燃 烧研究结果，浆滴直径越大，燃烬时间就越长，碳转换率也就下降【i 】。 实际燃烧中，液滴不是独立燃烧，而是作为流动液滴群中一员进行复杂反应。 液滴群的燃烧与每个液滴的大小都有关系，反应在宏观上，就是与液滴群的平均 壹径、颗粒均匀度、流量密度和在整个流场中的分布等有直接关系，其中前三项 主要决定于雾化喷嘴与运行参数，我们称为喷嘴的雾化质量。雾化质量的优劣直 接影响到水煤浆的着火燃烧、碳粒子的燃烬程度、燃烧效率、稳定性以及火炬的 长短等。随着雾化质量的提高，平均直径减小了，水煤浆滴的总表面积就增大， 着火更快更稳定；颗粒分布更均匀了，燃烧效率也就越高，火炬长度也不会太长： 流量密度均匀了，才会和空气更快更好地混合，实现快速燃烧。因此对于水煤浆 的燃烧，雾化是必要的，雾化质量是至关重要的。 浙江大学硕士学位论文孛习巨大型术堆蒙喷嘴的开发与雾化机理研究 2 2 雾化喷嘴的研究现状 雾化喷嘴是液体燃料燃烧器的一个重要组成部分。为了使液体燃料能有效地 燃烧。关键是燃料雾化良好。液体燃料种类很多，常见的一般为化石燃料，如燃 料油，各种煤浆等，另外还有甲醇等其他燃料。根据各类液体燃料的性质以及对 于雾化质量的要求不同，所采用的喷嘴型式也不同。按照喷嘴的雾化方式来分， 大体可分为四类，分别为：气力式、旋杯式、机械式和超声波式，具体如图2 - 1 所示。 2 2 1 气力式雾化喷嘴 图2 - 1雾化喷嘴分类 气力式雾化喷嘴在水煤浆雾化中是最常用的一种类型。它的雾化原理是利用 有一定压力的空气或蒸汽，作为能量的载体来通过各种方式冲击或撕裂液体燃 料，使其成为很细的液滴。这种型式的喷嘴是以气流所携带的高能量来使燃料雾 化，其特点如下： 雾化颗粒较细，利于快速着火和充分燃烧； 负荷变化时雾化角不变，火焰形状易于控制。能在一定范围内适用于更 多不同形状和尺寸的炉膛； 对液体燃料种类的适应性较强。对粘废比较高的燃料仍能实现较好的雾 化质量： 负荷的变化对雾化质量的影响不大，在低负荷燃烧时，雾化质量一般还 会有所改善，使燃烧趋于稳定： 气耗率较高，电厂中一般应用蒸汽作为雾化介质，不但损失了一部分纯 净的循环物质，还使排出余热有所增加； 噪音较大，对运行人员的健康不利； 有的气力式喷嘴型式还容易堵塞，运行操作较复杂。 气力式喷嘴的具体型式有很多，比较典型的有y 型、t 型、旋流型、对冲型和气 泡雾化型等【5 _ 1 2 1 ，另外还有一些喷嘴把这几种型式组合起来，但仍属于气力式喷 嘴，较典型的有浙江大学热能工程研究所开发的撞击式喷嘴1 1 0 】( 如图2 2 ) 和白 杨河发电厂自发研制的多级雾化型喷嘴1 1 2 等。 浙江大学啊士学位论支车习巨大塑水珠策喧嘴的开生与# 化机理研充 卜喷嘴座 4 - t 型件 2 一套简 5 一撞击件 3 一内混件 6 一雾化头 图2 - 2撞击式水煤浆喷嘴 下面分别看一下气力式喷嘴的具体结构型式： y 型喷嘴。如图2 3 所示，y 型喷嘴是使用最为广泛的一种喷嘴，它是由一 股水煤浆和一股高速气流束以y 型相交、冲击而雾化的，结构非常简单。为了使 气浆动量交换更为彻底，进一步提高雾化质量，y 型喷嘴时常被演变成多级y 型 喷嘴。文献【8 对y 型喷嘴内部气液两相流动傲了相应研究，我们仅参考其结构 型式。文献 4 5 也有相应y 型喷嘴的图示。 旋流型喷嘴【5 l 。如图2 - 4 所示，旋流型喷嘴主要是由内部旋流片组成。其型 式有单旋流、双旋流和多旋流三种。单旋流是指煤浆或雾化气只有其中之一为旋 流型式，双旋流是煤浆和雾化气均为旋流形式。多旋流是除煤浆之外，雾化气分 为多股气流同时旋转。图2 - 4 为一内混式双旋流喷嘴。 黼 妻吨 图2 - 3y 型喷嘴结构示意图 浙江大擘碛士学位诒史- 牵习巨走型水煤摹喷嘴的开发与事化机理研宄 t 型喷嘴。如图2 - 5 所示，t 型喷嘴是y 型喷嘴的一种演化型式，它分为浆 直流和气直流两种，其中浆直流由于不易堵塞，在性能上更好一些，图2 - 4 为气 直流t 型喷嘴。这种喷嘴雾化气和煤浆垂直相交，动量交换彻底，有较好的雾化 效果。 图2 - 4旋流型喷嘴结构示意图 儒 辩j ) 摧剀_ _ ， 图2 - 5t 型喷嘴结构示意圈 气泡雾化喷嘴。气泡雾化喷嘴也是一种新型气力式雾化喷嘴，近年来发展很 快 3 9 - 4 2 。其雾化原理可以用图2 - - 6 来作一说明h 4 】：在气泡雾化器中，首先利用 小孔装置在混合室产生气泡两相流，混合室保持一定的压力，这样当气泡两相流 流出喷嘴喷孔时，压力突降到常压，两相流中的气泡在内外压差的作用下急速膨 胀并发生爆裂，这就是气泡雾化喷嘴的原理。气泡雾化喷嘴的关键技术就是在喷 嘴前形成气泡两相流。图2 7 是常用的一种气泡雾化喷嘴型式【4 ”。 浙江大荦项士擘住论文牵习臣大型水煤兼喧嘴的开发与雾化机理研宽 气傩 藏体 气体 2 2 2 旋杯式雾化喷嘴 图2 6气泡雾化原理 图2 7气泡雾化喷嘴的常用型式 孔 旋杯式雾化喷嘴的结构如图2 8 所示，液体燃料随着高速旋转杯一起旋转， 利用转杯的高速旋转而产生的离心力，再在高速旋转气流作用下形成雾炬，它是 高速气流和离心力共同作用的结果。雾化性能取决于旋转速度和气流速度。在一 般情况下转杯转速为3 0 0 0 6 0 0 0 转分，有的可高达1 0 0 0 0 转分。 图2 - 8旋杯式雾化喷嘴 文献 1 3 ，1 4 】即是以这种方式来进行雾化的。其特点如下： 对液体燃料中的杂质不敏感，喷嘴不易堵塞，燃料供给压力低 ( o 2 0 4 m p a ) ，粘度可比机械雾化喷嘴高些： 喷嘴雾化角大，火焰短而粗并易于控制； 喷嘴负荷调节幅度大； 浙江走学硕士季住论文牵习臣大型水壤摹喷嘴的开发与雾化机理研究 在低负荷时不会降低雾化质量，甚至会因燃料膜的减薄而改善雾化细 度，雾化粒径的大小和分布较均匀； 喷嘴结构复杂，投资费用高，运行维护困难，噪音大； 出力一般较小( 大都低于2 5 0 0 k g h ) ，雾化粒径粗； 要求有专门的高速旋转机构。 由于旋杯式雾化喷嘴存在这些限制，所以在实际应用中很少见到。 2 2 3 机械式雾化喷嘴 机械式雾化喷嘴【1 5 1 。7 l 的雾化原理是高压液体燃料通过切向槽和旋涡室使液 体燃料强烈旋转。再经过喷孔喷出，因离心力作用而使其雾化，并形成空心雾化 锥体：或者辅助以冲击等方式而破碎雾化。喷嘴雾化性能取决于液体燃料的压力， 当压力较小时，在喷口处形成一条较长的螺旋型锥膜；当压力稍高时，膜在离喷 口不远处由于不稳定而被破碎成碎片 只有当压力更高时。膜才被破碎成细滴。 燃科压力一般较高，可达1 0 i 5 m p a 。 囊雌螨 4 。埔嘲嘲蝴嘲嘲t 艄勤栅 图2 - 9机械式雾化喷嘴 这种型式喷嘴的具体特点如下： 燃料供给系统简单喷嘴加工容易； 喷嘴容量一般较小，通常用于农业、医学或日常生活简单雾化： 不用雾化介质。能量消耗较少，运行操作方便； 雾炬流量密度分布较理想； 浙江大学硕士学位论支车习臣大型水珠泉啧啃的开发与雾化机理研究 负荷调节范围大，与气力雾化喷嘴相比，噪音低； 雾化质量低，雾化平均粒径粗，在小容量时，喷嘴容易堵塞，对燃料的过 滤要求严格； 燃料粘度不能太高。 由于机械式雾化喷嘴的诸多优点，在雾化行业中得到广泛应用，但一般限于民用、 医学、日常生活雾化或低粘度燃料的工业雾化。但由于水煤浆有较高的粘度，雾 化难度大，所以一般不用单独的机械式喷嘴来雾化水煤浆，而是和其他方式配合 使用，比如在液哨型超声波喷嘴中，常有一级的机械雾化。机械式雾化喷嘴的具 体结构如图2 9 。 2 2 4 超声波雾化喷嘴 超声波喷嘴【m 1 的雾化原理是在振动的液体表面产生超声波，由振动振幅所 构成的波峰把液滴从表面分离和破碎。随着超声波频率的增加，雾化液滴越来越 细，一般超声波的振动频率作用下可获得几微米级的燃料液滴。 变轩 换盹嚣 图2 - 1 0 压电陶瓷式超声波雾化器 其特点如下： 耗气量小( 液哨式) ； 雾化粒度细，粒度分布均匀； 火焰长度短，适合于高负荷燃烧； 燃料压力和气压要求低； 喷嘴结构复杂，谐振器容易烧坏；共振特性和影响因素复杂，难以掌握。 超声波喷嘴可分为两类，一类是纯粹以超声波作为雾化能量载体，如图2 1 0 所 示的压电陶瓷式超声波雾化喷嘴，这种喷嘴用换能器把电能转化成超声波能量， 用变幅杆来调节超声波的强弱以控制雾化质量，这种型式的喷嘴最大的缺点是容 浙江太学碛士学位论文孛习臣大型水煤莱- 夤嘴的开发与雾化机理研究 易烧毁，所以在应用中收到一定限制。另一类超声波喷嘴可以说是一种组合型喷 嘴，超声波的能量不由复杂电路产生，而是采用机械谐振方式产生，常见的有液 哨型超声波喷嘴，如图2 - 1 1 。 1 接管；2 外亮；3 。气环；4 调节内环；5 。中间环 调整外环；7 喷头；8 分流器；9 套管；1 0 芯管 图2 - i i 液哨式超声波喷嘴结构示意图 2 3 撞击式水煤浆喷嘴 撞击式水煤浆喷嘴是一种组合型气力雾化喷嘴，它的具体结构如图2 - 1 2 所 示：整个喷嘴由喷嘴座、套筒、内混件、t 型件、撞击件和雾化头六部分组成。 喷嘴采用中间进浆，环周进气的工质输送方式，由后至前依次布置“y ”型、“t ” 型和撞击型雾化，图2 - 1 3 为撞击式水煤浆喷嘴的气浆流向示意图。 书i 摹装 图2 1 3撞击式水煤浆喷嘴气浆流向示意图 浙江走学硕士学位论文幸习臣 大型水蠊浆喧嘴的开发与雾化机理研克 如图2 - 1 3 所示，煤浆进入小混合室后，受到第一排雾化气( 或汽) 的冲击， 被撕裂成细丝或薄的液膜，此次雾化称“y ”型雾化：所形成的气浆混合物在小 混合室内向前流动，并不断进行着剧烈的动量交换；混合物在小混合室出口受到 第二排雾化气的垂直冲击。其中的液丝、液膜或大的液滴再次破碎，称“t ”型 雾化；然后混合物经过一个缩孔再次得到加速，其中的大液滴在惯性力的作用下 高速冲击到撞击件上而破碎，称撞击型雾化：紧接着气浆混合物在出口孔形成第 四级雾化，细小液滴仍会受其影响而再次破碎，成为出口孔雾化。 1 喷j 眭2 嘻筒 内混件4 棚坠件列赫降卅钎e 头 卜输气乱8 辅浆舒蓬9 _ 进浆孔i o - y 型气孔1 1 卜j 昆合室 1 h 磐吼1 磐 缩孔1 4 - 如盼耋1 列瞵喷口 图2 - 1 2 撞击式水煤浆喷嘴结构图 撞击式雾化喷嘴集中了多种雾化方式的优点，但又和单纯的“y ”型雾化、 “t ”型雾化等形式有着明显的区别。例如：单纯的“y ”型雾化工质斜向进入， 雾化气直向进入；撞击式喷嘴采用了相反的输送方式，采用直管段进浆，这样在 保证了雾化效果的同时也有效避免了煤浆中大颗粒在拐弯处集结堵塞的现象。这 样的结构在雾化时有以下特点： 强化雾化。喷嘴由后至前共布置4 级雾化：y 型雾化、t 型雾化、撞击 雾化和出口孔雾化。由于雾化汽( 或气，依雾化介质不同而不同，方便 起见，下文不再重述) 分两级( y 型和t 型) 送入，有效延长了雾化汽 动蹙衰减过程，延长雾化过程的距离，因此能有效提高雾化质量。第一 级y 型雾化气孔中喷出的高速气流猛烈冲击水煤浆束，把其打碎，并在 小混合室内初步混合。第二级t 型雾化汽和上级汽浆混合物垂直相交， 动量交换彻底，加强了雾化。在大混合室内，利用从小混合室内高速流 出的雾化两相流速度较高、动量较大的特点，增加一级撞击雾化。撞击 雾化在不添加汽耗的条件下，利用浆气两相流的动量进行雾化，从而实 现了在较低汽耗率条件下，提高雾化质量。最后出口孔利用出口处剩余 浙江太学碛士学位论文- 丰习巨大型水煤莱喷嘴的开史与雾化机理研究 的势能通过压力突爆的形式进行再一级雾化。 防止浆孔堵塞。由于煤浆不可避免地会有一些大颗粒或杂质等混入，为 了防止堵塞在喷嘴浆孔设计时，一是加大浆通道直径，二是将浆通道直 段化，以避免粗粒子和杂质在浆通道弯曲处积留，这样即使有较粗粒子 和杂质存在时，也能在浆压力作用下顺利通过，而不致于发生堵塞现象。 耐磨。雾化气孑l 对称分布，雾化气将煤浆撕碎成小雾滴后，进入混合室 中，由于各股气流的径向动量大小相等，方向相对互相抵消，所以大大 减小高速气雾漉冲刷混合室壁面的现象，壁面也就不容易磨损。在比较 容易被磨损的部份，镶嵌上耐磨材料，由于耐磨材料的硬度高，所以大 大地提高了喷嘴的寿命。 防止磨损，延长喷嘴使用寿命。 从喷嘴结构上考虑磨损问题时，首先应该使每级雾化气孔对称分布， 这样由于每股雾化气流的径向动量大小相等，方向相反而互相抵消， 减小了高速气流直接冲刷混合室内壁的作用力，所以壁面得到了保 护而不容易被磨损； _ 在比较容易磨损的部位，可以镶嵌硬质耐磨材料，例如碳化钨，陶 瓷等。由于耐磨材料硬度高，抗磨性好，所以大大提高了喷嘴的使 用寿命： _ 提高喷嘴对于磨损的适应性，即使喷嘴局部有较大的磨损，也能保 证所需雾化质量。 文献 1 0 对撞击式多级雾化喷嘴进行了研究，证明此喷嘴从结构形式上充分 考虑了雾化性，耐磨性和防堵性，文献n 2 通过在锅炉上实际运行结果证明，喷 嘴结构合理，效果良好，满足了燃烧水煤浆对雾化的质量要求。 2 4 1 综述 2 4 水煤浆冷态雾化试验系统 水煤浆浓度高、粘度大，就雾化雨言，要比一般液体燃料如轻质油、重油等 困难得多。这就给水煤浆的实际应用带来了不少难以解决的问题。为了有效合理 地利用水煤浆，掌握其独特的雾化特性，就必须进行水煤浆雾化特性的研究。冷 态雾化特性试验是充分掌握水煤浆雾化性能的一个最为重要的手段。为此建立水 煤浆冷态雾化试验系统就显得尤为重要。 一般的冷态雾化试验系统都包括几个部分： 雾化室。在不过分影响雾炬流场的前提下，它把雾炬限制在一定空间内， 防止雾炬外溢污染环境；它也是取样装置的搭载平台( 取样装置是为了 浙江大学唾士学位论支车习臣大型水堆策喷嘴的开走与t - 4 e 舸研究 配合颗粒测量而作的附加装置，在第四章有较详细介绍) ；并且还作为工 质循环系统的一部分，来收集雾滴重复利用。 工质循环系统。试验中试验工质一般都要循环利用，否则不但会浪费大 量的工质，还有可能造成一定的污染。在这个系统中一般包括储浆罐、 浆泵、输送管路和阀门、喷枪、雾化室、回收管路和阀门等。另外，如 果工质是煤浆或其他一些在雾化后性质容易改变的材料，则应该加一些 附加系统来保证工质的性质恒定，如加搅拌器、水份补给装置等。 雾化介质供给系统。试验室中一般用压缩空气来作为雾化介质。在小型 的试验台架上，也可以用高压罐装氧气、氮气等来作雾化介质。 排污系统。为了防止雾化室内压力过高使部分雾滴从缝隙步卜溢，一般在 雾化室内加一引风系统，保持雾化室轻微负压。另外，在浆罐底部一般 也布置有排污阀，排掉废弃及多余工质。 测量系统。测量系统中应包括气、浆的压力流量测量装置，更重要的还 要测量雾炬颗粒特性的测量装置。 雾化室按煤浆的喷射方向可分为两种：一种为水平式，一种为垂直式。水平 式试验台架灵活性较大，不会