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湿法烟气脱硫旋流喷嘴雾化性能研究和数值模拟 硕士研究生：李兆东 导师：王世和教授 王小明教授高级工程师 学校：东南大学 摘要 旋流喷嘴具有诸多优点：如结构简单、制造成本低、能耗低、雾化性能好等，已广泛应 用丁【：业、农业、交通、国防、化j 二及民用等许多领域。由于旋流喷嘴自身的特殊结构，使 得该领域的研究具有多变性和复杂性。研究的内容主要集中于喷雾特性、雾化机理及内部流 场分析等。 本文以湿法烟气脱硫j ：艺中常用的空心锥偏心旋流喷嘴为研究对象，选用几何相似的系列 喷嘴及仅出口直径变化的系列喷嘴，经过大量的试验，较为系统地研究了空心锥偏心旋流喷 嘴的雾化特性，得出了体积流每、雾化粒径、雾化角、雾化粒度分布等规律。 将空心锥偏心旋流喷嘴与实心锥喷嘴和螺旋喷嘴的雾化特性进行了对比，分析了不同类型 喷嘴的雾化规律，为湿法烟气脱硫i 艺中喷嘴的设计选型提供了依据。 为了从微观上进一步了解喷嘴的雾化特性，本文利用流体力学仿真模拟软件，对空心锥偏 心旋流喷嘴的内部流场进行了数值模拟，模拟结果与试验数据吻合良好，表明数学模型的建 立较为成功，为研究喷嘴结构对雾化特性的影响提供了新的手段，可以有效的节省喷嘴试制 阶段的人力物力，对喷嘴的设计具有重要的指导意义。 关键词：湿法脱硫；旋流喷嘴；雾化特性：数值模拟 s t u d yo i ls p r a yc h a r a c t e r i s t i c sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f s w i r ln o z z l eu s e di nw e tf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o ns y s t e m b yl iz b a o d o n g a d v i s o r ：p r o lw a n gs h i h e p r o f s e n i o re n g i n e e rw a n gx i a o m i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t s w i r ln o z z l e sa r ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d sf o rs i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，l o wc o s t a n de n e r g yc o n s u m p t i o n ，e x c e l l e n ts p r a yc h a r a c t e r i s t i c s i t sd i f f i c u l tt o s t u d yt h e s w i r ln o z z l ej u s tb e c a u s eo fi t ss p e c i a lc o n f i g u r a t i o n s p r a yc h a r a c t e r i s t i c s ，s p r a y m e c h a n i s ma n df l o ww i t h i nn o z z l ea r es t u d i e ds y s t e m i c a l l y n o z z l e sw i t hg e o m e t r ys i m i l i t u d ea n dn o z z l e sw i t i ld i f f e r e n to u t l e td i a m e t e r sa r e u s e di nt h ee x p e r i m e n to ns p r a yc h a r a c t e r i s t i c so f h o l l o wc o n ee c c e n t r i cs w i r ln o z z l e s t h er u l eo fv o l u m ef l o w , d r o p l e td i a m e t e r , s p r a ya n g l e ，d i s t r i b u t i o no f d r o p l e tc a l lb e g i v e nb ya s e r i e so f e x p e r i m e n t s h o l l o wc o n ee c c e n t r i cs w i r ln o z z l e sa r ec o m p a r e dw i t has o l i dc o n en o z z l ea n da s p i r a ln o z z l ei ns p r a yc h a r a c t e r i s t i c s t h es t u d y i su s e f u lt od e s i g nn o z z l e su s e di nw e t f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o ns y s t e m ， i no r d e rt os t u d ys p r a yc h a r a c t e r i s t i c so fn o z z l e sm i c r o c o s m i c a l l y , n u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h ef l o ww i t h i ns u c hn o z z l e si sd i s c u s s e db yh y d r o d y n a m i c ss i m u l a t i o n s o f t w a r et h e r ei sag o o da g r e e m e n tb e t w e e nt h ec a l c u l a t i o na n dm e a s u r e m e n tr e s u l t s s oi ti sas u c c e s s f u lm e a nt os t u d ys p r a yc h a r a c t e f t s t i c so fn o z z l e sw i t l ld i f f e r e n t c o n f i g u r a t i o n s ，a n db ev i a b l ef o rt h ed e s i g no f n o z z l e s k e yw o r d s ：w e tf l u eg a sd e s u l f i a i z a t i o n ( w f g d ) ：s w i f tn o z z l e ；s p r a yc h a r a c t e r i s t i c s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同【：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：纽蜇：日期：皇翌兰：! 三 东南大学学位论文使用授权声明 东南人学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括f 0 登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：墨羔重：导师签名：乏兰生竺垒匕日期：波蛤# 2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着工业化进程的持续发展和人民生活水平的提高，社会对物质和能源的需求越来越大。据国 家环境保护总局公布的环境统计公报【2 j ，2 0 0 3 年我国经济快速增长，钢铁、电解铝、水泥等9 种 重要工业原料生产量大幅增长，电力、煤炭等能源供不应求，高能耗、高污染行业的快速发展，对 环境造成重大压力，各主要污染物排放量，特别是废气中丁业二氧化硫、烟尘和粉尘，改变了近几 年逐年下降的趋势，是现较大幅度的反弹。在经济发展中，大气污染已成为一个较为突出的方面。 大气中的二氧化硫主要来源于燃煤型二氧化硫，其摊放所形成的酸雨给国民经济造成了巨大的 损失，1 9 9 5 年我国由酸雨和二氧化硫污染造成农作物、森林和人体健康等方面的经济损失约为1 1 0 0 多亿元，已接近当年国民生产总值的2 ，成为制约我国经济和社会发展的重要因素。为此，国务 院在国民经济和社会发展“十五”计划纲要中明确提出2 0 0 5 年全国二氧化硫排放量比2 0 0 0 年 减少1 0 ：两控区二氧化硫排放量比2 0 0 0 年减少2 0 的目标j 1 4j 。 燃煤二氧化硫控制的方法有多种，概括起来通常可分为三类，即燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃 烧后脱硫( 烟气脱硫) 。其中，烟气脱硫( f l u e g a s d e s u l f u r i z a t i o n ，简称f g d ) 又分为：湿法( w f g d ) ， 半干法( s d f g d ) 和干法( d f g d ) 。这三类烟气脱硫技术在发达国家已经发展多年，目前在火电厂 大中容量机组上得到广泛应用并继续发展的一l 艺有4 种：石灰石，石灰一石膏湿法工艺，喷雾干燥脱 硫工艺、炉内喷钙炉后增湿活化脱硫工艺( l i f a c ) 和循环硫化床烟气脱硫工艺( c f b f g d ) 。其 中石灰4 - i 柑灰一彳i i 青湿法工艺约i 全球烟气脱硫【：艺的8 0 ，是各国的首选主流工艺。然而，湿法 烟气脱硫工程投资较大，全套引进国外“石灰石石灰石膏”湿法脱硫工艺技术和设备投资需 1 0 0 0 1 2 0 0 元爪w ，若实现国产化，则造价可大为降低，因此脱硫工艺的国产化事在必行。脱硫工 艺的国产化不仅可以有效地降低脱硫系统的成本，更重要的是有利于推行国家的环保政策，使二氧 化硫控制目标顺利实现。 为此，2 0 0 0 年2 爿2 1 日国家经济贸易委员会印发了关于印发 的通知f 国经贸资源 2 0 d o 】1 5 6 号) ”j 。通知指山：火电厂烟气脱硫是控制 二氧化硫污染的重要措施。烟气脱硫关键技术与设备国产化是降低工程造价，加快火电厂二氧化硫 治理速度，提高机电制造企业竞争能力。培育新的经济增长点的需要。为推进火电厂烟气脱硫关键 技术和设备国产化国家经济贸易委员会制定了火电厂烟气脱硫关键技术与设各国产化规划要点。 要点指出国产化的主要内容是设计技术和脱硫设备的国产化，并明确指出目前己具备条件开发的设 备，应组织技术力量集中攻关，国家应设立专项攻关资金，确保成果及时用于脱硫工程。 综上所述，我国二氧化硫污染现状己十分严峻，二氧化硫主要来源于燃料的燃烧，所以燃煤烟 气中二氧化硫的脱除是控制二氧化硫排放的重要途径。石灰石石灰一石膏湿法工艺具有，煤种适用 范围大、脱硫效率高、钙利用率、运行稳定等优点，是各国和地区首选的主流工艺。但是该下艺的 主要缺点是，投资较人。住我国这个问题尤为突山，冈为我国现有的朽灰石，石灰一百膏湿法_ t 艺基 本依赖进口f 艺设备，如果能够实现国产化，将大幅度的降低成本，有效地促进脱硫产业的发展。 因此，该1 + 艺脱硫装置和设备国产化研究是目前脱硫技术研究领域的主要方向。 再灰e i l 4 i 灰- 4 i 膏湿法脱硫工艺的主要设备是脱硫吸收塔，s 0 2 的脱除是在吸收塔内进行的。 目前较常用的吸收塔主要有喷淋塔、填料塔、喷射鼓泡塔和道尔顿型塔，其中喷淋塔是湿法脱硫1 ： 艺的主流塔喇j 。住喷淋塔中，s o ，的吸收反府士要在吸收液雾化液滴表面进行，雾化液滴的颗粒 人小、雾化液滴的均匀性等对吸收反席部有重要的影响。从吸收反应的角度来看，雾化液滴越小， 东南大学硕j ：学位论文 反应越完全，脱硫剂利用率越高。但液滴过小会被烟气温度加热蒸干并随烟气飞逸，这就使原本液 相反应变为周相反应，反应速度f 降，而且液滴蒸干飞逸也不利丁后段设备的正常运行。冈此产生 雾滴的喷嘴是喷淋塔内的关键部件直接影响剑脱硫效率和脱硫剂的利用率。 喷嘴类型较多，常见的有压力式喷嘴、气流式喷嘴等。湿法烟气脱硫工艺中考虑了喷雾液滴直 径和能耗、喷嘴摩擦等因素，一般常用压力式喷嘴。压力式喷嘴中，旋流喷嘴具有结构简单、制造 成本低、能耗低、雾化性能好等优点，已广泛应用于众多领域，也是湿法烟气脱硫工艺中最为常用 的喷嘴，它能使能耗和雾化达到最佳平衡【f i 。在应用中空心锥旋流喷嘴最为常见，目前该喷嘴大多 随工艺设备进口，国内也有设计仿制，其结构对雾化特性的影响国内研究较少，制约了该类喷嘴研 制和设计。所以，旋流喷嘴进行系统的研究，对于湿法脱硫工艺的国产化具有显著的实际意义。 1 2 液体雾化破碎机理 雾化机理研究已进行多年，形成了较为系统的理论。雾化是将液体或液一固悬浊体分散成数微 米至数十微米细小滴粒的物理过程。其目的是提供巨大的相间接触面积。雾化过程的能耗主要由流 动液体的应变能( 变形所做的功) ，形成相间表面( 液滴) 时克服表面张力和粘滞力所做的功及传给 液滴的动能和克服流体阻力所做的功等决定p 。 一般来说，雾化过程大致分为三种类型：液滴破碎、液柱破碎和液膜破碎。这三种破碎形式在 同一雾化过程中同时存在，相互作用，下面将分别讨论。 1 2 1 液滴破碎机理 液滴破碎的研究源丁本世纪初。l e n a r d ( 1 9 0 4 ) 和h o c h s c h w e n d e r ( 1 9 4 9 ) 最先对大液滴在静止空 气中作自由落体运动时和小液滴随稳定水蒸汽一起运动时的情况进行了考察【9 】。此后随着科学技术 的发展，人们借助高速摄影技术发现，液滴破碎可分为两个过程，即变形过程和破碎过程。最基本 的液滴变形过程的方式主要有三种；双凸透镜状变形、雪茄状变形和凸起变形，如图1 i 所示 一o 图11 液滴破碎的三种最基本形式 液滴以何种方式变形和破碎主要由气液两相的物性，即密度、粘度、表面张力和液滴周围气体 的流动状态决定。 低粘度液滴在气流中的变形主要受气体的压力、液体的表面张力和粘滞力等因素的影响这种 条件下的变形和破碎主要由韦伯数决定。韦伯数是描述气动破碎的最主要的无量纲参数，其表达式 为： w e = 岛矿2 d c r ( 1 1 ) 其中& 为气体密度，盯为液体表面张力，d 为液滴直径，a v = 一巧为气体和液体的速度差( k 为气体速度， 厂为液滴速度) 。 由丁气动乐强等丁圭风矿2 ，表面张力一起的液滴压强等丁竺d 因此韦伯数实际上就是气动 压强千液滴压强之比，它的数值表示气动力克服液体表面j 力，使得液滴变形干破碎的能力。当气 动乐强足够人时，就能克服表面张力，使液滴破碎。而液滴是靠表面张力保持自身形状的，当液滴 2 第一辛绪论 驻点气动压强超过表面张力产生的内外压著时，平衡就被破坏，引起液滴破碎。 韦伯数不是控制液滴破碎的唯一冈素。液滴破碎是一个动态过拌，液体的粘度荆i 本身质茸的惯 性阻惜丁液滴的瞬间变形和破碎。丽破碎柏一个啊应时间，当外界对液滴作_ l l 的持续时间小丁液滴 破碎的响麻时间时，破碎就不会发生。为了考虑液体粘度对液滴破碎的影响，h i n z e ( 1 9 5 5 ) 引进了 一个粘度群，其表达式为： z ：4 w e r e ( p ，盯d ) j = 0 h ( 1 2 ) 这个无莓纲群z 表征了内部粘性力与面际表面张力的比值。式中r e = p t a v d i l 2 1 ( “为液体 的粘度，岛为液体的密度) 为液体的雷诺数，表示液滴惯性力和粘性力之比。雷诺数越大，表示惯 性力克服粘性力的能力越大，液体的粘性影响越小，液滴越容易破碎。雷诺数对液滴破碎的影响很 复杂通常是一种次要因素。但是对于附着在壁面的液层来说，雷诺数的作用不可忽略。 1 2 2 液柱破碎机理 早在1 8 7 3 年，p l a t e a u 州第一个对液柱射流的稳定性进行了理论研究，他的研究表明，当一个 静态液柱的长度超过它的圆周长时是不稳定的，并将断裂形成两个液滴，断裂后的总表面积将小于 圆柱的表面积。p l a t e a u 的工作解释了前人的研究结果，并为著名的射流稳定理论( r a y l e i g h 稳定性 理论) 打下了基础。r a y l e i g h j i ”1 在1 8 7 8 年对射流破碎机理进行了首创性的较为全面平完整的理论 研究。他是以一无限长初始稳定的圆柱形低速无粘液体射流为研究对象，应用液体表面波不稳定理 论进行了研究。结论是：在低速下，只有轴对称模式是不稳定的，此时表面张力是液体射流破碎的 原因，被称为r a y l e i 曲破碎。1 9 3 1 年，w e b e ，”1 等人对粘性液体射流进行了研究，他们发现粘性对 液体射流的稳定性有着不可忽略的影响，建立了考虑粘性的液体射流模型。 后来，研究发现射流散裂的决定性因素是喷射速度( 或喷嘴内外压著) ，对圆柱喷嘴而言，按压 差递增次序，液柱破碎可归纳为下列四种形式，瑞利破碎( r a y l e i g hb r e a k u p ) 、第一类风生破碎( f i r s t w i n d i n d u c e db r e a k u p ) 、第二类风生破碎( s e c o n dw i n d i n d u c e db r e a k u p ) 和雾化( a t o m i z a t i o nr e g i m e ) 1 1 4 t 5 这四种破碎形式的转变条件和主要机理见表1 1 表1 1 液柱的四种破碎形式 序号破碎形式液滴形成的土要机理转变条件 耽g 0 4 1 r a y l e i g h 破碎 表面张力 w e 1 2 + 3 4 0 h o 9 2 第一类风生破碎表面张力、周围的气动压力 周围气体的气动压力 w e g 4 0 3 3 第二类风生破碎 ( 晟初受表面张力的阻抗) w e 1 3 4 雾化还太不清楚 东南大学硕i 学位论文 l - 23 膜状破碎机理 液膜的锻碎机理人致有二类：轮缘形破碎、多孔形破碎和波动形破碎，通常情况f ，这二种 不同的液膜镀辟方式同时存在。r 面将讨论这二种类型的破碎。 ( 1 ) 轮缘形破碎 在轮缘形破碎中，液体的表面张力使得液片的边缘先收缩成一个较厚的类似轮缘状的液膜，随 后由r 空气动力和离心力的作l f j ，此轮缘状液膜将发生破碎。通常，当液体的粘度和表面张力都很 高时，将会出现这种液膜破碎的形式，并且这种破碎方式产生的液滴尺寸都比较大，而轮缘状液膜 在液片上山现的位置是由表面张力和扩张液片的动能的平衡所决定的。 ( 2 ) 多孔形破碎 受周围小液滴的撞击或由于自身的湍动所引起的压力变化将会刺穿液膜，并在液膜上形成大小 不一的孔洞，同时这些孔洞的尺寸也将迅速增大直至与相邻的孔连起来，形成纵横交错的网状液丝， 然后这些液丝再破碎成不同尺寸的液滴。 ( 3 ) 波动形破碎 有时液膜自身湍动所产生的压力波并不会在液膜上生成孔洞，而是随着波动的增强从液膜上 ( 从波节处或真接从波峰处) 将一块块的液片撕扯下来，由于外力的作用，在理想状态下，这些液 片将分裂成平行于液膜边缘的液丝，液丝在表面张力的作用下再收缩成小液滴。 1 2 4 旋流喷嘴射流雾化破碎机理 多年来，对液体射流雾化机理的研究，主要集中于非旋转柱形射流，对于旋流喷嘴射流所形成 的旋转中空液膜的破碎雾化机理，至今仍没有形成一套完整的理论体系。就旋流喷嘴射流物理现象 来说，与之相关的射流雾化机理研究涉及以下几方面：旋转射流的破碎雾化机理；液膜的破碎雾化 机理；环形射流的破碎雾化机理。 首先是jp o n s t e i n 1 6 1 对旋转射流的破碎雾化机理进行了研究，他应用线性稳定性理论探讨了在时 间模式下，剧柱形旋转的稳定性。最主要结论是：在圆柱射流中引入旋转运动对射流的破碎雾化具 有明显的促进作j j 。此后，k a n g 和l i n l l ”等人对空间模式下，柱形旋转射流的稳定性进行了分析， 他们的结论迸步征明了引入旋转运动可以大大促进射流的破碎，有利于实现良好的射流雾化效果。 l i a n 和l i n i l s 等人又对粘性射流射入非粘性旋转气体介质中的情况进行了研究。研究结果表明：气 体旋转运动的惯性力具有双重作用，一方面，旋转惯性力对射流有促稳作用：另一方面，气体和液 体分界面上的压力波动引起的惯性力对射流有失稳的作用。s a t o r uk o m o r i 和h i r o m a s au e d a ( ”j 等人 对自由射流附近区域的涡流结构进行了研究。结果发现。当旋转强度很高时，回流和卷吸成为射流 雾化的关键冈豢。 jp o n s t e i n 【l 。1 同时开创了环形射流的破碎雾化机理的研究，他主要讨论了具有均匀轴向速度的旋 转势流的表面不稳定波发展。后来的研究是在p o n s t e i n 理论的基础上，围绕环形射流有旋无旋、射 流液体是否考虑粘性、射流表面波的扰动形式及周周气体介质的影响等方面逐渐展开。近年来，一 些学者详细的研究了粘性射流射入气体介质中的表面不稳定波的发展。 国内林玉静【2 0 】等人对旋流喷嘴射流雾化破碎机理进行了探索，他们结合旋流喷嘴射流在自由空 间中形成的空心旋流射流的形状，引入“局部平行流”概念，将射流划分为连续的局部射流区域 然后利用环形旋转射流的线性稳定性理论分析了旋流喷嘴射流的破碎机理，并通过大量试验和理论 研究得到一些重要结论。 总之，液体雾化机理十分复杂，旋流喷嘴射流的雾化破碎机理仍然没有形成完整的系统理论， 随着各国学者研究的深入，雾化机理将进一步被揭示，将为喷嘴的设计提供进一步指导。 第一蒂绵论 1 3 喷嘴结构形式和雾化特性参数 1 - 3 1 喷嘴结构形式 雾化是能量作用在液体束上的结果。不同的雾化技术是对液体加载了不同形式的能量，而各种 雾化器的共同之处是使用能量将液体散裂。常h j 的能量形式有离心力、压力、动能等。雾化设备也 就是按能簧形式进行分类，分为旋转式雾化器、乐力式喷嘴、气动式喷嘴和声波喷嘴等( z l j 。 用于液体雾化的雾化器的结构形式对工艺过程的影响极大。不同的雾化器结构的雾化性能不同 它们的雾化原理不尽相同，应_ j 于不同的领域。在湿法烟气脱硫中压力式喷嘴最为常用，现详细讨 论如下【2 2 】。 ( 1 ) 压力式喷嘴工作原理 压力式喷嘴也称为压力式雾化器、单流体雾化器或机械式雾化器。主要由液体切向入口、液体 旋转室、喷嘴孔等组成，如图1 2 。其工作原理是，液体在高压泵的压力下从雾化器的切向通道高速 进入旋转宣，使液体在旋转室内产生高速运动。根据旋转动量矩守恒定律，旋转速度与旋转室的半 径成反比，因此越靠近轴心处旋转速度愈大，静压力也愈小。当旋转速度达到一定数值，雾化器中 心处的压力等于大气压力时，喷出的液体即形成绕空气芯旋转的锥形环状液膜。随着液膜的延长， 空气的剧烈扰动所形成的波不断发展，液膜分裂成细线。加上湍流径向分速度和周围空气相对速度 的影响，最后导致液膜破裂成丝，液丝断裂后受表面张力的作用，最后形成由无数雾滴组成的雾群。 压力式喷嘴的雾化的过程见囤1 ，3 。 旋转室内压力分布 图1 2 压力式喷嘴工作原理示意图 菇熬 i乒：) 崩；霹 ( a )“) t c ) ( d j 图1 3 压力式喷嘴雾化过程示意图 f a ) 泡状：( b ) 喇叭状；f c l 角笛状： ( d ) 完全雾化 东南人学坝l 学位论义 ( 2 ) 压力式喷嘴的结构形式 乐力式喷嘴住结构上的共同点是使液体获得旋转运动，即液体获得离心惯性力，然后经喷嘴高 述喷出。由使液体获得旋转运动的结羊i = | 不同，压力式喷嘴一般分为旋转乐力式喷嘴和离心压力式 喷嘴两人类。 旋转压力式喷嘴，在结构上有两个特点：一是有一个液体旋转室：二是有一个( 或多个) 液体 进入旋转室的切线入口。其结构如图1 4 所示。 离心压力式喷嘴，结构特点是喷嘴内安装一个喷嘴芯，喷嘴芯的作用是使液体获得旋转运动。 其结构形式如图i 5 所示。 馘1 塑圆 圈1 4 旋转压力式喷嘴结构图幽l ，5 离心压力式喷嘴装配简幽 ( a ) 管接头；( b ) 螺帽；f c ) 孔扳；f d ) 雾化器f a ) 螺旋槽形喷嘴；f b ) 斜槽形喷嘴；f c ) 旋涡片形喷嘴 ( 3 ) 用于湿法烟气脱硫的压力式喷嘴简介0 4 1 在湿法烟气脱硫工艺中，常用于喷淋塔的喷嘴有5 种，现简介如下： 空心锥旋流喷嘴( h o l l o wc o n es w i r ln o z z l e ) 这种喷嘴，石灰石浆液从切向进入喷嘴的涡旋腔内，然后从与入口方向成直角的喷孔喷出，可 允许自由通过的颗粒尺寸大约是喷孔尺寸的8 0 1 0 0 ，喷嘴无内部分离部件，其结构如图l 6 。 q 一搴 图1 - 6 空心锥蒎流喷嘴 传统的刚于湿法烟气脱硫系统的喷嘴是采用炭化硅材料铸造的空心锥旋流喷嘴，通常在 o 1 0 2 m p a 压力下工作，旋流切线型喷嘴与相似的传统实心锥旋流喷嘴相比，前者比后者的自由畅 通直径要大许多，尤其是在喷射循环使用的石灰石浆液时更实用。 实心锥旋流喷嘴( f u l lc o n es w i r ln o z z l e ) 这种喷嘴的设计思路与空心锥旋流喷嘴相似，所不同的是涡旋腔封闭端的顶部使部分液体转向 喷入喷雾区中央，以此来实现实心锥形喷雾效果。该喷嘴允许通过颗粒的尺寸为喷孔直径的 8 0 1 0 0 ，喷射的液滴平均粒径比相同尺寸的空心锥形喷嘴的大3 0 5 0 ，在吸收塔中应用时可 以采用氮连接碳化硅陶瓷材料( s n b s c ) 。 双空心锥旋流喷嘴( d o u b l eh o l l o wc o n es w i r ln o z z l e ) 该喷嘴是在一个空心锥切线腔体上设计两个喷孔在吸收塔中，一个喷孔向下喷，另一个喷孔 向上喷：这种喷嘴允许通过的颗粒尺寸为喷孔直径的8 0 一1 0 0 。 6 笫一章绪论 实心锥喷嘴( f u l lc o r l en o z z l e ) 这种喷嘴通过l = | 部叶片使t i 灰i i 浆液形成旋流，然后与入口的轴线同轴从喷孔喷山，如幽】，7 。 根据不同设i 喷嘴允i t 通过的最人颗 ：直径为喷j l 直释的2 5 1 0 0 不等，同等条什 ，这种喷 嘴提供的雾化粒径相当丁相同尺寸的空心锥切线刊喷嘴的6 0 7 0 。其最人的缺点就是能耗较高。 螺旋型喷嘴( s p i r a ln o z z l e ) 此喷嘴是由连续变小的螺旋线体组成，如图18 石灰i i 浆液不断经螺旋线相切后改变方向成片 状喷射成同心轴状锥体。这种喷嘴无分离部件，自由畅通直径等于喷孔直径的3 0 1 0 0 ，同等条 件下该喷嘴的平均粒径相当于同尺寸的空心锥旋流喷嘴的5 0 - 6 0 。而且此喷嘴的操作压力一般在 00 5 m p a - o 1 m p n 图1 7 实心锥型 1 3 2 雾化性能主要参数 图1 8 螺旋型 _ i = j 喷嘴对液体雾化时，关心的液体雾化的效果一般是：进料多少。喷雾是否均匀。雾化粒度大 小，粒度分布等。相应的综合衡量与评价喷嘴雾化性能的参数有：流量密度、雾化角、雾滴粒度和 雾滴粒度分布f 2 5 】。 ( 1 ) 体积流量 体积流餐是单位时间内通过喷嘴的液体体积。离心压力式喷嘴的体积流量与压力的平方根成正 比，而与液体密度的平方根成反比。这一关系是近似的。 崇= j = j m ， ( 2 ) 喷雾角 流体在一定压力下从喷嘴喷出时，在出口处形成射流的张角，这就是喷雾角。任何喷雾角的形 成都需要一个最低限度的压力。雾化角卢可由雾滴在喷嘴出口处的水平分速度m 和轴向分速度“ 之比确定，即 喀5 1 2 = 虬。卢。o( 1 - 4 ) ( 3 ) 雾滴粒度 雾滴粒度是十分重要的性能参数是衡量和评价雾化效果的主要指标之一。由于雾化后的雾矩 中液滴尺寸大小不一，单个液滴的直径对于衡量整个雾化效果的意义不大，因此需定义雾化液滴的 平均直径。不同的使用场合可以有各种不同的平均方法，其通用计算式为： d u = 如f f d d ( d p m 。) d ( d ， 羹怒俐p 按”，平f f _ 取值的不同，形成不同的平均方法。常见的如表12 。 7 5 1 ( ) ， n一 叶 “ l 1，llj 东南人学坝f 。学位论义 其中4 ，为任意投影直径，就是与任意放置的颗粒的投影面积相同的圆的直释。饥是某个参数 f 个数、丧而职、体积等) 的累积分布 表12 平均直径 i名称常用范围”。 q l算术平均直径d m 系统比较】 o 表面积平均直径出。比较表面积 20 容积平均直径函口比较容积 3o 体面积平均直径如，常用于雾化，热质交换研究 32 重量平均直径如常用于燃烧研究 4 3 平均直径的选取主要决定于研究内容的需要和测量方法。其中，体面积平均直径砖l 又称为索 太尔( s a u t e r ) 平均直径( s m d ) 直接反映了液体单位质量( 或单位体积) 的表面积大小，这是强 化液体反应如喷雾吸收、喷雾干燥、燃瘀等化学工艺过穆的重要因素，在湿法烟气脱硫工艺中被广 泛采崩。另一种常用的方法是采用代表直径，如体积中位直径( v m d ) 和质量中位直径( m m d ) ， 常表示为幽，其含义是直径小于而，的液滴的质量( 体积) 占液滴总质量的5 0 ，质量( 体积) 中 间直径幽j 一般比s m d 大15 - 2 0 。 ( 4 ) 雾滴粒度分布 从喷嘴喷出的雾矩，其液滴直径是由小到大按一定规律分布的。前面提到的p 。是某个参数( 个 数、表面积、体积等) 的累积分布。的定义如f 而 。脾新( 已) ：巾一) c - 嘲 其中p 。0 为颗粒个数分布；p 2 1 为颗粒大小分布 p = 2作为颗粒表面积分布；p = 3为颗粒体积分布。 州班彬褊 ( 1 - 7 ) 称为参数的密度分布。 有些研究者也把分散度作为指标来综合判断和评价唉嘴的雾化质量。分散度则用径跨s p a n 来表示，其定义为： s p a n ：生：! 二鱼! ， ( 1 - 8 ) 其中d o 、d o5 、d o9 的含义为：直径小于哦。、哦5 、矗9 的液滴的质量百分数分别为1 0 、5 0 、 9 0 。以此，径跨越人，分散度越大，雾滴粒度分布越不均匀，雾化质量越差。 第一章绪论 l4 旋流喷嘴研究现状及本课题的意义 旋流喷嘴具有诸多的优点：如结构简单、制造成本低、能耗低、雾化性能好等，已广泛应用于 工业、农业、交通、国防、化工及民用等许多领域。从实际应用角度看石灰石石灰一石膏湿法脱 硫工艺中，多采用旋流喷嘴，最常用的是空心锥旋流喷嘴1 2 7 1 ，虽然这种喷嘴结构简单，但国内研究 较少，主要依赖于进口。 近年来，国外研究集中在喷嘴内部流场和粒径预测等方面，h o r v a y ( 1 9 8 5 ) ，d u m o u c h e l 、b l o o r 、 l n g h a m 和l e d o u x ( 1 9 9 1 ) ，d u m o u c h e l 、b l o o r 、d o m b r o w s k i 、l n g h a m 和l e d o u x ( 1 9 9 3 ) ， l o i t e r - m a n g ( 1 9 9 2 ) 以及y u l e 和c h i n n ( 1 9 9 4 ) 等人的文献中主要研究旋流喷嘴内部流场 2 s l - 3 0 l ：c h i n n 和y u l e ( 1 9 9 7 ) 研究有切线孔的旋流腔p l j ；p i e s c h e ( 1 9 8 1 ) 提出了描述液膜轮廓方程的计算模型： w a l z e l ( 1 9 8 2 ，1 9 9 0 ) ，s c h o r r a d t ( 1 9 8 4 ) ，r i c h t e r 和g l a s e r ( 1 9 8 7 ) ，r i c h t e r 和w a l z e l ( 1 9 8 9 ) ，d a h l ( 1 9 9 2 ) 等人定义了液滴尺寸的经验关系：n o n n e n m a c h e r 和p i e s c h e ( 1 9 9 9 ) 对空心锥压力旋流喷嘴雾化牛 顿型流体进行了研究，基丁喷嘴出口的流动知识弗辅以流动模拟程序，计算考虑了相界面引起的离 散的喷嘴内部流，可以在一定范围内预测s a u t e r 直径( 索太尔直径s m d ) 3 2 1 ；d a t t a 和s o m ( 1 9 9 9 ) 利用数值方法对旋转喷射压力喷嘴的空气核直径、出流系数、喷射锥形角的预测作了探讨p ”。国内 的研究主要有，杨延相、林玉静、史绍熙( 1 9 9 9 ) 等人研究了旋流喷嘴中空旋转射流近区域流动， 应用质量守恒和动量守恒定律对空心旋流射流的运动建立了理论模型，并以数值方法求解，取得了 一定的成果o ”j 1 3 5 1 ；姚增权从理想流体出发，经过湍流阻力的修正，从理论上推导出简单旋流喷嘴所 遵循的系列关系式，并给出简单旋流喷嘴各参数的计算方法，方法中的粘度修正仍然有待研究p “。 综上所述，旋流喷嘴的研究已经多年，但由于旋流喷嘴的结构特殊性使研究具有多变性和复杂 性，对丁不同的旋流喷嘴的研究结果不尽相同，而研究的领域也多集中于燃料燃烧、喷雾干燥等小 直径旋流喷嘴，对于大口径旋流喷嘴很少涉及。为了适应国内烟气脱硫的需要，减少脱硫投资，国 家2 0 0 1 年确立了“火型燃煤电站锅炉划气脱硫技术及设备工程化”8 6 3 计划( 项目编号 2 0 0 1 a a 6 4 2 0 2 0 ) 。国电环保所负责部分子项目的研究，喷嘴的应用研究就是其中的重要内容，也是 本课题的米源。本课题结台该研究内容具体做了以下方面的工作： ( 1 ) 选用目前引进喷嘴中应用广泛的空心锥旋流喷嘴，按几何相似理论研制了一组喷嘴，同时设计 了腔体不变仅出口直径变化的一组喷嘴，作为研究对象。 ( 2 ) 系统分析了不同结构的空心锥旋流喷嘴的雾化特性，并与实心锥喷嘴和螺旋喷嘴对比，为该种 喷嘴的设计提供了参数，为该种喷嘴的选型提供了依据。 ( 3 ) 首次建立空心锥旋流喷嘴内部流动数学模型，并利用数值模拟软件进行模拟，成功揭示了该喷 嘴的内部流场分布，为喷嘴的优化设计提供了手段，可以有效的节省试制阶段的人力物力，。 本课题对实现脱硫设备国产化工程化具有重要的实际意义。 东南大学硕 学位论文 2 1 引言 第二章旋流喷嘴雾化性能试验 液体雾化喷嘴技术的发展已经多年，人们从事的研究一方面是喷嘴的雾化机理，由于涉及较多 的流体力学难题，近年来研究进展缓慢：研究的另一方面集中于喷嘴雾化性能及影响因素的问题， 主要是通过对某种喷嘴结构形式进行改进，以优化喷嘴设计。虽然后者的研究较为普遍，也得出了 一些雾化特性的关联式，但由于喷嘴类型的变化较多，这些关联式大多是经验或半经验表达式，而 且对于湿法烟气脱硫工艺中普遍采用的大通道喷嘴的研究就更少。 随着我国烟气脱硫事业的发展，为了减少脱硫成本，脱硫设备的国产化十分迫切其中作为核 心部件的喷嘴国产化更为紧要。由于这方面的研究在国内开展较少，喷嘴多依赖于进口，因此，唼 嘴雾化性能及其影响因素的问题是该类喷嘴研究的重点。喷嘴的雾化眭能主要包括：流量密度、雾 化角、平均直径和液滴粒度分布等。这些雾化性能主要由喷嘴的结构参数、工作参数和气液两相的 物性参数等决定。 通常情况下，脱硫浆液唼嘴的入口压力一般为0 5 1 0 5 p a 2 1 0 5 p a 、出口流速约l o m s 、流量 为3 0 ，1 7 0 m 3 h 。喷嘴喷雾角为9 0 。左右，喷雾形状有空心锥及实心锥两种。液滴最佳直径约1 3 0 0 3 0 0 0 u m ，喷雾要均匀，小丁1 0 0u m 的液滴要少。这是因为，雾化粒径细，比表面积大，传质效果好 在喷雾区停留时间长，但在脱硫系统中由丁细液滴沉降速度小而易被烟气带出喷雾区，给f 游设备 带来影响，且喷雾压力要求高。所以，脱硫喷嘴雾化要求液滴的大小，应既满足吸收s 毡传质面积 的要求，又使烟气携带液滴降到最低限度。 本文选择了烟气脱硫工艺中应用最广泛的空心锥偏心旋流喷嘴加以研究，按几何相似理论研制 了5 种口径的喷嘴，试验研究其雾化性能：再保持腔体尺寸不变，仅改变出口直径，设计了3 种出 日直径的喷嘴，研究雾化性能，找出喷嘴结构参数对雾化性能的影响：同时选择了一种实心锥喷嘴 和一种螺旋型喷嘴作为试验对比，比较其性能著异。为同类喷嘴的理论研究、设计和应用提供科学 依据和指导，也为此类喷嘴的设计选型和操作提供依据。 2 2 试验系统的组成及工作原理 2 2 1 试验系统的组成 试验装置是位于国电环境保护所的湿法烟气脱硫喷嘴试验室，该喷嘴试验室占地面积约1 1 0 一 分控制室和喷雾室两部分。控制室为测控及数据处理系统、喷嘴陈列柜、办公区域等：喷雾室主要 设置试验装置。 试验系统由水池、泵、管路、阀部件、激光液滴分析仪、水量分布测试装置测量等组成，如图 2 1 所示。现将试验装置具体绢成描述如f ： ( 1 ) 喷嘴 烟气脱硫工艺中浆液喷嘴的流盈一般为3 0 1 7 0 m 3 h 。通常情况下，用于2 0 0 3 0 0 m w 机组脱硫 喷嘴的流量为6 0 8 0m 3 h ，用丁6 0 0 m w 机组的一般在1 0 0m 3 h 以上。因此，试验台以流量为6 0 一8 0 m 5 1 1 的喷嘴为基本设计对象，兼顾小丁或人丁此流带的其它系列喷嘴。 喷嘴平面离地面约2 2 0 0 m m ，改八个支管。可布置四个流蛀为6 0 8 0m 3 h 的喷嘴，流量达1 6 0 m h 的喷嘴一个，并留有一个布置流量小t6 0 m h 喷嘴的接口，可进行6 0 8 0 m 3 h 流餐喷嘴不同布置形 式的喷雾试验，也可做其它流鹫系列的喷嘴试验。 鹞一学旋流喷嘴嚣化性能试验 ( 2 ) 水泵及管路 水泵为滞水排污泵，流昔3 5 0m 1 1 ，扬程2 5 m 水柱左厶。可同时供应流量为6 0 8 0m 3 ，】1 的喷嘴 四个业流昔为1 6 0m ，h 的喷嘴一个。管路殴计流速为2 - 3 m s 。至6 0 8 0r n h 喷嘴支管的直径为d n l 0 0 ， 接流繁1 0 0 m 3 1 以上喷嘴支管的直释为d n l 2 5 ，川y - 流肇小于6 0 m 3 h 喷嘴支管的直径为d n 8 0 ，母 管及同流管直径为d n 2 0 0 。供水主管道上装有电磁流量计、电动调节蝶阀，每个喷嘴前装有电动蝶 阀控制启刚。 图2 1 试验系统图 ( 3 ) 电源及电气设备 本配电设备选片jt g 一4 ( 改) 型同定式低压配电柜3 台，配电柜沿墙安装。配电设备额定短路 强度按分断能力大于1 5 k a ，各配电回路均有短路瞬动保护，给电动机的配电回路的电器元件还具有 失压、过载和断相保护作用。 ( 4 ) 控制系统 采用可编程控制器和t 业控制计算机为土控设备，完成自动控制。控制系统组成为：主控设备 可编程控制器( p l c ) 选用西门子公司的s 7 3 0 0 系列； ：业控制计算机，选用台湾研华的产品：仪表， 电磁流量计i 台，压力传感器7 个。 2 2 1 2 测试方法 ( 1 ) 压力 乐力由喷嘴前压力传感器将信号输入计算机后读数。 ( 2 ) 流量 流簧由水泵出口主管道上的电磁流母传感器测量，信号经电磁流量转换器转换成4 2 0 m a ，d c 输出信号输入计算机。 ( 3 ) 粒径分布 东南人学坝f 学位论文 采英国马尔文公司生产的m a m 5 0 0 5 激光粒径分析仪该仪器是一种空间采样设备。其i ：作 原理是，光通过粒子场时，由丁i 粒子直径的不同，光被散射后的散射角也各异，光被散射后的能量 呈一定分布，再t l 一系列光电一极管洲山这个能量分布也就得到相应的粒径分布。 ( 4 ) 雾化角 由数码相机成像后分析测读。 2 2 3 试验系统的工作原理 潲水泵将地f 水池内的喷淋液( 清水) 经由电磁流量计打入喷嘴，经喷嘴喷出雾化后落回地面， 汇流返同水池。喷嘴前的液体压力由装在每个喷嘴前的压力传感计测量；流量由电磁流量计监测； 雾滴由激光液滴分析仪取样并输入计算机经软件分析统计；雾化角及喷雾均匀性由数码成像设备成 像后分析。 2 3 试验内容 2 3 1 试验喷嘴 由于空心锥偏出旋流喷嘴具有结构简单、雾化性能好，能耗低、通流截面大等特点，在湿法烟 气脱硫中戍用最为广泛。因此，选用空心锥偏心旋流喷嘴作为研究对象，为了分析喷嘴结构参数对 喷雾性能的影响，按入口直径，设计选用了d 1 0 0 m m ，d 8 0 m m ，d 6 0 m m ，d 5 0 m m ，d 4 0 m m ，5 个 直径系列儿何相似的喷嘴，其结构如图2 2 所示。其中d 6 0 的喷嘴设计3 个喷嘴出口替换部件，直 径分别为d 5 4 m m ，d 4 5 m m ，d 3 6 m m ，如图2 3 。所有试验用喷嘴的结构参数如表21 。 嗲一瞬q 图2 2 空心锥偏心旋流喷嘴结构示意 屯她螺饿毫瞢 卷”撼。甚； 窜。窜。爷 图2 3空，t l , 锥偏一i i , 旋流喷嘴替芯 在进行空心锥偏心旋流喷嘴试验后，选择一种实心锥喷嘴( 入口直径中1 0 0 m m ，出口直径中 5 0 m m ) 和一种螺旋喷嘴( 入口直径中8 0 m m ) 进行对比试验，喷嘴结构如图2 4 。 图2 4 实心锥喷嘴和螺旋喷嘴示意