（测试计量技术及仪器专业论文）旋转喷雾技术及其机电系统的研究.pdf

摘要 旋转喷雾技术通过高速旋转设备使料液雾化为微米级尺寸的液滴。其核心设 备为旋转喷雾器，通过高速电机驱动雾化轮高速旋转，高速旋转的雾化轮产生强 大的离心力，悬浊液或乳浊液形式的物料通过雾化轮结构特殊的喷嘴喷出，从而 被雾化为具有微米级尺度的液滴。雾化后的颗粒比表面积增大，更有利于其进行 传质传热或和其它介质混合发生反应。 旋转喷雾器是广泛应用于化工、制药、食品、环保等领域的关键机电产品。 在大气污染控制环保领域，旋转喷雾器用于电厂烟气脱硫和垃圾焚烧。尾气处 理。随着近年来国内垃圾焚烧发电领域的兴起和垃圾焚烧发电厂的广泛兴建，旋 转喷雾器得到了更加广泛的应用。当前国内应用的旋转喷雾器主要依靠国外进 口，每年要花费大量的外汇，随着现代化工业进程的发展，旋转喷雾器的国产化 问题得到了越来越多厂家的重视。 在这样的背景下，本课题对旋转喷雾器国产化的许多关键问题进行了研究和 探讨。通过对旋转喷雾器雾化机理的分析，设计了一套旋转喷雾器机械系统，并 设计了相应的监控系统。本论文的主要研究内容和取得的研究成果如下： 1 分析了旋转喷雾技术的雾化机理，为旋转喷雾器的研制提供了理论綦 础；并通过实验验证了旋转喷雾雾化机理； 2 提出了旋转喷雾器机械设计中参数选择的理论依据； 3 根据以上研究，设计了一套旋转喷雾器机械系统，它由以下几个予系统 组成：驱动系统：润滑系统；冷却系统：给料系统；雾化系统等； 4 使用p r o e 的m e c h a n i s m 模块仿真了驱动系统的运动，证明我们设计 的高速驱动系统科学合理，能够可靠工作； 5 设计并调试了旋转喷雾器机械系统的监测系统，由p l c 和变频器等构 成，对压力、流量、振动和温度等各项运行参数进行监测，确保旋转喷 雾器稳定安全的运行。 关键词：旋转喷雾技术，临界转速，雾距，s m d ( s a u t e r 平均鸯径) ，p l c a b s t r a c t r o t a r ya t o m i z i n gt e c h n o l o g yt u r n st h el i q u i d si n t om i c r o d r o p l e tb yr o t a r y e q u i p m e n t t h ec o r ee q u i p m e n ti sr o t a r ya t o m i z e r ，w h i c hu s e sah i 曲s p e e dm o t o r t o d r i v et h ew h e e lr o t a t i n gi nv e r yh i 曲s p e e d t h es u s p e n d i n go rm i l km a t e r i a ls p u r t o u to ft h es p e c i a ln o z z l eo nt h ew h e e lb yt h es t r o n gc e n t r i f u g a lf o r c e ，c o n s e q u e n t l y t h em a t e r i a li sa t o m i z e di n t om i c r od r o p l e tw i 也d i a m e t e ri ns e v e r a lt e n so fm i c r o n a f t e ra t o m i z a t i o n ，t h em i c r od r o p l e to b t a i n sb i gs u r f a c e v o l u m er a t i o ，w h i c hf a v o r s t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e r r i n ga m o n gd i f f e r e n tc o m p o n e n t sd u r i n gc h e m i c a l i n t e r a c t i o n r o t a r ya t o m i z e ri sw i d e l yu s e d i nf i e l d so fc h e m i c a l i n d u s t r y , p h a r m a c y ， f o o d s t u 或a n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n i nf i e l do fa t m o s p h e r ep o l l u t i o np r e v e n t i o n t h er o t a r ya t o m i z e ri su s e dt od e s u l f a t ef l u eg a si np o w e rp l a n to rr e f u s ei n c i n e r a t i o n p l a n t n o wt h er o t a r ya t o m i z e r su s e di no u rc o u n t r ya r em o s t l yi m p o r t e df r o mo t h e r c o u n t r ya n dc o s t al o to ff o r e i g nc u r r e n c ye v e r yy e a r w i t ht h eb o o mo f w a s t e - t o - e n e r g yi n d u s t r yi no u rc o u n t r y , t h er o t a r ya t o m i z e ri su s e dm o r ea n dm o r e w i d e l y t h e r e f o r e ，h o m e m a d er o t a r ya t o m i z e ri sa nu r g e n td e m a n do f c h i n am a r k e t ， u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，m a n yk e yt h e o r e t i c a la n dt e c h n o l o g i c a lp r o b l e m so f h o m e m a d er o t a r ya t o m i z e ra r es t u d i e da n dr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s t h r o u g ht h e a n a l y s e so fa t o m i z a t i o nm e c h a n i s mo fr o t a r ya t o m i z e r ，as e to fr o t a r ya t o m i z e r m e c h a n i c a ls y s t e ma n dac o r r e l a t i v em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e ma r ed e s i g n e d t h em a i nc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 t h ea t o m i z a t i o nt h e o r yo fr o t a r ya t o m i z i n gt e c h n o l o g yi ss t u d i e d ，a n dt h e t h e o r e t i c a lc r i t e r i o ni ss u p p l i e df o rt h ed e v e l o p m e n to fr o t a r ya t o m i z e r 7 f h e a t o m i z a t i o nt h e o r yi sv a l i d a t e db yas e to f e x p e r i m e n t s 2 t h et h e o r e t i c a lb a s ei s s u p p l i e df o rt h ep a r a m e t e r s i nr o t a r ya t o m i z e r m e c h a n i c a ld e s i g n 3 a c c o r d i n gt oa b o v er e s e a r c h ，ar o t a r ya t o m i z e rs y s t e mi sd e s i g n e d ，w h i c h c o n s i s t so ft h e f o l l o w i n gs u b s y s t e m s ：d r i v i n gs u b s y s t e m ，l u b r i c a t i n g s u b s y s t e m ，c o o l i n g s u b s y s t e m ，f e e d i n gs u b s y s t e m ，a n d a t o m i z a t i o n s u b s y s t e m 4 t h ed r i v i n gs y s t e mm o v e m e n ti se m u l a t e db ym e c h a n i s mm o d u l eo f p r o e ，a n dt h eh i g h - s p e e dd r i v i n gs u b s y s t e mi sp r o v e dr e a s o n a b l ea n d c r e d i b l e 5 am o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n dd e b u g g e d ，w i t hm a i n c o m p o n e n t so fp l c ，c o n v e r t e r , a n dm a n ys e n s o r s t h em o n i t o r i n g a n d c o n t r o l l i n gs y s t e mm o n i t o r so p e r a t i o np a r a m e t e r ss u c ha sp r e s s u r e ，f l u x ， v i b r a t i o n ，a n dt e m p e r a t u r e ，t oi n s u r es a f eo p e r a t i o no f r o t a r ya t o m i z e r k e yw o r d s ：r o t a r ya t o m i z i n gt e c h n o l o g y , c r i t i c a ls p e e d ，a t o m i z i n gd i s t a n c e ， s m d ( s a u t e rm e a nd i a m e t e r ) ，p l c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨凄盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：麓奄墨签字e j 期：知。r 年月 h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨建盘堂有关保留、使用学位论文的舰定。 特授权盘盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行梭 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) r h 第一章绪论 第一章绪论 旋转喷雾技术“1 利用高速旋转产生的离心力，将悬浊液或乳浊液雾化为细微 的颗粒，其离心力通过电机驱动雾化轮高速旋转产生。雾化后料液的比表面积迅 速增大( 一般约为原来的5 0 倍) ，使原料液和其它材料实现更充分的混合和反应。 旋转喷雾技术在工业上的应用是和干燥技术。3 紧密结台在一起的。旱在】8 7 2 年， 美国的塞谬尔珀西( s a m l u e lp e r c y ) 的专利就首次论述了喷雾干燥的过程、 基本原理，提出了将喷雾和干燥结合起来的基本构想。 1 1 喷雾干燥技术概述 喷雾干燥是利用喷雾器将原料液分散为雾滴，并利用热空气( 空气、氮气或 过热水蒸气) 干燥雾滴而获得产品的一一种方法。原料液可以是溶液、乳浊液、悬 浮液，或熔解液、膏糊液。干燥产品可根据生产要求制成粉状、颗粒状、空心球 或团粒状【3 】。喷雾干燥装置所处理的原料虽然差别很大，所得产品也有很大不同， 但是它们的流程却基本相同。图1 一l 是一个典型的喷雾干燥装置的工艺流程图 4 1 。 寸i t i 躺i 蹴审 图1 i 喷雾干燥装置流程图 由上图可见，原料由泵送致喷雾器，空气经过过滤器和加热器( 直接燃烧爿 温或间接加热) 后作为干燥介质送至干燥室。喷雾干燥所用的干燥介质大多数为 空气，但对于在空气中容易爆炸或燃烧的有机溶荆，就应该使用惰性气体( 如氮 气) 。喷雾干燥可分为四个阶段：料液雾化成为雾滴；雾滴与空气接触( 混合和 流动) ；雾滴干燥( 水分蒸发) ；干燥产品与空气分离。其中最主要的是液滴的雾 化及与空气的接触和干燥过程，它们将直接影响干燥效果和干燥产品的质量。 喷雾干燥方法包括多种应用形式： 旃一章绪论 ( 1 ) 一般喷雾干燥：喷雾干燥在很多行业得到广泛应用。化工行业：如塑 料、树脂、洗涤用粉料、染料、农药等的生产；食品工业：乳制品、咖啡、调味 香料、脱水食晶等的生产；药物及生化工业：酶、抗菌素、酵母、维生索等的，# 产； ( 2 ) 冷冻喷雾干燥：将物料喷到冷冻的空气种使雾滴冻结，然后在真空中 升华以除去水分。如果只要求用冷空气使雾滴凝结成固体，则称为喷雾冷冻。金 属粉、氢氧化钠、石蜡、氮磷钾化肥等使用喷雾冷冻的方法生产： ( 3 ) 喷雾反应：还有用干燥室作喷雾反应器的，用于液体与热的气体介质 发生化学反应而产生新的化合物。化工一k 使用喷雾反应的方法生产碳酸钠，浓度 3 5 5 0 的液态氨氧化钠被喷到含有二氧化碳的热气体( 6 0 0 ) 中，氢氧化钠 料雾同二氧化碳反应生成碳酸钠； ( 4 ) 喷雾吸收：吸收也是反应的一种。典型应用是喷雾干燥器作为喷雾吸 收器以除去发电站及垃圾焚烧炉烟气中的酸性气体( f g c ) 及烟气脱硫( f g d ) 。 加进去的碱性液料喷成雾状吸收烟气中的s 0 2 及h c l 等。喷雾干燥的这种应用 方式称为喷雾吸收； 1 2 料液的雾化方式 料液雾化的目的在于将料液分散成为微细的雾滴，雾滴的平均直径一般为 2 0 1 4 0 u r n ，因此具有很大的比表面积，当其与热空气接触时，两者之问发生传 质传热，使得雾滴迅速气化而干燥成为粉末或颗粒状成品。雾滴大小和均匀程度 对产品质量和技术经济指标影响很大，特别是对于热敏性物料的干燥尤为重要。 如果喷出的雾滴很不均匀，就会出现大颗粒还没有达到干燥要求，而小颗粒却已 干燥过度或受热变质。因此，使料液雾化所用的喷雾器是喷雾干燥器的核心，也 是专家们从理论到结构研究最多的内容。目前使用的喷雾器有三种： ( 1 ) 气流式喷雾器 也叫气流式喷嘴。采用压缩空气或蒸汽以很高的速度( 3 0 0 米秒或更高) 从 喷嘴喷出，靠气液之间的速度差所产生的摩擦力，液体在瞬间被拉成一条条细长 的丝，接着这些液丝在较细处很快断裂而形成微小的雾滴。雾滴的大小取决于糟 对速度和料液粘度，相对速度越高，雾滴越细；粘度越大，雾滴越大。而料雾的 分散度，取决于气体的喷射速度、料液和气体的物理性质，喷雾器的几何尺、f 以 及气液量之比，气液量之比越大则喷雾分散度越均匀。 气体喷雾的优点在于能产生高度均匀且平均粒度小的料雾，这种特性不论是 处理高粘度或低粘度的料液，都可以在一定的运行条件下获得；料液喷射口较大， 减少了普通运行条件下喷嘴堵塞的可能性；不需要高压输送设备，减少了操作维 第一章绪论 修中的许多问题。但这种喷雾器需要在喷嘴系统中安装空气压缩机，使设备的投 资加大；冷的流体进入到干燥器，会使干燥器的蒸发能力明显f 降。 气流式喷雾器在医药、染料、塑料工业使用广泛。 ( 2 ) 压力式赜雾器 压力式喷雾器将连续的液流雾化成细小液滴的原理是：由于受外力的作用， 液体从喷嘴出口不远的距离，克服表面张力，从液膜分裂成细线，加上湍流径向 分速度和周围空气相对速度的影响，使液线再分裂成大小不同的液滴。液流的雾 化主要取决于液流的湍流度。直接影响湍流度的因素有液流压力、流速、喷嘴孔 径和几何形状，以及流体的特性。 喷雾干燥时液滴的喷雾压力通常为o 9 8 1 9 6m p a 。喷嘴孔径一般为0 5 6 i t l l n ，特殊结构的大孔径喷嘴其直径可达1 2m m 。 压力式喷雾器的特点：结构简单，操作时无噪音；改变喷嘴的内部结构，容 易得到所需要的喷嘴形状；大规模生产时可采用多喷嘴喷雾。其缺点是：生产过 程中流量无法调节，要调节流量，必须更换不同孔径的喷嘴；喷孔在lm m 以f 的喷嘴，在喷含有杂质的料液时极易堵塞；不适合用于粘度高的胶状料液及有圊 相分解面的悬浊液的喷雾；喷嘴极易堵塞和磨损，需经常更换。 对于低粘度的料液，采用压力式喷雾器较适宜。由于压力式喷雾器所得雾滴 较气流式大，所以，喷雾造粒。一般采用压力式喷雾器( 有时也采用旋转喷雾器) 。 如洗衣粉、速溶奶粉、粒状染料等均采用压力式喷雾嚣。 从上述两种喷雾器喷出的雾滴，由于具有很大的轴向速度，而使得干燥器具 有很大的高度和较小的赢径，使干燥器呈细长状。 ( 3 ) 旋转喷雾器 料液从中心输入高速旋转( 圆周速度可达9 0 t 4 0m s ) 的转轮或转盘，然 后在轮或盘的表面加速向外流到边缘，在离开边缘时分散成为微细的雾滴。旋转 喷雾器形成个低压系统，操作可靠、简单，可适应进料速度发生波动的情形， 且提高进料速率而无需增加喷雾器，还可以处理磨蚀性的物料。由于流出口较大， 雾化轮几乎不会出现堵塞现象。最重要的一个特点是可以通过控制轮的转速来渊 节颗粒度。平均粒度与进料速率及料液粘度成正比，与转轮速度和转轮半径成反 比。 三种喷雾器喷嘴部分如图1 2 所示。 第一章绪论 1 一气流式喷雾器2 一压力式喷雾器3 一旋转喷雾器 图1 2 三种喷雾器喷嘴 三种喷雾器结构和工作原理上的不同，使得其性能也各不相同。三种喷雾器 性能对比如表1 1 。 表1 1 三种喷雾器的性能比较 比较的条件气流式压力式旋转式 料 一般溶液可以可以可以 液悬浊液可以可以 可以 的膏糊状物料可以不可以不可以 条粘度改变压缩空气难于控制改变转速 件压力 适于低粘度 但是限制 处理量 调节范围较大调节范围最狭窄调节范围j l 、处理魁大 力【1压力 低压3 公斤厘米2 高压1 0 2 0 0 公斤，厘米2低压3 公斤垣米2 拳主泵离心泵柱塞泵离心泵或其它 方泵的维修容易困难容易 式泵的价格低高低 l 喷价格低低尚 雾 维修 晟容易 易磨损容易 器动力消耗最大中等最小 产粒度颗粒较细粗大颗粒微细颗粒 品体积密度 粘度影响较大与雾化方法无关与雾化方法无关 含水量粘度影响较大与雾化方法无关与雾化方法无关 粒度的均匀性不均匀均匀均匀 最终含水量最小较多较低 第一章绪论 与前两种喷雾器相比，采用旋转喷雾器的喷雾干燥器可以在较大的进料速率 范围内正常工作。从喷雾器出来的粒子具有较大豹切向分速度，在二f ：燥室内与1 i 燥空气之间的混合更充分，雾滴与干燥介质之间的热量、质量、动量交换过程进 行得更迅速，干燥室内的温度分布较均匀，因而对干燥器壁的结构材料不必有过 高的耐热要求。所有这些优点，使旋转喷雾器在工业生产e 获得了越来越广泛的 应用。 1 3 旋转喷雾器在垃圾焚烧发电领域的应用 垃圾焚烧发电”1 是指牵j 用专用的垃圾焚烧设备，以城市工业和生活垃圾作为 燃烧介质，然后将其散发的能量进行发电的种新型发电方式。城市生活垃圾是 城市生存与发展所必霈要解决的问题，利用城市生活垃圾发电、供热是解决城市 生活垃圾问题的理想方法之一。利用垃圾焚烧发电、供热，同时实现了城市垃圾 减量化、无害化和资源化利用三项目的，故其社会价值与经济价值都较高。目的 生活垃圾焚烧发电技术主要有机械炉排炉、回转窑式焚烧炉、模组式焚烧炉和流 化床焚烧炉。垃圾焚烧发电工艺流程如图卜3 所示。 图卜3 垃圾焚烧发电工艺流程图 烟气净化系统“1 主要包括烟气吸收净化和烟气除尘两部分。除尘器主要用于 除去颗粒物，而其它污染物主要依靠烟气净化装置去除。典型的烟气净化装最有 以下4 种：半干式喷雾、气体悬浮吸收、于式烟气净化和湿式烟气洗涤。垃圾在 第一章绪论 高温下焚烧可灭菌，分解有害物质，但当工况变化，或尾气处理前渗漏，处理中 稍有不慎等都会造成二次污染，尤其是“二恶英( 烷) ”会诱发癌症。垃圾焚烧站 工艺流程中烟气净化处理( 如洗涤塔) 用于去除焚烧产生的s o 。、h c l 、h f 等酸性 气体，应在焚烧中或烟气中用石灰( 粉或浆) 加以中和，使之无害化。此过程若把 关不严，这些气体直接排入大气中，就会造成二二次污染。由于关系到人民生命的 安全，垃圾焚烧后产生的烟气必须进入烟气净化系统进行处理。由旋转喷雾器为 核心设备的垃圾焚烧发电厂烟气净化系统如下图所示。 图1 _ 4 以旋转喷雾器为核心设备的烟气净化系统 如图1 - 4 所示，该系统主要由旋转喷雾器、喷雾吸收反应塔、浆液贮存槽、 布袋除尘器等设备组成。工作时，被余热锅炉吸收热量后的烟气首先进入喷雾吸 收干燥塔，同时，高速喷雾器向反应塔内喷入雾状c a ( o h ) 2 ( 石灰浆液) 。一方 面吸收剂与烟气中的s 0 2 、h c l 等酸性气体发生化学反应，生成固体产物；另 方面烟气将热薰传递给吸收剂，使之不断干燥。在塔内中和反应后形成的产物为 干粉状，从反应器落灰口排出；反应后的烟气进入除尘器去除颗粒物后排入大气。 飞灰从除尘器落灰口排出。 1 4 旋转喷雾器加工制造的国内外现状 旋转喷雾器是应用于环保、制药、化工等领域的关键机电产品，有着巨大的 市场和商业利益。各发达国家都有专业的公司从事旋转喷雾器的研发和生产，比 较著名的有丹麦的n i r o t7 l 公司、美国k o m l i n e s a n d e r s o n h l 公司、印度 a c m e f i l l 9 1 、比利时s e g h e r s d 0 l 公司等。 美国k o m l i n e s a n d e r s o n 公司旋转喷雾器是使用电机童接驱动雾化轮，不需 第一章绪论 商温下焚烧可灭菌，分解有害物质，但当工况变化，或尾气处理前渗漏，处理c p 稍有不慎等都会造成二次污染，尤其是“二恶英( 烷) ”会诱发癌症。垃城焚烧站 工艺流程中烟气净化处理( 如洗涤塔) 用于去除焚烧产生的s o 。、h c l 、h f 等酸性 气体，应在焚烧中或烟气中用石灰( 粉或浆) 加以中和，使之无害化。此过程若把 关不严，这些气体直接排入大气中，就会造成二二次污染。由下关系到人民生命的 安全，垃圾焚烧后产生的烟气必须进入烟气净化系统进行处理。由旋转喷雾器为 核心设备的垃圾焚烧发电厂烟气净化系统如下图所示。 图1 _ 4 以旋转喷雾器为核一t l , 设备的烟气净化系统 如图l - 4 所示，该系统主要由旋转喷雾器、喷雾吸收反应塔、浆液贮存槽、 布袋除尘器等设备组成。工作时，被余热锅炉吸收热量后的烟气首先进入喷雾吸 收干燥塔，同时，高速喷雾器向反应塔内喷八雾状c a ( o h ) 2 ( 石灰浆液) 。 方 面吸收剂与烟气中的s 0 2 、h c l 等酸性气体发生化学反应，生成同体产物；另 方面烟气将热量传递给吸收剂，使之不断干燥。在塔内中和反应后形成的产物为 干粉状，从反应器落灰口排出：反应后的烟气进入除电器去除颗粒物后排八大气。 飞灰从除尘器落灰口排出。 1 4 旋转喷雾器加工制造的国内外现状 旋转喷雾器是应用于环保、制药、化工等领域的关键机电产品，有着巨夫的 市场和商业利益。各发达国家都有专业的公司从事旋转喷雾器的研发和生产，比 较著名的有丹麦的n i r o t t 公司、美国k o m l i n e s a n d e r s o n 口1 公司、印度 a c m e f i l l 9 、比利时s e g h e r s l l ”j 公司等。 美国k o m l i n e s a n d e r s o n 公司旋转喷雾器是使用电机直接驱动雾化轮，不需 美国k o m l i n e s a n d e r s o n 公一j 旋转喷雾器是使用电机直接驱动雾化轮，不需 第一章绪论 齿轮箱、皮带和联轴器等传动设备。由控制盘控制油雾发生系统润滑喷雾器的轴 承，由流量控制单元控制喷雾器定子的水冷却，控制盘包含基于p l c 的启停控 制和监测功能。采用变频驱动( v f d ) ，根据脉宽调制原则( p w m ) 产生高频电 源。k s 旋转喷雾器功率可达1 7 5 k w ，给料速率最大可达2 2 5 m 3 h ，最高转速可 达1 5 0 0 0 r p m 。可以用来处理由泵抽吸的物料、溶液和溶浆，雾化后液滴的典型 尺寸为3 0 5 0 u m 。k s 旋转喷雾器及其控制盘如图所示。 图卜5k o m l i n e s a n d e r s o n 旋转喷雾器及其控制盘 k s 旋转喷雾器已经有2 5 年的历史，应用于下列领域： ( 1 ) 空气污染控制领域：锅炉的干燥烟气脱硫( f g d ) ；垃圾焚烧厂的干燥 烟气净化( f g c ) ；吸收塔的蒸发； ( 2 ) 各种粉末状化工产品和矿产品的喷雾于燥：无机盐；碳化钨；催化剂； 硅土；瓷土和粘土产品； k s 旋转喷雾器特点如下： ( 1 ) 采用直接驱动方式，雾化轮直接安装在意速电机的刚性轴上，因此减少了 振动出现的可能性( 电机转速运行在刚性轴的一阶临界转速下) ： ( 2 ) 结构紧凑，易于拆卸、安装和清洗( 和齿轮箱设计相比) ； ( 3 ) 雾化轮由钛金属加工，耐磨部分由炭化钨或者金刚砂制作，其设汁与材料 使其既能用于传统的喷雾干燥，也能用于腐蚀性烟气喷雾吸收； ( 4 ) 使用变频驱动，易于调节喷雾器的转速来优化运行性能和产品质量。 丹麦n i r 0 公司的旋转喷雾器生产加工已经有4 0 多年的历史了，和k s 旋转 喷雾器相比，丹麦n i r o 公司的旋转喷雾器有如下特点： 第一章绪论 ( 1 ) 高速电机经齿轮箱加速后将动力传给雾化轮； ( 2 ) 驱动轴采用柔性轴设计，轻微的给料不均或雾化轮的其它轻微不平衡可以 自动补偿； ( 3 ) 内置的闭式循环润滑系统，润滑齿轮箱和高速轴承； ( 4 ) 功率更高，可达2 6 0 k w ： ( 5 ) 处理能力更高，最高可达8 0 t h ： 喷雾干燥技术在世界上已经发展一百多年了，但在我国发展起步较晚。第一 台喷雾于燥机是5 0 年代吉林染料厂从前苏联引进的旋转式喷雾干燥机，用于染 料的喷雾干燥。8 0 年代以前，我国仅上海饮料机械厂等少数几家厂生产少量的 仅三种规格的旋转式喷雾器，且转速在7 0 0 0r p m 左右，喷液量小于5 0 0 k g h 。 目前，我国旋转式喷雾器的最大喷液量为1 0 0 0 0 k g h ，由中国林业科学研究院 林产化学工业研究所研制成功，电机功率9 0 k w ，转速为1 2 0 0 0 r p m ，型号为r w l o t 。 和国外相比，国内喷雾干燥设备存在下列缺点：材质差；加工精度低；设计上有 缺陷；自动化程度低。 我国目前在环保领域应用的旋转喷雾器产品主要依靠进口。深圳市能源环保 有限公司建造的深圳南山、盐田、龙岗垃圾焚烧发电厂，均引进比利时西格斯公 司( s e g h e r s ) 以旋转喷雾器为关键设备的烟气净化系统；新乡太行环保科技公 司在其半干式脱硫系统中采用k o m l i n e s a n d e r s o n 公司生产的旋转喷雾器；天 津泰达环保有限公司建造的双港垃圾焚烧发电厂引进丹麦n i r o 公司的旋转喷雾 器。 1 5 选题背景和论文的主要工作 本项目是天津大学和天津泰达环保有限公司合作进行开发的。由天津泰达股 份有限公司和天津市环境卫生设计院共同投资5 7 亿元兴建的国内第1 个垃圾焚 烧项目国家级示范工程天津双港垃圾焚烧发电厂己正式投产并网发电。该垃 圾焚烧发电厂日处理生活垃圾1 2 0 0 t ，采用连续运行方式，全年处理垃圾约 4 0 0 k t ，每年可发电1 2 亿k w h 。双港垃圾焚烧发电厂对垃圾焚烧发电过程中涉 及的垃圾臭气扩散、污水外渗、焚烧时气体排放、灰渣处理等几个重要环节，都 有特殊设计和安排。目前拟定在天津贯庄建立另一座垃圾焚烧发电厂。目前在双 港垃圾焚烧发电厂烟气净化系统中使用的旋转喷雾器是从丹麦的n i r o 公司进 口。高昂的进口费用和越来越广的国内市场，使得旋转喷雾器翻产化的呼声越来 越高。该项目研制的旋转喷雾器将应用到贯庄垃圾焚烧发电厂项目中。 旋转喷雾器为高速运行的机电设备，其关键技术包括实现雾化轮高速驱动、 保证高速旋转轴运行平稳、保证料液给料均匀和雾化效果良好以及各部件之间的 联锁和控制。 第一章绪论 本文旨在解决旋转喷雾器国产化中的关键技术，提出了用于垃圾焚烧工艺中 石灰浆喷洒的旋转喷雾器的总体设计，使用p r o e 机械设计软件。”1 开发旋转 喷雾器的机械系统，包括驱动系统、润滑系统、冷却系统、喷雾系统和给料系统 等。同时，开发旋转喷雾器监控系统，解决旋转轴振动、电机转速、润滑油温度、 液位及流量、雾化轮保护水压力和流量、石灰浆压力和流量、给料泄漏等运行参 数的监控问题，实现石灰浆流量和冷却水流量的过程控制。 具体研究内容包括： ( 1 ) 阐述了旋转喷雾技术的雾化机理，为旋转喷雾器的设计提供了理论摹础； ( 2 ) 提出了旋转喷雾器机械设计中参数选择的理论依据； ( 3 ) 设计了一套旋转喷雾器机械系统，它由以下几个子系统组成：驱动系统： 润滑系统；冷却系统；给料系统：雾化系统等； ( 4 ) 使用a n s y s 7 0 软件对驱动系统的临界转速进行了有限元分析； ( 5 ) 设计并调试了旋转喷雾器机械系统的监控系统，该监控系统由p l c 和变 频器等构成，对压力、流量、振动和温度等各项运行参数进行峪测： ( 6 ) 设计并搭建了一套实验，验证了转速、给料量等可变参量对旋转喷雾器的 喷雾特性的影响。 第二章旋转喷雾技术理论基础 第二章旋转喷雾技术理论基础 旋转喷雾技术是通过高速旋转产生的离心力使料液雾化为细微的液滴。雾化 程度决定于转速、进料速率、液体性质以及雾化轮的结构形式。喷雾器性能评价 指标f 1 4 l 包括喷雾器产生的雾滴大小、分布以及雾距等。石灰浆雾滴的直径大小对 于半于式吸收塔烟气净化性能有很大影响。石灰浆雾滴直径越小，与烟气中s 0 2 、 h c l 等酸性气体接触的表面积就越大，烟气净化效率就越高；但是，雾滴的直 径过小，蒸发速度过快，会导致石灰浆与酸性气体之间的反应很快进入降速反应 阶段，降低系统的净化效率。石灰浆雾滴的直径过大会使反应面积减小，但反应 时间延长。雾距也是影响半干式烟气净化系统安全经济运行的一个很重要的参 数。喷雾器的雾距过大容易造成石灰浆液粘壁现象，从而引起干燥塔的结渣和腐 蚀等问题。喷雾器雾距过小，气液混合不够充分，系统达不到要求的烟气净化效 粜。 本章将分析旋转喷雾技术雾化的基本理论，探讨影响旋转喷雾技术的雾滴直 径、雾距等性能参数的各项因素，为旋转喷雾器的设计提供理论基础。 2 1旋转喷雾技术雾化理论 许多科研工作者研究过雾化机理，虽然发表了许多文章，看法的分歧仍旧很 大。几种不同的重要理论各自都有实际经验作为基础。目前在工业生产的雾化条 件下应用的雾化机理就是这些先驱者从简单射流的稳定性及崩溃性而褥出的。水 龙头的滴水以及从吸管中缓慢流出的液体是这种早期研究的简单射流系统的例 子，雾化理论就是以此为基础的。每一液滴的形成显示出作用于射流外部及内部 的力将液体分裂这一基本的雾化步骤。这些力破坏了射流原来的稳定状态。水龙 头的滴水是由于重力的作用。这种基本的散裂现象可用简单的关系说明。将它推 广到比较复杂的情况裁可得出关系到喷雾干燥的雾化机理。但是工业雾化中的实 际情况是十分复杂的，这种理论还不够充分。除了由于在雾化器边缘液体的不均 运分布造成液体的不规则散裂外，料雾在离开雾化器以后，与周围空气的相互作 用情况相当复杂，如液滴内部存在难以确定的应力，料雾中的雾滴还会相互影响。 雾化是能量作用在液体柬上的结果。雾化过程中极少量的能量用于产生新的 表面。在某一点上集中的力就会使液体散裂成为料雾中的各个雾滴。不同的雾化 技术可对液体采用不同形式的能量，而各种雾化器的共同之处是使用能量将液体 散裂。常用的能量形式有离心力、压力、动能等。用于工业雾化器运行条件下的 雾化机理可概括为液体在雾化轮边缘立即散裂。散裂是由排出的液体中的紊流与 第二章旋转喷雾技术理论基础 空气作用的结果，而阻力则是在液体的粘度及表面张力。液滴进入空气中后，内 部剪切应力的重新调整则是进一步散裂的另。个因素。不过雾化机理目前还没有 完全弄清楚。 2 1 1 石灰浆雾化原理 石灰浆是含有一定量的水和石灰粉混合而成的一种非牛顿流体。它的雾化破 碎过程可分为射流破碎雾化和液膜破碎雾化两种枫理f 珏j 。 1 射流破碎雾化 最早提出射流破碎不稳定理论的是瑞利1 6 】。他认为液滴形成的基本理论就是 液体自由表面的稳定性遭到破坏所致。当液体射流上出现一个小的扰动以后，如 果扰动的幅值逐渐增长，以致达到未受扰动的液体射流直径的一半时，这个射流 就变得不稳定，进而破碎成为液滴。瑞利所提出的理论，其局限性在于只是假设 液体的表面张力是唯一抵抗液体破碎的力，而没考虑液体的粘性力。事实二石灰 浆是一种高粘性的液体，因此瑞利理论显然与石灰浆雾化情况不符。 由于瑞利理论存在着很大的局限性，韦伯】发展了瑞利所提出的理论，并引 入液体粘性力，导出了形成粘性射流最大不稳定性的比值： ；：万压( 1 + - 羔譬) ( 2 1 ) d on o c t o 式中 为扰动波长，“为液体的粘度，d 为液体的密度，o - 为表面张力，d 。 为喷口直径。 如果在高速旋转影响射流破碎的情况下，离心力是促进射流破碎的主要剿 素，破碎后的液滴尺寸取决于离心力和表面张力的比值： 矿：螋( 2 2 ) 盯 式中呒为韦伯数，n 为液体的密度，甜为雾化轮旋转角速度，r 为雾化轮半 径，口为表面张力。 从物理意义上来看，韦伯数是两种力：离心力和表面张力的比值，离心力促 进射流的破碎而表面张力阻止射流的破碎，彬值越大则液体破碎的倾向性越大， 液体也就约容易破碎。石灰浆射流在离心力的作用下是否能够破碎取决于韦伯 数，当巩大于某一临界值时，射流能够破碎而形成细小的雾滴。 2 液膜破碎雾化 对于旋转式雾化轮，t a y l o r 1 8 1 认为雾化是由液膜的不稳定而引起的。如图2 - 1 所示。石灰浆从雾化轮喷出后，形成液膜，由于液膜的不稳定而产生波动并逐渐 第二章旋转喷雾技术理论基础 增长，直至半个波长或整个波长的液膜被撕裂下来，然后由于液体表面张力的作 用而再收缩成为液滴。 图2 - 1 液膜破碎过程 0 d o m b r o w s k i | l9 j 等人对平面液膜的破碎液进行了研究。他们认为平面液膜的 破碎过程是这样：首先由于扰动再液膜上形成许多孔洞，在表面张力的作用下， 这些孔洞不断扩展，直至其边界相互接触，从而将液膜表面撕裂成许多柱状的液 线，然后这些液线遵循表面张力作用下的表面波不稳定性理论发展直至破碎。他 们的理论和实验结果比较吻合。 2 1 2 旋转喷雾技术雾化过程 当石灰浆液体注入到高速旋转的雾化轮上时，石灰浆液体受两种力的作用： ( 1 ) 离心力和重力作用下得到加速而分裂雾化；( 2 ) 同时液体和周围空气的接 触处，由于存在摩擦力促使形成雾滴。 旋转喷雾器上液体的雾化过程【2 0 】基本上可划分为三种：滴状雾化、丝状雾 化和膜状雾化。 滴状分裂当盘的圆周速度和进料速率都很低时，溶液的粘度和表面张力的影 响是主要的，雾滴将单独形成并从盘边缘甩出。如图2 2 所示。对于直接形成液 滴的雾化情况( 低进料速率和低盘转速时) ，液滴尺寸大约等于在盘周边表而 = = 液膜的厚度。 ( a ) 滴状分裂( b ) 丝状分裂( c ) 膜状分裂 图2 - 2 旋转喷雾器的雾化过程 丝状雾化当盘转速和进料速率较高时，由于表面张力和外力的作用，料液被 第二章旋转喷雾技术理论基础 拉成液丝，液丝极不稳定，距雾化轮不远处就迅速断裂，变成无数小液滴。 膜状雾化当液量较大时，液丝数目与厚度均不再增加，液丝间相互合并成连 续的液膜。这些膜由圆周周边伸长至一定距离后破裂，分散成雾滴。 三种雾化过程可能出现在不同的操作阶段，也可能同时出现，但总有一种是 主要的雾化形式。以哪一种为主要的雾化形式则与雾化轮的形状、直径、转速、 进料量、料液的表面张力和粘度有关。 2 2 旋转喷雾技术主要参数的经验公式 雾滴的大小和均匀性是衡量旋转喷雾器性能的主要指标。旋转喷雾器产生的 雾滴大小与喷雾的均匀性主要取决于圆周速度和液膜厚度。进料量、盘的润湿周 边和盘的转速决定液膜厚度。理论上当盘的圆周速度6 0 m s 时，液膜不均匀问题 即可避免，在实际操作时，盘的圆周转速一般为9 0 1 5 0 m s 。 对于旋转喷雾器的雾化特性，有很多经验公式可以应用。对于不同形式的雾 化轮，经验公式也会相应变化。 2 2 1 雾滴直径的计算 雾化轮的型式主要有光滑雾化轮、多管雾化轮、多叶雾化轮。对于不同的雾 化轮，都有其相应的雾滴直径计算的经验公式。 ( 1 ) 光滑雾化轮 2 1 对于光滑雾化轮，随着操作条件下雾化机理的不同而变化。 在较低的进料速率下，雾化机理是由液体直接雾化成雾滴，滴状分裂情况下， 平均雾滴直径可由下式计算 妒粥叫鼎| _ 沼， 式中d 。雾滴直径，m ： p 一体积进料速率，m 3 m i r a 一一料液粘度，1 0 4 ( p a s ) ； p 料液密度，g c m 3 ： 口一雾化轮直径，m ： n 雾化轮转速，r m i r a 在较高进料速率下，雾化机理为丝状分裂，这时产生的平均雾滴直径可用下 式计算 广 ， 1 妒s 瓤l ( 南 ( 华兀等 1 l 。， 第二章旋转唼雾技本理论基础 式中盯料液的表面张力，1 0 n m ：e 一给料速度，k g m 。 当进一步增加进料速率后，在雾化轮的边缘首先出现液膜，由液膜的分裂产 生雾滴，膜状分裂的平均雾滴赢径可用下式计算 2 面蔽万丽鬲2 瓦3 4 g d p 五磊再赢研( 2 - 5 )2 面蔽万丽鬲瓦五磊再赢研 ( 2 ) 多管式雾化轮【2 1 j 在忽略了雾化轮形状对雾滴的影响时，有人提出了f 列多管式雾化轮雾滴直 径计算的经验公式 a s = 9 8 5 1 。j y 旦叩 ( 2 _ 6 ) 式中d 雾滴直径，m ： r 雾化轮半径，m ； p 料液密度，k g m 3 盯料液表面张力，n m ；其它参数同上。 ( 3 ) 多叶式雾化轮【2 l 】 d 。= 丽1 4 x 1 0 丽4 g t m 芦 2 7 ) 2 丽矛哥 心 式中d 。雾滴面积平均直径，m ； 一雾化轮直径，m ； h 雾化轮叶片高度，m ； r l 雾化轮叶片个数，个； e 一给料速度，k g h ； n h 总湿润周边，m 。 上式适用于圆周速度低于1 1 0 r n s ，给料速度低于8 0 0 k g h 场合。 当料液粘度低时，也可采用下式近似计算雾滴的直径： d a y = 百4 5 5 、瓦o j i 1 0 4 ( 2 8 ) 3 百、瓦i 。1 0 。2 8 式中d 。，雾滴算术平均直径，u m ； p 料液密度，g c m 3 。其它参数同上。 最大滴径d 。= 3 d ”。但在单一分布时，d 。= ( 1 5 2 0 ) d 镕。 在本文中雾化轮转速n 取1 4 0 0 0 转分，石荻浆雾化后的雾滴直径取7 0u m 第二章旋转喷雾技术理论基础 石灰浆密度p 为1 6 1 0 3k m 3 ，表面张力盯约为2 0 1 0 3n m ，代入经验公式 ( 2 - 6 ) 计算得雾化轮半径r 为1 0 5m m 。 2 2 2 雾距的计算 从雾化轮喷射出来的液滴飞行距离，对于确定干燥塔真径具有决定意义。雾 化轮的雾距，通常以水平面有9 0 - - 9 9 雾滴降落的直径作为离心喷雾的雾距。 在喷雾过程中，由于与空气的摩擦，小雾滴要比大雾滴更快地失去最初速度，因 而液滴直径越大，其分散越不一致，雾距的直径也越大。当其他参数不变时，雾 距的直径将随着给料量的提高而增大。相反，当雾化轮转速增加时，雾距南径将 随之减小。 一般采用在静止空气状态下的经验公式来计算液滴沿径向飞行的距离。 m a r s h a l l 通过实验测得在雾化轮下面o 9 m 处，雾滴占全喷雾量的9 9 。液 滴的飞行距离计算式如下【2 0 】： ( 如) 0 9 = 3 4 6 d o3 g “2 5 n 。“ ( 2 9 ) 式中 ( 岛。) 。雾滴的雾距，m 一雾化轮直径，m ； o 一给料速度，k g m ； n 雾