转炉一次除尘新OG系统高效喷淋塔喷嘴雾化效果的实验研究

2020-01-15曹博文钱付平黄小萍夏勇军

安徽工业大学学报（自然科学版） 2019年3期

曹博文，钱付平，黄小萍，胡笳，夏勇军

(1.安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山243032；2.安徽欣创节能环保科技股份有限公司，安徽马鞍山

243071)

炼钢生产是钢铁工业的一个重要环节，目前我国转炉炼钢的产量占比超90%[1]。作为转炉炼钢生产的核心工艺之一，转炉一次除尘新氧气顶吹转炉煤气回收(oxygen converter gas recovery,OG)系统能够将高温含尘烟气进行降温、除尘以及回收[2-3]。转炉一次除尘新OG系统中高效喷淋塔的性能对系统的运行效率起关键的作用。喷雾冷却技术拥有降温除尘高效、运行维护简单、投入资金不高等优点，在喷淋设备中普遍使用[4]。喷嘴结构与雾化参数对其雾化效果有极大影响。目前国内外众多学者对喷嘴雾化效果进行了大量实验研究。文献[5-6]使用马尔文粒度仪研究了不同结构形式的喷嘴以及液体黏度对雾化特性的影响；文献[7-8]利用激光相位多普勒粒子分析仪分别研究了多孔喷嘴的喷雾形成过程、雾化效果以及压力式雾化器运行参数对液滴平均直径的影响；文献[9]利用激光粒子图像测速仪研究了燃油喷嘴压力与孔径对雾化特性的影响；金仁喜等[10]基于图像处理技术并利用最小二乘法总结了蒸发冷却式喷嘴的压力、流量与孔径之间的关联式。虽然采用上述仪器测试精度较高，但操作复杂且价格昂贵，目前很难得到广泛应用。

数字图像处理技术拥有便捷、高效等优点且测试数据的可信性已得到验证。鉴于此，本文以新OG系统中的高效喷淋塔为研究对象，对喷嘴雾化效果进行实验研究。基于闪光摄影法并利用MATLAB图像处理技术对雾化场取像并进行数字化处理，对统计的雾化液滴粒径、数量等参数进行处理与分析，计算不同工况下雾化液滴粒径分布和索太尔平均直径(Sauter mean diameter,SMD)等并研究液滴分布和变化规律，为转炉一次除尘新OG系统高效喷淋塔的设计与优化提供理论依据。

1 实验

1.1 实验装置与工作原理

实验装置及运行流程见图1，该装置包括：循环水池、水泵、电动流量控制阀、转子流量计、弹簧压力表、压力旋流式喷嘴(4分不锈钢1.5,2.0,2.4 mm喷头)、Canon EOS 7D Mark II 数码相机、图像采集与处理器(Dell Inspiron 5370)、幕布(黑色)、固定减震装置与连接水管。循环水池里的自来水被水泵送入竖直向下喷射的压力旋流式喷嘴；电动流量控制阀用来调节水流量，流量与压力分别由转子流量计与弹簧压力表测得；为避免环境温湿度和空气流动变化对图像采集造成影响，实验在黑暗且无风，温度、相对湿度恒定在25 ℃、60%的空间中进行。对流量Q=0.15，0.20，0.25，0.30，0.35 kg/s，孔径d=1.5，2.0，2.4 mm的压力旋流式喷嘴分别进行雾化实验，并选取距喷嘴出口下游分别为100，500，1 000 mm的H1，H2，H3三个位置为数字图像采集点。

图1 实验装置Fig.1 Experimental set-up

1.2 图像采集与处理方法

图2为图像数字化处理流程，喷嘴液滴所形成雾化场的图像采集与处理流程为：在无风、无光的空间里，待形成的雾化场稳定后，采用Canon EOS 7D Mark II数码相机，基于闪光摄影法对不同孔径的压力旋流式喷嘴在不同工况下形成的雾化场进行取像，通过MATLAB编程对所拍摄的图像进行预处理和阈值化。

采用二值图像统计雾化液滴的粒径及数量等参数。利用MATLAB中bwlabel函数识别图像中的相关成分信息，对所需统计的对象采用八通法进行标记；通过imcrop命令进行交互式操作，将图像分割为一个个较小的矩形，采用矩阵的形式将目标和背景内的像素点提取出来；基于label2rgb函数将标记矩阵可视化处理，使其转换为伪彩色的索引图像；通过regionprops命令将数据转化为向量的形式并对图像中需要统计对象的信息进行检测，读取每个液滴包含的范围，进而对所得信息进行处理和分析以生成雾化特性参数。

图2 图像数字化处理流程Fig.2 Digital image processing flow

2 实验结果与分析

2.1 不同高度下液滴粒径分布

在流量Q=0.2 kg/s、喷嘴压强p=0.3 MPa 的工况下，对孔径d=1.5 mm 的压力旋流型喷嘴进行雾化实验。采用雾化液滴的粒径分布直方图描述液滴粒径的尺寸分布，研究喷嘴液滴雾化效果[11]。液滴的粒径分布如图3所示。由图3可见，高度H=100，500，1 000 mm时液滴粒径分布在200～450 μm范围内的液滴数量分别占46.2%，63.3%，70.1%。由此可见，在一定的高度范围内，随着距离喷嘴出口高度的增加，小粒径液滴的数量呈现明显增多趋势，雾化场气液两相之间的接触面积增加，进而增强传热与传质。

图3 不同高度下液滴尺寸分布Fig.3 Distribution of droplet size at different heights

液滴累计百分数分布如图4所示。采用分散度对液滴雾化的均匀度进行量化评价，分散度用跨径LSPAN表示，计算公式为[12]

图4 不同高度下液滴累计百分数分布Fig.4 Cumulative percentage distribution of droplets at different heights

式中δ10，δ50，δ90分别对应液滴累计百分数为10%，50%，90%对应的液滴直径。跨径越大，分散度越大，雾化均匀性越差。高度为H1时液滴跨径为0.667，高度为H2时液滴跨径为0.706，高度为H3时液滴跨径为0.789。由此可见，在一定范围内，距离喷嘴出口越远，液滴跨径值越大，雾化均匀性越差。

雾化液滴由喷嘴喷出后，随着高度H的增加，液滴在周围气流的卷吸作用下，发生了不同程度的分解、破碎，液滴直径逐渐减小，大粒径的液滴不断分解为小粒径，导致小粒径范围内的液滴增加，从而影响液滴粒径分布均匀性。但是由于小粒径液滴数量的不断增加，雾化场液滴的表面积增大，故能够有效增强气液两相之间热质交换的效率。

2.2 SMD与流量和孔径的关系

液滴平均直径是喷嘴雾化性能的主要参数之一，采用容积-表面平均直径D32(SMD)研究喷嘴雾化场的液滴分布特性，计算式为[13]

式中：D为的液滴粒径；N为直径D的液滴数。SMD值表示雾化场中液滴体积与总表面积之间的比值，SMD值越小，在相同体积下的液体表面积就越大，雾化效果越好[13]。

对孔径d 为1.5，2.0，2.4 mm 的压力旋流式喷嘴，在喷嘴流量Q为0.15，0.20，0.25，0.3，0.35 kg/s的条件下分别进行雾化实验。图5 为雾化场中液滴SMD 随喷嘴流量与孔径的变化曲线。由图5 可看出：对于不同孔径的压力旋流式喷嘴，SMD 随着喷嘴流量的增加而增加，其变化趋势大体上一致；喷嘴流量相同时，喷嘴孔径越小，SMD越小，雾化效果越好。这是因为随着孔径的减小，液滴流速越快，喷嘴出口处液滴的动能越大，从而促进了液滴的分解、破碎。