空气助力式脱硫喷嘴喷雾特性试验

王韶晖，石振晶，白少林，雷 鸣，牛拥军

（西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

湿法烟气脱硫是现今燃煤电厂应用最为广泛的脱硫工艺[1-3]，脱硫喷嘴是其中的关键部件，喷嘴雾化性能优劣对脱硫效率的影响举足轻重。雾化粒径作为脱硫喷嘴的一个重要雾化性能参数，一方面影响SO2在脱硫剂液滴中的扩散吸收速率[4]，另一方面也关系到液滴是否会被烟气大量携带而造成脱硫剂的损失和除雾器负担的加重[5]。通常，脱硫喷嘴雾化粒径在1 300～3 000 μm[6]。李荫堂等[7]研究表明，在一定的烟气流速下，合适的雾化粒径范围应该在700～1 500 μm。因此，脱硫喷嘴的雾化粒径有进一步降低的需要。

国内外学者对于空气助力改善雾化质量有过很多研究，例如Ooms[8]在假设气、液均为理想流体的情况下，提出了环状液膜的稳定性分析模型。Li和Shen等人[9-11]应用线性稳定性理论分析并通过试验研究，得出内层气流比外层气流更能加剧液膜的不稳定性，与单侧气流相比，双侧气流更能提高雾化效果。曹建明等[12-14]通过理论分析和试验研究了可压缩气流对液膜破碎过程的促进作用，指出高速气流在喷嘴内部或外部与低速液体混合，会极大地提升液体雾化效果。然而，空气助力式喷嘴在燃油喷雾等领域研究众多，在脱硫雾化方面的研究却很少。刘定平和余海龙等[15-16]研发过1种内置拉法尔气体喷管的新型脱硫喷嘴，取得了良好的雾化效果，但是该喷嘴雾化粒径过小（250 μm以下），并不适用于脱硫工程。因此，有必要对空气助力式脱硫喷嘴性能进行深入研究。

本文根据空气助力式喷嘴雾化机理，在脱硫工程常规空心锥旋流喷嘴的基础上自行设计空气助力式脱硫喷嘴，并对该型喷嘴的雾化性能展开试验研究，以期对空气助力式喷嘴在脱硫工程上的推广应用提供一定的指导。

1 喷雾试验

1.1 试验喷嘴

试验所用空气助力式脱硫喷嘴由2部分构成：一部分是前端空气助力配气结构，另一部分为后端常规脱硫喷嘴。

前端空气助力配气结构是在喷嘴液相来流管道上接入“L”形进气管。进气管的入口段与液相来流管道垂直，出口段与液相来流管道同轴平行。前端空气助力配气结构共有2种，结构如图1所示。

图1 配气结构示意Fig.1 Schematic diagram of the gas distribution structure

配气结构1进气管出口段末端与喷嘴入口平面对齐；配气结构2进气管出口段稍短，使该结构具有更长的气液混合距离。该前端空气助力配气结构的优点在于：当高速气流接入低速液相管道，液相流体将被加速，液相流体以更高的动能进入旋转室后喷出，有利于喷雾液滴的生成及破碎；其次气液混合流体在脱硫喷嘴旋转室内快速旋转时，气液两相密度差较大，在离心力的作用下气相流体从中剥离并作用在液相内部，将增大喷嘴空心喷雾锥环状液膜内部的不稳定性，同样有助于喷嘴雾化。后端常规脱硫喷嘴是将脱硫工程中实际应用的空心锥旋流喷嘴按1:4比例缩小制成。该喷嘴额定流量5 m3/h，额定压力70 kPa，与配气结构通过螺纹连接，其结构如图2所示。该喷嘴与实际应用的全尺寸脱硫喷嘴相比，额定压力相同，额定流量约为后者的1/10，额定工况下二者雾化粒径均在1 900 μm左右。由于相同压力下雾化粒径随喷嘴几何结构尺寸变化幅度不大[17]，本文试验结果可为空气助力喷雾在全尺寸脱硫喷嘴上的应用提供参考。

图2 常规脱硫喷嘴结构示意Fig.2 Schematic diagram of the conventional desulfurization nozzle structure

1.2 试验系统及测试设备

试验系统如图3所示。试验采用清水为液相工质，压缩空气为气相工质。压缩空气由1台空气压缩机供给，依次通过减压阀、涡街流量计、逆止阀、配气结构进入喷嘴；清水从水箱经水泵、逆止阀、电磁流量计，进入喷嘴雾化；喷雾由收集平台回收，最后汇入水箱。水箱顶部连接补水管、排气管及溢流管，底部设放水阀。

图3 试验系统示意Fig.3 Schematic diagram of the experimental system

喷嘴液相体积流量采用电磁流量计测定，量程为0~162 000 m3/h，精度0.5级；气相体积流量采用一体温压补偿型涡街流量计测定，量程为8.5~70 m³/h，精度1.5级。气液两相压力均采用压力变送器测定，量程为0~500 kPa，精度2.5级。

喷嘴雾化粒径由图像粒度分析仪测量。该仪器属于动态图像粒度分析设备，由测量部件、移动导轨、型材框架组成。测量部件中部有窄缝，窄缝两侧相向布置CCD高速相机与LED光源。当喷雾液滴从窄缝中间通过时，高速相机拍摄液滴的瞬时影像，同时将图片数据传给计算机。计算机内配套软件将所得图片进行格式变换、灰度化、图像增强等数字图像处理，获得粒子数目、像素面积等信息，将像素面积换算成等面积圆，再测量计算出液滴长度平均直径、索太尔平均粒径（SMD）及一系列粒径分布信息。雾化液滴粒径通常使用SMD描述：

式中，di为液滴长度直径，Ni为长度直径是di的液滴数量。

喷嘴喷雾角由计算机导入的相机拍摄照片通过图片处理软件直接测读。相机采用单反数码相机，总像素1 080万，CCD传感器。喷雾角测量时，试验相机放置于三角架上，镜头保持与喷嘴出口轴线平行，测量位置在正对喷嘴来流方向。

2 试验结果及分析

2.1 喷嘴单相喷雾试验结果

为研究空气助力式脱硫喷嘴前端配气结构对后端常规脱硫喷嘴喷雾性能的影响，首先以水为液相工质进行单相喷雾试验。本阶段试验选在喷嘴额定流量上下一定范围内（3~8 m3/h）进行。

2.1.1 压力与流量的变化关系

由试验数据得出单相喷雾的压力随流量的变化关系如图4所示。

图4 单相喷雾流量与压力关系Fig.4 The relationship between the flow rate and the pressure of single-phase spray

由图4可知：前端配气结构不同的3种喷嘴，随着喷嘴流量的增加，其压力均逐渐升高且升高幅度逐渐变大；相同流量下有配气结构的喷雾压力比无配气结构略高。这是由于：空心锥旋流喷嘴的流量与压力的平方根近似呈线性关系[6]，随着流量增加，压力增长会更快；配气结构气相出口段占据了一定的液相管路体积，液相通流面积减小，流动阻力增加引起压力升高。而配气结构1由于进气管出口段较长，喷嘴压力升高幅度更明显些。

2.1.2 SMD与流量的变化关系

单相喷雾液滴SMD与流量的关系如图5所示。从图5可知，喷雾液滴SMD均随着流量的增加而逐渐减小，但减小的趋势逐渐趋于平缓，即便试验流量达到最大，喷雾液滴SMD最小值也均在1 600 μm以上。这说明单纯依靠流量的增加来降低液滴粒径的效果不明显。还可以看出，增加配气结构后喷雾压力升高，SMD略微降低。这是由于相同流量下，喷嘴压力越高，压力势能最终转化为动能后喷嘴出口液滴速度越快，液滴的快速运动是引起破碎的有利条件，所以有配气结构的喷嘴喷雾液滴SMD较小。小液滴有更佳的稳定性，再次发生破碎会更困难。从图5中也可看出，随着流量的增加，这种配气结构对粒径的影响越小。

图5 单相喷雾SMD与流量关系Fig.5 The relationship between the SMD and the flow rate of single-phase spray

2.1.3 喷雾角与流量的变化关系

单相喷雾喷雾角与流量的关系如图6所示。从图6中可知：在流量较小时，喷雾角均随流量的增加而小幅增大；在流量达到6 m3/h以上，喷雾角基本保持稳定；单相喷雾的喷雾角大小几乎不受配气结构的影响。

可见，在无空气助力液相喷雾条件下，配气结构对常规脱硫喷嘴各项喷雾性能整体影响不大。

图6 单相喷雾喷雾角与流量关系Fig.6 The relationship between the spray angle and the flowrate of single-phase spray

2.2 喷嘴两相喷雾试验结果

在两相流喷雾试验中，气液质量比w是一个重要的参数，其计算式为

式中，Qai为喷嘴入口气体的体积流量，ρai为喷嘴入口气体的密度，Qli为喷嘴入口液体的体积流量，ρli为喷嘴入口液体的密度。

试验中，气液质量比通过调节喷嘴入口气液两相体积流量实现。受空气压缩机排气量限制，本文试验选择在液相流量试验跨度较小的范围内进行，即3~6 m3/h。

2.2.1 液相压力与气液两相流量的变化关系

不同工况下液相压力与气液两相流量的关系如图7、图8所示。从图7、图8中可以看出，同一气相流量下，液相压力随着液相流量的增加而升高，这和单相喷雾试验中压力与流量变化规律相同。由于本文试验液相流量跨度较小，液相压力随着液相流量近似呈线性关系。另外，在同一液相流量下，气相流量的增加，也会引起液相压力的升高。这是由于气相工质流量递增不断挤占液相工质的通流空间，造成液相工质流动阻力增大，液相压力升高。

结合图7、图8与图4可知：在相同液相流量下，加入气相工质后，液相压力明显升高；采用配气结构2的喷嘴液相压力升高幅度大于采用配气结构1的喷嘴。这是由于，配气结构2的气相出口距离喷嘴出口更远，增加了气相工质与液相工质的相互作用空间，气相工质从高压管路进入低压管路后体积膨胀更多，挤占液相工质通流空间更大，因此液相压力升高更多。而配气结构1气相出口离喷嘴出口很近，气相工质更容易直接从喷嘴出口流出，故而对液相压力影响有限。

图7 配气结构1两相喷雾液相流量与压力关系Fig.7 Changes of the liquid pressure with the flow rate of two-phase spray liquid phase in gas distribution structure 1

图8 配气结构2两相喷雾液相流量与压力关系Fig.8 Changes of the liquid pressure with the flow rate of two-phase spray liquid phase in gas distribution structure 2

2.2.2 气液质量比w对SMD的影响

在选定的w调节范围内，w对喷雾液滴SMD的影响如图9、图10所示。从图中9、图10可以看出：相较于w=0时的单相喷雾试验，加入气相工质的两相喷雾试验液滴SMD明显降低；当w达到0.002以后，2种配气结构喷嘴的两相喷雾液滴SMD均能降低到1 400 μm以下；在相同液相流量下，随着w的升高，SMD逐渐降低，但SMD下降趋势逐渐减缓。

图9 配气结构1两相喷雾SMD与气液质量比关系Fig.9 Changes of the SMD with the gas-liquid mass ratio of two-phase spray in gas distribution structure 1

图10 配气结构2两相喷雾SMD与气液质量比关系Fig.10 Changes of the SMD with the gas-liquid mass ratio of two-phase spray in gas distribution structure 2

结合图9与图10可知，在相同工况下，采用配气结构2的喷嘴比采用配气结构1的喷嘴喷雾液滴SMD低。这是由于采用配气结构2的喷嘴喷雾液相压力相对较高（图7、图8）。这进一步说明，喷嘴在相同流量下，喷雾压力越高，雾化液滴粒径越小。

2.2.3 液相流量对喷雾角的影响

两相喷雾试验喷雾角与流量的关系如图11、图12所示。

图11 配气结构1两相喷雾喷雾角与液相流量关系Fig.11 Changes of the spray angle with the liquid phase flow of two-phase spray in gas distribution structure 1

图12 配气结构2两相喷雾喷雾角与液相流量关系Fig.12 Changes of the spray angle with the liquid phase flow of two-phase spray in gas distribution structure 2

由图11、图12可知，在相同w下，两相喷雾试验喷雾角随液相流量的变化规律与单相喷雾试验类似，即随着液相流量的增加，喷雾角先小幅增长后保持稳定。而在相同液相流量条件下，相比于单相喷雾试验，气相工质的引入使得喷嘴的喷雾角有大幅扩大，扩大幅度在20°左右。在此基础上，随着w的增加，喷雾角的上涨幅度并不明显。采用配气结构1与配气结构2，喷嘴喷雾角变化规律没有显著差别。

3 结 论

1）空气助力式脱硫喷嘴在不通入气相工质时，自行设计的配气结构对常规脱硫喷嘴液相喷雾的各项性能整体影响不大，其中配气结构2对喷嘴喷雾性能影响稍小。

2）常规脱硫喷嘴仅通过增加液相流量而降低喷雾粒径的效果有限。而空气助力式脱硫喷嘴，通入气相工质后，雾化水平明显提高。当气液质量比w在0.002~0.005，2种配气结构的喷嘴喷雾液滴SMD均会显著降低至900~1 400 μm。采用配气结构2的喷嘴雾化效果更好。相同液相流量下，SMD随w的增加而减小，但SMD降低趋势逐渐减缓。

3）空气助力式脱硫喷嘴在同一气相流量下，喷雾角随液相流量的增大先小幅增加，当液相流量大于6 m3/h后逐渐稳定。在同一液相流量下，气相工质的介入使喷雾角有将近20°的大幅增加，但随着w的继续升高喷雾角增加趋缓。