空氣霧化水煤漿噴嘴流量特性試驗研究

戴研究與探討空氣霧化水煤漿噴嘴流量特性試驗研究趙子通,周俊虎,黃鎮字,杜聰,趙琛杰,周志軍,劉建忠(浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室,浙江杭州310027)摘要:對大客量撞擊式空氣霧化水煤漿噴嘴進(jìn)行了試驗研究,分析了噴嘴運行參數和噴嘴內各主要結構參數對噴嘴流量特性的影響以及研究了噴嘴霧化效果,經(jīng)過(guò)對試驗數據的分析,分別指出了各個(gè)因素的彩響程度、原因及相應調節方窠,同時(shí)得出新開(kāi)發(fā)噴嘴的霧化效果完全滿(mǎn)足燃燒要求,對以后此類(lèi)噴嘴的研究有一定的指導意義。關(guān)鍵詞:空氣霧化;噴嘴;流量特性中圖分類(lèi)號:TK263.4文獻標識碼:A文章編號:1004-3950(2010)02-0001-05Study of the flow characteristics for the air-atomized CwS nozzleZHAO Zi-tong, ZHOU Jun-hu, HUANG Zhen-yu, et alState Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, ChinaAbstract: The atomization characteristics of CWS nozzle using air as the atomization medium were investigaled, the operating parameters and the main structures of the new nozzle that impact of its flow characteristics and atomizing proper-ties were analyzed. By the result of experiments, the influent effects of various factors for the new nozzle, as well as thecauses and corresponding adjustment program were pointed out. Finally, the newly developed nozzle atomizing proper-ties fully meet the combustion requirements which provide reference for the future study of this kind of nozzleKey words: air atomization; nozzle; flow characteristic0前言耗降低約20%。由于水煤漿的粘度較高(約為0.5-2Pas),遠高于重油(0.03~0.08Pas),對中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國,于這種高粘度、高濃度非牛頓固液兩相流體,實(shí)現在一次能源消費構成中,煤炭的份額比世界平均良好的霧化是相當困難但又十分重要的,為解決值高41%山。同時(shí)中國對石油的消耗也迅猛增這種高粘度工質(zhì)的霧化質(zhì)量問(wèn)題,采用或改造了加中國石油消費量已由1995年的1.611增加到大量液態(tài)工質(zhì)霧化方法。早期應用較為廣泛2000年的2.11t,年均增長(cháng)率565%,而2007年我的水煤漿噴嘴多為Y型1-”、T型10和旋流國原油表觀(guān)消費量約為346億t,同比增長(cháng)73%,型:13,為了改善噴嘴的霧化效果,很多學(xué)者綜達歷史高位23。從保證石油安全穩定供應的角合了氣力對沖撞擊式霧化噴嘴的特點(diǎn)進(jìn)行噴嘴度考慮中國必須采取各種措施減緩石油消費的結構的改造,即為組合式霧化噴嘴,這種噴嘴增加幅度;與此同時(shí),從能源環(huán)境與能源經(jīng)濟考慮,通過(guò)對液體進(jìn)行多級深度霧化,達到提高高粘度中國必須加快潔凈煤技術(shù)的發(fā)展走能源可持續發(fā)流體霧化的效果。如浙江大學(xué)自行研制的撞擊式展道路。水煤漿技術(shù)屬于我國潔凈煤技術(shù)中煤炭水煤漿噴嘴在山東白楊河電廠(chǎng)的成功應用,不加工部分,它可以大量利用煤粉、大量減少煤粉燃僅體現出組合式噴嘴高效霧化性能,而且噴嘴的燒帶來(lái)的粉塵污染,經(jīng)物理加工即可達到以煤節容量從原來(lái)的Ith提高到現在的6t/h,為發(fā)展油、代油的目的“。1.8~2.It水煤漿可代替It大容量水煤漿噴嘴提供了寶貴的經(jīng)驗原油燃用水煤漿可使燃燒效率提高5%-10%,能為了提高水煤漿鍋爐的運行效率,進(jìn)一步降收稿日期:2009-12-23基金項目:國家重點(diǎn)基礎研充發(fā)展規劃項目(973項目)資助(2010CB227001)作者簡(jiǎn)介:趙子通(1984-),男,壯族,廣酉南寧人,確士研究生,主要從事水煤漿噴嘴的開(kāi)發(fā)和應用研究研究與探討菜L低成本和能耗,采用壓縮空氣來(lái)代替蒸汽作為霧度測量采用LS200分體式激光噴霧粒度分析化介質(zhì)是新的嘗試。由于空氣本身含水量很低,儀測量范圍為0.5~1000μm?？紤]到水煤漿粘并能給水煤漿燃燒提供一定的氧量,而且在霧化度大霧化過(guò)的水煤漿容易沉淀,且試驗裝置的清過(guò)程中與煤漿能夠充分混合,這對于水煤漿的著(zhù)洗較困難,實(shí)驗時(shí)采用建筑膠水來(lái)代替水煤漿進(jìn)火很有幫助;同時(shí)能減小排煙量和降低腐蝕。行冷態(tài)霧化試驗,試驗噴嘴結構如圖2所示。壓縮空氣霧化代替蒸汽霧化對于在燃油鍋爐上節約成本、提高效率效果明顯6。文獻[17]利用數值模擬方法研究了霧化介質(zhì)由高溫蒸汽改成口電磁流量計常溫空氣后對燃油常壓爐內燃燒的影響。研究表白渦街流量計明,將蒸汽改成空氣霧化的方案是可行的,不會(huì )造↓圖式學(xué)壓樹(shù)成加熱爐操作地和運行較大變化,有利于提高加熱爐熱效率。文獻[18]主要從經(jīng)濟角度對蒸汽霧化和壓縮空氣霧化兩種霧化方法在同一燃油爐2日◆引風(fēng)機窯上進(jìn)行比較,在同等條件下,壓縮空氣霧化比蒸汽霧化節油。霧化氣與重油比值為0.534和圖18th噴嘴冷態(tài)霧化試驗系統0857時(shí),可分別節油1.74%和2.62%,霧化氣1-LS2000激光粒度分析儀;2一分離器與重油比值控制得越小節油效果越好。表1為廣州華南橡膠輪胎有限公司燃油鍋爐上采用空氣霧噴嘴出口孔化與蒸汽霧化的經(jīng)濟性對比。小混合室表1重油蒸汽、空氣霧化經(jīng)濟效益對比槍前壓力3支油槍耗汽Y型霧化氣項目成本T型霧化氣蒸汽霧化0.6555kgh(蒸汽)180元/t圖2撞擊式水煤漿噴嘴結構示意空氣霧化0.8810m3/h(空氣)0.0714元/m3撞擊式水煤漿噴嘴是一種組合型氣力霧化噴為配合某電廠(chǎng)670t/h超高壓水煤漿鍋爐的嘴,它的結構如圖2所示。噴嘴采用中間進(jìn)漿,環(huán)低成本高效率運行,新開(kāi)發(fā)一批采用壓縮空氣進(jìn)周進(jìn)氣的工質(zhì)輸送方式,由后至前依次布置“Y”行霧化的大型撞擊式噴嘴,為了進(jìn)一步了解噴嘴型、T”型和撞擊型霧化。研究表明221,影響的霧化特性,通過(guò)冷態(tài)模擬試驗和熱態(tài)選型試驗撞擊式噴嘴流量特性的因素主要有噴嘴幾何結構進(jìn)行比較選擇達到應用要求的噴嘴。鍋爐采用參數、工質(zhì)和霧化氣特性和運行參數其中噴嘴幾自然循環(huán)、單汽包、單爐膛、四角切圓燃燒平衡通何參數主要有進(jìn)漿孔、Y型氣孔、T型縫寬以及霧風(fēng)、管式空氣預熱器、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結構、高化頭出口孔等尺寸;運行參數包括漿壓和氣壓。強度螺栓連接、露天布置方式。熱態(tài)試驗選擇在因此試驗主要考查這些因素對噴嘴的流量特性的底層燃燒器(A層,共5層)進(jìn)行單槍試驗。影響。用a、B分別表示出口面積比和孔徑比,定義如下:1實(shí)驗裝置和試驗噴嘴結構aY型氣孔面積+T型氣孔面積(1)圖1為8t/h噴嘴冷態(tài)霧化試驗臺系統,整個(gè)Y型孔徑或T型縫寬或出口孔徑試驗臺由霧化工質(zhì)系統、霧化介質(zhì)系統、測量系統進(jìn)漿孔孔徑(2)及引風(fēng)清潔系統等部分組成。實(shí)驗中液體流量計量程其流速范圍為0.05-10m/s,氣體流量計2實(shí)驗結果及分析規格為80~800m3/h。壓力表為普通的機械式2.1工質(zhì)流量和霧化氣流量的理論分析壓力表,量程為0~1.6MPa,精度為005MPa,粒對于工質(zhì)流量煤漿的流速較低,因此可以看一研究與探討作不可壓縮層流,其流量計算如下21225pmd(P-P.)Q。.3式中:P和P分別為供漿壓力和小混合室壓力;鹽024d為進(jìn)漿孔徑;l為進(jìn)漿孔長(cháng);p和μ分別為工質(zhì)●a=152a=164的密度和粘度。由上式可知,工質(zhì)流量正比于進(jìn)漿孔徑前后壓差和進(jìn)漿孔徑的四次方,并反比于進(jìn)漿孔長(cháng)度0.8霧化氣壓力MPa由于霧化空氣射入混合室的速度很快,可以圖3膠水試驗時(shí)出口面積對噴嘴氣耗率的影響將這一過(guò)程看作絕熱過(guò)程,因此結合一維定常流動(dòng)方程可得霧化空氣質(zhì)量流量23-21a=1.32,出口孔B=0.6024ra=14.出山孔B=06G=HAk-1P(4)式中:P和P分別為霧化氣壓力和混合室壓力;0.16p為霧化氣密度;A為氣孔面積;G為空氣質(zhì)量0.14為氣孔流量系數,一般取0.8~0.9。由上式可知霧化氣流量不僅與霧化氣參數、氣孔結構有關(guān),還與混合室的壓力有關(guān)。對于壓縮空氣,當0060700.750.800.85090PP≤0.528,即氣孔出口壓力達到臨界狀態(tài)時(shí),霧化氣壓力MPa氣流量達到最大值,氣體流速達到音速,此時(shí)霧化圖4煤漿試驗時(shí)出口面積對噴嘴氣耗率的影響氣流量不受混合室壓力的影響。2.2各個(gè)結構參數對噴嘴流量特性的影響?hù)攁=132,出口孔B=0.0.28a=12.2.1噴嘴出口孔徑對流量特性的影響026圖3和圖4、圖5(圖4和圖5為不同進(jìn)漿孔徑下的比較)分別為設計負荷4.5Uh工況下,改變噴嘴出口結構參數時(shí)冷態(tài)和熱態(tài)試驗的結果0.16從圖中可以看出,隨著(zhù)霧化氣壓力的升高,氣耗率也增加,由式(4)可知霧化氣流量與霧化氣壓力成正比,隨著(zhù)氣壓的增加,氣流量也隨著(zhù)增大,考0.10慮到噴嘴的工質(zhì)流量不變,氣耗率也隨著(zhù)氣壓的0.700.750.800.850.900951.00霧化氣壓力MPa升髙而增加;隨著(zhù)噴嘴出口流通面積的增加,噴嘴圖5煤漿試驗時(shí)出口面積對噴嘴氣耗率的影響內部的壓力降低,混合室的壓力也相應降低,因此初始氣壓不變的條件下霧化氣流量會(huì )增加,氣耗不變漿壓必然隨之上升。圖7和圖8對比可知,率也隨著(zhù)增加。此外冷態(tài)和熱態(tài)試驗所用的工質(zhì)隨著(zhù)進(jìn)漿孔徑的加大進(jìn)漿孔處的漿壓損失減小粘度不同,粘度低的膠水的平均氣耗率明顯要比因此漿壓降低。冷態(tài)試驗時(shí)除極個(gè)別組合外,多數水煤漿的氣耗率高。因此,提高噴嘴的氣耗率可噴嘴組合的霧化氣氣壓高于液壓005-0.LMPa;以選用出口孔較大的結構,同時(shí)可以提高水煤漿而熱態(tài)工質(zhì)水煤漿的壓力高于霧化氣壓力0.05的溫度以降低其粘度,進(jìn)一步改善霧化效果。0.16MPa,兩者幾乎相反。原因有兩個(gè)方面通過(guò)改變氣壓得到氣壓一漿壓的關(guān)系如圖6一是現場(chǎng)試驗的測壓點(diǎn)到噴嘴進(jìn)漿孔處距離較和圖7、圖8(圖7和圖8為不同進(jìn)漿孔徑下比較長(cháng),且水煤漿的粘度比膠水的粘度大很多,導致供結果)?？梢钥闯?隨著(zhù)霧化氣壓力的升高,氣壓漿壓力損失較大,從而影響供漿壓力;二是噴嘴出與漿壓的差值變大(正負值),這是因為內混室的口處煤漿顆粒霧化效果較好比較細且均勻顆粒壓力主要受霧化氣壓力的影響,為使漿流量保持之間的縫隙很小,造成氣體在出口處產(chǎn)生“堵斜源二和孝研究與探討塞”,使得混合室的壓力回升,供漿壓力增加,從的氣耗率也增加,圖9和圖11分別驗證了Y型氣圖7和圖8可以看出隨著(zhù)出口孔的增加供漿壓力孔和T型縫寬對氣流量的影響。圖10是Y型氣減小?？缀蚑型縫寬等比例放大下現場(chǎng)試驗的結果,隨著(zhù)氣流通道面積的增大,氣耗率也增加。但是T型縫寬的增大,會(huì )進(jìn)一步影響小混合室的壓力,從0.14而增大工質(zhì)的壓力,圖12驗證了這一點(diǎn),隨著(zhù)T之個(gè)0.型縫寬的增大,氣壓與工質(zhì)壓力之差減小,但在較40.08=219高的氣壓情況下,影響程度減小。H0.060000了-0.02霧化壓力MPa圖6膠水試驗噴嘴出口面積對氣壓和工質(zhì)壓力的影響口孔月=06a=1320.08008509009510010霧化空氣壓力MPa圖9膠水試驗Y型孔徑對噴嘴氣耗率的影響0.13Y型孔β=0.35T型縫寬B=01-0.15024Y型孔B=0.4T型縫寬B0.700.750.800.850.90095霧化氣壓力MPa0.18016圖7煤漿試驗時(shí)噴嘴出口面積對氣壓和￥04工質(zhì)壓力的彩響0.1208070075080085090霧化空氣壓力MPa2-0.08圖10煤漿試驗Y型氣孔和T型縫寬對噴嘴氣耗率的影響-0.13出口孔B=0.545a=1.32一出口=0.545a=l逢寬B=0.0730.700.750.800.850.900.95100供氣壓力MPa圖8煤漿試驗時(shí)噴嘴出口面積對氣壓和工質(zhì)壓力的影響0.2622.2Y型氣孔和T型件對噴嘴流量特性的影響霧化空氣主要從Y型氣孔和T型件處進(jìn)入霧化空氣壓力MPa噴嘴,根據理論公式(4)可知增加Y型氣孔孔徑圖11膠水試驗時(shí)T型件纏寬對氣耗率的影響和加大T型件縫寬都增加氣流通道截面積,在保持霧化氣壓力和工質(zhì)流量不變的情況下,氣流量2,3氣耗率與SMD的關(guān)系將隨著(zhù)氣體流通截面積的增大而增加,從而噴嘴介質(zhì)霧化噴嘴的基本原理是以高速氣流沖擊研究與探討3結論T型縫寬B=0.0T型縫寬B=0.091T型纏寬B=0.118經(jīng)過(guò)理論分析,通過(guò)選型試驗對大型水煤漿No空氣霧化噴嘴的流量特性和霧化效果進(jìn)行了研究,試驗中考察了幾個(gè)主要結構參數和運行參數對噴嘴流量特性的影響,發(fā)現進(jìn)漿孔直徑、出口孔面積、運行參數對噴嘴流量特性的影響比較明顯分別指出了各個(gè)因素的影響程度、原因,同時(shí)也驗0.800850900951001051.10霧化空氣壓力MPa證了開(kāi)發(fā)的噴嘴的霧化效果,為大型水煤漿噴嘴圖2膠水試驗時(shí)T型件對氣壓和工質(zhì)壓力的影晌設計及現場(chǎng)應用選型提供依據。低速液體燃料,把燃料撕裂成很細的液滴,其根本參考文獻就是動(dòng)量的交換。因此擁有一定壓力的氣體提高[1]江澤民對中國能源問(wèn)題的思考[門(mén)].上海交通大學(xué)其流量即氣耗率將產(chǎn)生高動(dòng)量的氣體,強化霧化學(xué)報,2008,42(3):345-349效果,圖13、14驗證了這一點(diǎn),隨著(zhù)氣耗率的增[2]編輯委員會(huì )中國能源發(fā)展報告[M].北京:中國計加,SMD明顯變細,其中圖13為單獨增加Y型氣量出版社,2001孔流量,圖14為噴嘴在不同負荷下的霧化效果。[3]常志鵬,我國能源利用效率落后20年[N]市場(chǎng)同時(shí)可以看出新開(kāi)發(fā)的噴嘴霧化效果都很不錯,報,2005-9-28.氣耗率為2%-30%時(shí),SMD的值在60~85um[4]付華趙繼榮潔凈的代油燃料一水煤漿[能變化對于高粘度水煤漿完全可以保證在120μm源工程,2000(4):22-24.范圍內。[5]俞珠峰潔凈煤技術(shù)發(fā)展和應用[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004[6]岑可法姚強曹欣玉,等.煤漿燃燒流動(dòng)傳熱B=0091Y型孔B=0.36和氣化的理論與應用技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出5-Y型孔B-0.41B=0l18版,1997[7]賈桂芝,水煤漿技術(shù)綜述[J]中氮肥,1994(4):17[8]章明川,呂勇,王峻曄,等.Y型噴嘴內部氣液兩相流動(dòng)及液膜霧化的數學(xué)模型[J]燃燒科學(xué)與技術(shù),2000,6(3):19-23[9]何佩敖.“Y"型蒸汽霧化油噴嘴在電站蒸汽鍋爐和220240.260.280.300.320.340.36艦艇鍋爐中的運用[]熱能動(dòng)力工程,1993,8(6)氣耗率圖13氣耗率對SMD值的影響[10]CWM燃燒技術(shù),日揮柱式會(huì )社,1984,9[1l]樊未軍蕭琦.旋流多級氣功噴嘴設計和噴霧特性研究[J]工程熱物理學(xué)報2002,23(3):391-303Y型孔B=0.36T型縫寬B=0.091·Y型孔B=0.36T型縫寬B=0.118[12]張弛張榮偉徐國強,等.直射式雙旋流空氣霧1·Y型孔B=041T型縫寬B=018化噴嘴的霧化效果[J].航空動(dòng)學(xué)報,2006,21(5)[13] LEFEBVRE A H. 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