新型水煤漿噴嘴霧化性能試驗研究

第25卷第22期中國電機工程學(xué)報Vol 25 No 22 Nov 20052005年11月Proceedings of the CSEE@2005 Chin.Soc. for Elec. F文章編號:0258-8013(2005220905中圖分類(lèi)號:TQ534文獻標識碼:A學(xué)科分類(lèi)號:4702新型水煤漿噴嘴霧化性能試驗研究于海龍,張傳名2,劉建忠3,范曉偉’,周俊虎3,岑可法3(1.中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院,河南省鄭州市45000;2.汕頭萬(wàn)豐熱電有限公司,廣東省汕頭市51503浙江大學(xué)能源潔凈利用與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,浙江省杭州市310027)EXPERIMENTAL STUDY OF ATOMIZING PERFORMANCE OF A NEW TYPE NOZZLEFOR COAL WATER SLURRYYU Hai-long, ZHANG Chuagn-ming LIU Jian-zhong, FAN Xiao-wei, ZHOU Jun-hu, CEN Ke-fa(1. School of Energy Environment, Zhongyuan University of Technology; Zhengzhou 450007, HenanProvince, China; 2.Shantou Wanfeng Heat Power Ltd, Shantou 515000, China; Guangdong Province, China3. Clean Energy Environment Engineering Key Lab. of MOE, Zhejiang University, Hangzhou 310027,Zhejiang Province, China)ABSTRACT: In this paper a new type CWS nozzle for之前必須進(jìn)行霧化。水煤漿霧化為細小液滴后,比gasification is developed by ourselves, and it's atomizing表面積得到極大的提高,有利于提高燃燒和氣化時(shí)performance is studied experimentally. The influences of the熱和質(zhì)的交換速率,加快燃燒和氣化過(guò)程,提高整nozzle work load and gas flow on atomizing particle體水煤漿的利用效率,增進(jìn)燃燒和氣化過(guò)程的穩定distribution Sauter mean diameter(SMD) and nozzle atomizing性。但是,水煤漿的特殊性質(zhì)和物理組合給其自身angle are discussed carefully. the results show that there is adouble-peak distribution of atomizing particle in the flow field的霧化帶來(lái)了難題。這主要表現在:①水煤漿是高of atomization, In addition SMD will decrease, the uniformity濃度的顆粒懸浮體,在噴嘴中容易發(fā)生堵塞和磨損;of atomizing particle is more bettertomi.ing quality②水煤漿是一種非牛頓流體,其流變學(xué)特性多種多improved clearly with nozzle work load decrease and the gas樣,并且均具有很高的表觀(guān)粘性,增加了霧化難度到目前為止對水煤漿氣化噴嘴的開(kāi)發(fā)仍以試驗測試KEY WORDS: Thermal power engineering;cws.為主,以便給噴嘴設計提供經(jīng)驗指導和量化分析,Gasification; Nozzle; Experimental stud測試的主要指標為索太爾平均直徑(SMD)、顆粒分布的均勻性以及霧化角。本文總結了Y型口、旋摘要:該文對自行開(kāi)發(fā)出的新型水媒漿噴嘴進(jìn)行了霧化性能流內混型、多級氣動(dòng)噴嘴4、撞擊式多級霧化噴試驗研究,分析了噴嘴流量(負荷)和氣化劑流量等因素對霧化顆粒分布、索太爾平均直徑(SMD和噴嘴霧化角的影響規嘴56等4的優(yōu)點(diǎn),綜合開(kāi)發(fā)出了一套新型多級內律。結果表明霧化流場(chǎng)內顆粒呈雙峰分布,并且隨著(zhù)負荷混撞擊式水煤漿氣化噴嘴,并對其進(jìn)行了試驗研究的降低SMD減小,霧化顆粒分布更加均勻,霧化效果變好;和測試而隨著(zhù)氣化劑流量的增加SMD降低,霧化顆粒分布均勻性2霧化試驗測試系統也變好,霧化效果明顯轉好。霧化實(shí)驗臺測試系統如圖1所示。霧化工質(zhì)(建關(guān)鍵詞:熱能動(dòng)力工程;水煤漿;氣化:噴嘴:試驗研究筑膠水)由螺桿泵打入,其流量由測得的一定時(shí)間1引言?xún)鹊囊何幻嫦陆蹈叨扔嬎愕玫?。霧化工質(zhì)之所以選在進(jìn)行水煤漿燃燒或者氣化時(shí),水煤漿在入爐用建筑膠水,是由于在實(shí)驗室條件下,若采用水煤漿直接作為霧化工質(zhì),將對實(shí)驗管路造成嚴重的污基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃項目(200Acb27701)Project Supported by Special Fund of the National Priority Basic染,很難清洗,引風(fēng)機、引風(fēng)管等設備尤其嚴重Research of China(2004cb217701).而且霧化后的水煤漿無(wú)法回收再利用,而水煤漿霧中國電機工程學(xué)報第25卷化是處在高剪切速率下的,這時(shí)的水煤漿的物理性噴嘴頭部各部件編號和名稱(chēng)見(jiàn)圖3。在實(shí)驗測試過(guò)質(zhì)接近于牛頓流體,這樣,建筑膠水的物理性質(zhì)就程中,只需更換相應各部件,而不需要更換整攴煤與此時(shí)的水煤漿類(lèi)似,雖然建筑膠水與水煤漿相比漿槍。煤影槍中心管內徑為10m,壁厚為2mm,表觀(guān)粘度較低,但是,建筑膠水的微觀(guān)粘度卻較高,中環(huán)管內徑為19mm,壁厚為3mm,外環(huán)管內徑為要想將其霧化到較低顆粒也比較難,這一點(diǎn)與水煤36mm,壁厚為3mm。噴嘴頭各部件結構尺寸如表漿相近,另一方面,利用建筑膠水作為霧化工質(zhì),1。實(shí)驗用各噴嘴型號和各部分結構尺寸見(jiàn)表2。不但可以循環(huán)利用而且清洗也非常方便,因此選擇建筑膠水作為霧化工質(zhì)。氣化劑(空氣)由空壓機供給,中心管和氣化劑總流量由電子差壓流量計分別測量得到,并在中心管和外環(huán)管以及總管上:設有閥門(mén)控制。霧化后的工質(zhì)由集漿桶回收,可循壞利用,霧化室出口出來(lái)的霧化氣體經(jīng)旋風(fēng)分離器分離后經(jīng)引風(fēng)機排出。霧化室內布置有集料器,用于測量噴霧場(chǎng)內一定高度處的顆粒分布均勻度,集料器圖3噴嘴結構示意圖由3層環(huán)形布置的集料杯組成,外側兩層分別由8Fig 3 Jet nozzle configuration只集料杯按對角布置組成,最中心有一只集料杯,表1噴嘴頭各部件結構尺寸表Tab. 1 Configuration of every component of jet nozzle共17只,這樣每條對角線(xiàn)上有5只集料杯,可測量中心管喚嗜A內壞管嘴B外環(huán)管響嘴C霧化頭D4組不同對角線(xiàn)方向上一定時(shí)間內的霧化顆粒質(zhì)量?jì)瓤字蓖猸h(huán)直內孔直外壞直開(kāi)孔直開(kāi)孔開(kāi)孔直開(kāi)孔分布,測點(diǎn)布置如圖2:顆粒分布的索太爾平均直徑/mm徑m徑mm徑/mm徑/mm數目徑/m數H徑(SMD)由LPS2000型分體式激光粒度測量?jì)x測2206.59013.53.58量53.512表2實(shí)驗用各噴嘴型號和霧化工質(zhì)以及霧化劑出口尺寸表沖洗水Tab. 2 Jet nozzle model number and configuration of every汪縮空氣component of experiment屮心噴膠水噴凵直徑和截積外環(huán)管?chē)娮祆F化頭隨表量霧化室旋風(fēng)除塵噴嗜型號頭直徑內徑外徑截面積孔直徑孔數孔直徑孔數A2B2CID3 2(08.0集漿箱A2B4CID3 2.0圖1霧化實(shí)驗臺測試系統A2B4C2. 2.0 6.0A4BSCD1 3.0Fig. I Atomization test bed systemA5B3023 4.0 7.0 9.0ABC4D507.810.0308458606A4B6C5D64實(shí)驗結果和數據分析4.1霧化工質(zhì)流量對霧化的影響在實(shí)際運行的水煤漿氣化噴嘴中,煤漿的流量是隨負荷的變化而改變的,煤漿流量的大小代表著(zhù)噴嘴負荷的大小。因此,噴嘴對負荷變化的適應性是考察噴嘴性能的一個(gè)重要指標。圖4中(a)、(b)分別為氣壓為04和06MPa時(shí)負荷變化對各噴嘴索圖2霧化室內集料器測點(diǎn)布置圖Fig. 2 Layout of collector in atomizer太爾平均直徑(SMD,DsD)的影響規律。從兩圖3實(shí)驗用噴嘴型號和各部件結構尺寸中可以看出,前4種噴嘴隨負荷的降低SMD一直減小,說(shuō)明其對負荷變化的適應性較強,而后3種實(shí)驗中所用噴嘴設計煤漿流量為300kg/h,其噴嘴隨負荷的降低分別存在一最小值,當負荷降低于海龍等:新型水煤漿噴嘴霧化性能試驗研究到一定程度時(shí)SMD開(kāi)始增大,說(shuō)明其對負荷變化從圖5中可以看出,霧化顆粒沿直徑方向呈雙的適應性稍差。然而,從中也可看出,后3種噴嘴峰分布,并且隨負荷的增加顆粒分布均勻性變差,與前四種相比,在SMD降低范圍內,其索太爾平在整個(gè)霧化的霧炬中,霧炬最中心和霧炬邊緣相對均直徑均較低,其霧化效果相對較好,說(shuō)明噴嘴對顆粒分布較少,而在霧炬中間環(huán)形部分相對顆粒分負荷變化的適應性是以霧化效果的降低為代價(jià)的,布較多。這樣就在整個(gè)霧炬的中心部分形成了一個(gè)對負荷變化適應性較強的噴嘴其霧化效果相對較相對濃度較低的流場(chǎng),在氣化爐中,這樣的霧炬有差,而對負荷變化適應性稍差的噴嘴其霧化效果相利于將外部高溫氣流卷吸入霧化流場(chǎng)中,形成內外對較好,并且其超負荷運轉能力均較強,即使在超高溫氣流的同時(shí)沖刷,加快了氣化進(jìn)程,縮短霧化負荷下其霧化效果依然很好。顆粒在爐內的停留時(shí)間,使氣化爐結構更加緊湊圖5中(a)、(b)分別為型號為A2B4C2D2和縮小氣化爐的高、徑比A4B6C5D5的兩個(gè)噴嘴在氣壓為06MPa時(shí),負荷對流場(chǎng)顆粒分布均勻度的影響規律。測點(diǎn)1、2、4、5位于同一測量直徑上,各測點(diǎn)的測量值為一定時(shí)間內集料杯中所集霧化工質(zhì)的質(zhì)量,統計計算時(shí)取與測點(diǎn)同一圓環(huán)上相鄰兩點(diǎn)共3點(diǎn)的平均值最為d=30%該點(diǎn)的值。則每個(gè)測點(diǎn)的值占所在測量直徑上5個(gè)測點(diǎn)和的百分比可以近似地描述該直徑方向上霧化顆粒分布的均勻程度,整個(gè)流場(chǎng)霧化顆粒分布的均一一心30%勻程度可由4條覆蓋整個(gè)流場(chǎng)的直徑直觀(guān)地看出。經(jīng)大量的實(shí)驗測試證明,這4條覆蓋整個(gè)流場(chǎng)的直徑方向上的顆粒分布規律基本致,可近似地認為該直徑方向上的顆粒分布規律代表著(zhù)整個(gè)流場(chǎng)。因此,本文中只列出了一條直徑方向上的顆粒分布規律Dsym7二:A28C1圖5負荷對流場(chǎng)顆粒分布均勻度的影響Fig 5 Work load change effect on evenness of atomizationrticle distribution噴嘴霧化角是考察噴嘴霧化性能的另一個(gè)指標,霧化角的大小直接影響霧化顆粒在氣化爐內的分布和爐內的霧化流場(chǎng),適宜的噴嘴霧化角可以形負荷%成適于氣化反應的霧化流場(chǎng),使氣化反應達到最佳一A2H2CID狀態(tài)。霧化角過(guò)大,可能導致霧炬直接沖刷爐內耐火磚,高溫熔融的焦炭顆粒對耐火磚的高速沖刷會(huì )對耐火磚造成極大的腐蝕,嚴重影響耐火磚的使用壽命:霧化角過(guò)小可能導致霧炬過(guò)于集中,使氣化火焰拉長(cháng),氣化反應時(shí)間增加,顆粒需在爐內停留更長(cháng)時(shí)間才能反應完全,因此需增加氣化爐高度,增大了氣化爐高、徑比,提高了初期建設投資和耐火磚的使用量,而耐火磚要定期更換,因此又增加圖4負荷變化對各噴嘴SMD的影響了運行成本。通過(guò)對該新型噴嘴的大量試驗測試表Fig 4 Work load change effect on SMD明,其霧化角的大小受各工況變化的影響很小,而屮因電機工程學(xué)報第25卷與霧化頭上的開(kāi)孔方向直接相關(guān),其大小與開(kāi)孔方霧化介質(zhì)流量=75Nm/h質(zhì)流量110Nm向和噴嘴軸線(xiàn)夾角的2倍大體相當,變工況下其霧26~多化介質(zhì)流量2Nm霧化介質(zhì)洲帶=140Nm/h化角變化在0~5°之間。因此,完全可以通過(guò)改變噴嘴頭開(kāi)孔方向來(lái)控制霧化角的大小,使其與氣化爐相匹配形成最適合于氣化反應的流場(chǎng)42霧化介質(zhì)流量對霧化的影響對于具有多個(gè)噴嘴入口的單臺氣化爐,其單個(gè)噴嘴氣化劑量和煤漿量的配比可調范圍增寬,使各圖7霧化介質(zhì)流量對霧化顆粒分布均勻性的影響個(gè)噴嘴均能在各自負荷下達到理想的霧化效果。因Fig. 7 Gas flows effect on evenness of atomization particleistribution此,噴嘴在園定負荷下對霧化介質(zhì)流量的適應性成5結論為考察噴嘴性能的又一重要指標。圖6為設計工況下霧化介質(zhì)流量對各噴嘴SMD的影響規律多級內混撞擊式水煤漿氣化噴嘴充分考慮了水從圖6可以看出,隨霧化介質(zhì)流量的增加各噴煤漿霧化的難度,結構設計上比較合理,霧化性能嘴SMD均減小,減小的幅度各不相同,噴嘴好,在小型實(shí)驗室熱態(tài)氣化反應裝置上的應用取得了良好的效果。目前,該噴嘴還處在實(shí)驗室開(kāi)發(fā)和A4B6C5D6A2B2C3D3的SMD隨霧化介質(zhì)流量的大型化發(fā)展階段,現場(chǎng)工業(yè)應用還在進(jìn)行治談中。降低變化較小,說(shuō)明其對霧化介質(zhì)流量變化的適應通過(guò)冷態(tài)試驗研究證明,隨著(zhù)霧化工質(zhì)流量減小或性較強,該型號的噴嘴適宜經(jīng)常處于變負荷下的氣氣化劑流量增加,霧化顆粒平均直徑(SMD將減小,化爐;噴嘴A5B4C2D4、A6B5C4D5的SMD隨霧顆粒分布越均勻。霧化顆粒平均直徑一般在化介質(zhì)流量的降低變化最大,說(shuō)明其對霧化介質(zhì)流15um-180μm。噴嘴的霧化角隨各工況變化不大量變化的適應性較差,但是該兩種噴嘴在額定霧化霧化角的大小約為霧化頭開(kāi)孔方向和噴嘴中心軸線(xiàn)工質(zhì)流量(300kg/h)和額定霧化介質(zhì)流量(12Nm3/h)的夾角的2倍,可以根據噴嘴設計來(lái)控制霧化角的下其SMD均較小,霧化效果較好,表明該噴嘴適大小。這種噴嘴能適應負荷穩定以及負荷經(jīng)常變化合于長(cháng)期處于額定負荷工作下的氣化爐,對于經(jīng)常的氣化爐,并且在各種工況下霧化穩定,負荷可調處于變工況運行的氣化爐不宜于選用該型號的噴范圍寬:并具有安裝拆卸方便、使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。參考文獻圖7為噴嘴A4B6C5D6在100%負荷時(shí),霧化Allen jw, Flatcher T H, Techer WC et al. 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