空气雾化水煤浆喷嘴流量特性试验研究

戴研究与探讨空气雾化水煤浆喷嘴流量特性试验研究赵子通,周俊虎,黄镇字,杜聪,赵琛杰,周志军,刘建忠(浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭州310027)摘要:对大客量撞击式空气雾化水煤浆噴嘴进行了试验研究,分析了噴嘴运行参数和喷嘴内各主要结构参数对噴嘴流量特性的影响以及研究了噴嘴雾化效果,经过对试验数据的分析,分别指出了各个因素的彩响程度、原因及相应调节方窠,同时得出新开发噴嘴的雾化效果完全满足燃烧要求,对以后此类噴嘴的研究有一定的指导意义。关键词:空气雾化;噴嘴;流量特性中图分类号:TK263.4文献标识码:A文章编号: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前言耗降低约20%。由于水煤浆的粘度较高(约为0.5-2Pas),远高于重油(0.03~0.08Pas),对中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,于这种高粘度、高浓度非牛顿固液两相流体,实现在一次能源消费构成中,煤炭的份额比世界平均良好的雾化是相当困难但又十分重要的,为解决值高41%山。同时中国对石油的消耗也迅猛增这种高粘度工质的雾化质量问题,采用或改造了加中国石油消费量已由1995年的1.611增加到大量液态工质雾化方法。早期应用较为广泛2000年的2.11t,年均增长率565%,而2007年我的水煤浆喷嘴多为Y型1-”、T型10和旋流国原油表观消费量约为346亿t,同比增长73%,型:13,为了改善喷嘴的雾化效果,很多学者综达历史高位23。从保证石油安全稳定供应的角合了气力对冲撞击式雾化喷嘴的特点进行喷嘴度考虑中国必须采取各种措施减缓石油消费的结构的改造,即为组合式雾化喷嘴,这种喷嘴增加幅度;与此同时,从能源环境与能源经济考虑,通过对液体进行多级深度雾化,达到提高高粘度中国必须加快洁净煤技术的发展走能源可持续发流体雾化的效果。如浙江大学自行研制的撞击式展道路。水煤浆技术属于我国洁净煤技术中煤炭水煤浆喷嘴在山东白杨河电厂的成功应用,不加工部分,它可以大量利用煤粉、大量减少煤粉燃仅体现出组合式喷嘴高效雾化性能,而且喷嘴的烧带来的粉尘污染,经物理加工即可达到以煤节容量从原来的Ith提高到现在的6t/h,为发展油、代油的目的“。1.8~2.It水煤浆可代替It大容量水煤浆喷嘴提供了宝贵的经验原油燃用水煤浆可使燃烧效率提高5%-10%,能为了提高水煤浆锅炉的运行效率,进一步降收稿日期:2009-12-23基金项目:国家重点基础研充发展规划项目(973项目)资助(2010CB227001)作者简介:赵子通(1984-),男,壮族,广酉南宁人,确士研究生,主要从事水煤浆喷嘴的开发和应用研究研究与探讨菜L低成本和能耗,采用压缩空气来代替蒸汽作为雾度测量采用LS200分体式激光喷雾粒度分析化介质是新的尝试。由于空气本身含水量很低,仪测量范围为0.5~1000μm。考虑到水煤浆粘并能给水煤浆燃烧提供一定的氧量,而且在雾化度大雾化过的水煤浆容易沉淀,且试验装置的清过程中与煤浆能够充分混合,这对于水煤浆的着洗较困难,实验时采用建筑胶水来代替水煤浆进火很有帮助;同时能减小排烟量和降低腐蚀。行冷态雾化试验,试验喷嘴结构如图2所示。压缩空气雾化代替蒸汽雾化对于在燃油锅炉上节约成本、提高效率效果明显6。文献[17]利用数值模拟方法研究了雾化介质由高温蒸汽改成口电磁流量计常温空气后对燃油常压炉内燃烧的影响。研究表白涡街流量计明,将蒸汽改成空气雾化的方案是可行的,不会造↓图式学压树成加热炉操作地和运行较大变化,有利于提高加热炉热效率。文献[18]主要从经济角度对蒸汽雾化和压缩空气雾化两种雾化方法在同一燃油炉2日◆引风机窑上进行比较,在同等条件下,压缩空气雾化比蒸汽雾化节油。雾化气与重油比值为0.534和图18th喷嘴冷态雾化试验系统0857时,可分别节油1.74%和2.62%,雾化气1-LS2000激光粒度分析仪;2一分离器与重油比值控制得越小节油效果越好。表1为广州华南橡胶轮胎有限公司燃油锅炉上采用空气雾喷嘴出口孔化与蒸汽雾化的经济性对比。小混合室表1重油蒸汽、空气雾化经济效益对比枪前压力3支油枪耗汽Y型雾化气项目成本T型雾化气蒸汽雾化0.6555kgh(蒸汽)180元/t图2撞击式水煤浆喷嘴结构示意空气雾化0.8810m3/h(空气)0.0714元/m3撞击式水煤浆喷嘴是一种组合型气力雾化喷为配合某电厂670t/h超高压水煤浆锅炉的嘴,它的结构如图2所示。喷嘴采用中间进浆,环低成本高效率运行,新开发一批采用压缩空气进周进气的工质输送方式,由后至前依次布置“Y”行雾化的大型撞击式喷嘴,为了进一步了解喷嘴型、T”型和撞击型雾化。研究表明221,影响的雾化特性,通过冷态模拟试验和热态选型试验撞击式喷嘴流量特性的因素主要有喷嘴几何结构进行比较选择达到应用要求的喷嘴。锅炉采用参数、工质和雾化气特性和运行参数其中喷嘴几自然循环、单汽包、单炉膛、四角切圆燃烧平衡通何参数主要有进浆孔、Y型气孔、T型缝宽以及雾风、管式空气预热器、固态排渣、全钢悬吊结构、高化头出口孔等尺寸;运行参数包括浆压和气压。强度螺栓连接、露天布置方式。热态试验选择在因此试验主要考查这些因素对喷嘴的流量特性的底层燃烧器(A层,共5层)进行单枪试验。影响。用a、B分别表示出口面积比和孔径比,定义如下:1实验装置和试验喷嘴结构aY型气孔面积+T型气孔面积(1)图1为8t/h喷嘴冷态雾化试验台系统,整个Y型孔径或T型缝宽或出口孔径试验台由雾化工质系统、雾化介质系统、测量系统进浆孔孔径(2)及引风清洁系统等部分组成。实验中液体流量计量程其流速范围为0.05-10m/s,气体流量计2实验结果及分析规格为80~800m3/h。压力表为普通的机械式2.1工质流量和雾化气流量的理论分析压力表,量程为0~1.6MPa,精度为005MPa,粒对于工质流量煤浆的流速较低,因此可以看一研究与探讨作不可压缩层流,其流量计算如下21225pmd(P-P.)Q。.3式中:P和P分别为供浆压力和小混合室压力;盐024d为进浆孔径;l为进浆孔长;p和μ分别为工质●a=152a=164的密度和粘度。由上式可知,工质流量正比于进浆孔径前后压差和进浆孔径的四次方,并反比于进浆孔长度0.8雾化气压力MPa由于雾化空气射入混合室的速度很快,可以图3胶水试验时出口面积对喷嘴气耗率的影响将这一过程看作绝热过程,因此结合一维定常流动方程可得雾化空气质量流量23-21a=1.32,出口孔B=0.6024ra=14.出山孔B=06G=HAk-1P(4)式中:P和P分别为雾化气压力和混合室压力;0.16p为雾化气密度;A为气孔面积;G为空气质量0.14为气孔流量系数,一般取0.8~0.9。由上式可知雾化气流量不仅与雾化气参数、气孔结构有关,还与混合室的压力有关。对于压缩空气,当0060700.750.800.85090PP≤0.528,即气孔出口压力达到临界状态时,雾化气压力MPa气流量达到最大值,气体流速达到音速,此时雾化图4煤浆试验时出口面积对喷嘴气耗率的影响气流量不受混合室压力的影响。2.2各个结构参数对喷嘴流量特性的影响鲁a=132,出口孔B=0.0.28a=12.2.1喷嘴出口孔径对流量特性的影响026图3和图4、图5(图4和图5为不同进浆孔径下的比较)分别为设计负荷4.5Uh工况下,改变喷嘴出口结构参数时冷态和热态试验的结果0.16从图中可以看出,随着雾化气压力的升高,气耗率也增加,由式(4)可知雾化气流量与雾化气压力成正比,随着气压的增加,气流量也随着增大,考0.10虑到喷嘴的工质流量不变,气耗率也随着气压的0.700.750.800.850.900951.00雾化气压力MPa升髙而增加;随着喷嘴出口流通面积的增加,喷嘴图5煤浆试验时出口面积对喷嘴气耗率的影响内部的压力降低,混合室的压力也相应降低,因此初始气压不变的条件下雾化气流量会增加,气耗不变浆压必然随之上升。图7和图8对比可知,率也随着增加。此外冷态和热态试验所用的工质随着进浆孔径的加大进浆孔处的浆压损失减小粘度不同,粘度低的胶水的平均气耗率明显要比因此浆压降低。冷态试验时除极个别组合外,多数水煤浆的气耗率高。因此,提高喷嘴的气耗率可喷嘴组合的雾化气气压高于液压005-0.LMPa;以选用出口孔较大的结构,同时可以提高水煤浆而热态工质水煤浆的压力高于雾化气压力0.05的温度以降低其粘度,进一步改善雾化效果。0.16MPa,两者几乎相反。原因有两个方面通过改变气压得到气压一浆压的关系如图6一是现场试验的测压点到喷嘴进浆孔处距离较和图7、图8(图7和图8为不同进浆孔径下比较长,且水煤浆的粘度比胶水的粘度大很多,导致供结果)。可以看出,随着雾化气压力的升高,气压浆压力损失较大,从而影响供浆压力;二是喷嘴出与浆压的差值变大(正负值),这是因为内混室的口处煤浆颗粒雾化效果较好比较细且均匀颗粒压力主要受雾化气压力的影响,为使浆流量保持之间的缝隙很小,造成气体在出口处产生“堵斜源二和孝研究与探讨塞”,使得混合室的压力回升,供浆压力增加,从的气耗率也增加,图9和图11分别验证了Y型气图7和图8可以看出随着出口孔的增加供浆压力孔和T型缝宽对气流量的影响。图10是Y型气减小。孔和T型缝宽等比例放大下现场试验的结果,随着气流通道面积的增大,气耗率也增加。但是T型缝宽的增大,会进一步影响小混合室的压力,从0.14而增大工质的压力,图12验证了这一点,随着T之个0.型缝宽的增大,气压与工质压力之差减小,但在较40.08=219高的气压情况下,影响程度减小。H0.060000了-0.02雾化压力MPa图6胶水试验喷嘴出口面积对气压和工质压力的影响口孔月=06a=1320.08008509009510010雾化空气压力MPa图9胶水试验Y型孔径对喷嘴气耗率的影响0.13Y型孔β=0.35T型缝宽B=01-0.15024Y型孔B=0.4T型缝宽B0.700.750.800.850.90095雾化气压力MPa0.18016图7煤浆试验时喷嘴出口面积对气压和￥04工质压力的彩响0.1208070075080085090雾化空气压力MPa2-0.08图10煤浆试验Y型气孔和T型缝宽对喷嘴气耗率的影响-0.13出口孔B=0.545a=1.32一出口=0.545a=l逢宽B=0.0730.700.750.800.850.900.95100供气压力MPa图8煤浆试验时喷嘴出口面积对气压和工质压力的影响0.2622.2Y型气孔和T型件对喷嘴流量特性的影响雾化空气主要从Y型气孔和T型件处进入雾化空气压力MPa喷嘴,根据理论公式(4)可知增加Y型气孔孔径图11胶水试验时T型件缠宽对气耗率的影响和加大T型件缝宽都增加气流通道截面积,在保持雾化气压力和工质流量不变的情况下,气流量2,3气耗率与SMD的关系将随着气体流通截面积的增大而增加,从而喷嘴介质雾化喷嘴的基本原理是以高速气流冲击研究与探讨3结论T型缝宽B=0.0T型缝宽B=0.091T型缠宽B=0.118经过理论分析,通过选型试验对大型水煤浆No空气雾化喷嘴的流量特性和雾化效果进行了研究,试验中考察了几个主要结构参数和运行参数对喷嘴流量特性的影响,发现进浆孔直径、出口孔面积、运行参数对喷嘴流量特性的影响比较明显分别指出了各个因素的影响程度、原因,同时也验0.800850900951001051.10雾化空气压力MPa证了开发的喷嘴的雾化效果,为大型水煤浆喷嘴图2胶水试验时T型件对气压和工质压力的影晌设计及现场应用选型提供依据。低速液体燃料,把燃料撕裂成很细的液滴,其根本参考文献就是动量的交换。因此拥有一定压力的气体提高[1]江泽民对中国能源问题的思考[门].上海交通大学其流量即气耗率将产生高动量的气体,强化雾化学报,2008,42(3):345-349效果,图13、14验证了这一点,随着气耗率的增[2]编辑委员会中国能源发展报告[M].北京:中国计加,SMD明显变细,其中图13为单独增加Y型气量出版社,2001孔流量,图14为喷嘴在不同负荷下的雾化效果。[3]常志鹏,我国能源利用效率落后20年[N]市场同时可以看出新开发的喷嘴雾化效果都很不错,报,2005-9-28.气耗率为2%-30%时,SMD的值在60~85um[4]付华赵继荣洁净的代油燃料一水煤浆[能变化对于高粘度水煤浆完全可以保证在120μm源工程,2000(4):22-24.范围内。[5]俞珠峰洁净煤技术发展和应用[M]北京:化学工业出版社,2004[6]岑可法姚强曹欣玉,等.煤浆燃烧流动传热B=0091Y型孔B=0.36和气化的理论与应用技术[M].杭州:浙江大学出5-Y型孔B-0.41B=0l18版,1997[7]贾桂芝,水煤浆技术综述[J]中氮肥,1994(4):17[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