烟气净化双流体喷嘴雾化特性实验.pdf

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[ 14] 李朝华. 炼油恶臭废气的吸附催化氧化脱臭工艺研究. 炼油设 计,2002, 32 4 52 -55. 作者通讯处 卢琴芳 332005 江西九江 九江学院化学化工学院 电话 0792 -8872835 2005- 08-17 收稿 烟气净化双流体喷嘴雾化特性实验 ＊ 张 力 李午申 蒲 舸 重庆大学能源与环境研究所, 重庆 400044 摘要 在烟气净化装置喷雾干燥塔内, 进行双流体喷嘴喷雾特性试验, 实验研究了影响喷雾粒度、角度以及液滴均匀 度的主要因素。 实验证明, 气液质量比、浆液密度为影响双流体喷嘴雾化特性的重要因素。 通过改变运行参数, 可以 得到合适的液滴粒径以及喷雾角度, 该喷嘴用于喷雾干燥烟气中酸性气体的净化, 可提高净化效率。 关键词 喷雾干燥 双流体喷嘴 喷雾角度 雾化粒径 ＊重庆市高新计划项目资助 05-1GX- QT194 0 引言 半干法烟气净化工艺是前景较好的一种烟气净 化工艺 ,以废物量小 、净化效率较高的特点成为目前 开发研究的重点 [ 1] 。半干法应用的难点是喷嘴,应用 的喷嘴主要有 3 种 压力式 、 旋转式、双流体喷嘴。喷 嘴雾化特性主要包括雾化液滴直径 、 喷嘴雾化角、雾 化液滴均匀度等 [ 2] 。 液滴粒径在净化烟气的过程中起着至关重要的 作用 如果粒径太小 ,则液滴在很短的时间内被干燥, 降低与烟气中酸性气体反应的能力 ; 如果液滴粒径过 大,则反应接触表面积减小 ,酸性气体不能与液滴充 分接触,净化效率降低,更严重的是液滴粒径过大 ,干 燥时间就会较长 ,就会在干燥塔底部堆积粘结 ,使之 不能正常排出。 雾化角的大小对反应器及净化效率也有很大影 响,雾化角大就要求干燥塔直径大, 这样浆液才不会 喷射到反应器壁面上造成粘壁现象 ; 雾化角过小则会 导致反应器内传质过程减弱, 影响净化效率。 液滴直径的均匀性对喷雾射程以及烟气净化效 率有很大影响, 如果均匀性很差, 大小液滴的干燥时 间不一样, 小液滴在很短时间内就被干燥 ,而大液滴 需要较长的干燥时间和较大的干燥空间 ,这样反应的 时间和空间均匀性差 ,净化效率低。因此为了保证喷 雾干燥烟气净化装置长期稳定运行以及较高的酸性 气体净化效率, 在开发的双流体喷雾系统上进行实 验,针对实验装置了解雾化器的雾化性能及主要影响 因素 ,确定双流体喷嘴喷雾干燥烟气高效净化的运行 参数 。 1 实验装置及实验方法 如图 1 所示 ,实验系统主要由两部分组成 。一为 供浆系统, 由制浆槽 、 搅拌电动机、 滤网、螺杆泵、 转子 流量计 、 压力表、截止阀、喷嘴等通过连接管道连接。 二为供气系统, 由空气压缩机、转子流量计和调节供 气压力的压力调节阀等组成, 并用管道连接。 图2 为喷嘴的结构简图, 内部细管为浆液管,外 部管道为压缩空气管。喷嘴设计流量为20 L h, 浆液管 道内径为5 mm,在浆液管道的出口有一个扩张角 实验 证明在无扩张角的情况下易出现大粒径的液滴 。 本实验的基本工况为 浆液流量保持20 L h、供 气压力0. 4 MPa, 改变空压机的供气量以改变气液质 40 环 境 工 程 2006年 4 月第24 卷第2 期 量比, 改变加入 Ca OH2质量以改变浆液浓度。研 究其中一个参数的影响时 ,其它参数保持不变 。在距 喷嘴出口500 mm处取样, 分析喷嘴雾化石灰液滴的 特性。喷嘴倒置 ,用照相法对液滴取样 , 在显微镜下 读取液滴直径 [ 3] 。得出适合喷雾干燥烟气净化的最 佳喷嘴雾化参数 。 1空压机; 2截至阀; 3压力调节阀; 4流量计; 5喷嘴; 6截止阀; 7螺杆泵; 8滤网; 9制浆槽; 10搅拌扇叶; 11压力计。 图 1 实验系统简图 图 2 双流体喷嘴结构简图 2 实验结果与分析 2. 1 气液质量比和浆液浓度对液滴粒径的影响 石灰浆滴的粒径大小不完全一致, 常采用平均直 径来描述 ,研究喷雾干燥浆滴的平均粒径运用最为广 泛的为 SMD [ 4] Sauter Mean Diameter 。SMD 的计算思 想为平均液滴群的总体积与总面积的比值恰好和实 际液滴群的总体积与总面积的比值相等 。即 1 6 πN0 SMD 3 πN0 SMD 2 1 6 π∑ Nid 3 i π∑ Nid 2 i 1 SMD di ∑ Nid 3 i ∑Nid 2 i 2 式中 Ni 直径为 di的液滴个数。 图 3 为浆液流量为 20 L h, 压缩空气压力为 0. 4 MPa情况下, 实验测得不同气液质量比及不同浆 液浓度对液滴粒径的影响 。结果表明, 液滴平均直径 随着气液质量比 q 的增大而减小 , 气液质量比对雾 化液滴直径的影响非常明显 。这是因为 q 变大增加 了气液两相的动量比 ,增强了气流对液体的冲击破碎 效果 ,从而使液滴直径减小。同时可以看出 ,随着浆 液浓度的 增大 , 雾 化粒 径变 大。 这是 因为 随着 Ca OH2浓度的增加, 液体的粘度增大, 使浆液雾化 粒径增大 ,符合能量守恒原理 。此喷嘴的气液质量比 为 q 0. 1～ 0. 5。低于 0. 1时 ,雾化质量迅速恶化 当 q 0. 5 时, 液滴直径不再随气液质量比的增加而产 生明显的减小, 造成能量损失 。 图 3 气液质量比对液滴粒径的影响 2. 2 气液质量比和浆液浓度对喷雾角度的影响 在喷嘴出口500 mm处 , 雾矩的外部包围角为喷 雾角 [ 5] 。雾化角的大小非常重要 雾化角过大, 则雾 矩扩张太大 ,石灰浆会穿过烟气直接喷射到干燥塔的 壁面上,造成结垢; 如果喷雾角过小 ,雾矩不足以覆盖 整个烟气通道, 部分烟气没有与浆液接触就直接排 出,达不到高的净化效果 。 图 4 为 浆液流量为 20 L h, 压缩空气 压力为 0. 4 MPa情况下 ,雾化角与气耗率的关系 。随着气耗 率的增加, 雾化角减小。这是因为气体质量增加, 气 体初速度增大, 冲击能力增强, 使液滴所具有的轴向 初速度增大 ,径向速度相对变小, 液滴不容易向两边 扩散 ,从而使雾化角随着气耗率的增加而减小 。在气 液质量比较小时 ,浆液浓度的影响明显一些 ,随着浆 液浓度的增加雾化角减小 , 但是在气液质量比较大 时,浆液浓度对雾化角的影响很小。 图 4 气液质量比对喷雾角度的影响 2. 3 气液质量比和浆液浓度对喷雾射程的影响 喷嘴雾矩射程对干燥塔结构以及喷嘴的安装位 置有很大影响。射程大, 就要求干燥塔高度比较大。 反之 ,高度较小 。当浆液逆喷时, 就要准确确定喷嘴 的安装位置 ,安装位置过低 ,雾滴运动的最高点距离 顶部烟气均流板还有一段距离 ,这样烟气在进入干燥 塔,要经过一段距离才能与液滴接触并发生反应, 没 有充分利用反应空间 ,影响净化效率的提高。安装位 41 环 境 工 程 2006年 4 月第24 卷第2 期 置过高,浆液就会喷射到干燥塔顶壁上形成结垢。 气液质量比对喷雾射程的影响如图 5 所示,液滴 射程随着气液质量比的增加而增大 ,随着浆液浓度的 增加而减小。这是因为气液质量比越大 ,压缩空气对 浆液的冲击能力越强 ,液滴所具有的初速度就越大, 射程越长。浆液浓度增加, 粘度增强, 破碎所需能量 增加 ,根据能量守恒 ,转化为液滴的动能就会减小 ,因 此初速度就会减小, 射程就会变短 。因此在喷雾参数 最有利于净化酸性气体的情况下 , 确定雾矩长度, 安 装喷嘴。 图 5 气液质量比对喷雾射程的影响 2. 4 石灰浆雾化液滴的均匀度以及轴向液滴直径变化 液滴均匀度为浆液被雾化后的颗粒尺寸分布均 匀程度,它对化学反应也是个重要的质量指标 。既使 两种雾化状态的液滴平均粒径相同 ,但如果均匀度不 同,反应效率也是不同的。因此在评价雾化性能时, 不能仅采用颗粒平均直径这一质量指标 ,还考虑颗粒 的均匀性 。为了更清楚看到雾滴粒度分布,建立了粒 度分布的数学表达式 。最常用的是罗辛拉姆勒分布 函数 Rosin-Rammler [ 6] 。它是一种概率分布 ,其表达 式为 V exp D X n 3 式中 V 大于粒子直径 D 的粒子累计容积百 分数; n 粒子尺寸分布参数 ; X 特征尺寸; D 粒子的直径 。 n 值越大 , 粒子尺寸就越均匀。如果 n 值为无 穷大 ,粒子就是某一单一尺寸的了 。实验表明 参数 n 与喷嘴形式 、 被雾化介质的种类及试验状态有关。 在浆液流量为20 L h, 压缩空气压力为0. 4 MPa、 气液质量比 0. 25∶ 1 的设计工况下, 在空气中喷嘴喷 雾高度为2 m ; 引风机 、 送风机开启在干燥塔内进行逆 喷实验 ,塔内气流速度0. 33 m s情况下, 逆喷高度为 1. 6 m 。 图 6 为喷雾液滴粒径质量比例分布,图 7为喷 嘴轴向液滴分布参数 。 图 6 浆液浓度对喷雾液滴粒度分布影响 图 6 为 浆液流量为 20 L h、压缩空气 压力为 0. 4 MPa 、 气液质量比 0. 25∶ 1 浆液浓度对喷雾液滴粒 径分布的影响。结果表明 较大或者较小液滴所占比 例小, 处于中间的液滴所占比例大, 喷嘴雾化性能比 较好。随着浆液浓度的增加, 液滴粒径增大 ,粒径偏 大或偏小的液滴所占比例减小 ,均匀度降低。 图 7 气液质量比对液滴粒度分布影响 图 7 为 浆液流量为 20 L h、压缩空气 压力为 0. 4 MPa 、 浆液浓度 15 时气液质量比对液滴粒度分 布影响 。当增大气液质量比时, 液滴平均粒径减小, 偏离平均粒径的液滴所占质量分数减少 ,液滴粒径趋 近平均直径的液滴比例增多, 雾化均匀性更好 。 图 8 液滴直径随高度变化分布 图 8 为 浆液流量为 20 L h、压缩空气 压力为 0. 4 MPa 、 气液质量比 0. 25∶ 1 情况下液滴粒径随高度 变化分布。随着测量位置距离喷嘴出口距离的增大, 液滴平均粒径增加 。这是因为一方面随着距离的增 加,部分液滴相互碰撞,互相结合; 另一方面粒径较大 的液滴射程较远 ,这样随着喷射距离的增加 ,大液滴 所占比例会逐渐增大 ,因此液滴的平均直径会逐渐增 42 环 境 工 程 2006年 4 月第24 卷第2 期 大。这两种情况都会导致液滴粒径变大 , 均匀度降 低,液滴均匀性变差 。 2. 5 喷嘴雾化特性拟合 影响雾化效果的因素有 1 雾化器的几何尺寸 ,即气体通道、液体通道的 面积等。 2 浆液的物理性质,如粘度 、 密度、 表面张力 、 流 量、 压力等 。 3 压缩空气的物理性质,如密度 、 流量、 压力等 。 影响平均液滴直径的因素可归纳为下列函 数式 [ 2] DSMf AG, AL, μL, ρL, σL, ML, ρG, MG 式中 DSM 体积-面积平均直径 m ; AG, AL 气体、 液体通道的面积 m 2 ; MG, ML 气体 、 液体的质量流量 kg s; ρ G, ρL 气体 、 液体的密度 kg m 3 ; μL 液体的粘度 Pas; σL 液体的表面张力 N m 。 经因次分析 ,可得下列无因次群关系式 DSM A 0. 5 L B Re′ a We′ b MG ML c ρ G ρL d 4 修正雷诺数 Re′ ML μLA 0. 5 L ,修正韦伯数 We′ M 2 L σLA 2 LρL 根据以上实验结果, 在不同的操作条件下 ,归纳 了多组数据,得到如下平均液滴直径计算式 DSM A 0. 5 L 825 Re′ - 0. 309 We0. 652 MG ML 0. 221 ρ G ρ L - 0. 197 5 回归值与实测值的最大误差18。 2. 6 干燥塔内冷态实验分析 有研究表明, 液滴粒径100 μ m左右 [ 7] , 喷雾角度 与干燥塔横截面相匹配, 液滴径向运动最大距离与干 燥塔半径相差很少 ,但不能喷射到壁面上 ,液滴粒径 均匀性越好越容易操作, 效率越高。干燥塔直径为 0. 8 m ,高度3. 9 m。此双流体喷嘴喷雾角度较小, 只 有18～ 29 ,在浆液逆喷的方式下 ,确定喷嘴在最佳运 行参数下的安装位置 。在浆液流量 20 L h ,压缩空气 压力0. 4 MPa、气液质量比 0. 25∶ 1 的情况下逆喷, 液 滴平均粒径约90 μ m , 角度为23 。 引风机 、送风机 打开后射程减小约0. 8 m ,雾锥扩散直径约0. 7 m。因 此喷嘴安装在距均流板1. 7 m处, 喷嘴雾化参数与干 燥塔配合较好。 3 结论 用压缩空气雾化 Ca OH2溶液 ,不同的气液质 量比以及浆液浓度下得出如下结论 。 1 气液质量比对液滴直径及雾化角影响很大。 液滴直径随着气液质量比的增加而减小 ,气液质量比 0. 1 ～ 0. 5 的情 况下, 喷雾液 滴直径 范围为 40 ～ 130 μ m 。雾化角随气液质量比的增加而减小, 变化范 围18～ 29 。 2 双流体喷嘴雾化角较小只有 18～ 29 , 在喷雾 干燥塔内进行逆喷 ,烟气与液滴之间的物质交换、混 合加强,这样才能有比较高的净化效率。 3 测量位置距喷嘴出口越远, 雾化液滴平均粒 径越大,均匀度越差 。 4 喷雾特性实验研究表明 ,该喷嘴出口倒角后, 在浆液流量为 20 L h、压缩空气压力为 0. 4 MPa 、气 液质量比为 0. 25∶ 1 时 ,液滴平均直径约为 90 μ m, 均 匀性较好, 符合喷雾干燥烟气净化液滴粒径要求。浆 液逆喷启动引风机和送风机 , 塔内气流速度0. 33 m s 条件下 ,逆喷高度为1. 6 m。研究结果为双流体喷嘴 喷雾干燥烟气净化研究奠定了技术基础 。 参考文献 [ 1] F. 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Keywords spray drying, twin fluid nozzle, spray angle and spray particle size TECHNICAL RE OF DEDUSTING SYSTEM OF DRY COAL SEPARATION Li Duosong Sun Jianming 44 Abstract Through on -the -spot test, analysis of the existing questions, theoretical calculation, etc, the control project s optimization of coal dust is realized, connected with dust removal system s reation of Baijiazhuang dry coal separation. On this basis, it is also put forward the control technique of special dust source that has multiple -point, large quantity , extensive area and so on according to the project s actualization, debugging and the running situation. Keywords dry coal separation and dust removal technolgy CLEANING OF FLUE GAS IN PRODUCTION OF AUTO -LINER MADE OF REGENERATIVE FIBER USING PLASMASun Chunbao Xing Yi Huang Liming 47 Abstract Plasma air cleaning technology was used to control the flue gas by the production of auto -linerwith regenerative fiber asmaterial. Its structure and operation parameters were optimized, and its cleaning principle was also studied. it is shown that plasma air cleaning technology can treat superfine particles and can also refine inhalant particulate andgas pollutant. Structure of the equipment is simple and the operation cost is low. It can be used in any industry field where the same kind of flue gas is produced. Keywords cleaning of flue gas, plasma, auto -liner and regenerative fiber material DISCUSSION ON THE FUNCTION AND PROCESS OPTIMIZATION OF MSW COMPOSTING COMPREHENSIVE CONTROL OF OXYGEN CONTENT, TEMPERATURE AND MOISTURE IN COMPOSTING PROCESSXu Wenlong Zhang Jing Ullus Leidel et al 50 Abstract Taking into account the current situation in China, the function and application of the MSW composting are discussed. In addition to the traditional application of the compost as fertilizer for farming, forest or greening , the composting can be understood as an important pretreatment ofMSW prior to the landfilling or biological drying before the incineration, in order to increase the heating value of the MSW. From the point of decreasing investment and operational costs, the analysis is made that the priority should be given to the main reaction conditions of biological systems and ventilation optimization instead of simply emphasizing on mechanization. The main factors of process such as the oxygen content, temprature and moisture are discussed, and a new engineering technology aswell as the control are introduced accordingly . Keywords municipal solid waste MSW, composting, biological treatment, oxygen content, temperature, moisture and control THE RESEARCH ON TREATING THE WASTE ACID OF CRUDE BENZOL REFINING Li Meixiang Su Guangwu Cheng Xiaodong 56 Abstract Waste acid of crude benzol refining was processedwith roasting . It is studied the technical process of waste acid of crude benzol refining by employing roasting ; the best operating parameters are discussed and the technical process is also optimized. Experimental results have shown that this can treat waste acid effectively, and has the advantages of easy operation, no secondary pollution and good economic benefit. Keywords roasting , crude benzol refining, waste acid and research EXPLORATION AND PRACTICE OF DEVELOPING BUILDING MATERIALS FROM FLUOR - GYPSUM DEBRISLi Ruyi Li Li Cao Zuogang 58 Abstract Fluor -gypsum debris from chemical production is used to make building materials, such as cement retarder, gypsum block and gypsum brick etc, whose technical properties can meet the requirements. It can solve not only environmental pollution, but also realize resource reuse of industrial debris. Keywords fluor -gypsum, environment protection and resource reuse RESEARCH ON EXTRACTION AND MODIFICATION OF LIGNIN INTHE PAPER MILL SLUDGE Li Shumian Jiang Ling Li Zhancai et al 62 Abstract The of extracting lignin from paper mill sludge and its sulfonated condition for modification have been studied. Some influencing factors such as the reaction temperature, reaction time, pH value etc. have been researched in detail. The experiment results indicate 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24, No. 2,Apr. ,2006