湿法脱硫用大流量低背压喷嘴开发.pdf

烟 气 污 染 治 理 湿法脱硫用大流量低背压喷嘴开发 * 杜云贵 1 刘艳荣 2 喻江涛 2 隋建才 2 1. 重庆大学资源及环境科学学院， 重庆 400044;2. 中电投远达环保工程有限公司， 重庆 401122 摘要 在石灰石 － 石膏湿法烟气脱硫吸收塔中， 喷嘴性能直接影响到脱硫效率和运行成本。针对目前国产脱硫喷嘴能 耗高的问题， 基于质量及能量守恒方程， 推导了螺旋喷嘴计算公式， 并结合螺旋面设计方法开发出大流量低背压喷嘴。 开发出的喷嘴运行压力小， 可降低运行电耗; 同时， 可减少塔内布置的喷嘴数量， 减少投资成本。 关键词 螺旋喷嘴; 流量; 压力; 雾化粒径; 雾化角 THE DEVELOPMENT OF LARGE DISCHARGE AND LOW PRESSURE NOZZLES FOR WET FGD Du Yungui1Liu Yanrong2Yu Jiangtao2Sui Jiancai2 1. College of Resources and Environmental Science;Chongqing University;Chongqing 400044，China; 2. CPI Yuanda Environmental Protection Engineering Co. ， Ltd，Chongqing 401122，China AbstractIn limestone -gypsum wet-FGD systems，characteristics of the nozzles directly affect the desulfurization efficiency and operation costs. Considering the high energy consumption of current desulfurization nozzles made in China，ulas used to design spiral nozzles has been derived based on quality and energy conservation equation in this article，and combined with design s of spiral surface large discharge and low pressure nozzles have been developed. The small operating pressure of the nozzles developed can reduce operating power consumption;At the same time， the large flow rate of the nozzles developed can reduce investment costs by reducing the number of nozzles installed in the tower. Keywordsspiral nozzle;flow rate;pressure;droplet size;spray angle * 国家科技支撑计划资助 2007BAC24B00 。 0引言 石灰石 － 石膏湿法脱硫技术是当今国内外应用 最广泛的烟气脱硫技术， 目前国内应用市场占 95 以上。石灰石 － 石膏脱硫工艺中石灰石浆液喷淋效 果直接影响到脱硫效率及脱硫能耗。脱硫喷嘴的主 要功能是把循环浆液管及喷淋管中大量的石灰石 － 石膏浆液转化为细小液滴喷出， 使其有足够的面积与 烟气充分接触发生化学反应， 从而有效地除去烟气中 的 SO2［ 1］。通常情况下， 用于 200 ～ 300 MW 机组的 脱硫喷嘴流量为 60 ～ 80 m3/h， 用于 600 MW 机组的 一般 100 m3/h。而现有国产喷嘴在 0. 05 MPa 工作 压力下， 流量增大至 100 m3/ h 以上时， 喷嘴的雾化 粒径增大， 较难满足湿法脱硫工艺需求。而螺旋喷嘴 由于液体在进入喷嘴腔体到出口的通道内， 均没有受 到任何阻碍， 可以在很低的压力下， 就可以达到优良 的雾化效果。但现有的湿法脱硫用螺旋喷嘴在工作 压力为 0. 05 MPa 时， 流量一般不超过 120 m3/h。 因此， 本文对螺旋喷嘴入口各尺寸及螺旋面等进 行优化， 开发的喷嘴在同等流量的情况下， 运行压力 较小， 喷雾覆盖面广， 且液滴均匀性高。采用这种喷 嘴可减少塔内布置的喷嘴数量， 从而在降低投资成本 和运行能耗的同时， 提高脱硫效率。 1脱硫喷嘴设计要求 石灰石 － 石膏脱硫工艺中要求喷雾粒径不宜太 大， 也不宜太小， 太大则单位体积内气液接触面积小， 导致脱硫效率低或投资成本增加， 太小则影响除雾器 的操作。在浆液流量一定的条件下， 操作压力越高， 平均粒径越小， 粒径分布越集中， 越有利于脱硫效率 的提高。但另一方面， 由于操作压力高， 液滴速度大， 在吸收区停留时间短， 要达到设计所需的停留时间， 必须增大塔高， 同时也加速了喷嘴的磨损， 从而带来 投资成本的增加。此外， 粒径太小有可能影响除雾器 的操作。因此， 脱硫喷嘴必须满足以下条件 45 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 1在较宽的压力范围内， 能提供均匀的喷雾 分布。 2要求有连续稳定的浆液喷射压力与流量的关 系曲线。 3在给定的压力下喷嘴形成的雾滴尺寸达到要 求。即要求喷嘴有连续的喷射压力与喷雾平均粒径 的关 系 曲 线。 一 般 工 艺 要 求 的 雾 化 粒 径 D32为 1 300 ～ 3 000 μm。 4达到喷雾均匀分布的同时又提供大的自由通 道以保证最佳的防堵塞性能。 5要求耐磨耐腐蚀性能优异， 能经受浆液连续 强烈地长期冲刷。 2喷嘴结构设计 2. 1喷嘴孔直径确定 2. 1. 1螺旋喷嘴工作原理 具有一定压力和速度的液体从上向下流过螺旋 喷嘴时， 其外层部分液体撞击喷嘴上呈一定角度的螺 旋面， 从而改变喷射方向离开喷嘴。不同层锥体喷射 面流线与喷嘴轴心的夹角 螺旋角 逐层减小。 2. 1. 2喷嘴孔直径确定 根据现有喷嘴的工作参数， 对比给出喷嘴设计参 数如表 1。以下开发内容根据表中所给参数 进 行 计算。 表 1喷嘴设计参数 浆液压力 PL/kPa 喷浆液量 Q / m3s － 1 浆液密度 ρL/ kg m － 3 雾化角 α/ 450. 0451 10390 1 喷嘴入口尺寸确定 ［ 2- 3］。根据工艺设计手册， 喷淋管内流速一般取 1. 5 ～ 2. 8 m/s， 2. 2 ～ 2. 4 m/s 最佳。设喷淋管管径为 D3， 喷淋管中石灰石浆液流 速 v0取 2. 3 m/s， 则有 Q 1 4 πD 2 3v 0. 045 m3/s 从而有喷淋管管径 D3 4Q π 槡v 158 mm 取喷嘴入口口径 D 150 mm， 则喷淋管中浆液 流速 v1 2. 24 m/s。喷嘴入口如图 1 所示。 2 喷嘴出口处速度计算。根据贝努利方程有 gz1 v2 1 2 P1 ρ gz2 y2 2 2 P2 ρ wf局部 wf沿程 因喷嘴入口处长度很小， 喷嘴本身长度很短， 故 可忽略沿程阻力损失和重力的影响， 而喷嘴出口压力 图 1螺旋喷嘴入口示意 很小， 则贝努利方程可简化为 ΔP ρ v2 1 2 v2 2 2 wf局部 v2 2 2 ξv 2 2 2 式中 ΔP 为喷嘴入口和出口的压差， 近似等于液体 入口压力 P1， Pa; ρ 为液体密度， kg/m3。 计算可得， v2 6. 6 m/s。 3 喷嘴口孔径 d0 d0 4Q π 槡v 0. 093 m 取 d0 90 mm 式中Q 为喷嘴流量， m3/s。 4 实际浆液流速 u0 u0 Q 1 4 πd 2 0 0. 045 1 4 0. 092π 7. 08 m/s 2. 2喷嘴螺旋面确定 壁厚为 a 12 mm， 喷射锥体的大直径 D1 d0 2a 160 mm， 雾化角 α1 90 一般取 90 ～ 120 。 取小直径 D2 20 mm， α2 20， 雾化面型线总圈数 t 3 一般取 2 ～ 4 ， 导程 s 40 mm， 计算可得 ［ 4］ 当 n∈［ 0， π/2］ 时， S n 80 － 3. 7n － 28. 5 － 6. 89n tan 2. 03n － 0. 76π 1 1. 7tan 2. 03n － 0. 76π M n 6. 29n － 115. 6 1. 7S n 当 n∈ π/2， 6π］ S n 80 － 3. 7n 28. 5 － 6. 89n tan 1. 26π － 2. 03n 1 2. 4tan 1. 26π － 2. 03n M n 6. 29n － 115. 6 1. 7S n 设计喷嘴螺旋面方程为 x { m［R n－ S n ］ R n } cosn y { m［R n－ S n ］ R n } sinn z － mM n－ 6. 37 { n 将该空间几何模型用 Matlab 进行仿真， 如图 2 所示。 55 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 图 2雾化螺旋型面仿真图形 2. 3校核计算 2. 3. 1雾滴直径校核［ 5- 6］ 雾滴索太尔雾化粒径直径 DVS 11 260 d0 0. 004 32 exp 3. 96 u0 － 0. 030 8u []0 1 476. 6 μm 式中DVS为体积面积直径， μm; d0为喷嘴孔直径， m; u0为液体从喷嘴孔喷出的平均流速， m/s。 2. 3. 2雾化角校核 影响雾化角的因素很多， 所以对于其经验公式的 总结难度也加大。美国纽约州立大学 N. Ashgriz 等 人根据大量的实验结果推出了如下的经验公式 θ tan －1 α1 － Rec Re Δ β Re1 / [] 2 εΔ 式中θ 为雾化角;α 为经验值， 约等于 1. 7;β 取 500;ε 1. 2 10 － 2;Re c 104;△为直径表面积比; 对于一个喷孔， 其△为一个定值。 Δ 4d0 πd 0l 127 Re ρvd μ 704 106 θ tan －1 α1 － Rec Re Δ β Re1 / [] 2 εΔ 91. 2 与设计参数相符合。 3喷嘴性能测试 3. 1雾滴粒径分布 由图 3 可得出， 喷嘴在压力为 43 kPa 时， 雾滴粒 径主要分布在1 600 μm 左右， 且 80 以上的雾滴直 径集中在1 000 ～ 3 000 μm 范围内， 故该喷嘴能提供 均匀的喷雾分布。 3. 2压力与流量关系 3. 2. 1压力、 流量、 雾化粒径关系 图 4 为该喷嘴压力与流量的关系曲线， 喷嘴流量 图 3工作压力为 43 kPa 时的喷嘴雾滴分布 随工作压力增大而增大， 与压力的的 1 /2 次方成正 比， 故该喷嘴具有连续稳定的浆液喷射压力与流量的 关系曲线。 图 4喷嘴流量 － 压力曲线 由图 5 可得出， 该喷嘴的压力在 10 ～ 50 kPa 条 件下工作时， 雾滴粒径 D32在1 100 ～ 1 600 μm， 满足 脱硫工艺要求。 图 5喷射压力与喷雾平均粒径关系曲线 3. 2. 2与现有螺旋喷嘴参数比较 图 6 为开发的喷嘴与现有螺旋喷嘴 某型号 的 65 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 压力 － 流量曲线图比较， 从图 6 中可以得出， 两个喷 嘴的工作压力范围不同， 现有喷嘴工作压力一般大于 50 kPa， 而开发的喷嘴工作压力范围为 10 ～ 50 kPa， 即可在较低的工作压力下满足脱硫工艺的粒径要求， 且当喷嘴工作压力均为 50 kPa 时， 开发喷嘴的流量 比现有喷嘴增加 20 ～ 40 。 图 6喷嘴压力 － 流量曲线比较 喷嘴的压力损失大多表现为出口处的局部阻力 损失， 由表 2 可知， 开发出的喷嘴工作压力降低的原 因， 主要是开发喷嘴的结构使得喷嘴在达到雾化效果 的同时， 出口速度减小， 也减少了出口处局部阻力 损失。 表 2喷嘴运行参数比较 项目压力 /kPa流量 / m3s － 1 速度 / m s－ 1 开发喷嘴451627. 08 现有喷嘴7012010. 15 4结论 通过对螺旋喷嘴入口各尺寸及螺旋面进行优化， 开发的喷嘴能提供均匀的喷雾分布; 有连续稳定的浆 液喷射压力与流量的关系曲线; 在工作压力范围为 10 ～ 50 kPa 时， 流量为 70 ～ 160 m3/h， 雾滴粒径 D32 在1 100 ～ 1 600 μm， 即该喷嘴可在较低的工作压力 下满足脱硫工艺的粒径要求， 且当喷嘴工作压力均为 50 kPa 时，流 量 较 现 有 螺 旋 脱 硫 喷 嘴 增 加 20 ～ 40 。 参考文献 ［1 ］ 傅文玲， 刘鹏. 烟气脱硫用碳化硅喷嘴的国产化探讨［J］ . 电力 设备，2007， 8 2 50- 52. ［2 ］ 姚增权， 马进. 简式旋流喷嘴的设计［J］ . 电力环境保护， 2002， 18 3 1- 5. ［3 ］ 钟秦. 燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例［M］ . 北京 化学工业 出版社，2002. ［4 ］ 李川， 王时龙， 钟增胜， 等. 渐开线雾化螺旋喷嘴的喷射型面几 何模型［J］ . 农业机械学报， 2007， 38 6 75- 78. ［5 ］ 李兆东， 王世和， 王小明， 等. 湿法烟气脱硫旋流喷嘴喷雾角试 验研究［J］ . 华东电力， 2005， 33 10 12- 14. ［6 ］ 刘乃玲， 张旭. 螺旋型喷嘴液滴分布特性及液滴直径经验公式 的拟合［J］ . 实验流体力学， 2006， 20 3 8- 12. 作者通信处刘艳荣401122重庆市北部新区金渝大道 96 号中 电投远达环保工程有限公司 电话 023 63062565 E- maillyrong1984 163. com 2009 － 12 － 14 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 50 页 ［2 ］ 邹雪， 赵宗升. 鸟粪石沉淀过程中的影响因素实验研究［J］ . 山 西建筑， 2007 6 18- 19. ［3 ］ Munch E V，Barr K. 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