PFBC-CC中试电站烟气旁路减温器模拟实验研究及设计应用.pdf

第 ３ ２ 卷第 ３ 期 ２ ０ ０ ２ 年 ５ 月 东 南 大 学 学 报（ 自 然 科 学 版 ） Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ ＬＯ ＦＳ Ｏ Ｕ Ｔ Ｈ Ｅ Ａ Ｓ ＴＵ Ｎ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ（ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ） Ｖ ｏ ｌ  ３ ２ Ｎ ｏ  ３ Ｍ ａ ｙ２ ０ ０ ２ Ｐ Ｆ Ｂ Ｃ  Ｃ Ｃ中试电站烟气旁路减温器 模拟实验研究及设计应用 肖军章名耀蔡宁生 （ 东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室， 南京 ２ １ ０ ０ ９ ６ ） 摘要采用冷态模拟实验与数值计算相结合的方法对贾汪 Ｐ Ｆ Ｂ Ｃ  Ｃ Ｃ中试电站旁路烟道的减温 器进行了专门研究设计． 提出的高速文丘里雾化冷却器与小孔型节流降压消音器相结合的减 温减压装置在中试电站的成功运行表明， 采用高速文丘里雾化冷却方式能够充分利用高温高 压烟气的能量雾化冷却水， 既能使大气量的烟气快速降温， 又能确保烟气的干度， 安全地实现 不同工况下含尘烟气的减温减压排放． 这种新方法解决了高温高压含尘气流的结构简单、 紧 凑、 安全排放的问题， 可应用于诸如燃煤联合循环发电系统以及石油、 化工等领域高温高压含 尘烟气旁路减温减压装置的设计中． 关键词文丘里雾化冷却器； 模拟实验； 数值计算； 设计； 应用 中图分类号Ｔ Ｋ ２ ２ ３ ． ７ ＋１ 文献标识码Ａ文章编号１ ０ ０ １ － ０ ５ ０ ５ （ ２ ０ ０ ２ ） ０ ３  ０ ４ ３ １  ０ ６ Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙａ ｎ ｄａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｎｔ ｈ ｅａ ｔ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒｏ ｆ ｔ ｈ ｅｇ ａ ｓ ｂ ｙ  ｐ ａ ｓ ｓ ｉ ｎＰ Ｆ Ｂ Ｃ  Ｃ Ｃｐ ｉ ｌ ｏ ｔ ｐ ｌ ａ ｎ ｔ Ｘ ｉ ａ ｏ Ｊ ｕ ｎＺ ｈ ａ ｎ ｇ Ｍ ｉ ｎ ｇ ｙ ａ ｏ Ｃ ａ ｉ Ｎ ｉ ｎ ｇ ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ （ Ｔ ｈ ｅ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｃ ｌ ｅ ａ ｎＣ ｏ ａ ｌ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄＣ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ Ｍ ｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｅ ｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ，Ｓ ｏ ｕ ｔ ｈ ｅ ａ ｓ ｔ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ２ １ ０ ０ ９ ６ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｔ ｈ ｅ ａ ｔ ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｇ ａ ｓ ｂ ｙ ｐ ａ ｓ ｓ ｏ ｆ Ｊ ｉ ａ ｗ ａ ｎ ｇ Ｐ Ｆ Ｂ Ｃ  Ｃ Ｃｐ ｉ ｌ ｏ ｔ ｐ ｌ ａ ｎ ｔ ｗ ａ ｓ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ｂ ｙ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ｃ ｃ ｅ ｓ ｓ ｆ ｕ ｌ ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｐ ｉ ｌ ｏ ｔ ｐ ｌ ａ ｎ ｔ ｓ ｈ ｏ ｗ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｖ ｅ ｎ ｔ ｕ ｒ ｉ ｓ ｐ ｒ ａ ｙ ａ ｔ ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｃ ａ ｎ ａ ｔ ｏ ｍ ｉ ｚ ｅ ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｇ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｆ ｒ ｏ ｍｈ ｉ ｇ ｈ  ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｈ ｉ ｇ ｈ  ｐ ｒ ｅ ｓ  ｓ ｕ ｒ ｅ ｇ ａ ｓ ． Ｉ ｔ ｃ ａ ｎｍ ａ ｋ ｅｌ ａ ｒ ｇ ｅｎ ｕ ｍ ｂ ｅ ｒ ｓｏ ｆ ｇ ａ ｓａ ｔ ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ｅ ｄｔ ｏｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｄｒ ａ ｐ ｉ ｄ ｌ ｙａ ｎ ｄｅ ｎ ｓ ｕ ｒ ｅｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｇ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｔ ｏｖ ａ ｐ ｏ ｒ ａ ｎ ｄｏ ｖ ｅ ｒ ｈ ｅ ａ ｔ ｃ ｏ ｍ ｐ ｌ ｅ ｔ ｅ ｌ ｙａ ｖ ｏ ｉ ｄ ｉ ｎ ｇｔ ｈ ｅｄ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｉ ｚ ｅ ｒ ｏ ｆ ｍ ｉ ｎ ｕ ｔ ｅｏ ｒ ｉ ｆ ｉ ｃ ｅ ｓ ’ｂ ｌ ｏ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇ ． Ｔ ｈ ｅａ ｔ ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒｃ ｏ ｍ ｂ ｉ ｎ ｅ ｄｗ ｉ ｔ ｈｔ ｈ ｅｄ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｉ ｚ ｅ ｒａ ｌ ｓ ｏｃ ａ ｎｍ ｅ ｅ ｔ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒｖ ａ ｒ ｉ ａ ｎ ｔ ｌ ｏ ａ ｄ ｓ ． Ｔ ｈ ｉ ｓ ｎ ｅ ｗｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｓ ａ ｃ ｏ ｍ ｐ ａ ｃ ｔ ，ｅ ｃ ｏ ｎ ｏ ｍ ｉ ｃ ａ ｎ ｄｒ ｅ ｌ ｉ ａ ｂ ｌ ｅ ｗ ａ ｙ ｔ ｏ ｄ ｉ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ ｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｇ ｈ  ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄｈ ｉ ｇ ｈ  ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｇ ａ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ，ａ ｎ ｄｃ ａ ｎｂ ｅａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄｉ ｎｃ ｏ ａ ｌ  ｆ ｉ ｒ ｅ ｄｃ ｏ ｍ ｂ ｉ ｎ ｅ ｄｃ ｙ ｃ ｌ ｅｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍａ ｎ ｄｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ． Ｋ ｅ ｙｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｖ ｅ ｎ ｔ ｕ ｒ ｉ ｓ ｐ ｒ ａ ｙ ａ ｔ ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ；ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｇｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ；ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ；ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ；ａ ｐ ｐ ｌ ｉ  ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ 收稿日期２ ０ ０ １  １ ２  ２ １ ． 基金项目国家“ 九五” 重点科技攻关资助项目（ ９ ７ ２ ２ ６ ） ． 作者简介肖军（ １ ９ ６ ８ ） ， 女， 讲师， ｊ ｘ ｉ ａ ｏ ＠ｓ ｅ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ ； 章名 耀（ 联系人） ， 男， 教授， 博士生导师； 蔡宁生， 男， 博 士， 教授， 博士生导师． 燃煤增压流化床燃气／ 蒸汽（ Ｐ Ｆ Ｂ Ｃ  Ｃ Ｃ ） 联合循 环发电系统是具有发展前景的洁净燃煤发电系统 之一， 在徐州贾汪建成了我国首座 Ｐ Ｆ Ｂ Ｃ  Ｃ Ｃ燃煤 联合循环发电中试电站． 该机组正常运行时， 烟气 驱动燃气轮机膨胀做功后， 再经余热锅炉放热排入 烟囱． 在机组启动、 烟气含尘浓度较高不满足进入 燃气轮机的要求， 或燃气轮机甩负荷和发生故障 时， 需使烟气进入旁路， 再经余热锅炉排入烟囱． 当 烟气处于旁路工作状态时， 进入余热锅炉前的参数 必须达到相当于燃气轮机的排气参数， 因此高温高                                                              压烟气的温度和压力必须在减温减压装置中消耗 掉． 对于干净气体的减温减压是容易实现的， 而含 有 ３ ０ ０ ～５ ０ ０ ｍ ｇ ／ ｍ ３细尘粒甚至更高含尘量的高温 高压烟气则有所不同， 例如石油催化裂化装置的动 力回收系统中， 含细尘粒的高温高压烟气的降温降 压措施是采用喷蒸汽冷却和多级节流孔板降压， 每 级孔板降压为 ０ ． ０ ２Ｍ Ｐ ａ 左右， 每级孔板间距离约 ０ ． ５ ｍ． 对于 Ｐ Ｆ Ｂ Ｃ  Ｃ Ｃ中试电站， 高温高压烟气的压 力为 ０ ． ６ ３ Ｍ Ｐ ａ ， 按此方法来设计， 需采用 ２ ５ 级降压 孔板， 仅降压孔板占据的管线就长达 １ ０ 多米（ 管道 内径 ０ ． ８ ｍ左右） ， 不但结构复杂， 投资较大， 且布 置很不紧凑． 而工业上对于干净气体常用的多层小 孔降压设备， 其结构相当紧凑， 难以直接用于高温 高压含尘气流． 高温烟气如用冷空气掺混来降温， 含尘气流通过小孔不存在堵塞问题， 但是动力消耗 会很大， 极不经济． 如果喷水冷却， 烟气在进入多层 小孔前， 绝不允许带有水滴， 否则小孔极易堵塞， 无 法正常工作． 为了克服这个难题， 本文提出了新的 设计思想， 即在进入多层小孔降压器之前， 采用高 速文丘里喷水雾化冷却方法， 利用烟气自身的压力 和温度（ ０ ． ６ ３ Ｍ Ｐ ａ ， ７ ６ ０℃） 使冷却水雾化成细滴， 并 在较短的距离内即可汽化形成过热蒸汽． 由于进入 多层小孔降压器前， 烟气中的水蒸汽处于高度过热 状态， 因此小孔不会被尘粒堵塞， 可保证降压器正 常工作， 从而实现烟气降温降压． 为了保证中试电 站正常运行， 特此对高速文丘里喷水雾化冷却器进 行研究设计及模拟实验． １ 高速文丘里雾化冷却器设计 １ ． １ 设计条件 Ｐ Ｆ Ｂ Ｃ  Ｃ Ｃ燃煤联合循环中试电站系统额定工 况下， 由 Ｐ Ｆ Ｂ锅炉出来的烟气， 经两级高温除尘器 后的烟气温度 ７ ６ ０℃， 压力 ０ ． ６ ３Ｍ Ｐ ａ ， 流量 ２ ９ ． ０ ２ ｋ ｇ ／ ｓ ． 为了降低对降压器的材质要求， 减少造价， 并 满足余热锅炉入口烟气温度条件， 在小孔节流降压 器前布置一台减温器， 使烟温在降压消音器前降至 ４ ５ ０℃（ 最高不超过 ５ ０ ０℃） ， 经降压消音器减压后， 烟气的压力降为 ０ ． １ ０ ４Ｍ Ｐ ａ ， 受现场条件限制， 减 温、 减压器之间的距离不大于 １ ２ ｍ． 烟气系统布置 如图 １ 所示． 根据中试电站现场条件及运行工况要求， 为了 保证结构紧凑的小孔节流降压器正常可靠运行， 专 门研究与设计高速文丘里喷水雾化冷却器作为烟气 旁路减温器， 以使冷却水雾化效果好， 烟气冷却速度 快， 在符合降温要求的同时， 保证进入降压消音器前 冷却水完全汽化过热， 满足系统安全运行的要求． 图 １ 烟气系统布置图 １ ． ２ 研究设计计算 文丘里雾化冷却器的雾化原理是当气体进入 文氏管后， 经渐缩管逐渐加速， 到喉管处速度达到 最大， 高速气体将从喉部引入的液体雾化成细小的 液滴， 细小的液滴在气体的携带作用下很快被加速 到和气体相近的速度， 并与气体充分混合． 雾化液 滴大小主要取决于气体压力及流量， 气体具有较高 的动能才能满足雾化要求． 通常由于受到气体所允 许的压力降限制， 喉部气流速度一般在 ５ ０～ １ ２ ０ ｍ／ ｓ ， 此时阻力为 ０ ． ６ ～ ２ ０ ｋ Ｐ ａ ． 中试电站烟气旁 路需要冷却的烟气流量大， 压力高， 具有较高的能 量， 因此可充分利用其自身的能量， 以提高喉部烟 气速度， 获得尽可能小的雾化粒径［ １ ］． 在烟气流量 一定的情况下， 烟气雾化速度取决于喉部直径， 但 是烟气喉部速度受到临界流速的限制， 所以文丘里 雾化冷却器设计的关键是喉部直径的选取． 由能量平衡和液滴雾化、 汽化原理， 对所需的 冷却水量和雾化粒径要求、 文丘里结构尺寸进行了 设计研究． １ ． ２ ． １ 冷却水量 烟气冷却水量由热平衡方程式计算，Ｑ烟气放热 ＝Ｑ水吸热， 即 ＭｇＣ ｐ ｇ ｔ ｇ １－ｔ ｇ ２＝ＭｌＣｐ ｌｔｓ－ｔ ｌ１＋Ｌ [ ＋ Ｃ ｐ ｌ ｇ ｔ ｇ ２－ｔ ] ｓ （ １ ） 其中， Ｍｇ为烟气质量流量； Ｃｐ ｇ为烟气定压比热； ｔ ｇ １ 为烟气初始温度； ｔ ｇ ２为烟气冷却后温度； Ｍｌ为冷却 水质量流量； Ｃ ｐ ｌ为冷却水比热； ｔｓ为冷却水饱和温 度； ｔ ｌ１为冷却水初始温度； Ｌ为冷却水汽化潜热； Ｃ ｐ ｌ ｇ为冷却水气相比热． １ ． ２ ． ２ 雾化粒径要求 由于液滴直径很小， 设在文氏管出口处液滴已 与烟气速度相等， 因此液滴允许在管道内停留的时 间， 取决于气流速度， 即τ＝Ｓ ／ Ｖ ｇ． 式中，τ为停留 时间； Ｓ为文氏管出口到降压消音器前的距离； Ｖ ｇ 为烟气平均速度． ２３４东南大学学报（ 自然科学版）第 ３ ２ 卷 雾化的液滴在高温烟气中的汽化过热过程可 描述为液滴从外界吸收热量首先将液滴加热到饱 和温度， 然后液滴在该温度下汽化为饱和蒸汽， 最 后加热到与烟气温度相等的过热气体． 对该汽化过 程作如下假设 ①液滴为圆球形；②物性参数视为 常数； ③汽化温度为常数． 液滴汽化率 Ｍ１计算采 用 Ｓ ｐ ａ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ 的圆球液滴蒸发率公式［ ２ ］ Ｍ１＝４ πｒｌ ｋ ｇ Ｃ ｐ ｇ ｌ ｎ１＋Ｂ ｙ （ ２ ） 液滴质量变化率为 Ｍ２＝－ ｄ ｄ τ ４ ３ πｒ ３ ｌρｌ （ ３ ） 根据质量守衡定律， Ｍ１＝Ｍ２， 因此， 汽化时间与液 滴半径之间的关系可以表述为 ｒ ２ ｌ＝２ ｋ ｇｌ ｎ１＋Ｂ ｙτ Ｃ ｐ ｇρｌ （ ４ ） 式中Ｂ ｙ＝ Ｃ ｐ ｌ ｔ ｇ ∞－ｔ ｓ Ｌ 其中， ｒ ｌ为液滴半径； ｋｇ为烟气导热系数； Ｂｙ为传 质数； ρｌ为液滴密度； ｔ ｇ ∞为烟气温度． 联立上述式（ １ ）～（ ４ ） ， 雾化最大粒径必须小 于２ ０ ０ μｍ ， 才能保证液滴在进入小孔降压器前完全 汽化过热， 避免液滴堵塞降压器中的节流小孔． 在高速文丘里雾化器设计中， 除了保证雾化粒 径外， 还要保证烟气通过减温器的压降在允许范围 内． 烟气的压降主要是气体通过文氏管时压降及气 体为粉碎和加速液滴所需压降， 其总压降［ １ ］ΔＰ为 Δ Ｐ＝Δ Ｐ ｄ ＋ Δ Ｐ ｗ＝ ξｄρｇｖ ２ ｇ／ ２＋ξｗ Ｑｌ ｖ Ｑ ｇ ｖρ ｇｖ ２ ｇ／ ２ （ ５ ） 式中， ΔＰｄ为文氏管干气体压降；ΔＰｗ为文氏管的湿 压降； ξｄ为干气体压降系数；ξｗ为湿压降系数； Ｑｌ ｖ／ Ｑ ｇ ｖ为液气体积比； Ｖｇ为烟气速度； ρｇ为气体密度． 由于旁路烟气具有较高的压力， 因此在压降允 许的条件下， 将尽可能提高文氏管喉部速度以提高 雾化效果． 根据以上主要设计条件， 经设计计算， 初步确 定的高速文丘里雾化冷却器主要结构参数以及相 应主要结果如表 １ 所示． 表 １ 文丘里雾化冷却器设计计算结果（ 额定工况） 喉部 内径 ／ ｍ ｍ 冷却水喷嘴 直径 ／ ｍ ｍ 喉管内 烟气速度 ／ （ ｍ ｓ － １） 压降 ／ Ｍ Ｐ ａ 冷却水量 ／ （ ｋ ｇ ｓ － １） ２ ４ ０７ （ 中心） ， ４ （ 周边）２ ９ ２０ ． １ ０４ ． ０ ２ 高速文丘里雾化冷却器模拟实验 由于缺乏高速文丘里雾化实验数据， 而实际运 行中对雾化粒径的要求很高， 为了保证文丘里雾化 粒径满足中试电站正常运行的要求， 避免雾化液滴 在进入降压器前不能完全汽化过热， 造成降压器中 的小孔堵塞， 导致烟气不能正常排放的严重后果， 因 此利用相似理论的方法， 进行了冷态模拟实验和数 值计算研究来验证设计参数下文丘里管的雾化效 果， 确保文丘里雾化冷却器设计的正确性与可行性． ２ ． １ 冷态模拟实验模型 文丘里雾化器是利用高速气流将液膜或射流 分裂成细小的液滴群［ ３ ， ４ ］， 气动力是促使射流破碎 的主要因素， 而液体表面张力阻碍液体的破碎． 因 而， 破碎的液滴尺寸取决于气动力与表面张力的比 值， 这个无量纲的比值就是韦伯数 Ｗ ｅ ， 它是决定液 滴稳定性的主要无量纲参数． 在没有周围气体影响 的情况下， 射流破碎后的液滴尺寸主要取决于喷口 直径， 液体密度， 表面张力和粘性， 即液体介质的自 身特性， 这个无量纲比值为奥内索尔格数 Ｚ ． 因此 根据气动雾化原理选择了反映破碎机理的液滴破 碎准则韦伯数 Ｗ ｅ 和液体介质特性的奥内索尔格 数Ｚ作为冷态实验模拟实际工况的相似准则数． 实 验工况和实际工况中 Ｗ ｅ 与 Ｚ数相同时， 认为二者 的雾化现象是相似的， 即 Ｗ ｅ＝ρｇｕ ２ Ｒｄ０／σｌ （ ６ ） Ｚ＝ Ｗ ｅ １ ／ ２ Ｒ ｅ ＝ μｌ ρｌｄ ０σ槡ｌ （ ７ ） 式中， ｕ Ｒ为气液相对速度； ｄ０为喷咀直径；σｌ为流 体表面张力； μｌ为液体粘度； Ｒ ｅ 为需诺数． 基于上述相似准则数， 建立了模拟实验台， 进 行了反映实际工况的冷态模拟实验． ２ ． ２ 模拟实验系统 实验系统中， 文丘里雾化器采用压缩空气作为 雾化气源， 经输气管路进入文氏管的渐缩段加速， 在直径４ ０ ｍ ｍ的喉部将分别由７ ｍ ｍ的中心喷嘴 和４ ｍ ｍ的周边喷嘴引进的液体射流进行雾化， 雾 化后的液滴与压缩空气经渐扩段一起排向大气， 此 时雾化液滴的平均运动速度为２ ０～３ ０ ｍ／ ｓ ． 实验中 雾化液滴数量较多， 直径小， 运动速度快， 因此采用 频闪式高速摄影仪， 对文丘里管出口处的雾化液滴 进行拍照， 在底片上记录下雾化粒子的影像， 通过 对照片中雾化粒径的判读来分析雾化效果． 冷态模 拟实验装置系统如图 ２ 所示． ２ ． ３ 实验结果与分析 由于实际运行中负荷是变化的， 因此针对实际 运行中 ６ ０ ％～ １ ０ ０ ％负荷之间的 ５ 个工况点分别进 行了模拟实验， 即选取实际运行中烟气流量分别为 ３３４第 ３ 期肖军等 Ｐ Ｆ Ｂ Ｃ  Ｃ Ｃ中试电站烟气旁路减温器模拟实验研究及设计应用 图 ２ 高速文丘里雾化实验系统示意图 ２ ９ ． ０ ２ ， ２ ６ ． ５ ， ２ ４ ． ５ ， ２ ２ ． ０ｋ ｇ ／ ｓ 以及 ２ ０ ． ４ｋ ｇ ／ ｓ 负荷时 的工况， 实验中保证进行的 ５个模拟实验工况的 Ｗ ｅ 和 Ｚ数分别与上述 ５ 个实际工况的 Ｗ ｅ 和 Ｚ数 相等， 且使模拟工况中的液气体积比与实际工况中 的近似相等， 因此 ５ 个模拟实验工况中测得的粒径 分布及其特征参数反映了相应实际运行工况的雾 化特性． 经实验， 对各实验工况下所拍照片上雾化粒子 图像进行显微判读， 经数据处理， 计算了表示雾化 液滴平均直径的索太尔直径（ Ｓ Ｍ Ｄ ） ， 其中不同工况 下雾化液滴 Ｓ Ｍ Ｄ直径如图 ３所示． 从图中可见实 际运行变负荷情况下， 雾化液滴的 Ｓ Ｍ Ｄ直径变化 图 ３ 雾化液滴 Ｓ Ｍ Ｄ直径 较小， 最大不超过 ５ ６ μｍ ， 雾化效果一致． 无论理论 分析， 还是工程应用， 不仅需知 Ｓ Ｍ Ｄ直径大小， 而 且更需要了解粒径分布情况． 为了满足减温器后降 压器的要求， 最主要的是看其雾化后粒径是否满足 汽化允许的最大粒径要求， 因此对粒子尺寸分布做 了数学统计， 各工况下粒子尺寸带以上体积累积分 布曲线如图 ４所示， 从图中可见各工况下雾化液滴 的最大粒径均小于 １ ２ ０ μｍ ， 完全符合最大雾化粒 径． 另外， 为了分析粒径分布特性， 使用 Ｒ ｏ ｓ ｉ ｎ  Ｒ ａ ｍ ｍ ｌ ｅ ｒ 分布函数［ ３ ］描述文丘里雾化液滴分布情 况， 其函数表达式为Ｑ＝ｅ ｘ ｐ－ Ｄ／ 珋 ｘ [] Ｎ ， 其中， Ｑ为大于粒子直径Ｄ的粒子累积体积分数； Ｎ为粒 子尺寸分布参数； 珋 ｘ为特征尺寸， 表示大于这个尺 寸的粒子体积占总体积的 ３ ６ ． ８％． 各工况下粒子 尺寸分布参数 Ｎ和特征尺寸珋ｘ 如图 ５ 所示． 由图可 见， 雾化粒子的尺寸分布参数 Ｎ值较大， 说明其尺 寸分布均匀， 而且随雾化气体流量增加， Ｎ也呈增 加趋势， 表明在大烟气量下雾化粒子的均匀性较 好． 图 ４ 雾化粒径尺寸带以上累积分布 图 ５ 雾化粒子特征参数 ２ ． ４ 数值模拟计算 为了进一步检验所设计的高速文丘里雾化冷 却器对高温烟气的减温情况， 预测最大的雾化液滴 在何处可完全汽化， 对减温减压器之间烟道中传热 传质工况还做了模拟数值计算． 根据液气间传热传 质原理， 建立了反映烟气与液滴流动传热传质的数 学方程， 由于液气间的传热传质是比较复杂的过 程， 建模中做如下假设［ ５ ～ ７ ］ 液滴视为球形且内部 温度均匀一致； 液滴在烟气中为离散体系； 液滴与 烟气运动速度相同． 另外假设烟气为理想气体； 忽 略气相内部耗散及壁面散热； 烟气为一维轴向流 动； 流场与温度场为轴对称， 准稳态． 建立在柱坐标 下烟气与液滴流动传热传质的数学方程如下 烟气质量守恒的连续性方程为  ｘρ ｇｖ ｇ＝  ｍｖ（ ８ ） 烟气动量守恒方程为  ｘρ ｇｖｇｖ ｇ＝－ ｐ ｘ＋２  ｘμｅ ｆ ｆ ｖｇ  ｘ ＋ ４３４东南大学学报（ 自然科学版）第 ３ ２ 卷 １ ｒ  ｒ ｒ μｅ ｆ ｆ ｖｇ  ｒ （ ９ ） 液滴传热传质和汽化模型为  ｍｖ＝２ πｄｌ ｋ ｇ Ｃ ｐ ｇ ｌ ｎ１＋Ｂ ｙ＝－ １ ６ ｄρ ｌπｄ ３ ｌ ｄ τ （ １ ０ ） 则液滴直径 ｄ ｌ随时间的变化率为 ｄｄ ｌ ｄ τ ＝－ ４ ｋ ｇ Ｃ ｐ ｇρｌｄ ｌ ｌ ｎ１＋Ｂ ｙ （ １ １ ） 而气液两相能量守恒方程是 液相吸热量 ｑ ｖ＝  ｍｖＣ ｐ ｌ ｔ ｓ－ｔ ｌ１＋Ｌ＋Ｃｐ ｌ ｇ ｔ ｇ ２－ｔ ｓ （ １ ２ ） 气相放热量 Ｑｇ＝ＭｇＣ ｐ ｇ ｔ ｇ １－ｔ ｇ ２ （ １ ３ ） 根据能量守恒 ｑ ｖ＝Ｑｇ （ １ ４ ） 式中，ｍｖ为液滴蒸发速率； ｐ 为烟气压力； μｅ ｆ ｆ为有 效粘性系数； ｄ ｌ为液滴直径； ｑｖ为液相吸热量； Ｑｇ 为气相放热量． 其中边界条件为 壁面速度 ｖ ｇ ＝０ ， 轴心速度 ｖｇ ｒ＝０ ， 轴心温度 ｔｇ ｒ＝０ ， 入口速度与温 度分别为各工况下烟气在减温器前的平均速度和 温度． 联立上述方程（ ８ ）～（ １ ４ ） ， 采用 Ｓ Ｉ Ｍ Ｐ Ｌ Ｅ算 法， 计算各工况下的温度场． 经数值计算， 液滴汽化 完成的最远距离是 ３ ． ４ ｍ ， 远小于减温器与减压器 之间距离１ ２ ｍ ， 可见其有足够的距离实现烟气汽化 与过热． 经冷态模拟实验与数值模拟计算， 初设的高速 文丘里雾化冷却器是正确可行的， 符合各工况下运 行要求． ３ 文丘里雾化冷却器实际运行结果 中试电站采用上述高速文丘里雾化冷却器进 行旁路烟道的烟气减温， 在调试及试运行中， 测量 了文丘里雾化冷却器实际耗水量、 降压消音器前烟 气温度以及减温减压装置前后压力， 对设计计算值 和实际运行值进行了比较． 实际运行中， 喷水减温后， 降压器前的烟气温 度如图 ６ 所示， 在不同的负荷下其值均控制在 ４ ５ ０ ～ ５ ０ ０℃之间． 同时对设计冷却水量与实际运行耗 水量作了比较， 图 ６ 中数据清楚地表明二者是完全 一致的． 实际运行结果说明高温烟气经文丘里雾化 冷却器， 与雾化后冷却水直接混合换热， 烟气得到 迅速冷却， 而且不同工况下， 冷却水在降压消音器 图 ６ 实际耗水量与降压器前烟气温度 前均实现了汽化过热， 烟气温度稳定地控制在设计 要求的范围内， 且波动较小， 完全符合设计运行要 求． 由于运行中保证了高温烟气的冷却水在降压消 音器前完全汽化过热， 因此降压消音器在运行中未 因含尘气流的原因发生堵塞现象， 降压器出口实际 运行压力与相应的降压器出口计算压力如图 ７所 示． 由图可见， 降压消音器出口后各工况下实际测 图 ７ 实际运行降压器出口压力 量的压力在 ０ ． １ ０ ３ ～０ ． １ ０ ６Ｍ Ｐ ａ 之间， 降压器出口 实际测量压力与设计计算压力是基本一致的， 由此 可见， 文丘里冷却器的合理设计， 保证了不同工况 下， 降压器出口烟气压力均符合烟气出口压力的要 求． 中试电站已累计试运行近 １ ０ ０ ０ ｈ ， 由于处于调 试及试运行阶段， 绝大多数时间烟气全部或部分经 旁路烟道排入烟囱， 且其中经历了多次启停， 实际 含尘量比设计值还要高． 实际运行结果证明， 采用 高速文丘里雾化冷却器减温， 保证了小孔型降压消 音器在含尘气流中的顺利应用， 在不同的运行工况 下， 均成功实现了含尘高温高压烟气的减温减压， 稳定安全排放． ４ 结论 通过冷态模拟实验与数值计算相结合的方法， 对高速文丘里雾化冷却器进行了成功的研究设计． 经过中试电站调试运行的实践， 表明采用高速文丘 里雾化冷却方式， 能够充分利用高温高压烟气的能 ５３４第 ３ 期肖军等 Ｐ Ｆ Ｂ Ｃ  Ｃ Ｃ中试电站烟气旁路减温器模拟实验研究及设计应用 量雾化冷却水， 使得在气量大、 冷却时间短的情况 下满足烟气降温要求， 同时保证进入降压消音器前 的冷却水完全汽化过热， 确保烟气的干度， 完全避 免了结构紧凑的小孔节流降压器的节流小孔堵塞， 并安全地实现不同工况下烟气的减温减压排放． 本 文提出的高速文丘里雾化冷却器与小孔型节流降 压消音器相结合的减温减压装置在含尘气流中的 成功运行， 解决了高温高压含尘气流的结构简单、 紧凑、 安全排放的问题， 这种新方法今后也可应用 于诸如燃煤联合循环发电系统， 以及石油、 化工等 领域高温高压含尘烟气旁路的减温减压装置的设 计中， 以克服喷蒸汽冷却和多级孔板降压实现减温 减压而造成的占地面积大， 蒸汽耗量多， 经济性差 的缺点． 参考文献 （ Ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ） ［ １ ］肖军． 文丘里雾化冷却器工程设计及性能研究［ Ｄ ］ ． 南京 东南大学动力工程系， １ ９ ９ ６ ． Ｘ ｉ ａ ｏ Ｊ ｕ ｎ ．Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎａ ｎ ｄｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙｏ ｆ ｖ ｅ ｎ ｔ ｕ ｒ ｉ ｓ ｐ ｒ ａ ｙａ ｔ  ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ［ Ｄ ］ ．Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｓ ｏ ｕ ｔ ｈ ｅ ａ ｓ ｔ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， １ ９ ９ ６ ． （ ｉ ｎＣ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ） ［ ２ ］徐进良， 陈听宽． 圆管内大液汽比下液雾在高温气流 中蒸发特性的研究［ Ｊ ］ ． 应用力学学报， １ ９ ９ ３ ， １ ０ （ ２ ） ６ ６ ７ ０ ． Ｘ ｕＪ ｉ ｎ ｌ ｉ ａ ｎ ｇ ，Ｃ ｈ ｅ ｎＴ ｉ ｎ ｇ ｋ ｕ ａ ｎ ． Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｆ ｄ ｒ ｏ ｐ ｌ ｅ ｔ ｅ ｖ ａ ｐ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｇ ｒ ｅ ａ ｔ ｌ ｉ ｑ ｕ ｉ ｄ  ｇ ａ ｓ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｈ ｉ ｇ ｈ  ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｉ ｒ ｓ ｔ ｒ ｅ ａ ｍｉ ｎ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ  ｌ ａ ｒ ｔ ｕ ｂ ｅ ［ Ｊ ］ ．Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ｊ ｏ ｆ Ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ， １ ９ ９ ３ ， １ ０ （ ２ ） ６ ６ ６ ７ ． （ ｉ ｎＣ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ） ［ ３ ］Ｆ ｅ ｒ ｎ  ｎ ｄ ｅ ｚ Ａ ｌ ｏ ｎ ｓ ｏ Ｄ ，Ｇ ｏ ｎ ａ ｌ ｖ ｅ ｓ Ｊ ＡＳ ，Ａ ｚ ｚ ｏ ｐ ａ ｒ ｄ ｉ ＢＪ ，ｅ ｔ ａ ｌ ． Ｄ ｒ ｏ ｐｓ ｉ ｚ ｅｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓｉ ｎｖ ｅ ｎ ｔ ｕ ｒ ｉ ｓ ｃ ｒ ｕ ｂ ｂ ｅ ｒ ｓ ［ Ｊ ］ ．Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ， ２ ０ ０ １ ， ５ ６ （ ８ ） ４ ９ ０ １ ４ ９ １ １ ． ［ ４ ］Ｎ ｇ ｕ ｙ ｅ ｎＤＡ ，Ｒ ｈ ｏ ｄ ｅ ｓ ＭＪ ． Ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｉ ｎ ｇ ｆ ｉ ｎ ｅｄ ｒ ｏ ｐ ｓ ｏ ｆ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｂ ｙ ｔ ｗ ｉ ｎ  ｆ ｌ ｕ ｉ ｄａ ｔ ｏ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ［ Ｊ ］ ．Ｐ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，１ ９ ９ ８ ，９ ９ （ １ ０ ） ２ ８ ５ ２ ９ ２ ． ［ ５ ］ Ｆ ｅ ａ ｔ ｈＧＭ．Ｅ ｖ ａ ｐ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆｓ ｐ ｒ ａ ｙ ｓ ［ Ｊ ］ ． Ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎＥ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ａ ｎ ｄＣ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ， １ ９ ８ ３ ， ９ （ １ ） ４ １ ５ １ ． ［ ６ ］Ｍ ｉ ｌ ｌ ｅ ｒ ＲＳ ，Ｈ ａ ｒ ｓ ｔ ａ ｄＫ ，Ｂ ｅ ｌ ｌ ａ ｎＪ ．Ｅ ｖ ａ ｌ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｅ ｑ ｕ ｉ ｌ ｉ ｂ ｒ ｉ ｕ ｍ ａ ｎ ｄｎ ｏ ｎ  ｅ ｑ ｕ ｉ ｌ ｉ ｂ ｒ ｉ ｕ ｍｅ ｖ ａ ｐ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｙ  ｄ ｒ ｏ ｐ ｌ ｅ ｔ ｇ ａ ｓ  ｌ ｉ ｑ ｕ ｉ ｄｆ ｌ ｏ ｗｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ［ Ｊ ］ ．Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌＪ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌｏ ｆＭ ｕ ｌ  ｔ ｉ ｐ ｈ ａ ｓ ｅ Ｆ ｌ ｏ ｗ ， １ ９ ９ ８ ， ２ ４ （ ９ ） １ ０ ２ ５ １ ０ ５ ５ ． ［ ７ ］Ｈ ｏ ｕ ｓ ｉ ａ ｄ ａ ｓＣ ｈ ｒ ｉ ｓ ｔ ｏ ｓ ，Ｌ ａ ｒ ｒ ｏ ｄ Ｆ ｒ ａ ｎ ｃ ｉ ｓ ｃ ｏＥ ｚ ｑ ｕ ｅ ｒ ｒ ａ ，Ｄ ｒ ｏ ｓ ｓ ｉ ｎ ｏ ｓ Ｙ ａ ｎ ｎ ｉ ｓ ． Ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｄ ｉ ｆ ｆ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎｉ ｎａ ｔ ｕ ｂ ｅ ｗ ｉ ｔ ｈｎ ｏ ｎ  ｕ ｎ ｉ ｆ ｏ ｒ ｍｉ ｎ ｌ ｅ ｔ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ［ Ｊ ］ ． Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｏ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ， ２ ０ ０ ０ ， ３ １ （ ８ ） ９ ５ ９ ９ ６ ８ ． ６３４东南大学学报（ 自然科学版）第 ３ ２ 卷