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电厂 SCR空气雾化喷嘴的雾化特性研究 ＊ 郑 斌 1 姬丽霞 2 路春美 2 孔昭健 3 1.山东理工大学交通与车辆工程学院, 山东 淄博 255049; 2.山东大学, 济南 250100; 3.北京航空航天大学, 北京 100083 摘要 SCR 是当前世界上公认的成熟控制氮氧化物技术, 喷嘴是其喷射系统的关键部件。 空气雾化喷嘴是一种广泛应 用的雾化装置, 具有雾化效果好、供给系统简单等优点。 设计了新型外混式空气雾化喷嘴, 并对其雾化性能进行了实 验研究。实验研究主要分析了空气压力、液体压力及测量位置不同时, 新型外混式空气雾化喷嘴喷雾的 SMD、平均轴 向速度、平均径向速度、液滴通量等特性参数沿喷嘴径向的分布情况。 实验结果表明, 空气雾化喷嘴具有良好的雾化 效果。 关键词 外混式; 空气雾化喷嘴; 雾化性能; SCR STUDY ON ATOMIZATION CHARACTERISTICS OF THE SCR AIRBLAST ATOMIZER IN ELECTRIC POWER PLANT Zheng Bin1 Ji Lixia2 Lu Chunmei2 Kong Zhaojian3 1.College of Traffic and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology , Zibo 255049, China; 2.Shandong University, Jinan 250100, China;3.Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China Abstract SCR is a ripe technology of NOxcontrol in the world.Atomizer is the key component in the ejecting system.Airblast atomizer is widely used because of its excellent atomization characteristics and simple fuel supply equipment.A new external mixing type atomizer was designed and its atomization characteristics were studied. The atomization characteristic parameters, such as SMD, mean axial velocity, mean radial velocity and flux had been studied respectively under varying air pressure, hydraulic pressure, and downstream section in the experiment. It has been proved that the atomizer pered well in atomization. Test results showed that the external mixing type atomizer has better atomization characteristics. Keywordsexternal mixing type; airblast atomizer; atomization characteristics; SCR ＊山东省自然科学基金重点项目 Z2006F04 。 0 引言 随着我国经济的快速发展 , 电力需求量越来越 大,由于我国的电厂主要是以燃煤为主 , 从而带来了 大量气体污染物的排放 。燃煤电厂排放的气体污染 物主要是硫氧化物和氮氧化物 ,氮氧化物对人类健康 的威胁超过硫氧化物 ,尽管电站煤粉锅炉所排放的氮 氧化物在我国整体排放量中所占的比例不足 20, 但因其排放位置相对集中 ,近年来越来越受到重视 。 SCR是当前世界上公认的成熟控制氮氧化物技 术,它是将脱硝剂 氨水、尿素等 喷入炉膛中 ,把氮氧 化物还原成氮气 , 以达到减少氮氧化物排放的目的。 喷入炉膛内的脱硝剂雾化程度越高 , 其反应面积大, 反应更充分,脱硝效果好。由此可见, 脱硝剂的雾化 效果是整个脱硝技术的核心, 而雾化喷嘴的性能决定 雾化效果的好坏 。 空气雾化喷嘴是一种广泛应用于液体雾化的装 置,其主要特点是在喷嘴内设计了空气流道 ,利用高 压空气的喷散作用 ,以较高的速度夹带着液体喷出, 使液体雾化为更细的液滴。空气雾化喷嘴具有雾化 质量高、 气耗率低、 辐射热量少 、 供给系统简单可靠等 优点 [ 1-4] 。 1 空气雾化喷嘴设计 外混型喷嘴是最常用的一种空气雾化喷嘴,其雾 化原理是在喷口处或喷口外实现气流雾化液体 [ 5 -6] 。 由于常用的外混式喷嘴雾化能力有限,本文在原有的 外混式喷嘴设计基础上进行了改进和优化,设计了新 型空气雾化喷嘴 ,基本结构如图1 所示。喷嘴的主要 79 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 参数如表 1 所示 。 1压缩空气管; 2氨水管。 图 1 外混型喷嘴结构 表 1 外混型喷嘴的主要参数 喷射 对象 供水量 gs- 1 雾化剂 水导管 内径 mm 水出口 内径 mm 进气管 内径 mm 空气出口 内径 mm 出口 个数 氨水2空气30 . 5160 . 58 2 实验系统 本实验是在二元实验台上完成 。实验设备包括 PDA 激光粒子动态测量仪 、储液罐、高压气瓶 、压力 表、流量计。大体分为 供气系统 、供水系统和测试 系统 。 1 供气系统 实验段的来流由高压气源供给, 压 力、 气体流量可调,通过压力表和浮子流量计读出 。 2 供水系统 高压气瓶的气体经减压后加到储液 罐中 ,储液罐中的氨水再送到实验件中 。喷嘴的氨水 流量通过压力表来确定。 3 测试系统 测试系统是由 DANTEC 公司的二维 多普勒激光粒子动态分析仪 2D- PDA , 其测点位置 可以自动调节。 实验系统结构如图 2所示。 图 2 实验系统流程 本实验为冷态雾化实验, 在实验过程中 ,选取的 测量截面坐标系 喷嘴固定在铁架上, 选喷嘴出口几 何中心为坐标原点, 雾锥喷出的方向为 Z 轴 ,向上为 Y 轴, 面对喷嘴向右为X 轴。本次实验的研究对象为 最常用的脱硝剂 氨水, 主要实验条件如表 2 所示。 表 2 主要实验条件 空气压力 MPa液体压力 MPa轴向距离 mm 0. 05～ 0 . 30. 05～ 0. 55～ 120 3 实验结果与分析 3. 1 空气压力的影响 3. 1. 1 空气压力对 SMD 的影响 图3 表示液体压力固定 , 空气压力改变时, SMD 沿着径向的变化情况 。由图 3可见, 在喷嘴径向一定 位置处 ,空气压力越大 ,SMD 越小, 喷嘴的雾化效果 越好 ,这是由于空气压力增大后,气液相对速度增大, 因此气动力相应增大, 使得液滴更容易破裂。此外, 喷雾场的SMD 随着径向距离增大而增大, 也即离轴 线越近处, 雾化效果越好 。这是因为该气动雾化喷嘴 中心为油孔 ,空气从斜孔出来以 120 角冲击液体, 故 在中心区域 ,气流的冲击力比较大, 气动力大于惯性 力和表面张力, 对液滴的主要影响趋势是使液滴破 裂。而在外围, 气流的影响减弱, 液滴不能够完全被 破碎,因而 SMD 变大。此外 ,大液滴质量相对较大, 因而惯性大 ,穿透能力强 ,容易进入外围区域 。 图 3 空气压力对 SMD 的影响分布 3. 1. 2 空气压力对平均轴向速度的影响 图4 表示液体压力固定、空气压力改变时, 液雾 平均轴向速度 Umean沿喷嘴径向的变化情况 。由图 4 可见 ,在喷嘴径向一定位置上, Umean随着空气压力增 大而增大, 这是由于空气压力越大, 其势能就越大 ,能 转化为更大的动能。此外 ,在喷嘴轴线位置附近轴向 速度大, 随径向距离增加, Umean减小 。这是由该结构 喷嘴斜孔出来的气体在中心区域冲击作用强 ,液滴粒 径小引起的 。 3. 1. 3 空气压力对平均径向速度的影响 图5 表示液体压力固定、空气压力改变时, 平均 径向速度 Vmean沿径向的变化。由图 5可见, 空气压力 80 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 图 4 空气压力对平均轴向速度的影响分布 增大, Vmean沿径向也呈现出增大的趋势。此外 , Vmean 在径向方向上呈现为先增大后减小的趋势,但变化范 围很小 ,大致在 - 0. 3～ 1. 6 m s,其量级与轴向速度相 比很小。中心区域的径向速度较雾场边界的径向速 度低是与前述中心区域处轴向速度大相对应 ; 随着径 向距离增加 ,轴向速度降低 ,同时径向速度也随之降 低。 图 5 空气压力对平均径向速度的影响分布 3. 1. 4 空气压力对液滴通量的影响 图6 表示不同空气压力时, 液滴通量沿着径向的 变化 。从图6 中可以看出, 液滴通量在靠近喷嘴轴线 处接近于 0, 这说明在该区域粒子数较少, 在径向一 定位置处 ,通量曲线表现出较明显的峰值。随着空气 压力的增加 ,曲线的峰值处的通量值逐渐降低 ,且空 气压力越小 ,曲线峰值越明显; 反之空气压力越大的 曲线越平缓,峰值不是很明显 。这是由于空气压力越 大,雾化效果好 ,液滴分布比较均匀 ,故相对而言其通 量曲线不是很陡 、 峰值不是很大。 3. 2 液体压力的影响 3. 2. 1 液体压力对 SMD 的影响 图7 表示固定雾化空气压力 , 液体压力变化时 SMD沿径向的变化 。由图 7a 可知 ,当空气压力大于 液体压力时,液体压力增大, SMD 变大 ,雾化变差, 这 是由于供氨水压力的增大导致了氨水流速增大,减小 图 6 空气压力对液滴通量的影响分布 了相对速度, 使得气动力变小 , 液滴更不容易雾化。 但是, 如图 7b 所示, 当空气压力小于液体压力时, 液 体压力进一步增大 , 即液体压力从 0. 3 MPa 增加到 0. 5 MPa 时,SMD 变小,雾化效果又变好, 这是由于液 体压力大于空气压力以后 ,该结构气动雾化喷嘴的液 体雾化受液体压力的影响增加 ,此时其随压力变化的 雾化特性类似于直射式压力雾化喷嘴。此外 ,一定空 气压力和氨水压力下 ,喷雾场的 SMD 随着径向距离 增大而增大 ,也即离轴线越近处,雾化效果越好。 图 7 液体压力对 SMD 的影响分布 81 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 3. 2. 2 液体压力对平均轴向速度的影响 图8 表示固定雾化空气压力, 液体压力改变时, 平均轴向速度 Umean沿着径向的变化 。由图 8a 可见, 当气压大于氨水压时 ,氨水压对 Umean的影响很小 ; 但 当气压小于氨水压时 , Umean随着氨水压增大略有降 低,但降低的幅度极小,如图 8b所示。这些说明液体 压力不是 Umean的主要影响因素 。此外, Umean在喷嘴 轴线位置附近较大, 且沿径向减小 。 图 8 液体压力对平均轴向速度的影响分布 3. 2. 3 液体压力对平均径向速度的影响 图9 表示固定雾化空气压力 ,液体压力改变时平 均径向速度 Vmean沿径向的分布。由图9 可见 ,与氨水 压不变改变气压时类似, Vmean同样在径向方向上表现 为先增大后减小的趋势, 但变化范围很小 , 基本在 - 0. 25～ 2. 0 m s 之间 , 量级与轴向速度相比很小。 中心区域的径向速度较雾场边界的径向速度低是与 前述中心区域处轴向速度大相对应 ; 沿着径向方向距 离增加 ,轴向速度降低, 同时径向速度也随之降低。 同时, 在径向上 Vmean随氨水压的变化并不明显 ,即供 氨水压力对 Vmean的影响很小。 3. 2. 4 液体压力对液滴通量的影响 图10 表示雾化空气压力不变, 不同液体压力下 液滴通量沿径向的变化 。由图 10 可见, 与氨水压不 变改变气压时一样, 在靠近轴线处液滴通量接近于 图 9 液体压力对平均径向速度的影响分布 图 10 液体压力对液滴通量的影响分布 0, 这说明在该区域粒子数较少 ,在径向一定位置处, 通量曲线表现出较明显的峰值 。从图 10a 可以看出, 气压大于液压时 ,氨水压增加 ,通量值增大,且氨水压 越大 ,曲线越陡 ,这是由于氨水压增大气动雾化喷嘴 的雾化效果变差引起的。当气压小于液压时, 如 图10b所示 , 氨水压增大, 通量值减小 , 曲线峰值减 小,也即氨水压小时 , 雾化效果好, 液滴分布比较均 匀,所以相对来说通量曲线较为平缓, 此时空气雾化 喷嘴具有压力雾化喷嘴的特性 。 82 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 3. 3 轴向距离的影响 3. 3. 1 轴向距离对 SMD 的影响 图11 表示液体和空气压力固定, 轴向距离改变 时,SMD 沿着径向的变化情况。由图 11 可见 ,当截面 距离喷嘴越远时, SMD 越小, 而且, 随着测试截面与 喷嘴间距离的增大, SMD 沿径向变化曲线越趋于平 缓,这说明雾锥随轴向距离增大更加分散 ,液滴越小 且分布越均匀, 雾化仍在继续 。 图 11 轴向距离对SMD 的影响分布 3. 3. 2 轴向距离对平均轴向速度的影响 图12 表示液体和空气压力固定, 轴向距离改变 时, 平均轴向速度 Umean沿着径向的变化情况 。由 图12可见, 随着雾锥下游轴向距离的增加, Umean先增 大后减小 ,而且变化趋势趋于平缓 。此外 ,在各截面 上,轴向平均速度在对称面上形成单峰分布 ,峰值出 现在轴线中心处 ,随后沿径向逐渐减小 。 图 12 轴向距离对平均轴向速度的影响分布 3. 3. 3 轴向距离对平均径向速度的影响 图13 表示液体和空气压力固定, 轴向距离改变 时,平均径向速度沿着径向的变化情况 。由图 13 可 见,液滴的径向速度较小 ,曲线变化幅度不大 ,而且变 化趋势不明显, 随截面变化规律不强。 3. 3. 4 轴向距离对液滴通量的影响 图14 表示液体和空气压力固定, 轴向距离改变 时,液滴通量沿着径向的变化情况 。由图 14 可见 ,测 图 13 轴向距离对平均径向速度的影响分布 试截面距离喷嘴比较近的时候 , 通量比较大 ,曲线变 化突兀 ,而且峰值所在位置相对来说比较接近于轴 线。此外随着离喷嘴的轴向距离的增大 ,通量曲线逐 渐变缓,而且在峰值处的通量值也随之降低。这是由 于随着轴向距离的增加, 雾锥越分散, 液滴分布越均 匀,雾锥面积也相应的增加。 图 14 轴向距离对液滴通量的影响分布 4 结论 1 对于所设计的新型喷嘴, 在其他条件不变的情 况下, 增大空气压力 , 喷雾的 SMD 变小 、 平均轴向速 度和平均径向速度都增大 ,液滴通量变小 。 2 增大供氨水压力 ,使 SMD都变小、液滴通量都 变大且不均匀, 对平均轴向速度和平均径向速度影响 不大 。 3 增大测量截面与喷口的距离 , 喷雾的 SMD 和 液滴通量都变小 , 外混型喷嘴的平均轴向速度变大, 平均径向速度影响不大。 4 综上所述,本文新型外混式空气雾化喷嘴具有 良好的雾化性能,为实现良好的脱硝效果奠定了基础 。 参考文献 [ 1] Dietzed F J, Nordmann R. 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