第25卷第22期中國電機工程學(xué)報Vol 25 No 22 Nov 20052005年11月Proceedings of the CSEE@2005 Chin.Soc. for Elec. F文章編號:0258-8013(2005220905中圖分類號:TQ534文獻標識碼:A學(xué)科分類號:4702新型水煤漿噴嘴霧化性能試驗研究于海龍,張傳名2,劉建忠3,范曉偉’,周俊虎3,岑可法3(1.中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院,河南省鄭州市45000;2.汕頭萬豐熱電有限公司,廣東省汕頭市51503浙江大學(xué)能源潔凈利用與環(huán)境工程教育部重點實驗室,浙江省杭州市310027)EXPERIMENTAL STUDY OF ATOMIZING PERFORMANCE OF A NEW TYPE NOZZLEFOR COAL WATER SLURRYYU Hai-long, ZHANG Chuagn-ming LIU Jian-zhong, FAN Xiao-wei, ZHOU Jun-hu, CEN Ke-fa(1. School of Energy Environment, Zhongyuan University of Technology; Zhengzhou 450007, HenanProvince, China; 2.Shantou Wanfeng Heat Power Ltd, Shantou 515000, China; Guangdong Province, China3. Clean Energy Environment Engineering Key Lab. of MOE, Zhejiang University, Hangzhou 310027,Zhejiang Province, China)ABSTRACT: In this paper a new type CWS nozzle for之前必須進行霧化。水煤漿霧化為細小液滴后,比gasification is developed by ourselves, and it's atomizing表面積得到極大的提高,有利于提高燃燒和氣化時performance is studied experimentally. The influences of the熱和質(zhì)的交換速率,加快燃燒和氣化過程,提高整nozzle work load and gas flow on atomizing particle體水煤漿的利用效率,增進燃燒和氣化過程的穩(wěn)定distribution Sauter mean diameter(SMD) and nozzle atomizing性。但是,水煤漿的特殊性質(zhì)和物理組合給其自身angle are discussed carefully. the results show that there is adouble-peak distribution of atomizing particle in the flow field的霧化帶來了難題。這主要表現(xiàn)在:①水煤漿是高of atomization, In addition SMD will decrease, the uniformity濃度的顆粒懸浮體,在噴嘴中容易發(fā)生堵塞和磨損;of atomizing particle is more bettertomi.ing quality②水煤漿是一種非牛頓流體,其流變學(xué)特性多種多improved clearly with nozzle work load decrease and the gas樣,并且均具有很高的表觀粘性,增加了霧化難度到目前為止對水煤漿氣化噴嘴的開發(fā)仍以試驗測試KEY WORDS: Thermal power engineering;cws.為主,以便給噴嘴設(shè)計提供經(jīng)驗指導(dǎo)和量化分析,Gasification; Nozzle; Experimental stud測試的主要指標為索太爾平均直徑(SMD)、顆粒分布的均勻性以及霧化角。本文總結(jié)了Y型口、旋摘要:該文對自行開發(fā)出的新型水媒漿噴嘴進行了霧化性能流內(nèi)混型、多級氣動噴嘴4、撞擊式多級霧化噴試驗研究,分析了噴嘴流量(負荷)和氣化劑流量等因素對霧化顆粒分布、索太爾平均直徑(SMD和噴嘴霧化角的影響規(guī)嘴56等4的優(yōu)點,綜合開發(fā)出了一套新型多級內(nèi)律。結(jié)果表明霧化流場內(nèi)顆粒呈雙峰分布,并且隨著負荷混撞擊式水煤漿氣化噴嘴,并對其進行了試驗研究的降低SMD減小,霧化顆粒分布更加均勻,霧化效果變好;和測試而隨著氣化劑流量的增加SMD降低,霧化顆粒分布均勻性2霧化試驗測試系統(tǒng)也變好,霧化效果明顯轉(zhuǎn)好。霧化實驗臺測試系統(tǒng)如圖1所示。霧化工質(zhì)(建關(guān)鍵詞:熱能動力工程;水煤漿;氣化:噴嘴:試驗研究筑膠水)由螺桿泵打入,其流量由測得的一定時間1引言內(nèi)的液位面下降高度計算得到。霧化工質(zhì)之所以選在進行水煤漿燃燒或者氣化時,水煤漿在入爐用建筑膠水,是由于在實驗室條件下,若采用水煤漿直接作為霧化工質(zhì),將對實驗管路造成嚴重的污基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(200Acb27701)Project Supported by Special Fund of the National Priority Basic染,很難清洗,引風(fēng)機、引風(fēng)管等設(shè)備尤其嚴重Research of China(2004cb217701).而且霧化后的水煤漿無法回收再利用,而水煤漿霧中國電機工程學(xué)報第25卷化是處在高剪切速率下的,這時的水煤漿的物理性噴嘴頭部各部件編號和名稱見圖3。在實驗測試過質(zhì)接近于牛頓流體,這樣,建筑膠水的物理性質(zhì)就程中,只需更換相應(yīng)各部件,而不需要更換整攴煤與此時的水煤漿類似,雖然建筑膠水與水煤漿相比漿槍。煤影槍中心管內(nèi)徑為10m,壁厚為2mm,表觀粘度較低,但是,建筑膠水的微觀粘度卻較高,中環(huán)管內(nèi)徑為19mm,壁厚為3mm,外環(huán)管內(nèi)徑為要想將其霧化到較低顆粒也比較難,這一點與水煤36mm,壁厚為3mm。噴嘴頭各部件結(jié)構(gòu)尺寸如表漿相近,另一方面,利用建筑膠水作為霧化工質(zhì),1。實驗用各噴嘴型號和各部分結(jié)構(gòu)尺寸見表2。不但可以循環(huán)利用而且清洗也非常方便,因此選擇建筑膠水作為霧化工質(zhì)。氣化劑(空氣)由空壓機供給,中心管和氣化劑總流量由電子差壓流量計分別測量得到,并在中心管和外環(huán)管以及總管上:設(shè)有閥門控制。霧化后的工質(zhì)由集漿桶回收,可循壞利用,霧化室出口出來的霧化氣體經(jīng)旋風(fēng)分離器分離后經(jīng)引風(fēng)機排出。霧化室內(nèi)布置有集料器,用于測量噴霧場內(nèi)一定高度處的顆粒分布均勻度,集料器圖3噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖由3層環(huán)形布置的集料杯組成,外側(cè)兩層分別由8Fig 3 Jet nozzle configuration只集料杯按對角布置組成,最中心有一只集料杯,表1噴嘴頭各部件結(jié)構(gòu)尺寸表Tab. 1 Configuration of every component of jet nozzle共17只,這樣每條對角線上有5只集料杯,可測量中心管喚嗜A內(nèi)壞管嘴B外環(huán)管響嘴C霧化頭D4組不同對角線方向上一定時間內(nèi)的霧化顆粒質(zhì)量內(nèi)孔直外環(huán)直內(nèi)孔直外壞直開孔直開孔開孔直開孔分布,測點布置如圖2:顆粒分布的索太爾平均直徑/mm徑m徑mm徑/mm徑/mm數(shù)目徑/m數(shù)H徑(SMD)由LPS2000型分體式激光粒度測量儀測2206.59013.53.58量53.512表2實驗用各噴嘴型號和霧化工質(zhì)以及霧化劑出口尺寸表沖洗水Tab. 2 Jet nozzle model number and configuration of every汪縮空氣component of experiment屮心噴膠水噴凵直徑和截積外環(huán)管噴嘴霧化頭隨表量霧化室旋風(fēng)除塵噴嗜型號頭直徑內(nèi)徑外徑截面積孔直徑孔數(shù)孔直徑孔數(shù)A2B2CID3 2(08.0集漿箱A2B4CID3 2.0圖1霧化實驗臺測試系統(tǒng)A2B4C2. 2.0 6.0A4BSCD1 3.0Fig. I Atomization test bed systemA5B3023 4.0 7.0 9.0ABC4D507.810.0308458606A4B6C5D64實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)分析4.1霧化工質(zhì)流量對霧化的影響在實際運行的水煤漿氣化噴嘴中,煤漿的流量是隨負荷的變化而改變的,煤漿流量的大小代表著噴嘴負荷的大小。因此,噴嘴對負荷變化的適應(yīng)性是考察噴嘴性能的一個重要指標。圖4中(a)、(b)分別為氣壓為04和06MPa時負荷變化對各噴嘴索圖2霧化室內(nèi)集料器測點布置圖Fig. 2 Layout of collector in atomizer太爾平均直徑(SMD,DsD)的影響規(guī)律。從兩圖3實驗用噴嘴型號和各部件結(jié)構(gòu)尺寸中可以看出,前4種噴嘴隨負荷的降低SMD一直減小,說明其對負荷變化的適應(yīng)性較強,而后3種實驗中所用噴嘴設(shè)計煤漿流量為300kg/h,其噴嘴隨負荷的降低分別存在一最小值,當負荷降低于海龍等:新型水煤漿噴嘴霧化性能試驗研究到一定程度時SMD開始增大,說明其對負荷變化從圖5中可以看出,霧化顆粒沿直徑方向呈雙的適應(yīng)性稍差。然而,從中也可看出,后3種噴嘴峰分布,并且隨負荷的增加顆粒分布均勻性變差,與前四種相比,在SMD降低范圍內(nèi),其索太爾平在整個霧化的霧炬中,霧炬最中心和霧炬邊緣相對均直徑均較低,其霧化效果相對較好,說明噴嘴對顆粒分布較少,而在霧炬中間環(huán)形部分相對顆粒分負荷變化的適應(yīng)性是以霧化效果的降低為代價的,布較多。這樣就在整個霧炬的中心部分形成了一個對負荷變化適應(yīng)性較強的噴嘴其霧化效果相對較相對濃度較低的流場,在氣化爐中,這樣的霧炬有差,而對負荷變化適應(yīng)性稍差的噴嘴其霧化效果相利于將外部高溫氣流卷吸入霧化流場中,形成內(nèi)外對較好,并且其超負荷運轉(zhuǎn)能力均較強,即使在超高溫氣流的同時沖刷,加快了氣化進程,縮短霧化負荷下其霧化效果依然很好。顆粒在爐內(nèi)的停留時間,使氣化爐結(jié)構(gòu)更加緊湊圖5中(a)、(b)分別為型號為A2B4C2D2和縮小氣化爐的高、徑比A4B6C5D5的兩個噴嘴在氣壓為06MPa時,負荷對流場顆粒分布均勻度的影響規(guī)律。測點1、2、4、5位于同一測量直徑上,各測點的測量值為一定時間內(nèi)集料杯中所集霧化工質(zhì)的質(zhì)量,統(tǒng)計計算時取與測點同一圓環(huán)上相鄰兩點共3點的平均值最為d=30%該點的值。則每個測點的值占所在測量直徑上5個測點和的百分比可以近似地描述該直徑方向上霧化顆粒分布的均勻程度,整個流場霧化顆粒分布的均一一心30%勻程度可由4條覆蓋整個流場的直徑直觀地看出。經(jīng)大量的實驗測試證明,這4條覆蓋整個流場的直徑方向上的顆粒分布規(guī)律基本致,可近似地認為該直徑方向上的顆粒分布規(guī)律代表著整個流場。因此,本文中只列出了一條直徑方向上的顆粒分布規(guī)律Dsym7二:A28C1圖5負荷對流場顆粒分布均勻度的影響Fig 5 Work load change effect on evenness of atomizationrticle distribution噴嘴霧化角是考察噴嘴霧化性能的另一個指標,霧化角的大小直接影響霧化顆粒在氣化爐內(nèi)的分布和爐內(nèi)的霧化流場,適宜的噴嘴霧化角可以形負荷%成適于氣化反應(yīng)的霧化流場,使氣化反應(yīng)達到最佳一A2H2CID狀態(tài)。霧化角過大,可能導(dǎo)致霧炬直接沖刷爐內(nèi)耐火磚,高溫熔融的焦炭顆粒對耐火磚的高速沖刷會對耐火磚造成極大的腐蝕,嚴重影響耐火磚的使用壽命:霧化角過小可能導(dǎo)致霧炬過于集中,使氣化火焰拉長,氣化反應(yīng)時間增加,顆粒需在爐內(nèi)停留更長時間才能反應(yīng)完全,因此需增加氣化爐高度,增大了氣化爐高、徑比,提高了初期建設(shè)投資和耐火磚的使用量,而耐火磚要定期更換,因此又增加圖4負荷變化對各噴嘴SMD的影響了運行成本。通過對該新型噴嘴的大量試驗測試表Fig 4 Work load change effect on SMD明,其霧化角的大小受各工況變化的影響很小,而屮因電機工程學(xué)報第25卷與霧化頭上的開孔方向直接相關(guān),其大小與開孔方霧化介質(zhì)流量=75Nm/h質(zhì)流量110Nm向和噴嘴軸線夾角的2倍大體相當,變工況下其霧26~多化介質(zhì)流量2Nm霧化介質(zhì)洲帶=140Nm/h化角變化在0~5°之間。因此,完全可以通過改變噴嘴頭開孔方向來控制霧化角的大小,使其與氣化爐相匹配形成最適合于氣化反應(yīng)的流場42霧化介質(zhì)流量對霧化的影響對于具有多個噴嘴入口的單臺氣化爐,其單個噴嘴氣化劑量和煤漿量的配比可調(diào)范圍增寬,使各圖7霧化介質(zhì)流量對霧化顆粒分布均勻性的影響個噴嘴均能在各自負荷下達到理想的霧化效果。因Fig. 7 Gas flows effect on evenness of atomization particleistribution此,噴嘴在園定負荷下對霧化介質(zhì)流量的適應(yīng)性成5結(jié)論為考察噴嘴性能的又一重要指標。圖6為設(shè)計工況下霧化介質(zhì)流量對各噴嘴SMD的影響規(guī)律多級內(nèi)混撞擊式水煤漿氣化噴嘴充分考慮了水從圖6可以看出,隨霧化介質(zhì)流量的增加各噴煤漿霧化的難度,結(jié)構(gòu)設(shè)計上比較合理,霧化性能嘴SMD均減小,減小的幅度各不相同,噴嘴好,在小型實驗室熱態(tài)氣化反應(yīng)裝置上的應(yīng)用取得了良好的效果。目前,該噴嘴還處在實驗室開發(fā)和A4B6C5D6A2B2C3D3的SMD隨霧化介質(zhì)流量的大型化發(fā)展階段,現(xiàn)場工業(yè)應(yīng)用還在進行治談中。降低變化較小,說明其對霧化介質(zhì)流量變化的適應(yīng)通過冷態(tài)試驗研究證明,隨著霧化工質(zhì)流量減小或性較強,該型號的噴嘴適宜經(jīng)常處于變負荷下的氣氣化劑流量增加,霧化顆粒平均直徑(SMD將減小,化爐;噴嘴A5B4C2D4、A6B5C4D5的SMD隨霧顆粒分布越均勻。霧化顆粒平均直徑一般在化介質(zhì)流量的降低變化最大,說明其對霧化介質(zhì)流15um-180μm。噴嘴的霧化角隨各工況變化不大量變化的適應(yīng)性較差,但是該兩種噴嘴在額定霧化霧化角的大小約為霧化頭開孔方向和噴嘴中心軸線工質(zhì)流量(300kg/h)和額定霧化介質(zhì)流量(12Nm3/h)的夾角的2倍,可以根據(jù)噴嘴設(shè)計來控制霧化角的下其SMD均較小,霧化效果較好,表明該噴嘴適大小。這種噴嘴能適應(yīng)負荷穩(wěn)定以及負荷經(jīng)常變化合于長期處于額定負荷工作下的氣化爐,對于經(jīng)常的氣化爐,并且在各種工況下霧化穩(wěn)定,負荷可調(diào)處于變工況運行的氣化爐不宜于選用該型號的噴范圍寬:并具有安裝拆卸方便、使用壽命長等優(yōu)點。參考文獻圖7為噴嘴A4B6C5D6在100%負荷時,霧化Allen jw, Flatcher T H, Techer WC et al. Atomization of coal water介質(zhì)(氣化劑)流量對霧化顆粒分布均勻性的影響mixtures(C). 7" Intemational Symposium of CWF Preparation and規(guī)律。從中可以看出,隨霧化介質(zhì)流量的增加,霧21xMa,Lpa. Comparison of the perform化顆粒分布的均勻性變好,其變化的幅度隨噴嘴不ross-seetion of commercial CWF burners(C]. INtemational同而各不相同,但總體來說變化幅度不大。Symposium of CWF Preparation and Utilization, Houston, USA[3]原鯤陳麗芳,吳承康.水煤漿多級噴嘴的霧化和流動特性U燃燒科學(xué)與技術(shù),2003,9(1):780Yuan Kunmulti-stage airblast nozzle for coal-water[]. Joumal of Combustion Science and Technology, 20039(1):77-80A4B6CSD6「4原鯤陳靦芳吳承康水煤漿多級氣動噴嘴的噴霧特性研究工程熱物理學(xué)報,2002,23(增刊):209212n Kun, Chen Lifang, Wu Chenkang. Study on spray characteristicsof a multi-stage airblast nozzle for coal-water slurmyfJ]. Journal of霧化介質(zhì)流量/Nm3eering Thermophysics, 2002, 23(suppl): 209-212.周志軍,曹欣玉,等.撞擊式多級霧化水煤漿噴嘴的試驗圖6霧化介質(zhì)流量對各噴嘴SMD的影響研究[.熱力發(fā)電,2001,(3):4042Fig 6 Gas flows effect on SMDHuang Zhenyu, Zhou Zhijun, Cao Xinyu et al. 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