刘定平 徐开华 方磊

(华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640)

雾化喷嘴是烟气脱硫装置的核心部件，其特性直接影响烟气脱硫效率和脱硫剂的利用率.在湿法烟气脱硫系统中，喷嘴的特性主要包括雾化角、雾化平均粒径、雾化颗粒均匀度、流量特性等.其性能对脱硫系统的脱硫效果和安全经济运行有很大影响.雾化角过大，容易造成运行过程中浆液滴贴壁现象及设备的结垢和腐蚀;过小则会造成雾化覆盖面减小、气液混合不够均匀，导致反应器内传质过程减弱，影响脱硫效率.浆液的粒径太大则导致与烟气接触的相对表面积减少，影响脱硫效率;太小会对后段的除雾器带来较大的压力，同时容易被夹带进入烟气换热器(GGH)对其产生腐蚀.雾化颗粒均匀性的好坏直接影响到脱硫剂的利用率和脱硫效率.喷嘴流量特性直接关系到喷雾系统的设计及参数匹配.

国内外学者研制了各种用途的喷嘴，对其雾化特性进行了相关的研究［1-7］.Ramon 和Miller 等［8-9］对农业上专用喷嘴的雾化液滴分布和速度分布进行了实验研究.文献［10］对外混及内-外混相结合的双流体石灰浆液喷嘴雾化特性进行了实验研究.文献［11］从柴油机喷嘴定压喷雾试验中得出了喷雾平均粒径的经验计算式.虽然众多学者已经对喷嘴雾化特性进行了大量的实验和理论研究，但是还未发现将广泛用于煤气化技术和锅炉燃烧等领域的气力式喷嘴应用到脱硫系统的研究.

文中研发了一种新型双流喷嘴，利用激光粒度分析仪和高速数码相机对其在不同气液压力、不同浓度石灰石浆液下的雾化和流量特性进行了相关实验研究.分析了这些因素对喷嘴雾化和流量特性的影响，为研发适用于湿法烟气脱硫工艺、雾化性能良好的气力式雾化喷嘴奠定了基础.

1 喷嘴雾化机理和结构特点

1.1 喷嘴雾化机理

双流喷嘴的雾化机理一般有液柱射流破碎机理和液膜射流破碎机理两类［12］.

液柱射流破碎机理［13］认为，当液体射流上出现一个小的扰动后，如果扰动的振幅逐渐增长，当振幅增长达到未受扰动的液体射流直径的一半时，这个射流就不稳定并破碎成液滴.

对于液膜射流破碎机理，Crapper 等［14］利用照相摄影技术研究了薄液膜上的Kelvin-Helmholtz 波，认为液膜的破碎是不稳定的Kelvin-Helmholtz 波导致的.

上述两种雾化机理的本质都是由气液交界处的不稳定波引起的.由于气液之间存在着很大的相对速度，从而产生相当大的冲击力，对射流液体产生气力扰动而导致其变形破碎.

1.2 喷嘴的结构

根据上述机理，研发了一种气力式新型双流喷嘴，其结构如图1 所示.该新型喷嘴采用双通道结构，中心管通入压缩空气，外环管通入液相工质;液相入口贴壁切向布置，与气体通道夹角θ 成45°;并内置了拉法尔喷管且喷嘴出口为渐缩型.此设计使得气体与液体之间存在较大的相对速度，加强了气体对液体的扰动，促成不稳定波的形成.喷嘴的雾化介质可以是蒸汽，也可以用压缩空气.它把压缩空气(或蒸汽)以适当的方式射入到液体中，高压气流通过喷管出口射出，把四周的液流带动并冲碎为液滴.在离开喷嘴出口极短的距离内由于气体内外压差的剧烈变化，促使气流膨胀而进一步增大，从而将包裹在其周围的液膜进一步破碎成为更加细微的颗粒.

图1 喷嘴结构图Fig.1 Sketch map of nozzle structure

2 实验装置及测试方法

2.1 实验装置

冷态雾化实验装置主要由供液系统、供气系统和测量系统3 部分组成，如图2 所示.其中供液系统由浆液槽、搅拌器、滤网、浆液泵、转子流量计、液相压力调节阀和浆液压力表组成，用管道与喷嘴相连;供气系统由空气压缩机、空气减压阀、转子流量计、气相压力调节阀和气压表组成，用管道与喷嘴相连;测量系统由Winner318A 型激光粒度分析仪、高速数码相机和计算机分析软件组成.

图2 实验装置图Fig.2 Sketch map of experimental facility

气压、液压表为机械式压力表，布置在喷嘴入口前，用于测量进入喷嘴流体的实际压力;转子流量计布置在调节阀之前，用于测量进入喷嘴流体的流量.为保证测试的准确性，实验前对上述仪表进行了严格校正.在测量过程中，待压力稳定后通过多次测量相关实验数据获得平均值，作为实验的测量值，以减小测量误差.

配置浆液的石灰石颗粒需要磨制到90%通过325 目筛网.所有的实验均在室温下进行，减小温度因素的干扰.

2.2 测试方法

本实验以压缩空气和不同浓度的石灰石浆液为工质，通过控制相应调节阀开度调节气体、液体的压力和流量.在工业现场实际脱硫系统中，浆液泵出口压力一般在0.1～0.3 MPa 范围内，故本实验选取0.1～0.5 MPa为液相压力调节范围.在该范围内选取不同浆液压力点，再依次从0.1～0.5 MPa 范围内调节气相压力，在不同的气液压力下，改变浆液浓度(质量分数)，重复以上过程，得到不同浆液浓度下喷嘴的雾化和流量特性.

2.2.1 雾化角的测定

使用高速数码相机拍摄雾化区，然后利用图像处理软件ImageJ 对图片进行雾化角的分析.

2.2.2 雾化平均粒径的测定

对雾化颗粒平均粒径的分析，使用微纳公司的Winner318A 型激光粒度分析仪及配套软件，其测量粒径范围是4.6～323.0 μm.文中采用液滴颗粒群的平均粒径Dav来表征浆液的平均雾化颗粒大小.

2.2.3 雾化颗粒均匀度的测定

通过采用Winner318A 型激光粒度分析仪及配套软件测试粒径的概率分布来表征雾化颗粒均匀度，文中体现为特征直径的曲线分布规律.在实验结果分析中，特征直径D0.1、D0.5和D0.9分别表示小于此粒径的颗粒体积含量占全部颗粒的10%、50%、90%.

2.2.4 浆液流量的测定

浆液流量可以直接由供浆系统上的流量计读取，待压力稳定后读取相关实验数据以减小误差.

3 实验结果与分析

3.1 雾化角

3.1.1 气液两相压力对雾化角的影响

实验研究表明，气液两相压力是影响雾化角的重要因素［12］.当液相工质为浓度为10%的石灰石浆液时，不同气液压力下雾化角α 的变化规律如图3所示.当液相压力pl保持不变时，雾化角随着气相压力pg的升高而减小，这是因为随着气相压力的升高，气体初速度增大，冲击力增强，使石灰石浆液的轴向初速度增加，径向脉动速度相对减小，液滴不容易向两边扩散.但是当气相压力达到0.4 MPa 以后，雾化角受气相压力的影响减小.

由图3 还可以发现，当保持气相压力pg不变时，雾化角随着液相压力pl的增加而增大.这是因为液相压力pl增大，使得喷嘴出口处液膜的切向速度增长大于轴向速度增加，从而液膜扩张开来的角度增大.但是气相压力pg对雾化角的影响相对于液相压力pl对雾化角的影响更为明显.

当石灰石浆液浓度w 分别为0%、5%、15%和20%时，雾化角与气液两相压力的关系与石灰石浆液浓度w=10%时的类似.

图3 浆液浓度为10%时雾化角与气液两相压力的关系Fig.3 Spray angle with respect to the pressure of air and liquid at the slurry concentration of 10%

3.1.2 浆液浓度对雾化角的影响

目前对压载水致病菌的研究依然有待深入，未来研究方向可以是对以往压载舱残留物中的致病菌进行跟踪调查以探究其在压载水转运过程中对新载入压载水的影响情况，或是对压载舱沉积物中各种致病菌来源与变化情况或是对温度、盐度、pH及溶解氧等多种环境因子影响下3种致病菌的动态变化情况进行深入探究，以实现对压载水中致病菌的科学管理。

石灰石浆液浓度也是影响雾化角的一个重要因素，文中对几种浆液浓度下的喷嘴雾化角的变化规律做了相关研究.当液相压力pl=0.1 MPa 时，不同浆液浓度下喷嘴雾化角的变化如图4 所示.从图中可以看出，保持气相压力pg不变，当浆液浓度小于15%时，雾化角随浆液浓度的增大而逐渐减小;这主要是因为其黏度和表面张力随之增大，雾化难度增大.但当浆液浓度大于15%时，雾化角的减小的趋势已经不是很明显;这是因为随着浆液浓度的增大，石灰石浆液已经趋于过饱和而凝聚，此时浆液的黏度变化微小，导致雾化角受浆液浓度的影响较小.这也与现场实际中不选择过高浓度的石灰石浆液是相符的.图中气相压力pg为0.5 MPa、浆液浓度为5%时雾化角有小的突变，原因是，在实验过程中气相压力pg有时不稳定.

图4 液相压力为0.1 MPa 时雾化角与浆液浓度关系Fig.4 Spray angle with respect to the slurry concentration under the liquid pressure of 0.1 MPa

由图4 还可以发现，当浆液浓度保持不变时，雾化角随着气相压力pg的增加而减小.但是气相压力pg对雾化角的影响相对于石灰石浆液浓度对雾化角的影响更为明显.

当液相压力pl分别为0.2、0.3、0.4 和0.5 MPa时，雾化角与浆液浓度的关系与液相压力pl=0.1 MPa 时的类似.综合图3 和图4 发现，气相压力pg对雾化角的影响相对于石灰石浆液浓度和液相压力pl对其的影响更加明显.

3.2 雾化平均粒径

3.2.1 气液两相压力对雾化平均粒径的影响

当石灰石浆液浓度为10%时，不同气液压力下雾化平均粒径的变化如图5 所示.在液相压力pl保持不变的情况下，雾化平均粒径随着气相压力的升高而迅速降低，当气相压力达到一定值以后，其对雾化平均粒径的影响变小.雾化的过程是一个能量转化的过程，雾化过程中气体的动能主要用来克服液体的粘滞力、表面张力以及喷嘴的沿程阻力等.随着气相压力的增大，气流的动量也越大，转化为液滴雾化的能量也就越多，雾化效果也越好.但是随着液滴粒径的减小，雾滴表面积呈几何级增长，流动过程能量损耗也随着增大，通过增加气流压力来提高雾化效果变得越来越困难［15］.因此，超过一定范围时提高气相压力对改善喷嘴的雾化效果并不明显.

由图5 还可以发现:当保持气相压力pg不变时，雾化平均粒径随着液相压力pl的增加而增加;气相压力pg对雾化平均粒径的影响相对于液相压力pl对雾化粒径的影响更为明显.

图5 浆液浓度为10%时雾化平均粒径与气液两相压力的关系Fig.5 Spray particle average size with respect to the pressure of air and liquid at the slurry concentration of 10%

对其他不同浓度(0%、5%、15%和20%)的浆液，也进行了类似的实验研究，发现平均粒径Dav与气液两相压力的变化规律和浆液浓度为10%时是一致的，即在一定范围内提高气相压力有利于雾化质量的改善.

另外，图5 中的数据有一定的波动，原因是:在实验过程中，气液两相压力有时不稳定，以及激光粒度测试仪工作时受到了外界的干扰等.

浆液浓度也是影响雾化平均粒径粒径的一个重要因素.当气相压力pg=0.3 MPa 时，不同浆液浓度下喷嘴雾化平均粒径的变化如图6 所示.从图中可以看出，气相压力pl保持不变，当浆液浓度较低时，雾化平均粒径随浆液浓度的增大而增大.当浆液浓度大于15%时，粒径的增大趋势不明显.但总的趋势是，浆液浓度越高，雾化平均粒径就越大.这是符合能量守恒的，因为浓度高者黏度和表面张力越大，要将液滴破碎必须提供较高的能量.

图6 气相压力为0.3 MPa 时雾化平均粒径与浆液浓度的关系Fig.6 Spray particle average size with respect to the slurry concentration under the air pressure of 0.3 MPa

由图6 还可以发现，当石灰石浆液浓度一定时，雾化平均粒径随着液相压力pl的增加而增大.但是液相压力pl对雾化粒径的影响相对于石灰石浆液浓度对雾化平均粒径的影响不明显.

当气相压力pg分别为0.1、0.2、0.4 和0.5 MPa时，雾化平均粒径与浆液浓度的关系和气相压力为0.3 MPa 时的类似.综合图5 和图6 可知，气相压力pg对雾化平均粒径的影响相对于石灰石浆液浓度和液相压力pl对其的影响更加明显.

3.3 雾化颗粒均匀度

颗粒均匀度表示浆液被雾化后，颗粒尺寸分布范围的大小.这也是评价雾化质量的一个重要指标.即使两种雾化状态的平均粒径相同但颗粒均匀度不同，脱硫效率也是不同的.颗粒均匀度通常利用特征直径的曲线分布来表征.

3.3.1 气液两相压力对雾化颗粒均匀度的影响

当pl=0.2 MPa、w=10%时，不同气相压力下特征直径的变化如图7 所示.随着pg的增加，D0.1、D0.5和D0.9的分布曲线越来越接近，表明雾化颗粒越来越均匀.但当pg＞0.3 MPa 时，3 条曲线接近于平行，说明此时提高pg对雾化均匀度的影响已不明显.

图7 液相压力为0.2 MPa、浆液浓度为10%时的浆液特征直径与气相压力的关系Fig.7 Characteristic diameter with respect to the air pressure under the liquid pressure of 0.2 MPa and at the slurry concentration of 10%

对于其他不同浓度的石灰浆液，当液相压力pl分别为0.1、0.3、0.4、0.5 MPa 时也进行了类似的实验研究，发现浆液特征直径与气相压力pg也具有类似的变化规律，即在一定范围内提高气相压力pg能使雾化粒径变得均匀.

当气相压力pg为0.3 MPa、浆液浓度为10%时，不同液相压力下特征直径的变化如图8 所示.随着液相压力pl的增加，D0.1、D0.5和D0.9的分布曲线近似于平行，说明液相压力pl对雾化均匀度的影响不显著.

图8 气相压力为0.3 MPa 浆液浓度为10%时的浆液特征直径与液相压力的关系Fig.8 Characteristic diameter with respect to the liquid pressure under the air pressure of 0.3MPa and at the slurry concentration of 10%

对其他不同浓度的石灰石浆液，当气相压力pg分别为0.1、0.2、0.4、0.5 MPa 时也进行了类似的实验研究，也发现液相压力对浆液雾化均匀度的影响较小.

3.3.2 浆液浓度对雾化颗粒均匀度的影响

当液相压力pl为0.2MPa，气相压力pg为0.3MPa时，不同浆液浓度下特征直径的变化如图9 所示.随着浆液浓度的增加，D0.1、D0.5和D0.9的分布曲线近似于平行，说明浆液浓度对雾化均匀度的影响不显著.

图9 液相压力为0.2 MPa、气相压力为0.3 MPa 时的浆液特征直径与浆液浓度的关系Fig.9 Characteristic diameter with respect to the slurry concentration under the liquid pressure of 0.2 MPa and at the air pressure of 0.3 MPa

对其他不同气液相压力下浆液的特征直径与浆液浓度的关系也进行了类似的实验研究，发现浆液浓度对浆液雾化颗粒均匀度的影响较小.

综合图7、8 和9 可知，气相压力对雾化颗粒均匀度的影响相比石灰石浆液浓度和液相压力的影响更显著.

3.4 喷嘴流量特性

3.4.1 气液两相压力对喷嘴流量特性的影响

由图10 可知，当石灰石浆液浓度为10%、液相压力pl保持不变时，喷嘴的体积流量Q 随气相压力pg的增大而减小，说明气相压力pg对喷嘴的体积流量Q 起到阻碍作用.当气相压力pg一定时，喷嘴的体积流量随着液相压力pl的增大而增大.

图10 浆液浓度为10%时喷嘴体积流量与气液两相压力的关系Fig.10 Volume flow of nozzle with respect to the pressure of air and liquid at the slurry concentration of 10%

3.4.2 浆液浓度对喷嘴流量特性的影响

实验研究发现，当石灰石浆液浓度分别为0%、5%、15%和20%，液相压力保持不变时，同等气相压力下喷嘴的体积流量与石灰石浆液浓度为10%时相差不大.这说明浆液浓度对喷嘴的体积流量的影响很小.

4 结论

(1)气液两相的压力和石灰石浆液浓度是影响新型双流喷嘴雾化及流量特性的重要因素.

(2)雾化角和雾化平均粒径随着气相压力的升高而减小，随液相压力的升高而缓慢增大.当浆液浓度小于15%时，雾化角随浆液浓度的增大而减小，但雾化平均粒径逐渐增大;当浆液浓度大于15%时，两者的变化都不明显.当气相压力小于0.3 MPa时，随着气相压力的增加雾化颗粒越来越均匀;当气相压力大于0.3 MPa 时，气相压力的变化对其影响较小.液相压力和浆液浓度对雾化颗粒均匀度的影响较小.

(3)喷嘴体积流量随着液相压力升高而增大，随气相压力的升高而减小，浆液浓度对其影响较小.

(4)新型双流喷嘴的气相压力相对于液相压力和浆液浓度对雾化特性的影响更加明显.因此，合理选取进入该喷嘴的气相压力是保证其具有良好雾化效果的关键.

［1］黄中华，谢雅.圆锥形喷嘴结构参数设计研究［J］.机械设计，2011，28(12):62-64.Huang Zhong-hua，Xie Ya.Research on structure parameters of conical nozzle ［J］.Journal of Machine Design，2011，28(12):62-64.

［2］Aliseda A，Hopfinger E J，Lasheras J C，et al.Atomization of viscous and non-newtonian liquids by a coaxial highspeed gas jet experiments and droplet size modeling［J］.International Journal of Multiphase Flow，2008，34(2):161-175.

［3］杨冬，张肖肖，刘学亭，等.压力油雾化喷嘴内流动特性的研究［J］.山东建筑大学学报，2012，27(2):181-183.Yang Dong，Zhang Xiao-xiao，Liu Xue-ting，et al.Study on the flow characteristic of the pressure-oil atomizing nozzle［J］.Journal of Shandong Jianzhu University，2012，27(2):181-183.

［4］Wang Zhi-jian，Shang Xiao-feng.Gas-solid two-phase flow simulation of coaxial powder delivery nozzle in rapid prototyping［C］∥Proceedings of International Conference on Applied Mechanics and Mechanical Engineering.Changsha:Huazhong Normal University，2010:1663-1667.

［5］刘联胜，吴晋湘，韩振兴，等.内超声气泡雾化喷嘴实验研究［J］.燃烧科学与技术，2002，8(2):155-158.Liu Lian-sheng，Wu Jin-xiang，Han Zhen-xing，et al.Experimental study on ultrasonic-effervescent atomizers［J］.Journal of Combustion Science and Technology，2002，8(2):155-158.

［6］张绍坤.超声波重油喷嘴雾化特性的研究［J］.工业炉，2012，32(5):5-8.Zhang Shao-kun.Research of atomization characteristics of ultrasonic heavy oil nozzle［J］.Industrial Furnace，2012，32(5):5-8.

［7］于海龙，刘建忠，范晓伟，等.喷嘴结构对水煤浆喷嘴雾化性能影响的实验研究［J］.中国电机工程学报，2006，26(14):80-85.Yu Hai-long，Liu Jian-zhong，Fan Xiao-wei，et al.Experimental study of atomizing performance of a new type nozzle for coal water slurry［J］.Proceedings of the CSEE，2006，26(14):80-85.

［8］Ramon H，Langenakens J.Model-based improvement of spray distribution by optimal positioning of spray nozzles［J］.Crop Protection，1996，15(2):153-158.

［9］Miller P C H，Butler E M C.Effects of formulation on spray nozzle performance for applications from groundbased boom sprayers［J］.Crop Protection，2000，19(8/9/10):609-615.

［10］蒲舸，张力.石灰浆液喷嘴雾化特性［J］.工程热物理学报，2008，29(9):1515-1517.Pu Ge，Zhang Li.Atomization characteristics of lime slurry nozzle ［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2008，29(9):1515-1517.

［11］梁荣光.关于柴油机喷雾平均粒径的研究［J］.华南理工大学学报:自然科学版，1994，22(1):100-105.Liang Rong-guang.An investigation of average diameter of particle of fuel spray in a diesel engine［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science，l994，22(1):100-105.

［12］李冬青.气力式喷嘴雾化过程的实验研究与数值模拟［D］.杭州:浙江大学机械与能源工程学院，2007:15-20.

［13］Bayvel L，Orzechowskiz.Liquid atomization ［M］.New York:Taylor ＆ Francis Inc，1993.

［14］Crapper G D，Dombrowski N，Jepson W P，et al.A note on the growth of Kelvin-Helmholtz waves on thin Liquid sheets［J］.Journal Fluid Mechanics，1973，57(4):671-672.

［15］Hentschel W，Schindler K.Flow spray and combustion analysis by laser techniques in the combustion chamber of a direct-injection diesel engine［J］.Optics and Lasers in Engineering，1996，25(6):401-413.