摘 要: 液体燃料是我国电厂现阶段应用的最广泛的燃料形式之一。液体燃料雾化效果的好坏,直接影响到燃烧的好坏和电厂的经济效益和环保效益,因此,对液体燃料雾化设备及效果的关注具有巨大的现实意义。在初步介绍电厂常用雾化设备的基础上,通过对物理化学理论的分析,提出了一些改进的措施和建议,以资参考。

关键词: 雾化 油枪 机械式 介质式 表面张力 粘性力

中图分类号: TQ153 文献标识码: A文章编号: 1007-3973 (2010) 04-021-02

在当今世界面临全球性的能源危机和环境污染的大背景下,如何有效的节约能源和尽可能的降低排放、减少污染,是一个迫在眉睫的大问题。液态燃料是很多工业生产领域中应用较多较为广泛的燃料形式。而提高液态燃料的利用效率是解决该问题的一个重要方面。各类装置上使用液态燃料时,一般包含以下几个阶段:

(1)燃料的雾化,由喷嘴完成此项任务。

(2)燃料雾滴的蒸发。

(3)燃料雾与空气的混合。

(4)油气着火和剧烈燃烧。

可见,液态燃料的燃烧过程十分复杂。一般工程领域中应用的液态燃料的燃烧属于非均相扩散系的燃烧,而且其燃烧过程的快慢主要取决于后三个过程。实验发现,油雾与空气的混合以及油气混合物发生化学反应的速度是非常迅速的,因此,影响液态燃料的着火时间的主要因素就是蒸发阶段的快慢。

加快蒸发过程,主要有三种手段:采用雾化性能更好的工质、创造更加有利的蒸发条件、增加液体燃料蒸发的表面积。受燃料种类和物理性质的限制以及电站锅炉炉膛内条件的制约,在电站锅炉内前两种方式的可行性很小,因此,第三种方式就成了最为关键的一点。

由物理化学的理论可知,物体的比表面积反比于物体的体积,因此,减小液滴直径,既将液滴雾化成更小的液滴滴群,是加快液滴蒸发的有效途径。液态燃料的雾化效果将直接影响到燃料的利用效率、燃烧的时间以及充分性。

火力发电厂是液态燃料的使用大户,燃气机组的运转和和锅炉启动都需要大量的燃油,而且其中绝大多数是使用重油和重柴油等高粘度、不易燃烧充分的油类,极易产生黑烟并发生结焦,加大尾气处理的难度。近年来,我国电站日趋大型化,600MW、1000MW的大型机组大量投入使用,使得机组启动的一次性用油量加大。随着电网负荷变化等其他因素,机组启动更加频繁。因此,解决燃料的雾化问题对于我国的发电行业来说,具有很大的实际意义。

1 现有常用油枪分析

油雾化器简称油枪,由头部的喷嘴和连接管组成。通常,油枪可以简单地分为两大类:机械式雾化油枪和介质式雾化油枪。雾化粒度是表示油滴颗粒大小的指标,也是评价油枪性能好坏的指标,最常用的一种衡量雾化颗粒大小的指标就是体面积平均直径(索太尔平均直径SMD)

di为某种液滴的直径,ni为直径为di的液滴数

机械式油枪主要包括压力式和旋转式。而压力式则主要有简单压力式和回油式。

1.1 简单压力式油枪

简单压力式油枪的喷嘴本质上是一个旋涡室。重油通过漩涡室上对称分布的开孔,以高速度沿切向流入室内而产生旋流。油流呈漏斗状进入喷嘴孔,并受到压缩,从而显著增加其圆周速度。经过喷嘴的油粒受到轴向力和旋转产生的切向力作用而具有很大的转动动能,因而喷出后就能得到良好雾化,并且有一定的雾化角。油离开喷嘴后通常为一空心圆锥。简单压力式油枪供油系统简单,耗能少,噪音小,但负荷调节比不大,一般为1:1.4,对雾化片加工精度要求高,出力小且易堵。简单压力式油枪只适用于带基本负荷的锅炉。

1.2 回油式油枪

回油式油枪分为内回油和外回油两种,其雾化原理与简单压力式相似。外回油喷嘴在旋流室外的小孔回油,结构复杂,调节比小,应用较少。内回油式喷嘴可以看成两个简单压力式油枪对叠而成。在喷嘴工作时,进入喷嘴的油流被分成喷油和回油两股流出,当进油压力不变时,总的进油量变化不大,只要改变回油量,喷油量就能自行改变,从而达到调节负荷的目的。回油式油枪出力大,调节幅度大,一般可达1:(3～5),且容易实现负荷的自动调节,但存在热回油量大,系统复杂,功率和材料消耗大的缺点。

1.3 旋杯式油枪

旋杯式油枪属于旋转式油枪,由高速旋杯和通油的空心轴构成。燃油从油管引至旋杯的根部,随着旋杯的旋转运动沿杯壁向外流到旋杯的边缘,在离心力的作用下飞出雾化。旋杯式雾化油枪对油的杂质不敏感,粘度的允许值高,故这种油枪的调节比比较高,可达1:8。但雾化颗粒较粗,出力较小。其最大的缺点在于有需要一套高速旋转机构,结构复杂,对材料、制造、运行、维护的要求都比较高。

由以上的分析可以看出,机械式雾化装置普遍存在雾化颗粒较大,雾化质量差且燃烧不充分容易结焦的缺点。而介质式雾化器是利用高速喷射的介质(空气或蒸汽)来冲击油流,并将其吹散来达到雾化的目的。介质雾化方式在克服燃油的高粘度方面更有优势,因此在应用更广泛。介质式雾化油枪主要分为以下几类:

(1)外混式油枪

这种油枪应用较早,我国引进和使用也较早。外混式油枪是油和蒸汽在雾化器外部混合。外混式主要由中心油管和蒸汽套管组成。这种喷嘴结构简单,制造方便,运行可靠。缺点是耗气量大,影响锅炉运行的经济性。而且噪音较大,锅炉尾部油垢和结焦比较多,所以基本上被淘汰。

(2)内混式油枪

内混式油枪的油和气在油枪内部混合。其最大的特点是有一个较大的混合室,油在混合室内与介质混合雾化后,从喷孔喷出并膨胀雾化。内混式喷嘴的供油压力比较小,原则上只要能够均匀流动就可以了。燃油靠高速喷射的气流引射来雾化的,喷孔直径较大,对杂质不敏感,但若是想达到较好的雾化效果,则需要很大的耗气量。

(3)Y型雾化油枪

Y型雾化油枪的特点是油孔、气孔和混合孔三者呈Y型相交。油从外管进入喷嘴头部的油孔,蒸汽从内管进入气孔,油和蒸汽在混合孔中撞击初步破碎,形成乳化状态的油气混合物,然后经喷孔喷到炉内雾化。喷孔一般有6-10个,与喷嘴轴线呈对称分布。

近年来,人们对Y型喷嘴进行了一些改进,一是改进了喷油嘴的密封结构,二是增加了喷孔数,提高入口油压。Y型喷嘴具有雾化质量好(可达50μm),调节比大,耗气量低;对加工精度要求低;雾化角保持不变等优点,而且适合大型锅炉在缺氧状态下的燃烧。但是,Y型喷嘴存在保养困难,在油质较差、杂质较多时,喷孔易堵塞的缺点。在电厂实际使用中,发现Y型喷嘴会出现燃油因雾化不佳而焦化堵塞喷口的问题。

(4)气泡式雾化油枪

气泡式油枪采用两级雾化。在气泡式油枪中,首先在混合室内产生气泡两相流,混合室保持一定的压力。然后气泡两相流喷出喷孔,压力突然降低到常压,气泡在内外压差的作用下急速膨胀并发生爆裂,气泡周围的液体由气泡向外膨胀压缩到反向中心快速冲击,在爆破压力波和液体的相互撞击作用下,液体的雾化颗粒可以达到很小的水平。可以说,气泡雾化最有效的利用了雾化介质的能量。

传统的机械雾化和介质雾化主要克服的是液体的粘性力,而气泡式油枪主要克服的是液体表面张力。不同液体的粘性力差别很大,但是表面张力的差别却不大,因此气泡式油枪的使用范围较广。又由于液体的表面张力相对粘性力较小,所以气泡式油枪的能量需求小,同样能量下雾化效果更好。

但是,气泡式油枪同样有需要改进的地方。首先,其雾化机理需要进一步的研究:有实验表明,出口的剩余压力对雾化效果影响并不大,这说明气泡雾化喷嘴的雾化机理并不是完全依靠压力差产生的爆裂,气泡与环境间的相对阻力也很重要。其次,气泡的微爆和激波干扰对雾化雾化也起到相当重要的作用。而且,一些电厂在实际使用的过程当中,出现了雾化效果差,点火困难和油枪易堵塞等实际问题。

2 理论分析及实际改进设想

2.1 理论分析

根据静态液滴形成的模型,所形成的液滴取决于重力和表面张力,一个直径为d0的液滴质量为md=πd0σ/g 引入雾化特征数―韦伯数

当液滴将要破碎时,临界韦伯数为

所以最大稳定液滴直径Dmax为

此时,液滴破碎的临界相对速度为ud=

液体振动的特征频率为ω= 作用于液体表面的切应力为: 为液体的动力粘度

整理得:

Oh是一个无量纲参数―欧尼索数

则在有粘度的情况下对临界韦伯数进行修正,即

这就是在考虑液体粘度的情况下进行液滴临界直径计算的公式。

通过以上分析我们可以知道 Dmax是表示物化后最大液滴直径。影响液滴最大直径的因素归纳起来只有两个,就是液体的表面张力和液体的动力粘度,雾化设备所要克服的阻力也主要就是这两种。因此,要想改善雾化,就必须从减小表面张力和液体的动力粘度两个方面着手。

2.2 改进措施

(1)增加进入油枪前的准备工作

有理论分析可知,雾化过程主要克服的是液体的表面张力和液体的粘性力。根据表面物理化学的观点,表面张力与相接处两相的密度差成反比,而粘性力与温度成正比,温度的升高又能使高粘度油的密度减小。因此,可以在油枪之前设计一个暖油仓,暖油仓可以是一个高效率的间壁式换热器,换热器可以利用锅炉尾气中的废热对供油进行加热。这样既可以提升燃烧用油的温度,也可以利用尾气中的废热,提高锅炉的整体效率。

(2)使用易汽化的物质

在不更换现有机械式油枪或不改变的油枪基本结构的前提下,可以使用一些高压下是液态,但是常压下是气态的物质,如液化天然气(LNG),添加在燃油当中。将液化天然气添加在燃油当中,可以不改动油枪的基本结构,只要在加压过程中保持一定压力,是LNG不提前气化即可。在油枪将添加有LNG的燃油喷出油枪时,由于外界压力急剧下降到常压,LNG 迅速气化,在液体内形成气泡,气泡爆裂将包围在其表面的燃油液膜炸碎,形成细小的液滴,其原理类似与气泡雾化的原理。同时由于LNG可燃,且比重油更加容易燃烧,因此可以起到助燃的效果。

(3)变单级雾化为多级雾化

现有的介质式雾化油枪,通常只有一级,既只有一次雾化。但是单级雾化的效果往往不尽如人意。因此,在现有介质雾化的机理的基础上,采用单级变多级的方式,可以提高燃油的雾化效果。如:在Y型喷嘴的供油管和供气管之间开一个通气口,使高压蒸汽先喷一部分到油中,一方面增加流动的湍流程度,另一方面降低混合物的表面张力。又如:在Y型油枪的供油管道中加一个气泡发生器,是单相液体的流动变为两相流动,在出口处经高速气流撕裂,能达到更好的雾化效果。

(4)机械式和介质式相结合

在介质式油枪的头部添加离心式雾化片,使混合后的两相流在旋流片中做高速离心运动,流动会更加不稳定,不稳定的流动会增加液体内部的扰动。在剪切力和离心力的双重作用下,可以达到更好的雾化效果。

(5)调整油枪的尺寸

调整油枪的尺寸和出口直径,是油流的湍流脉动特征频率与液体本身的振动频率相匹配,引起的共振会大大加剧液滴的变形,雾化效果更好。

参考文献:

[1] 曹建明.喷雾学[M].机械工业出版社.

[2] 车得福,庄正宁.锅炉[M].西安交通大学出版社.

[3] 候凌云,候晓春.喷嘴技术手册[M],中国石化出版社.

[4] 何荣强等.气泡雾化式油枪的应用及改进[J].电力建设,2004.2.

[5] 安恩科等.气泡雾化喷嘴的实验研究[J].发电设备,2002.6.

[6] 包国平,邓国龙.气泡雾化油枪在煤粉炉上的应用[J].能源技术,2000.3.