楊國華，呂文豪，向 軼，池保華

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，陜西 西安 710072；2.西安航天動力研究所，陜西 西安 710100；3.西安航天源動力工程有限公司，陜西 西安 710100)

隨著煉油技術(shù)的不斷進(jìn)步，劣質(zhì)重油的高效清潔利用已成為全球煉油行業(yè)的焦點，出現(xiàn)了加氫裂化、催化裂化、延遲焦化等一批新工藝，有效提高了石油產(chǎn)品的附加值[1-2]。目前在冶金、內(nèi)燃機(jī)、工業(yè)窯爐等領(lǐng)域仍有燃用重油的應(yīng)用，結(jié)合國內(nèi)外越發(fā)嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，對重油噴槍的性能提出了新的要求。為改善重油噴槍的霧化和燃燒質(zhì)量，研究者們做了大量的工作，包括設(shè)計噴槍新結(jié)構(gòu)、改變油品特性等[3-4]。氣流霧化油噴槍的工質(zhì)為氣液兩相，采用蒸汽或壓縮空氣將油霧化，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)在原有內(nèi)混式、外混式和中間混合式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了聯(lián)合霧化、超聲波霧化、低壓空氣霧化等多種型式[5]，但由于重油存在高黏度、高密度和高膠質(zhì)的特點，使得其燃燒過程普遍存在點火難、升溫慢、燃燒不完全、NOx排放高等問題[6]，因此開發(fā)一種出力大、霧化好、燃燒效率高、污染物排放低的新型重油噴槍是很有必要的。

Y型噴槍具有調(diào)節(jié)比大、耗氣量小、出力大、霧化質(zhì)量好的優(yōu)點，本文結(jié)合重油的特點，設(shè)計了逆噴式Y(jié)型重油噴槍，通過研究該噴槍的流量特性和燃燒性能，獲得工質(zhì)流量隨工質(zhì)壓力變化的規(guī)律，掌握燃燒過程中火焰形態(tài)及污染物排放情況，可以為這種新型噴槍的設(shè)計運行調(diào)節(jié)提供理論依據(jù)。

1 實驗設(shè)備和工況

1.1 逆噴式Y(jié)型重油噴槍結(jié)構(gòu)

逆噴式Y(jié)型重油噴槍的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。其核心部件噴頭如圖2所示，分為氣孔、油孔、混合孔和出口四個部分，其直徑分別為d1、d2、d3和d4。霧化氣體和重油分別從氣孔和油孔進(jìn)入，逆向撞擊后在混合孔中完全混合成兩相流，最終從出口噴出，形成霧化液滴。通過對d1、d2、d3和d4值的改變，調(diào)整噴頭結(jié)構(gòu)，可以獲得不同的流量特性和霧化效果，直接影響后續(xù)的重油燃燒性能。

圖1 逆噴式Y(jié)型重油噴槍結(jié)構(gòu)

圖2 噴頭結(jié)構(gòu)

1.2 噴霧單元

在本實驗中，由兩根噴槍組成一個噴霧單元，且兩根噴槍出口之間呈90°夾角，如圖3所示。在實際應(yīng)用中，考慮到火焰穩(wěn)定、分布合理、低氮燃燒等因素，需要對多個噴霧單元進(jìn)行排列，形成不同的布置形式，本文根據(jù)工質(zhì)特點和燃燒性能要求，設(shè)計了均布型和三分割型兩種布置形式，如圖4所示。

圖3 噴霧單元示意圖

圖4 多個噴霧單元布置形式

1.3 實驗系統(tǒng)及工質(zhì)

熱態(tài)實驗臺的系統(tǒng)流程如圖5所示，重油在噴槍中經(jīng)蒸汽霧化后，噴入燃燒爐爐膛充分燃燒。本次實驗采用25#變壓器油模擬重油，其物性參數(shù)表見表1。

圖5 熱態(tài)實驗臺系統(tǒng)流程圖

表1 25#變壓器油物性參數(shù)

1.4 實驗工況及步驟

基于圖2所示的噴頭結(jié)構(gòu)，改變噴頭出口直徑d4值，可以在相同的流量下得到不同的出口流速，使噴頭出口的兩相流擁有不同的動量，d4值越大，噴頭出口動量越小。本實驗設(shè)計了3種d4值，結(jié)合圖4所示的兩種噴霧單元布置形式，共設(shè)置4種工況，見表2。

表2 實驗工況設(shè)置

實驗步驟為：實驗進(jìn)行初期，使用柴油噴槍點火并烘爐，爐溫達(dá)到500 ℃時投入重油噴槍，待運行穩(wěn)定后撤出柴油噴槍；逐漸提高重油壓力及霧化蒸汽壓力，達(dá)到表2中的預(yù)設(shè)工況后，正式進(jìn)行實驗。實驗過程中先調(diào)節(jié)霧化蒸汽壓力(記為“汽壓”)，并在同一汽壓下再調(diào)節(jié)重油進(jìn)口壓力(記為“油壓”)，觀察并記錄相關(guān)流量特性數(shù)據(jù)。使用Testo 350煙氣分析儀測量尾部煙氣成份，獲得NOx、CO等污染物排放數(shù)據(jù)。

2 重油噴槍的流量特性分析

2.1 各工況下的重油噴槍流量特性數(shù)據(jù)

根據(jù)實驗步驟，在四種工況下分別進(jìn)行了逆噴式Y(jié)型重油噴槍的熱態(tài)實驗，記錄下各種形式噴槍的流量特性數(shù)據(jù)，見表3～表6?；诒碇械膶嶒灁?shù)據(jù)，可以得出兩種工質(zhì)的流量隨壓力變化的規(guī)律，獲得合理的油汽配比。

表3 “均布型+偏大出口動量”重油噴槍的流量特性數(shù)據(jù)(工況1)

表4 “均布型+中等出口動量”重油噴槍的流量特性數(shù)據(jù)(工況2)

表5 “均布型+偏小出口動量”重油噴槍的流量特性數(shù)據(jù)(工況3)

表6 “三分割型+中等出口動量”重油噴槍的流量特性數(shù)據(jù)(工況4)

2.2 油壓對重油流量的影響

重油流量反映了噴槍的出力大小。實際運行中通常采用改變油壓的方式調(diào)節(jié)重油流量。根據(jù)表3～表6的數(shù)據(jù)，得到重油流量qmf隨油壓pf的變化特性，如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)除工況2外，各工況下的qmf都隨pf的增大而增大。工況2的變化曲線與其他工況不同，認(rèn)為是受汽壓影響所致，但總體上變化幅度不大。

圖6 重油流量隨油壓的變化特性

分析原因，根據(jù)Y型噴槍的特點，pf與qmf之間的關(guān)系式為[5]

qmf=ρmf×v×A2

(1)

(2)

△p=pf-p3

(3)

式中：qmf為重油流量，kg/h；ρmf為重油密度，取950 kg/m3；v為油孔出口流速，m/s；A2為油孔截面積，m2；pf為油壓，MPa；p3為混合孔壓力，MPa；μf為油孔流量系數(shù)，取0.73；△p為油壓和混合孔壓力差值，MPa。

分析式(1)～式(3)，發(fā)現(xiàn)重油流量由油壓pf和混合孔壓力p3差值△p決定，根據(jù)表3～表6中數(shù)據(jù)，當(dāng)油壓pf增大時，△p值增大，△p增大增強(qiáng)了重油進(jìn)出口之間的驅(qū)動力，使油孔出口流速v增加，在油孔截面積A2不變時，重油流量qmf也隨之增大。

結(jié)合實驗數(shù)據(jù)及理論分析，認(rèn)為逆噴式Y(jié)型重油噴槍的重油流量大小與油壓正相關(guān)，在操作中通過改變重油壓力即可實現(xiàn)對重油流量的調(diào)節(jié)。

2.3 汽壓和油壓對霧化蒸汽流量的影響

對于Y型噴槍，霧化蒸汽的流量直接影響噴槍運行時的霧化效果和運行成本，在亞臨界狀態(tài)下，流量qmg大小受到汽壓pg和油壓pf的共同影響，而在實際運行中，通過調(diào)節(jié)汽壓和油壓大小來改變工質(zhì)流量的操作也最便捷，因此有必要分別研究霧化蒸汽流量隨汽壓和油壓的變化特性。

1)汽壓對霧化蒸汽流量的影響

在本實驗選取油壓相等時的實驗結(jié)果分析汽壓變化帶來的影響，分別取工況1中序號3和5(pf=0.897 MPa)、工況4中序號4和6的實驗數(shù)據(jù)(pf=0.927 MPa)，得到圖7?？梢园l(fā)現(xiàn)在同樣油壓下，汽壓越高，蒸汽流量越大。

分析原因，Y型噴槍的霧化蒸汽流量計算公式如下[6]：

圖7 蒸汽流量的隨汽壓的變化特性

(4)

β=p3/pg

(5)

式中：qmg為霧化蒸汽流量，kg/h；A1為氣孔截面積，m2；κ為絕熱系數(shù)，取1.4；ρg為蒸汽密度，取3.36kg/m3；pg為汽壓，MPa；p3為混合孔壓力，MPa；β為混合孔壓力/汽壓的比值。

式(4)為不考慮壓力損失影響下的蒸汽流量計算公式，可以發(fā)現(xiàn)qmg主要由p3和pg兩個變量決定，油壓pf通過改變混合孔壓力p3的值來影響qmg。當(dāng)油壓pf不變時，可認(rèn)為p3值只受pg影響，此時qmg的變化只與pg有關(guān)。根據(jù)式(4)，分析表3～表6中數(shù)據(jù)，當(dāng)pg增大時，β值也增大，計算得出qmg也隨之增大，由此驗證了圖7得出的結(jié)論，即霧化蒸汽流量隨汽壓的升高而增大。

2)油壓對霧化蒸汽流量的影響

霧化蒸汽流量同樣與油壓大小相關(guān)。根據(jù)表3～表6，選取數(shù)據(jù)較全的工況1和工況4，得出在相同汽壓下，噴槍的油壓pf對蒸汽流量qmg的影響，如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)霧化蒸汽流量隨油壓的升高而減小，分析原因，主要有以下兩點：

(1)油壓pf升高，混合孔壓力p3也相應(yīng)升高，當(dāng)汽壓不變時，混合孔壓力和汽壓之間的壓差減小，即驅(qū)動力減弱，導(dǎo)致蒸汽流量減小。

(2)從表3和表6的數(shù)據(jù)看出，兩種工質(zhì)存在一定的溫度差，重油溫度比蒸汽溫度低10～20 ℃，這就導(dǎo)致部分蒸汽在接觸到重油時會冷凝成水，當(dāng)油壓增大時，重油流量增大，即冷凝為水的蒸汽量也隨之增大，最終導(dǎo)致蒸汽流量減小[7]。

基于以上分析，發(fā)現(xiàn)亞臨界狀態(tài)下的霧化蒸汽流量由油壓和汽壓共同決定。在油壓不變時，汽壓越高，蒸汽流量越大；汽壓不變時，油壓越高，蒸汽流量越小。因此在實際操作中需要同時對汽壓和油壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以獲得所需的蒸汽流量。

圖8 油壓對蒸汽流量的影響

2.4 氣孔流量系數(shù)

流量系數(shù)定義為“流量測量值/流量計算值”的比值，是評價噴槍性能的重要指標(biāo)，流量系數(shù)越大，說明噴槍內(nèi)部的壓力損失越小。流量系數(shù)與噴槍結(jié)構(gòu)、運行參數(shù)有關(guān)，根據(jù)前期的測量結(jié)果，逆噴式Y(jié)型重油噴槍的油孔流量系數(shù)μ2隨工況變化不大，取μ2=0.73。本實驗主要考查重油流量qmf對氣孔流量系數(shù)μ1的影響。

圖9 氣孔流量系數(shù)隨重油流量的變化特性

2.5 混合孔壓力與汽壓的關(guān)系

1)混合孔壓力隨汽壓的變化

對于逆噴式Y(jié)型重油噴槍，氣體和液體在混合孔內(nèi)進(jìn)行混合，流體性質(zhì)復(fù)雜，混合孔的壓力可由式(1)～式(3)確定，但該式也屬于近似經(jīng)驗性估算，對于某些工況下的計算精確度不高。為了簡化計算，提高準(zhǔn)確度，需針對本實驗中混合孔壓力p3隨汽壓pg的變化特性進(jìn)行擬合，獲得經(jīng)驗公式，以預(yù)測其變化趨勢。根據(jù)表3～表6，得到四種工況下混合孔壓力p3與汽壓pg之間的擬合公式，見表7，該公式可應(yīng)用于逆噴式Y(jié)型重油噴槍的設(shè)計和調(diào)試。

表7 混合孔壓力與汽壓之間的擬合公式

2)混合孔壓力/汽壓的比值β

混合孔壓力/汽壓的比值β可用于判斷臨界狀態(tài)，當(dāng)β≤0.528時，霧化氣體工質(zhì)的出口流速達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲伲藭r霧化氣體工質(zhì)流量只與氣體壓力相關(guān)，不受其下游狀態(tài)變化的影響[8]。根據(jù)表7，所有工況下均為β>0.528，即霧化蒸汽仍處于亞臨界狀態(tài)，其流量受到汽壓和油壓的共同影響。

3 重油噴槍的燃燒性能分析

3.1 重油噴槍燃燒火焰特性

實驗進(jìn)行期間，從燃燒爐觀察孔記錄下四種工況的火焰圖像，如圖10所示。可以發(fā)現(xiàn)四種火焰均穩(wěn)定性較好，顏色明亮，呈橘黃色，無冒黑煙現(xiàn)象，說明燃燒充分。同時爐膛火焰充滿度較好，說明燃燒均勻，布置合理，燃燒組織良好。因此基于逆噴式Y(jié)型重油噴槍的均布型和三分割型兩種布置形式均適用于工業(yè)應(yīng)用。

圖10 四種工況的火焰圖像

3.2 重油噴槍的燃燒污染物排放情況

熱態(tài)實驗過程中，通過調(diào)節(jié)一二三次風(fēng)的配比及旋流度，使尾部煙氣中的NOx和CO濃度降到最低，O2含量在3%左右，獲得最優(yōu)工況。采用Testo 350測量了三種均布型噴霧單元在最優(yōu)工況下燃燒后的尾部煙氣成份，獲得煙氣污染物的排放數(shù)據(jù)，見表8。

本文主要研究流體在噴槍出口的動量對污染物生成量的影響?；旌狭黧w的出口動量與噴頭出口直徑d4相關(guān)，d4越小，出口動量越大，重油的噴射速率越大，因此出口動量最終會影響重油的點火燃燒。

從表8中的數(shù)據(jù)可以看出，三種均布型噴霧單元的NOx排放量相差很小，說明出口動量對NOx生成影響不大。但三種均布型噴霧單元的CO值差異較大，其中工況3的CO排放量最低，原因是在混合流體的出口動量較小時，重油與空氣有更長的接觸時間，燃燒更充分，也說明適當(dāng)擴(kuò)大逆噴式Y(jié)型重油噴槍的噴頭出口直徑d4可以使重油得以更充分地燃燒?？紤]污染物排放因素時，工況3對應(yīng)的“均布型+偏小出口動量”噴霧單元性能最優(yōu)。

表8 重油噴槍的燃燒污染物排放情況

4 結(jié) 論

通過本文的熱態(tài)實驗，獲得了逆噴式Y(jié)型重油噴槍的流量特性及燃燒性能，得出的數(shù)據(jù)可以為該噴槍的工程應(yīng)用提供參考，結(jié)論如下：

(1)噴槍的重油流量大小與油壓正相關(guān)，可通過改變油壓實現(xiàn)對重油流量的調(diào)節(jié)；本實驗中的霧化蒸汽均處于亞臨界狀態(tài)，其流量大小受到汽壓和油壓的共同影響，隨汽壓的升高而增大，隨油壓的升高而減小。

(2)噴槍的氣孔流量系數(shù)隨重油流量的增大而減小，即在實際應(yīng)用中應(yīng)防止提高重油流量后導(dǎo)致噴槍內(nèi)部壓力損失過大；擬合出了混合孔壓力隨汽壓變化的經(jīng)驗公式，可用于噴槍的設(shè)計調(diào)試。

(3)通過實驗中的火焰形態(tài)判斷出重油燃燒充分、燃燒組織良好，說明均布型和三分割型兩種布置形式均適用于工業(yè)應(yīng)用；三種均布型燃燒后的NOx排放量相差不大，但CO值相差較大，考慮污染物排放因素時，“均布型+偏小出口動量”的噴霧單元性能最優(yōu)。

但需要指出的是，燃用該重油噴槍時產(chǎn)生的NOx濃度在280 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))左右，與50 mg/m3(左右)的大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)有較大差距，因此在實際應(yīng)用中，還需要增設(shè)煙氣脫硝設(shè)備，以確保污染物的達(dá)標(biāo)排放。