湿法脱硫用大流量低背压喷嘴开发

1、1 湿法脱硫用大流量低背压喷嘴开发基金项目：国家科技支撑计划资助（2007BAC24B00）杜云贵1，刘艳荣2，喻江涛2，隋建才2(1 重庆大学资源与环境学院，重庆，4000442 中电投远达环保工程有限公司，重庆，401122)摘要 在石灰石-石膏湿法烟气脱硫吸收塔中，喷嘴性能直接影响到脱硫效率和运行成本。针对目前国产脱硫喷嘴能耗高的问题，本文基于质量及能量守恒方程，推导了螺旋喷嘴计算公式，并结合螺旋面设计方法开发出大流量低背压喷嘴。开发出的喷嘴运行压力小，可降低运行电耗；同时，可减少塔内布置的喷嘴数量，减少投资成本。关键词 螺旋喷嘴；流量；压力；雾化粒径；雾化角The Developmen

2、t of Large Discharge and Low Pressure Nozzles Used in Wet FGDDu Yungui1, Liu Yanrong2, Yu JiangtaO2, Sui Jiancai2(1 College of Resources and Environmental Science; Chongqing University; Chongqing 4000442 CPI Yuanda Environmental Protection Engineering Co·,Ltd·, Chongqing 400060)Abstract In

3、 limestone - gypsum wet-FGD systems, characteristics of the nozzles directly affect the desulfurization efficiency and operation costs. Considering the high energy consumption of current desulfurization nozzles made in China, formulas used to design spiral nozzles has been derived based on quality a

4、nd energy conservation equation in this article, and combined with design methods of spiral surface to develop large discharge and low pressure nozzles. The small operating pressure of the nozzles developed can reduce operating power consumption; At the sanme time，the large flow rate of the nozzles

5、developed can reduce investment costs by reducing the number of nozzles installed in the tower.Key words Spiral nozzle; Flow rate; Pressure; Droplet size; Spray angle1.1 引言石灰石-石膏湿法脱硫技术是当今国内外应用最广泛的烟气脱硫技术,目前国内应用市场占95%以上。石灰石-石膏脱硫工艺中石灰石浆液喷淋效果直接影响到脱硫效率及脱硫能耗。脱硫喷嘴的主要功能是把循环浆液管及喷淋管中大量的石灰石-石膏浆液转化为细小液滴喷出，使其有足够

6、的面积与烟气充分接触发生化学反应，从而有效地除去烟气中的SO21。通常情况下，用于200300MW机组的脱硫喷嘴流量为6080m³/h，用于600MW机组的一般>100m³/h。而现有国产喷嘴在0.05MPa工作压力下，流量增大至100m³/h以上时，喷嘴的雾化粒径增大，较难满足湿法脱硫工艺需求。而螺旋喷嘴由于液体在进入喷嘴腔体到出口的通道内，均没有受到任何阻碍，可以在很低的压力下，就可以达到优良的雾化效果。但现有的湿法脱硫用螺旋喷嘴在工作压力为0.05MPa时，流量一般不超过120m³/h。因此，本文对螺旋喷嘴入口各尺寸及螺旋面等进行优化，开发的

7、喷嘴在同等流量的情况下，运行压力较小，喷雾覆盖面广，且液滴均匀性高。采用这种喷嘴可减少塔内布置的喷嘴数量，运行压力小，从而在降低投资成本和运行能耗的同时，提高脱硫效率。1.2 脱硫喷嘴设计要求石灰石-石膏脱硫工艺中要求喷雾粒径不宜太大，也不宜太小，太大则单位体积内气液接触面积小，导致脱硫效率低或投资成本增加，太小则影响除雾器的操作。在浆液流量一定的条件下，操作压力越高，平均粒径越小，粒径分布越集中，越有利于脱硫效率的提高。但另一方面，由于操作压力高，液滴速度大，在吸收区停留时间短，要达到设计所需的停留时间，必须增大塔高，同时也加速了喷嘴的磨损，从而带来投资成本的增加。此外，粒径太小有可能影响除

8、雾器的操作。因此，脱硫喷嘴必须满足以下条件：(1) 在较宽的压力范围内，能提供均匀的喷雾分布；(2) 要求有连续稳定的浆液喷射压力与流量的关系曲线；(3) 在给定的压力下喷嘴形成的雾滴尺寸达到要求。即要求喷嘴有连续的喷射压力与喷雾平均粒径的关系曲线。一般工艺要求的雾化粒径D32为1300 3000 m；(4) 达到喷雾均匀分布的同时又提供大的自由通道以保证最佳的防堵塞性能；(5) 要求耐磨耐腐蚀性能优异，能经受浆液连续强烈地长期冲刷。1.3 喷嘴结构设计1.3.1 喷嘴孔直径确定(1) 螺旋喷嘴工作原理具有一定压力和速度的液体从上向下流过螺旋喷嘴时，其外层部分液体撞击喷嘴上呈一定角度的螺旋面，

9、从而改变喷射方向离开喷嘴。不同层锥体喷射面流线与喷嘴轴心的夹角（螺旋角)逐层减小。(2) 喷嘴孔直径确定根据现有喷嘴的工作参数，对比给出喷嘴设计参数如表 21。以下开发内容根据表中所给参数进行计算。表 11 喷嘴设计参数浆液压力PL (kPa)喷浆液量Q(m³/s)浆液密度L kg/m³)雾化角(°)450.0451103901)喷嘴入口尺寸确定2,3根据工艺设计手册，喷淋管内流速一般取1.52.8m/s，2.22.4m/s最佳。设喷淋管管径为D3，喷淋管中石灰石浆液流速v0取2.3m/s，则有从而有喷淋管管径，取喷嘴入口口径D=150mm，则喷淋管中浆液流v1=

10、2.24m/s。图 11 螺旋喷嘴入口示意图2)喷嘴出口处速度计算根据贝努利方程有：因喷嘴入口处长度很小，喷嘴本身长度很短，故可忽略沿程阻力损失和重力的影响，而喷嘴出口压力很小，则贝努利方程可简化为：式中，P喷嘴入口和出口的压差，近似等于液体入口压力P1，Pa；液体密度，kg/m³。计算可得，v2=6.6m/s。3)喷嘴口孔径d0 (取d0=90mm)式中，Q喷嘴流量，m³/s。4)实际浆液流速u01.3.2 喷嘴螺旋面确定壁厚为a=12mm，喷射锥体的大直径D1=d0+2a=160mm，雾化角1=90°（一般取90°120°)。取小直径D2=

11、20mm，2=20°，雾化面型线总圈数t=3（一般取24)，导程s=40mm，计算可得4：当n0，/2时，当n(/2，6设计喷嘴螺旋面方程为：将该空间几何模型用Matlab进行仿真，如图 22所示。图 12 雾化螺旋型面仿真图形1.3.3 校核计算1)雾滴直径校核5,6雾滴索太尔雾化粒径直径式中，DVS体积面积直径，m；d0喷嘴孔直径，m；u0液体从喷嘴孔喷出的平均流速，m/s。2)雾化角校核影响雾化角的因素很多，所以对于其经验公式的总结难度也加大。美国纽约州立大学N.Ashgriz等人根据大量的实验结果推出了如下的经验公式：式中为雾化角，为经验值，约等于1.7，取500，=1.2&

12、#215;10-2，Rec=104，为直径表面积比，对于一个喷孔来说，其为一个定值。与设计参数相符合。1.4 喷嘴性能测试1.4.1 雾滴粒径分布由图 23可得出，喷嘴在压力为43 kPa时，雾滴粒径主要分布在1600m左右，且80%以上的雾滴直径集中在10003000m范围内，故该喷嘴能提供均匀的喷雾分布。图 13 工作压力为43kPa时的喷嘴雾滴分图1.4.2 压力与流量关系1)压力、流量、雾化粒径关系图 14 喷嘴流量-压力曲线图 14为该喷嘴压力与流量的关系曲线，喷嘴流量随工作压力增大而增大，与压力的的1/2次方成正比，故该喷嘴具有连续稳定的浆液喷射压力与流量的关系曲线。图 15 射压

13、力与喷雾平均粒径关系曲线由图 15可得出，该喷嘴在压力在1050kPa条件下工作时，雾滴粒径D32在11001600 m，满足脱硫工艺要求。2)与现有螺旋喷嘴参数比较图 26为开发的喷嘴与现有螺旋喷嘴（某型号)的压力-流量曲线图比较，从图中可以得出，两个喷嘴的工作压力范围不同，现有喷嘴工作压力一般大于50kPa，而开发的喷嘴工作压力范围为1050kPa，即可在较低的工作压力下满足脱硫工艺的粒径要求，且当喷嘴工作压力均为50kPa时，流量较比较喷嘴增加20%40%。图 16 喷嘴压力-流量曲线比较喷嘴的压力损失大多表现为出口处的局部阻力损失，由表2可知，开发出的喷嘴工作压力降低的原因，主要是开发

14、喷嘴的结构使得喷嘴在达到雾化效果的同时，出口速度减小，从而大大减少了出口处局部阻力损失。表 12 喷嘴运行参数比较压力(kPa)流量(m³/s)速度(m/s)开发喷嘴451627.08比较喷嘴7012010.151.5 结论本文通过对螺旋喷嘴入口各尺寸及螺旋面进行优化，开发的喷嘴能提供均匀的喷雾分布；有连续稳定的浆液喷射压力与流量的关系曲线；在工作压力范围为1050kPa时，流量为70160m³/h，雾滴粒径D32在11001600 m，即该喷嘴可在较低的工作压力下满足脱硫工艺的粒径要求，且当喷嘴工作压力均为50kPa时，流量较现有螺旋脱硫喷嘴增加20%40%。1.6 参考文献1) 傅文玲，刘鹏.烟气脱硫用碳化硅喷嘴的国产化探讨J.电力设备, 2007,8(2),50522) 姚增权，马进.简式旋流喷嘴的设计J.电力环境保护,2002, 18(3):153) 钟秦.燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例M.北京,20024) 李川，王时龙，钟增胜等.渐开线雾化螺旋喷嘴的喷射型面几