250T轉爐LT系統雙流量進口噴嘴與國產噴嘴性能分析

劉加

摘 要：對寶鋼二煉鋼LT蒸發冷卻器氣、水兩相噴嘴結構進行介紹，對進口噴嘴和國產化噴嘴性能進行測試分析比較，包括流量特性、汽耗率、霧化角、顆粒度，為國產噴嘴的上機使用提供依據。

關鍵詞：噴嘴；霧化；流量特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.001

0 前言

寶鋼煉鋼250T轉爐采用世界上先進的LT干法除塵工藝，設備從奧鋼聯引進。LT蒸發冷卻器靜電除塵系統雙流量噴嘴是轉爐除塵系統的關鍵設備之一，轉爐吹煉產生煙氣，經蒸發冷卻器時，通過噴槍及雙流量（水、氣）噴嘴，產生霧化和水氣，使轉爐產生的經冷卻煙道冷卻后降至1000℃左右的煙氣，通過蒸發冷卻器后溫度降至180℃，且煙氣和塵粒保護干燥，這樣才能滿足后續電除塵工藝的要求。噴嘴的工作性能狀況，直接影響后道工序靜電除塵的效果，霧化冷卻效果不好，甚至可能導致靜電除塵電路板擊穿的嚴重問題。由于噴嘴工作環境惡劣損耗較大，為此，該噴嘴進行了國產化研制，本文對引進噴嘴與國產化噴嘴的性能進行測試、分析、比較，為國產噴嘴使用提供性能依據。

1 噴嘴的結構及霧化原理

250T轉爐LT蒸發冷卻器雙流量噴嘴（見圖1）在高溫條件下工作，雙流道設計，內流道工作介質通水，外流道工作介質通蒸汽，內流道壓力水流噴出后形成傘形水簾，經外流道噴出的壓力蒸汽沖擊充分霧化。噴嘴設計形狀復雜，加工精度要求高，螺旋形的流道加工要光滑、對稱布置。四流道水流的混流室內高度要控制在一定的范圍內，水流按一定的圓錐角噴射。根據對現場使用工況的了解并對進口備件的外形、結構、性能分析，設計出國產備件的制造加工圖紙，并進行備件的制作。

2 噴嘴性能參數測試條件及內容

根據現有測試條件，測試噴嘴的冷態性能。試驗介質：水， 霧化介質：壓縮空氣。根據噴嘴使用介質的工作壓力、流量，確定流量特性及汽耗率測試的氣壓范圍0.1-0.6Mpa，水流量范圍1-5t/h。

測試項目：

A、流量特性（不同氣壓下，水流量與水壓的關系）

B、氣耗率（Kg氣/Kg水 %）及氣耗率特性（不同水壓下，氣耗率與氣壓的關系）

C、霧化角

D、霧化顆粒度分布

3 噴嘴流量特性測試分析

從噴嘴的氣壓、水壓及水流量試驗數據可知，在水流量一定的情況下，水壓隨氣壓變化的幅度很小，在水流量不變時，國產噴嘴氣壓變化引起的水壓最大偏差為0.0013MPa，而壓力表本身偏差為0.004 MPa。可以認為該偏差是由于壓力表的誤差引起的，根據數據處理原則可以不考慮這點數據的影響，既可以忽略氣壓對水流量的影響；進口噴嘴氣壓變化引起的水壓最大偏差為0.0021 MPa，小于0.004 MPa，氣壓對水流量的影響也可忽略。

各噴嘴水壓與水流量的變化關系如圖2所示，由圖2可以看出在相同的流量下，國產噴嘴的水壓比進口噴嘴的水壓大；在相同的水壓下，國產噴嘴的水流量比進口噴嘴的水流量小，且隨著水壓增加而流量差逐漸增大。從圖中看出，開始流量受壓力變化影響大，隨后逐漸減弱。經過曲線擬合分析，得到壓力與流量的近似公式如下：

表1列出了根據試驗數據擬合得到的K 和n值。K、n為常系數.從上表數據可以看到試驗中使用的各個噴嘴的指數n均在0.5左右這與流體力學阻力公式是相符的說明試驗數據是可靠的，系數K是流動阻力系數的倒數，也稱為流導，該系數越大說明流動阻力越小。由表1可見，進口噴嘴K值較大說明其設計和加工比較合理，國產噴嘴已經與進口噴嘴非常接近，說明它們的設計和加工已比較合理。

4 噴嘴氣耗率特性測試分析

從噴嘴氣體流量試驗數據得出，進口噴嘴當氣壓一定時，隨著水流量變化，氣體流量幾乎沒有變化，說明進口噴嘴穩定性好，加工質量好；國產噴嘴的氣體流量也比較穩定，尤其在高壓情況下，氣體流量非常穩定，只是在低壓下略有波動。氣壓一定時，氣體流量在水流量變化時最大相對偏差<1.5%，因此可以認為氣體流量在氣壓一定的情況下為常數而與水流量無關。

噴嘴的霧化情況是與加入水中參與混合的氣體量有關的，因此在給定氣壓下氣體的質量流量與水的質量流量之比，即氣耗率是一個很重要的指標，利用氣體狀態方程，可以將定溫狀態下的壓縮空氣換算成標準狀態下的空氣，進而計算出相應的空氣質量流量，經過推導得出氣耗率k的計算公式如下：

為了清楚了解氣耗率、氣壓及水壓的相互影響，在圖3給出氣壓為0.3Mpa時水流量與氣耗率關系特性圖。

在水壓一定的情況下，無論是國產噴嘴還是進口噴嘴，氣耗率隨氣壓增加而增加，根據測試數據情況，氣耗率與氣壓體現出線性關系。

在氣壓一定的情況下，無論是國產噴嘴還是進口噴嘴，氣耗率隨水壓增加而減少；當水壓較小時，氣耗率受水壓變化的影響較大，當水壓較大時，這種影響減小。

在整個試驗范圍內，國產噴嘴的氣耗率均較進口噴嘴低，說明該噴嘴的設計和加工達到了較高的水準。

5 噴嘴霧化角特性測試分析

根據測試數據繪出在氣壓、水流量、條件霧化角關系性能圖見圖4、圖5，分析上圖可知：在氣壓為0MPa下，進口噴嘴輪廓角從93.8°變化到100.1°，國產噴嘴輪廓角從91.2°變化到102.4°與他們的理論設計霧化角100°相比較，進口噴嘴輪廓角跳動量比國產噴嘴的稍小。

在氣壓一定下，霧化角隨水流量增加而變大。氣壓為0.1MPa時， 進口噴嘴霧化角從38.9°變化到88.9°；國產噴嘴霧化角從36.4°變化到80.5°。

在水流量一定下，霧化角隨氣壓增加而減小。流量為3.5t/h時；進口噴嘴霧化角從88.9°變化到44.7°；國產噴嘴霧化角從80.5°變化到41.5°。

在氣壓較大的條件下，進口、國產噴嘴的霧化角曲線趨于直線，國產噴嘴霧化角的性能已與進口噴嘴很接近，在氣壓較高時的表現非常穩定。

6 顆粒度分布情況

顆粒度分布滿足Rosin-Ramnler分布

R=100exp[-（di/dm）N]%

式中：R—直徑小于di的液滴質量占取樣總量的百分數；

di—液滴直徑，μm；

dm—分布系數；

N—均勻性指數；

dm、N為試驗測得數據

從顆粒度測量結果分析可知：

A、進口噴嘴均勻性指數N在1.09—1.18之間，國產噴嘴均勻性指數N在1.09—1.21之間變動，不論是進口噴嘴還是國產噴嘴，均勻性指數N跳動小。

B、均勻性指數N幾乎不受水流量和氣壓的影響。

C、在氣壓較低情況下，進口噴嘴的霧化較好，其變動量也較小，國產噴嘴在整個試驗范圍內其霧化效果已與進口噴嘴非常接近。

7 結論

（1）噴嘴的氣體與水狀態參數彼此無影響。

（2）進口噴嘴及國產噴嘴的流量與水壓P0.5成正比；但進口噴嘴的流導大，流動阻力較小，因此進口噴嘴的流量特性比國產噴嘴稍好。

（3）霧化角受氣體參數與水參數交叉影響，在水壓一定的情況下， 霧化角隨氣壓增加而減少；在氣壓一定的情況下， 霧化角隨水壓增加而增加；進口噴嘴輪廓角跳動量比國產噴嘴的小。

（4）無論國產噴嘴還是進口噴嘴，均勻性指數N在1.09—1.21之間變動，均勻性指數N幾乎不受水流量和氣壓的影響。國產噴嘴在整個試驗范圍內其霧化效果已與進口噴嘴非常接近，說明其設計和加工水平已與進口噴嘴相當。實際使用證明國產噴嘴滿足生產要求。

參考資料：

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