高黏度化工廢液噴槍設計及霧化性能試驗研究

馬尊領，李 淵，蘭 劍，張建輝

（中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海 201108）

石油化工、造紙和印染等行業每年都會產生大量的有機廢液。有機廢液中有機物濃度高、黏度大且具有毒性，直接排放會造成嚴重環境污染。近些年國家環境保護要求逐步提高，目前工業產生的大量有機廢液均需進行無害化處理。最徹底的無害化處理方式是通過焚燒爐高溫熱解，將有機廢液轉化成二氧化碳和水汽［1-2］。此技術中焚燒爐膛上的廢液噴槍霧化性能是保證有機廢液有效高溫熱解的關鍵因素。

某項目中廢液焚燒爐主要用于處理廠內印染劑車間有機廢液，該廢液熱值高、黏度大且帶有毒性。廢液焚燒爐運行過程中噴槍霧化性能不佳，導致噴出的液霧粒徑過大，在爐膛中燃燒不完全，出現明顯的火星（圖1a），未燃盡的液渣粘附在下游換熱面表面（圖1b），嚴重影響設備使用壽命。文中針對此問題展開噴槍設計、霧化性能測試及應用效果研究。

圖1 某項目印染劑廢液霧化效果不佳引起的燃燒不充分問題

1 印染劑廢液黏度測定

在項目現場對印染劑廢液進行取樣，在試驗室內采用烏式黏度計測定廢液在不同溫度條件下的黏度值［3-5］。黏度計直徑?=1.5 mm，編號60，儀表常數0.439 3 mm2/s2，測得50、60、70 ℃下廢液運動黏度依次為134.8、67.6、42.3 mm2/s。

2 焚燒爐霧化噴槍設計

2.1 基本形式

廢液在60 ℃下的運動黏度超過60 mm2/s，屬于高黏度介質，普通霧化噴嘴已經很難對其進行有效霧化，因此進行噴槍形式的選擇。經過文獻調研后，選擇外混式氣流霧化噴槍。這種噴槍能夠在液體噴出噴嘴之后，利用霧化介質高速氣流碰撞摩擦噴出的液體微粒，借助摩擦產生的切向應力將液體微粒破碎成更加細微的霧滴，霧化效果好（圖2）［6-8］。

圖2 外混式氣流霧化噴槍霧化效果

2.2 性能優化

有研究表明［9-11］，增加霧化介質流量、增強霧化介質湍流度和增加廢液湍流度均有利于霧化性能的提高。基于通過結構改進對原噴槍進行性能優化，新設計的噴槍噴頭霧化孔尺寸和霧化孔數量均較原來的大，同時還增大了霧化孔角度，改變了霧化孔形式，增大了廢液開孔夾角。其中，噴槍噴頭霧化孔尺寸和霧化孔數量的增多可以實現霧化介質流量的增加，霧化孔角度的增大和霧化孔形式的改變可以實現霧化介質湍流度的增加，廢液開孔夾角的增大可以實現廢液湍流度的增加。

2.3 尺寸計算

2.3.1 內管直徑

廢液噴槍內管（廢液流道）內徑D1計算如下。

式中：qmf為廢液質量流量的數值，單位kg/s；ρ1為廢液密度的數值，單位kg/m3；u1為噴槍內管廢液流速數值，一般取0.1～1.0［9］，此處取值0.8，單位m/s。

2.3.2 外管直徑

廢液噴槍外管（氮氣流道）內徑D2計算如下。

式中：qma為氮氣質量流量的數值，單位kg/s；ρ2為氮氣密度的數值，單位kg/m3；K 為耗氣比，一般取0.2～0.3［9］，此處取值為0.3；u2為噴槍氮氣流速的數值，一般取15～20［9］，此處取值18，單位m/s；D1o為噴槍內管外徑的數值，D1o=D1+2δ，δ為內管壁厚的數值，δ 取值2，單位mm。

2.3.3 噴孔內徑

廢液噴槍噴頭廢液噴孔內徑d1計算如下。

式中：μ1為廢液噴孔流量系數，由試驗確定，一般在0.2～0.4［1］，此處取值0.3；n1為廢液噴孔的數量，取值5；p1為廢液壓力的數值，單位MPa。

2.3.4 氮氣噴孔

廢液噴槍噴頭氮氣噴孔截面積F2計算如下。

式中：μ2為氮氣噴孔流量系數，參考文獻［1］取值0.82；n2為氮氣噴孔數量，取值5；?lj為氮氣噴孔臨界截面流量系數，取值0.484［9］；p2為氮氣壓力的數值，單位MPa。

2.3.5 計算結果

已知廢液參數:qmf=0.083 3 kg/s、t1=60 ℃、ρ1=1 195.22 kg/m3、p1=0.3 MPa（G）。霧化介質氮氣參數:t2=25 ℃、p2=0.4 MPa（G）、ρ2=4.52 kg/m3，應用上述公式進行計算，得到噴槍結構參數，見表1。

表1 噴槍結構參數計算結果

2.4 圖形設計

根據計算出的印染劑廢水霧化噴槍結構參數進行圖形設計，得到印染劑廢液焚燒爐霧化噴嘴結構設計圖以及根據設計圖制作的噴槍實物見圖3。

圖3 印染劑廢液霧化噴槍設計圖及實物圖

3 焚燒爐霧化噴槍性能試驗設計

3.1 試驗設計

保持廢液的黏度和壓力不變，改變霧化介質的壓力，進行系列霧化試驗。應用激光粒度儀測定霧化后的液滴粒徑，分析研究高黏度廢液噴槍的霧化性能［12-13］。

3.2 試驗介質

印染劑車間的高黏度廢液具有毒性且氣味較大，出于人員安全考慮，采用配制糖漿液代替高黏度廢液進行噴槍霧化試驗。項目現場進入焚燒爐的廢液溫度為60 ℃，運動黏度為67.6 mm2/s。在試驗車間配置不同比例的糖漿液，在室溫條件下采用烏式黏度計進行黏度分組測定，最后選定質量分數60%的糖漿液為試驗介質，其運動黏度為69 mm2/s。

3.3 試驗系統

焚燒爐霧化噴槍性能試驗系統組成示圖見圖4。試驗氣體回路主要由液氮罐、液氮氣化器、控制閥及相關管路組成，采用汽化后的氮氣作為霧化介質。試驗時，調節氮氣管線控制閥門，使得廢液噴槍入口氮氣的壓力達到設定值0.6 MPa（G）和0.4 MPa（G）。液體回路主要由霧化液接收池、廢液緩沖罐、齒輪泵、控制閥及相關管路組成。

圖4 焚燒爐霧化噴槍性能試驗系統組成示圖

3.3.2 基本設置

根據現場焚燒爐廢液噴槍前的壓力和流量進行試驗壓力和流量的設置，調節液體回路控制閥門使糖漿液的壓力達到0.3 MPa（G），質量流量達到300 kg/h。

在噴槍噴嘴下方1～1.5 m 處的完全霧化區域采用Winner318 型工業噴霧激光粒度分析儀進行測量，通過分析廢液霧化粒徑來研究噴槍的霧化性能。

3.3.3 關鍵設備

焚燒爐霧化噴槍性能試驗系統關鍵設備包括液氮罐、液氮汽化器、閥組管路及工業噴霧激光粒度分析儀，其實物見圖5～圖8。

圖5 液氮罐

圖6 液氮汽化器

圖7 管路系統

圖8 工業噴霧激光粒度分析儀

4 焚燒爐霧化噴槍性能試驗過程及結果分析

4.1 過程簡述

焚燒爐霧化噴槍性能試驗現場布置見圖9。

推薦理由:本書描述了胡克博士幾十年從事航空發動機多個型號研發中記錄的各種趣事，把航空發動機這個被稱作制造業皇冠上的明珠的工作，帶到讀者的眼前，不再是那么遙不可及和神秘。本書和發動機相關教科書或其他書籍的差別在于，書里記錄的都是真實發生的事，而這些事在大學課堂上無法學到的，甚至在進入到航空發動機行業后也不一定能遇到的寶貴經驗。

圖9 焚燒爐霧化噴槍性能試驗現場

試驗時，先調節廢液噴槍入口的霧化氮氣壓力為0.4 MPa（G），再開啟廢液管路，通過控制閥組調節，控制進入廢液槍的糖漿液壓力和質量流量分別為0.3 MPa（G）和300 kg/h。待霧化噴嘴工作穩定后開啟工業噴霧激光粒度分析儀進行霧化粒徑的采集和記錄。

4.2 結果分析

4.2.1 霧化氮氣壓力0.4 MPa（G）下

試驗結束后對粒度分析儀采集的數據進行分析處理，采用索達爾平均直徑（SMD）來評價霧化質量。得到霧化液滴的索達爾平均直徑和平均直徑中值的偏差值，見圖10。

圖10 0.4 MPa（G）下噴槍霧化質量分析評價圖

分析圖10a 可以知道，在霧化氮氣壓力條件為0.4 MPa（G）時，廢液噴槍霧化液滴的SMD 為80.69 μm。分析圖10b 可以知道，瞬時液滴粒徑正負偏離平均粒徑比較均勻，瞬時液滴粒徑最大值為98 μm，最大正偏差為22%，粒徑最小值為68 μm，最大負偏差為15%。

4.2.2 霧化氮氣壓力0.6 MPa（G）下

將廢液噴槍入口氮氣壓力調整為0.6 MPa（G），其余參數保持不變。重新進行試驗，通過分析粒度分析儀采集的數據，得到霧化液滴的索達爾平均直徑和平均直徑中值的偏差值，見圖11。

圖11 0.6 MPa（G）下噴槍霧化質量分析評價圖

分析圖11a 可以知道，在霧化氮氣壓力條件為0.6 MPa（G）時，廢液噴槍霧化液滴的SMD 為73.18μm。分析圖11b 可知，瞬時液滴粒徑正負偏離平均粒徑也比較均勻且偏離幅值較上次試驗有所減小，瞬時液滴粒徑最大值為81 μm，最大正偏差為11%，粒徑最小值為63 μm，最大負偏差最大為14%。

4.2.3 效果對比

綜合分析兩次試驗結果可以發現，隨著霧化介質壓力的提高，霧化液滴的SMD 由80.69 μm降低至73.18 μm，減小幅度為9.3%，但是霧化粒徑最大值由98 μm 降低至81 μm，減小幅度達到17.34%。這表明增大霧化介質壓力可以有效減少大顆粒霧化液滴數量，從而提高噴槍霧化效果。

5 焚燒爐霧化噴槍現場應用

現場焚燒爐為立式布置，燃燒器位于爐頂。焚燒爐爐膛內徑為2 400 mm，焚燒爐爐膛長度為10 550 mm，廢液噴槍位于焚燒爐爐頭傾斜段，噴槍噴頭距離焚燒爐出口為9 950 mm。根據設計計算，運行過程中焚燒爐總煙氣量為13 736 m3/h（標準狀態下），煙氣中氧體積分數為6%。爐頭部分爐膛內溫度為1 573 K，后部焚燒爐膛溫度為1 373 K，廢液在高溫爐膛內停留約為2.3 s［14］。將新設計噴槍安裝到廢液焚燒爐上進行工程試驗，保持廢液壓力0.3 MPa（G）和廢液溫度60 ℃不變，調節霧化空氣壓力至0.4 MPa（G），正常運行后通過視鏡觀察到噴槍霧化后廢液在爐膛中的燃燒充分（圖12a）, 檢查到的下游換熱表面灰渣附著情況也有很大改善（圖12b）。

圖12 新設計噴槍噴霧爐膛燃燒和液渣改善情況

對比圖1 和圖12 可以看出，采用重新設計的噴槍對廢液進行霧化后，爐膛內不完全燃燒產生的火星完全消失，呈現出充分燃燒后的透亮火紅色。下游換熱面灰渣附著情況也有很大的改善,煙氣特征污染物排放也達到了排放限值。這表明廢液經由新設計噴槍霧化后的液滴在爐膛高溫環境下能夠瞬時蒸發［15］和充分燃燒，結合2 s 以上的爐膛內停留時間，廢液內的有機物可以被完全氧化分解。

6 結束語

針對某項目中印染劑廢液噴槍霧化性能差的問題，結合印染劑車間廢液黏度大、不易霧化特點重新設計噴槍，搭建試驗平臺進行噴槍霧化性能測試，在焚燒爐上進行實際應用驗證。測試和應用結果表明，設計的噴槍很好地解決了高黏廢液霧化效果差、燃燒不完全及爐膛帶火星問題，下游熱交換器表面積渣也有了很大改善。