转炉煤气干法除尘喷淋系统实验研究
姓名：王聃申请学位级别：硕士专业：工程热物理指导教师：靳世平2011-01-07
华中科技大学硕士学位论文
摘 要
我国钢铁产量连续13年位于全球第一，炼钢产生的大量转炉煤气在当今世界提倡的节能环保的大趋势下，各国都在积极开展回收利用工作。目前两种比较成熟的煤气回收技术中干法除尘系统更为经济和环保，将成为未来转炉煤气回收利用的主要的发展方向。这套转炉煤气干法除尘系统是德国专利，所以为了实现其国产化，有必要对该系统进行研究。该系统中重要设备之一的蒸发冷却器中的核心部件双流喷嘴是德国鲁奇公司的专利，目前国内引进的干法除尘系统中的蒸发冷却器的壳体可以在国内生产，但是双流喷嘴还需要国外提供，本论文受企业所托，对双流喷嘴的雾化性能进行研究，以期对实现双流喷嘴的国产化提供帮助。
本文首先对单个双流喷嘴的雾化性能进行实验，得到雾化锥角，雾化过程中两相流体的压力和流量性能曲线，气体和液体相互的影响关系，同时，创新地对双流体喷嘴的多个喷嘴的不同排列对雾化均匀性的影响进行了研究。在实验过程中，对雾化锥角的测量采用的是经济的摄像法，通过计算机处理得到雾化锥角的大小。通过距离喷嘴布置板一定高度的试管采集喷雾的分布，然后进行数据处理得出雾化均匀性的影响因素。
实验结果表明两相流体的压力和流量近似成正比关系；当气体压力升高时，液体流量会减小；雾化均匀性与喷嘴半径和个数有密切关系。实验中还对喷嘴进行改进，经测试表明旋流叶片对雾化锥角起到积极作用。另外，文章总结和论述改进雾化研究的三种方法。
关键词： 转炉煤气干法除尘；蒸发冷却器；双流喷嘴；雾化特性；
压力；流量；雾化均匀性
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Abstract
Our country has been the biggest country of steel production around the world for thirteen years, and at the same time environmental protection is getting an increasing amount of attention from the public. Purifying and recoverying converter gas is one of the effective ways to save energy, on which people from various countries have been researching. At present, there are two mature dedusting systems, i.e. the dry dedusting and wet dedusting. As dry dedusting system has more economic value and less pollution over the wet dedusting system, it becomes the main trend for further development. The dry dedusting system is invented by Thyseen steel company of Germany; the core equipment in this system is the evaporative cooler, in which the most important device is the twin-fluid nozzle patented by Lurgi Company. In the present condition, we can produce the shell of the evaporative cooler, while we still need to buy the twin-fluid nozzle from the Lurgi Company. In all, a lot of enterprises want to do research on twin-fluid nozzle.
In this thesis, we did some experiments on the atomization performance of the twin-fluid nozzle and two results were concluded: the atomization angle, and the relation between the fluid pressure and flow rate of the two-phase fluid. Meanwhile, the different permutation of the nozzle was studied. The atomization angle was measured by economic camera method, dealing with the photo through the computer. In this way, we got the different heights of collection caused by the atomization distribution and marked them.
The experimental results showed that the pressure of the two-phase fluid body was approximately proportionality to its flow. When the gas pressure increased, the liquid flow would reduced the uniformity of atomization which was closely related to the radius and the number of nozzles. In this experiment the nozzle was improved as well. The test results indicated that the swirl leaves played a positive role on the angle of atomization. In addition, three methods to improve atomization in our dissertation were summarized and dissertated.
Keywords: converter dry dedusting system, evaporative cooler, twin-fluid nozzle.,
atomization, pressure, flow, spray perfomance
II
独 创 性 声 明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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1 绪 论
1.1 项目背景
改革开放后，我国钢铁产量一路攀升。伴随着我国快速工业化的进程，钢铁厂源源不断地输运钢铁到国内的各个新兴的工地上、工厂里。我国的粗钢产量连续13年居世界第一。进入21世纪以来，我国钢铁产业快速发展，粗钢产量年均增长21.1%[1]。我国2009年的钢铁产量达到56800万吨，居世界第一。中国社会科学院2010年8月22日在北京发布的《产业蓝皮书：中国产业竞争力报告(2010)》这样表示。蓝皮书指出，2009年，中国粗钢产量达56800万吨，是排名前五的日本、俄罗斯、美国和印度粗钢产量之和的2.2倍，进一步确立了中国是世界钢铁大国的地位[2]。面对全球环境日益恶劣、气候变暖的压力，全球都在开展环境保护工作。2009年12月7日到8日的哥本哈根世界气候大会中，我国发表观点要实现到2020年的二氧化碳排放强度降低40%-45%的目标。在这个全球对环境保护和能源能效重视的大环境下，把转炉炼钢产生的含热值比较高的转炉煤气回收利用成为各个钢厂的节能降耗的新趋势，近二十年来，转炉煤气的回收利用成了各大钢铁厂一个炙手可热的项目。
1.2 国内外转炉煤气的回收利用现状
转炉炼钢产生的转炉煤气在小型钢厂回收率不高，没有引起足够的重视，但其含热量较高，很有利用的价值。如表1-1所示的转炉煤气的参数，可以看出回收转炉煤气的温度很高，达到了1400～1600度，热值也很高，经过一个简单的计算，设平均烟气量为100立方米，每吨生铁产生的热量可以使每吨水升高200度。由此可见，如果对氧气转炉烟气进行净化与回收，可以节省大量能源，现在很多冶金工厂利用回收的热量已经能够做到负能炼钢。而且从表1-1中可以看出，回收的粉尘因含全铁达70%左右，可以综合利用变废为宝，同时又净化了大气环境。因而国家在“十五”规划中《转炉烟气净化回收技术》作为重点开发推广技术项目[3-7。
]
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表1-1转炉煤气参数[3,4]
烟气能量(吨生铁) 烟气量（吨生铁）
6800~10000KJ/m3 80-110m3
烟气温度（℃） 1400～1600 烟尘浓度（g/Nm3） 100～120
烟尘成分 FeO,Fe2O3,Fe3O483%,CaO9%,SiO23.64%，余为其它 烟气粒度 <10μm占5.6%
烟气成分（体积百分数） CO 60～80%，CO215～20%，氮、氢和微量氧
转炉煤气是一种优质燃料和原料，其主要用途包括[8]: 1）可以替代焦炉煤气或天然气用于炼钢烘烤； 2）可以替代传统的煤粉和焦炭用于活性石灰生产；
3）转炉煤气可以送入全厂管网用于发电、轧钢加热炉、炼钢热风炉等； 4）由于含CO比较高，所以可以用于化工生产甲酸等。 1.2.1 转炉煤气除尘方法
转炉煤气要经过降温、除尘后才能使用，随着转炉炼钢生产的发展和炼钢工艺的进步，转炉煤气除尘技术也在日益成熟和完善。目前，氧气转炉炼钢的净化回收主要有两种方法，一种是由日本新日铁公司（NSC）和川崎重工公司联合开发的煤气湿法OG法（Oxygen Converter Gas Recovery System）净化回收系统，并于1962年投入运行，1985年，宝钢一期300吨转炉成功引进了日本的湿法除尘技术[8]。一种是由西德鲁奇蒂森公司在1969年推出的（煤气干法(LT法)净化回收系统。后奥钢联将此项技术，应用在它推出的创新技术(Dry-Type Off-Gas Cleaning For Converter Steelmaking)上，又简称DDS法。
OG湿法除尘技术由日本新日铁和川崎公司开发研制的，它的典型流程如图1-1所示：高温的转炉煤气先经汽化冷却器进行初步降温，使温度大概降至800～1000℃；然后依次通过一级文氏管、第一弯头脱水器、二级文氏管、第二弯头脱水器；洗涤水从文氏管喉口处喷出对转炉煤气进行降温，使得煤气的温度降到35℃左右,同时转炉煤气中的含尘量降低到大约100毫克/标米3。最后通过抽风机把净化好的转炉煤气送
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入储气柜供用户使用。湿法工艺在世界上比较普遍,每吨钢可回收60～80标米3煤气，平均热值约为2000～2200千卡/标米3。
图 1-1 转炉湿法除尘系统工艺流程图
1— 转炉;2—活动烟罩;3—汽化烟道;4—溢流文氏管;5—弯头脱水器;
6—可调喉口文氏管;7—旋风脱水器; 8—煤气鼓风机
我国最先引进的是湿法除尘净化系统，2006年几乎还有90%的回收转炉煤气的钢厂实用的是该系统，但是由于干法除尘相对于湿法除尘有诸多优点，如下表1.2。并且由于干式系统比湿式系统投资约高12～15％；但由于干法除尘技术无需建设污水处理设施,动力消耗低,回收成本的年限比湿法除尘的时间少，经济性比湿法除尘的高。所以，近些年来我国大型钢厂逐渐引进干法除尘净化回收系统。
表1-2 干法除尘和湿法除尘的优缺点
LT干法除尘系统 OG湿法除尘系统 除尘净化效率高,能将粉尘浓度降至10mg/Nm3以下
不存在二次污染和污水处理
阻损小,煤气的发热值高；系统回收的粉尘可直接利用,节约了能源
占地面积小,系统简化,便于管理和维护
处理后的煤气含尘量高，达100mg／Nm3 需要处理污水及污泥，系统存在二次污染阻损大，能耗大
占地面积大，环保治理及管理难度大
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从上述分析可以看出，转炉煤气的干法除尘系统相比于湿法除尘系统有更多的优点，随着时代的发展干法除尘系统将会成为钢厂回收转炉煤气的主要方式。干法除尘可以补偿炼钢的部分或者全部的能耗，也是一些钢铁厂实现无能耗炼钢的方法 [9-12]。 1.2.2 转炉煤气干法除尘工艺流程
转炉煤气干法除尘系统的工艺流程图如图1-2所示。首先，从转炉出来的高温烟气，平均温度约1550℃，在风机的抽引作用下进入烟气冷却系统(内含活动烟罩、热回收装置以及汽化冷却烟道)，转炉煤气的温度降到大约800～1200℃；接着进入有若干双介质雾化冷却喷嘴的蒸发冷却器，通过喷嘴喷入雾化液滴来对转炉煤气进行降温（使烟气温度降低到150～200℃）、调质（改变转炉煤气的比电阻）、粗除尘（使大约占总灰尘的40%的粗粉尘沉降）。在蒸发冷却器底部被捕集的粗颗粒粉尘将通过连接在其底部的链式输送机运送到粗灰料仓进行处理。经过冷却和初步除尘的转炉煤气再进入圆筒形静电除尘器，经过静电除尘器精除尘的烟气的灰尘含量将降低到10mg/m3以下。在静电除尘器中被捕集的细灰经过扇形刮板器、底部链式输送机和细灰输送装置送入细烟尘仓。在经过上面的工序后产生的合格烟气最后经过煤气冷却器把温度降低到70～80℃后，再进入煤气柜，通过火炬装置把氧含量大于2%的煤气进行放散，剩下的是可以供用户使用的煤气。这套干法除尘系统采用的是自动控制，并结合了转炉的控制 [13-20]。
图1-2 干法除尘系统的工艺流程
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1.2.3 转炉煤气干法除尘的国内外应用情况
基于转炉煤气干法除尘的优点，该技术在奥地利、德国、法国、韩国、澳大利亚、卢森堡等国得到了推广，同时，美国、英国、日本也开始采用该技术，转炉煤气干法除尘技术在以上国家中达到了四十套以上的应用。
而我国自1994年宝钢引进干法除尘技术开始，就将转炉煤气干法除尘技术作为“十五”计划中的用来推广的重点技术项目。在1997年，宝钢再次引进了两套250t转炉煤气干法除尘系统。随后，西安重型机械研究所对这两套系统进行跟踪调查和研究，并在2001年10月对它进行了国内第一次对该技术的深入研究和改造。在此之后，2003年山东莱钢与德国鲁奇及国内研究过该项技术的西安重型机械研究所一起合作，完成了三套120t转炉煤气干法除尘系统建成工作，并分别在2004年到2005年投入使用[3]。
1.3 本文研究内容
转炉煤气干法除尘设备中的关键设备之一是蒸发冷却器，它在整个干法除尘系统中的作用是调质和降温。转炉煤气经过蒸发冷却器后，一方面使温度降到了200℃，另一方面使烟气中40%的粗灰从转炉煤气中分离出去。为下一步烟气进入静电除尘器除尘做好准备。蒸发冷却器的构成包括筒体，温度调节系统，喷嘴系统和粗粉扑集系统。
在蒸发冷却器中，目前，在国内可以生产筒体，但是关键设备室双流喷嘴，现在还未能实现双流喷嘴的国产化。双流喷嘴是德国鲁奇公司的专利，计算参数都是由该公司提供，双流喷嘴在蒸发冷却器中圆周布置，根据需要冷却的烟气量进行计算得出所需要的喷嘴个数。双流喷嘴在蒸发冷却器的喉部圆周排列，如1-3所示。在蒸发冷却器的喉部圆周排列的双流喷嘴一路通入水，另一路通入来自钢厂蒸汽管网的水蒸汽，如图1-4所示，喷嘴的介质来源有两个，分别由不同的通道进入喷嘴，在喷嘴出口变成水喷雾并对高温烟气进行冷却，同时水变成了水蒸气。并可以依靠气流的减速和水滴对烟气灰尘的润湿作用，是灰尘从烟气中分离并沉降到蒸发冷却器底部。蒸发冷却器对烟气有调节改善的功能，降低烟气的温度，同时也提高了烟气的露点，并改变了粉尘的比电阻。在下一个工序的静电除尘器中使粉尘能更好地被吸附和捕捉[13]。
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双流喷嘴
图1-3蒸发冷凝器的双流喷嘴
图1-4蒸发冷却器实物外形图
在蒸发冷却其中的喷嘴的喷水量根据气流到达蒸发冷却器出口的温度和喷入的水在蒸发冷却器出口全部蒸发完毕的原则设计和控制，这个计算公式有德国鲁奇公司提供。测量的参数包括烟气温度与流量，通过烟气进口和出口的温度以及烟气流量的测试，可以计算出烟气所携带的热量和冷却烟气所需的喷水量。冷却水的水质要求是干净无颗粒的净化水，在冷却水的入口装有冷却水过滤器。喷嘴将冷却水呈雾状均匀喷出，喷出的水滴直径要求在0～350μm,喷出水滴直径的大小决定冷却效果和所需的喷水量[15]。
当前，由于蒸发冷却器中的物理过程是一个涉及相变传热的气、液、固多相复杂流动过程，目前蒸发冷却器设计基本上是引进国外技术，国内的设计则只能依靠有限
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的经验，如果不经过模拟计算和试验验证，很难保证所设计的设备性能达到使用要求。所以，本论文受中冶南方工程技术有限公司所托，对蒸发冷却器中的双流喷嘴进行试验研究。
蒸发冷却器中喷嘴主要作用是将一定量的水直接喷射到待冷却的烟气中，高温的转炉煤气的热量通过水雾的蒸发作用而被吸收，为了使烟气冷却到我们需要的温度，需要足够的蒸发量。而在热交换中所需要的蒸发量和冷却时间的影响因素有蒸发液滴的表面积，经过双流喷嘴的水滴雾化的粒径越细，冷却也越快。使雾化的液滴在和高温烟气接触的很短时间(3～5S)内，吸收烟气显热后，全部汽化，并被烟气再加热而形成一种不饱和的过热蒸汽，一般其相对湿度为10％～20％左右，不出现任何机械水。因此，只有全面掌握蒸发冷却器喷嘴的性能，才能使系统得以更好运行[19-20]。
本文拟采用国内生产的双流喷嘴进行试验研究，测量双流喷嘴的雾化性能和雾化均匀性，以期对实际的干法除尘喷淋系统的蒸发冷却器的研究提供一些帮助。本论文的主要内容包括：实验原理，包括雾化的概念、喷嘴的性能、双流喷嘴的实验系统和单个喷嘴的实验，多个喷嘴的实验。
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2 雾化机理和研究进展
2.1 雾化机理
喷雾的应用范围很广泛，大大小小的行业都有应用。工业上，炼钢厂的高温有喷雾的冷却，还有锅炉中用喷雾来使燃油细化便于燃烧等；制造业中，发动机的燃油也有喷雾的应用；农业上，农民在农害发生时的打药筒也是喷雾装置；医学治疗中，喷雾治疗也是一个近年研究的热门，应用在不同的疾病上；建筑建造时，喷水细雾应用于消防方面；生活中，喷雾还是净化空气和保持空气湿度的一种手段，美容院还用喷雾作用给顾客美容。现在，喷雾的机理和应用被越来越多的学者进行了越来越深入的研究，人们也开拓了越来越广泛的应用范围。液体雾化的过程是大容积液体在外界环境中变成液雾或者其他小雾滴的物理过程。通过液体本身的动能、气体环境中的高速气流或者旋转、振动等外部机械设备作用下，通过将液体破碎成雾滴、射流或者液膜来实现雾化。液体的比表面积在雾化后增大了很多，从而大大增加了传热和传质能力。
喷雾产生的方式多种多样，不论通过何种方式，有以下两点是雾化过程的通用的： （1）圆射流或液膜射流喷射表面波的发展和气体的扰动作用，涉及到的理论有喷射表面波的形成与发展理论、空气动力学。
（2）喷嘴的几何形状、喷射压力和环境气体背压的差值、内部的流动特性、气体介质和液体介质的物理性能，这些共同作用，相互影响着雾化的锥角、贯穿距、液滴尺寸、液滴速度等。
喷雾机理的研究一直是喷雾学的难点之一，现在对此还未能完善。在过去的20年中，喷雾科学和技术有了一定的发展，应用也越来越广泛。其发展主要有数学模型的进展，数值计算分析的进展和光学测试技术的不断进步。
雾化可以认为是在内外力的作用下，液体破裂的过程。一方面液滴的表面张力将促使液滴成为球形（球形的表面能最小），液体的粘性也会牵扯液滴的几何形状的变化，使得液体能保持球形的形状。另一方面，湍流的径向速度分量和作用于液体表面
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的空气动力会促使液滴破碎。当外部作用力超过了表面张力，破裂就会发生。如果喷射的压力没有足够高，连续的圆射流或者是液膜射流的初级碎裂就会形成液片，液线和大颗粒的液滴，这个过程是很不稳定的。只有当更进一步的破裂发生，才会形成大量的细小液滴。这种情况发生时，雾化的形成的最终液滴尺寸将受到初级雾化形成的大颗粒液滴尺寸和二级雾化的碎裂的影响[21]。
在喷嘴的喷雾过程中，液体的物理性质如液体的密度、粘度和表面张力极大地影响着喷嘴的流动特性和雾化特性。无论是何种形式的雾化，表面张力都是雾化过程中十分重要的物理性质。较早研究液体的物理性质对雾化特性影响的是Christensen[22]和Tate[23]等人。 2.1.1 雾化机理学说
目前比较常见的雾化机理学说分为下表2-1中的五大类：
表2-1 雾化机理学说
最早由Castleman提出，射流与周围气体之间的气动干扰令射
空气扰动干扰说
流表面产生不稳定波动。当速度增大时，不稳定波所作用的表面长度缩短到微米量级，此时射流成雾状
空气扰动说 边界条件突变说 湍流扰动说 压力震荡说
喷油系统内穴蚀现象所产生的大振幅压力扰动是产生雾化的原因
喷嘴出口处，层流射流突然失去喷嘴壁面约束，或液体的边界条件发生突变，导致截面内速度分布急剧改变从而雾化 射流雾化过程发生在喷嘴内部，并且流体的湍流度也起着重大作用。
液体供给系统压力震荡对雾化有一定影响
以上五种学说有些是相互矛盾的，并且不能通用来解释实际问题，只能对实验中某一现象适用，不能形成统一的理论和方法来应用于实验现象。目前比较推崇的是空气扰动干扰说。Bracco F V[24]等学者支持该学说作为喷嘴雾化的基本原因。
国外的一些研究人员在19世纪就开始对液体雾化进行了研究，并提出了以上一些理论，液体雾化过程基本相同，总结出来分为雾滴破碎、射流破碎和液膜破碎这三种类型，下面将要对这三种理论进行阐述。
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2.1.2 雾滴破碎理论
Lenard[25]和Hochschwender[26]最先研究了空气中大颗粒的自由落体液滴位于稳定气流中的破碎机理。在这之后，科学工作者们更加深入的研究了雾滴破碎理论，从实验和理论上进行研究。随着高速摄影技术的长足发展，科学家们在实验中通过摄像观察发现，雾滴的破碎可以分为两个基本过程，变形和破碎。在气动力作用下，雾滴的变形方式有很多形式，Hinze[27]给出三种最基本的变形方式，如图2-1所示。
图2-1破碎的三种最基本形式
a. 双凸透镜变形（又称椭球形变形）：当液滴受到平行或者旋转气流和粘性切应力作用时，被压成椭球形，随后变形由内力的大小决定;
b. 雪茄状变形:当液滴受到双曲气流的作用时，被拉成长圆柱或扁带状，此时的变形称为雪茄变形，雾滴先被拉成柱状射流，然后再破碎成小雾滴;
c. 凸起状变形：液滴受到不规则流动的气流作用，雾滴表而先形成局部凸起，凸起部分脱离原雾滴形成小雾滴，此时称为凸起变形。
以上三种变形中第一种双凸透镜变形最为常见。
气液两相的物理性质，即密度、粘度、表面张力和雾滴周围的气体流动状态决定雾化液滴以何种方式变形和破裂[21]。
在喷雾学中常用的参数之一韦伯数We（Weber number）[28]，它是与空气动力和表面张力的比值有关。位于稳定气流中的液滴受空气动力和表面张力及空气粘性力的影响。具体的表达式如下：
2
ρgudD
(2-1) We=σ10
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式中，ρg——气体密度（kg/m3）；
； ud——气液体的流速差（m/s）D——液滴直径；
σ——为液滴的表面张力。
受空气动力与表面张力的共同作用，液滴的破碎条件是：
CDσ2
= （2-2） ρgud
8D
其中，CD是取决于碎裂条件的常数。
当液滴破碎时，图2-2是球形液滴的破碎过程，受到气体压力的作用，液滴被周围的空气压扁，先变成杯形，接着变成半水泡形知道水泡破裂成为各种尺寸的小液滴。
图2-2球形液滴的破裂过程
2.1.3 射流破碎理论
对于射流破碎，如2-2表中的以下学者对此做出了突出贡献。
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表2-2 国内外研究射流破碎的情况
Rayleigh[29] Weber[28]
Sleicher[30]和Sterling[31]
圆射流的不稳定分析及低速非粘性圆射流的破碎机理 低速粘性和非粘性圆射流受气液交界面空气动力作用而形成的不稳定模型
空气动力对位于运动气流中圆射流的影响
Rayleigh[29]首先提出了圆射流的不稳定分析，并研究了低速非粘性圆射流的破碎机理。他的主要结论包括：圆射流要受到周围气体的扰动。并提出了扰动的能量公式：
ES=
πσ2d
2
(k2+n2−1)bn
（2-3）
式中：ES为表面势能；
d为圆射流直径；
bn为傅里叶展开级数的常数；
k=2π/λ为量纲一的表面波数； n=0,1,2,3,4,5。
上述公式中，对称扰动是n=0，且λ＞2π时，Es为负，表示系统不稳定。而当是非对称扰动时，n >>1，Es为正，表示系统趋于稳定。圆射流的表面波模式的图像如图2-3
图2-3 a)对称波形；b)非对称波形
Rayleigh提出最大表面波的增长率和与其对应的波长的公式。并得出了破碎发生时的扰动波长存在一个临界值，当扰动波长大于液柱周长时，会使扰动加剧，此时液
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柱处于不稳定状态;在扰动波长λ=4.51d0(d0为液柱直径)时，扰动增长速度最快，此时破碎后的雾滴直径d=1.89d0。其后，Tyler[32]在Rayleigh的研究基础上提出了新的公式d=1.92d0。
Rayleigh得到的结论与后人的理论研究及实验基本相符。但是他的结论主要针对的是理想的非粘性液体在低速射流破碎的过程，并且是在假设抵抗射流破碎唯一的力就是表面张力，所以根据他的理论预测出的雾滴直径比现在常用的直射式喷嘴的实际雾化结果偏大。但是由于他研究的成果为后人的研究奠定了基础，并在后人的研究中作为一般性的结论而被学者们广为引用[33]。 2.1.4 液膜破碎理论
从喷嘴喷出的液膜在后期的发展受到气液体的物理性质、液体流动特性和周围的流动条件等的影响。液膜射流在外界环境的扰动下会在液膜的表面形成振动波幅，随着波幅的增大会在射流的顶部碎裂成线、带或者环。这个过程就是液膜碎裂的初级雾化过程。随后，线，带或者环会更进一步地碎裂成更加细小的液滴，进行二次雾化。国内外对该理论研究的如表2-3
表2-3国内外对液膜破碎理论的研究情况
Hagerty和Shea[34],Squire[35]
Lefebvre[36]、Lin[37]、Mansour[38] Hashimoto[39]、杜青[40]、曹建明[21] Li[41]
、
介于不可压缩的稳定气体介质的非粘性液膜射流的不稳定性 实验和理论研究
考虑了液体粘性的影响，并应用现象不稳定性理论分析液膜射流两侧不同气流速度下的破碎
2.2 喷嘴形式
喷嘴在对喷雾的整个过程起到一个十分重要的作用，不同形状的喷嘴和不同形式的喷嘴雾化方式对雾化效果的作用各异。
一个理想的喷嘴的要求除了成本低，质量小，易于制造和便于拆装和清洁，密封性能好，不易阻塞等一般工艺要求外，还需要能够在宽广的液体燃料流动速率范围内能提供良好的雾化效果和快速响应能力，要有很好的稳定性，要求消耗的动力驱动要小等条件[21]。
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2.2.1 各种形式喷嘴的优缺点
表2-4总结了不同形式喷嘴的优缺点。每种喷嘴都有最适合的工况，实际选用喷嘴时需要考虑到不同喷嘴的应用范围和其特点来选择。
表2-4各种形式喷嘴的优缺点
类型
喷嘴 平孔喷嘴 单路喷嘴 双路喷嘴 双口喷嘴 回流喷嘴 扇形喷嘴 转盘喷嘴
旋转喷嘴
转杯喷嘴 内部混合喷嘴 外部混合喷嘴
优点 简单，便宜
雾化角度宽，可达到180度；简
单，便宜
雾化角度宽，可达到180度；简
单，便宜；雾化质量高 喷雾锥角保持不变，雾化质量高结构简单，在整个流动区雾化质
量高 雾化质量高
转盘高速旋转产生360度雾化模
式，液滴均匀
转杯高速旋转产生360度雾化模
式，可雾化高粘度液体 雾化质量高，可雾化高粘度液体雾化质量高，可雾化高粘度液体，防止液体回流气路
雾化质量很高
在低喷射压力和小气液比下保
气泡喷嘴
证高的雾化质量，喷口不易结焦
阻塞，碳烟排放少
汽哨喷嘴 超声喷嘴
平流喷嘴
喷气喷嘴
预膜喷嘴
直接产生液滴雾化 电控雾化效果，液体流动速率低
时保证高的雾化质量 结构简单，雾化质量高 喷雾锥角宽，在高背压空气环境
下雾化质量高
液滴尺寸变化不大，不易于控
制
喷射速度高时雾化差
喷雾锥角小 喷射气流速度低时雾化差
需附加供气装置
缺点
喷射压力要求高，锥角小 喷射压力要求很高，锥角随压力和环境气体的密度变化 喷雾锥角随液体流动速率的增
大而减小
过渡区雾化较差，设计复杂 喷射压力要求很高，锥角随液
体流动速率变化 喷射压力要求高 雾化颗粒较大 雾化颗粒较大
会有液体回流气路发生；需要辅助仪表监测，需要高压空气需要高压空气，不能采用低的
空燃比 喷射速度高时雾化差
压力喷嘴
空气助力喷
嘴 静电喷嘴
喷嘴根据其喷嘴的特点有不同的应用场合，如压力喷嘴中的平孔喷嘴主要应用在柴油机，发动机上；而旋转喷嘴一般用在工厂的雾化干燥和农业灌溉上；空气助力喷嘴、喷气喷嘴、气泡喷嘴等用在工业锅炉和燃气轮机比较多；超声喷嘴和静电喷嘴也
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有其各自特殊的应用场合，其中的静电喷嘴主要用在喷墨绘画，打印机上，超声喷嘴还用制药上。
选择适合的喷嘴要根据各个喷嘴的不同特点，而本文研究的双流体喷嘴对高粘度和低粘度的介质的雾化都很好，并且能够通过调节气液比控制喷雾的效果，适用的范围很广。但是，他的缺点是：效率比较低而且雾化激励复杂，动力消耗大，雾谱宽[42]。 2.2.2 不同形式的双流喷嘴
一般常见的两流体的雾化喷嘴的雾化形式如下图，目前国内的喷嘴厂家还没有自己成熟的制造和设计喷嘴的技术，普遍停留在仿照其他国外厂家的基础上，如仿照Spray公司的双流喷嘴。
图2-4双流喷嘴的一般形式
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2.3 雾化质量评价标准
评价喷嘴雾化质量的好坏，有一些常用的评价标准，包括雾化锥角，雾化的颗粒直径，雾化的均匀性以及雾炬射程等。这些因素中对雾化性能影响最为显著的是喷嘴的雾化锥角和雾化颗粒的直径，所以把这两个因素作为评价喷嘴优劣的最为重要的质量指标。 2.3.1 雾化锥角
喷嘴喷雾形成的雾炬外形呈圆锥形，但是不是纯粹的圆锥。度量喷雾的雾化锥形的大小通常用雾化角的大小来表示。雾化角的定义是：假定从从喷嘴出口的雾炬外侧做出两条切线，则两条切线之间的夹角就是雾化角。喷雾离开喷嘴后，在环境中失去了喷嘴的原始动力，雾滴的动能开始减小，所以横向的扩散减弱，在本身重力的作用下，开始发生向内收缩的趋势。雾化角的示意图如下：
图2-5雾化角示意图
2.3.2 液滴尺寸分布
在实际的喷嘴雾化过程中，雾化颗粒的直径不是同样的大小，前人总结了不同的分布：包括正态分布，对数正态分布，最大熵分布等。在常用的描述雾化颗粒大小的方法中常用Sauter平均直径(SMD)的概念来说明。
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Sauter平均直径(SMD)，又称为比表面积平均直径，按照假设的液滴的平均直径等于实际的液滴群的总体积和总表面积之比来定义。公式为：
SMD=ds
∑Nd=
∑Nd
3ii
2ii
（2-4）
式中：Ni表示直径为di的液滴数，N0直径为dS的液滴数。
由公式可知，Sauter平均直径相当于雾炬中液滴的全部体积与全部表面积之比，SMD值越小，表明雾炬中液滴的平均直径越细。在研究燃烧和雾化特性中，应用最广、最具代表性的平均直径就是Sauter平均直径[43]。 2.3.3 测量方法
当前的测量方法有很多， Chigier[44]、Jones[45]、Ferrenberg[46]及Bachalo[47]等众多学者都对液滴尺寸的各种测量技术进行了论述。
表2-5 喷雾的各种测量方法
测量方法 机械测量方法 电子测量方法 光学测量方法
测量具体方法
液滴固化法：冷冻法、融蜡法；沉降法；压痕法
电极法，导线法，热线法
闪光摄像法，激光全息摄影法，高速摄影和高速摄像法，激光多普勒法，干
涉条纹光谱法，散射光强比法，多元散射光法，马尔文法
测量喷雾的以上各种方法中，它们是各有优缺点，在实验中采用何种测量方式取决于喷雾装置的用途，测量目的和实验预算等。机械测量方法简单，但是存在精度不高的状况，电子测量方法中，热线法测量准确而迅速，但是应用范围较小，不能测量直径小于5μm的液滴。光学测量方法的主要缺点是价格昂贵，在一般的小额计算中采用这种测量方法不是很经济。
2.4 当前研究喷嘴喷雾的主要方法
2.4.1 实验研究
目前实验研究的主体方向是利用多普勒分析仪，马尔文粒度仪等进行研究，国内的目前研究喷嘴雾化的代表有：西安交通大学化学工程学院的曾卓雄、姜培正等对新
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型的3种喷嘴（离心式、直射式、直射——旋流式）进行了研究，主要针对三种不同喷嘴的雾化粒径和性能进行了实验研究。研究方法是利用相位多普勒粒子分析仪（PDPA）测试[48]。西安交通大学的李广军、王新军等人利用了马尔文粒度分析仪对气液两相流雾化器喷嘴展开了以空气和水作为工质的雾化特性的实验研究。通过测量气液两相流在不同入口压力比下雾化粒子的粒径分布，得出不同气液两相压力和不同进气和进液方式对雾化的影响。在气相压力一定下，液相压力越大，雾化粒径越大，雾化角也变大，当液相压力增大到一定数值时，雾化粒子直径迅速增大，雾化效果变差等结论[49]。南京工业大学材料科学与工程学院的尤靖辉等人对内混式两相流喷嘴进行了实验研究，得到内混式两相流喷嘴内气液两相压力及流量的相互影响关系，也是针对单个喷嘴的实验研究[50]。山东科技大学矿山灾害预防控制教育部重点实验室的程卫民等人对喷嘴的喷雾压力与雾化粒度的关系进行了实验研究，研究方法是Winner313激光粒度分析仪针对常用喷嘴在不同压力的雾化粒度的测定来进行的[51]。西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室陈斌等采用马尔文粒度仪对单相和两相雾化器喷嘴的雾化特性进行了比较实验研究，测量了不同压力配比条件下液体雾化粒子的粒径分布[52]。江苏大学的王贞涛等个相位多普勒例子动态分析仪对4种不同喷孔直径的双流喷嘴进行了实验研究，得出了最佳压力与孔径的组合[42]。 2.4.2 数值模拟
目前，随着数值模拟软件的长足发展，在实验之前用数值模拟软件来模拟实际工况，得到的结论一方面可以和实际情况相互应正，另一方面可以提前预知实验的结果，如果实验时候，喷嘴需要改进，那么可以先通过数值模拟把各种工况模拟一遍，选择最优的方案，这样可以减少很多工作量和节约很大的成本。由于数值模拟软件的成本低，在做实验前先采用模拟然后用来指导实验是十分经济的。但是由于喷嘴的模拟现在的基本模型有限，如在fluent模拟软件中，有的喷嘴形式包括：平口喷嘴雾化模型，压力—旋流雾化模型，靶式雾化模型，气体辅助雾化模型，气泡雾化模型[53]。
上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室的金春玉，靳思宇等人研究了压力旋转喷嘴喷雾卷吸的数值分析，也是对单个喷嘴来研究的，同时，其也对空心圆锥雾化喷嘴进行了实验和数值研究，针对两个相同型号空心圆锥雾化喷嘴在相同的喷射
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压力条件下进行了液滴的二维速度与粒径的实验研究[54]。河北工业大学化工学院的宋立丽等人对喷动床中雾化喷嘴的流场进行了数值模拟。主要研究手段是利用Eulerian-Lagrangian双流体模型模拟气液两相流动，在欧拉坐标系求解了雷诺时均方程组模拟的连续相流场，并利用随机轨道模型获得了液滴的运动轨迹[55]。上海交通大学的李德睿等人对实心圆锥喷嘴喷雾单相区冷却性能进行模拟，分析了喷雾冷却单相区的换热性能[56]。
2.5 本章小结
在蒸发冷却器中的，实际影响雾化效果的因素有很多，如烟气进口位置，喷头形状的选择，蒸发冷却器的壳体形状，喷头的排列方式等。本文剔除其他影响因素，把双流喷嘴的雾化作为主要研究对象，创新的选择喷头的排列作为主要因素来研究其对雾化效果的影响，以期能对实现在转炉煤气净化中实现双流喷头的国产化做出一定的指导。
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3 单个喷嘴雾化实验研究
在转炉煤气干法除尘蒸发冷却器中，双流喷嘴中的工质是分别来自蒸汽管网的水蒸气和水，它们在双流喷嘴中的雾化过程涉及到气液两相的传热传质的复杂情况，水蒸气和水在双流喷嘴里混合碰撞并进行热质交换，形成细小水雾。因为本实验重点是研究两相流喷嘴的雾化效果，不考虑水蒸气和水的传热传质情况，所以利用空气代替水蒸气并加入自来水作为两相介质。
3.1 实验台架的搭建
实验台架分为三个系统，一个是水路系统，另外一个是气路系统，最后是测试系统（如图3-1）。水路系统从自来水管道接出，一般的市政水管的水压为0.3MPa左右，可以满足实验的要求。水路的测试分为流量和压力测试，然后到达水的分配器，再从分配器到达各个喷头的水路进口。气路系统由空气压缩机产生空气，经过空气流量计测定流量，压力表测定压力后到达空气分配器，然后均匀分配到各个喷头中的气体进口。喷雾的均匀性的测量是在喷嘴下方一定距离处排列试管，由试管的高度测定。主要实验设备及测试仪器有：（1）空气压缩机，型号V-1.051/25，产气能力63m3/h，转速780rpm，轴功率7.5kw；（2）空气流量计，型号LZB-40玻璃转子流量计，规格公称直径为40mm，测量范围6-60Nm3/h；（3）水流量计，型号LZB-25玻璃转子流量计，（4）水路压力表，量程：0.1～0.25Mpa；规格公称直径为25mm，测量范围40-600Nm3/h；（5）气路压力表，量程：0.1～1Mpa;（6）试管，20mmx200mm；（7）喷嘴，选用深圳安盈达科技有限公司生产的，工作条件是可产生200μm的雾化颗粒，工作压力为0.3MPa的双流喷嘴；（8）相机，1210万像素的佳能ixus105数码照相机；（9）直尺，长度为300mm，精度为1mm。实验装置实物见图3-2。
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图3-1 实验系统流程图
图3-2 实验装置实物图
从图3-2中可以看出，实验安装时，把两个分配器安装在喷嘴上方的中心位置，这是考虑到了流体要均匀分到各个喷嘴中，要保证分配的均匀性。
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3.2 实验装置
3.2.1 喷嘴分布板的设计
喷嘴分布板是固定喷嘴位置的板子，本实验分为不同半径的不同排列，共有4组，分别为300cm、200cm的六个喷嘴的排列两组和半径300cm、200cm的四个喷嘴的排列两组。喷嘴放入如图3-3所示的空洞里，再用夹子固定在分布板上。
图3-3喷嘴分布板
夹子共有12个，每个喷嘴由两个夹子固定。尺寸为下图所示，可以把喷嘴固定在板子上。
图3-4夹子加工图
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3.2.2 试管布板
试管布板在离喷嘴布板500mm的高度上。试管布板上开有100个试管孔，直径为22cm，内放试管直径为20cm。其最外一排的各试管孔的中心线与喷嘴分布板的中心线重合。所以试管刚好布置在喷嘴分布板上的四分之一处，由于喷嘴的分布具有对称性，在喷嘴都是相同的情况下，只用测量四分之一的喷雾面积就可以观测出整个的雾化分布情况。
图3-5 试管布管图
图3-6试管布置立体图
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3.2.3 分配器
由于实验最多采用了六个喷嘴，所以设计了两个六个出口的分配器。从水管来的水和从空压机来的空气都先进入分配器中，然后均匀的分配到各个喷头里。分配器的外形图如下。分配器出口接有压力表，用来测量经过分配器的空气和水的压力。分配器六个出口与气动喷头螺纹连接。当实验只用四个喷头时，可以把两个喷头用管子对接。
图3-7 分配器
3.2.4 喷嘴
喷嘴采用是双流喷嘴，深圳安盈达公司生产的，压力在0.3MPa，雾化粒径能达到200μm，其外形如图3-8，喷嘴一路通空气，一路通水，并且可以通过旋转喷嘴头部的顶针来调节流量。
图3-8喷嘴外形图
3.2.5 相机
1210万像素的佳能ixus105数码照相机，光学变焦4倍，数码变焦4倍，近拍距
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离50mm，对焦范围：广角为50mm—无穷远，长焦500mm—无穷远。
3.3 实验内容和测量方法
3.3.1 测量方法
通过第二章的介绍，可以知道喷雾的锥角、喷雾的雾化粒径、喷雾的形状和贯穿距离都是雾化特性，关系着雾化质量的好坏。在大多数实际应用中，都要求喷雾液束具有对称性。这是因为喷雾的非对称性会削弱雾化液滴的破裂效率，从而影响了雾化质量。在转炉干法除尘的蒸发冷凝器中，喷雾必须均匀分布于整个冷凝器空间，以便和转炉烟气充分换热，提高冷凝效果和降低转炉煤气中的粉尘浓度。使得整个流场温度和速度场均匀。所以要求液束形状是均匀的。液滴喷出后，空气和水都在液束内，锥角大的液束能与环境气体结合的更加迅速，混合的更加充分。喷雾的贯穿距离可以定义为液束能够到达的最大距离。它由两个相互作用的差值决定：一是液体射流的初始动力，另一个是环境气体的空气动力阻力。射流的初始速度很高，但随着喷雾过程的进展，以及雾化液滴数目的增多和总表面积的增大，由于液滴与环境气体的摩擦，液滴动能逐渐减弱。当最终耗尽了液滴的动能时，液滴就会随着环境气体的运动而运动，或者受重力作用而下落。喷射压力越大，环境气体阻力越小，喷雾锥角越小，贯穿距离就越大[21]。
如果不采用激光粒度仪、高速摄像仪、马尔文粒度仪等昂贵的测量设备，在实验中经常选用价格低廉的数码相机来作为雾化的测量工具。随着数码技术的发展和进步，像素越来越高，它具有拍摄便捷、可靠性高，易于对拍摄位置和参数进行调整，图像清晰，试验成本低的优点，拍摄到的图片可以通过数据线连入电脑，由计算机读取照片，拍摄的图片格式规范，便于图片色差等的调整和数据处理。缺点是只能拍摄整个喷雾场的图像，无法得到某一层面的粒子情况，因此信息量受限。本实验成像采用1210万像素的佳能ixus105数码照相机，可以通过调整照相机设置获得所需要的图像。拍摄时采用特写近拍模式，使用外置闪光灯，以获得最佳的照片质量。根据前人经验，拍照后将雾化锥角侧面照片放大三倍，这样的测量结果才较为准确。
对于液滴的粒径的测量，如果不采用激光粒度仪等较昂贵的设备，目前一些小型
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实验通用的方法有膜片采集法，首先制备若干尺寸相同的玻璃片炭层，方法是点燃浸满煤油的棉花，使得玻璃片附有一层炭黑，然后点燃镁条，使得炭层上附着氧化镁。这样当液滴落在玻璃板上时，会留下液滴的印记，通过图像处理软件处理可以得到液滴的粒径。类似的方法还有融蜡法，把石蜡作为喷嘴的介质，在融化状态下通过喷嘴喷出，通过在其下方放置水槽，测量水槽中冷却后的石蜡的颗粒大小即可得出粒径大小。本论文研究的目的主要是雾化均匀性，不考虑液滴颗粒大小，所以不用测量粒径。
双流喷嘴布置采用气路在内，水路在外，这是为了保证相同介质的流入都是在同一个半径上，并且在实验过程中，从分配器出来的气路管子采用白色，水路管子采用红色以示区分，分配时考虑各个管子的长度，这是因为管子的长度会影响沿程阻力。
根据流体力学里的知识，沿程阻力损失是流体在运动中克服粘性切应力而引起的水头损失，流体在运动时，如果粘性应力是常数，则流程越长，耗散的机械能就越多，水头损失就越大，沿程阻力损失因此而得名。沿程损失用hf表示，理论分析和实验都表明，hf与流程l成正比，对于管道流动，还与管径成反比，即达西公式，其中，λ成为沿程阻力损失系数[57]。
hf=λιV2
d2g
（4-1）
从达西公式中可以看出，沿程阻力与管道长度成正比，也就是当管道越长时，流体的沿程阻力越大，所以在实验过程中有必要把管子的长度尽量保持一样。这样做能够保证实验的各个喷嘴的阻力尽可能一致，喷嘴的流量也会尽可能一致。在后续多个喷嘴的试验中才能使每个喷嘴的雾化形状一致。从而喷雾的均匀性越好。
在分配器中，空气和水都是从分配器的中间进入分配器的，此时，从管道到分配器造成了截面积突变，流线发生变形，会出现漩涡，耗散一部分机械能。这部分是局部阻力损失，分析分配器到各个喷嘴的局部阻力，可能造成的情况是越靠近中间的部分局部阻力损失越大，在中间更容易形成漩涡。 3.3.2 本章实验内容
本章实验从以下一个方面进行：
（1）单个喷嘴校核试验，首先对单个喷嘴进行重复性实验验证，每组测量三次，
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如果每次测量结果相近，可以认为实验具有可重复性。
（2）对不同的喷嘴进行一致性验证。如果其中任选两个喷嘴，都能够有相同的雾化特性，我们可以认为所选用的喷嘴具有一致性。
（3）分析单个喷嘴的雾化特性，包括雾化角和雾化分布，对喷嘴喷雾进行照相，通过照片来分析雾化角度的大小。
（4）分析水压和水流量的关系以及空气压力和流量的关系，根据实验测量的数据进行曲线拟合。当气压一定的情况下，分析水压和水流量的关系，当水压一定的情况下，分析气压和流量的关系。
其中，前两条是要验证国产喷嘴的性能，只有保证每个喷嘴具有可重复性和一致性，才能进行后续的多喷嘴雾化实验的研究。验证喷嘴的可重复性及一致性是保证整个实验正确性的基础。
以上实验过程中都要把实验台架封闭，这是主要考虑到雾化颗粒较小，雾化受到自然环境中空气流动的影响会发生漂移，雾化的水滴将在风速的影响下发生迁移，造成实验后试管高度结果与实际情况的偏差。
3.4 本章实验结果
3.4.1 单个喷嘴校核试验
单个喷嘴的雾化实验每组做三次，选用相同的水压力和流量，以及空气压力和流量，实验时封闭实验台，实验结束后对试管高度进行测量，雾化效果在试管布置在同样的高度进行的，以此来确定实验是否具有可重复性。对六个喷嘴进行了测量，并验证了喷嘴雾化效果的一致性。实验测量结果偏差在5%以内，符合工程实际，表明六个喷头的一致性和可互换性。以下数据图都是喷雾在一定时间内同一水平高度测量喷雾在试管收集的高度绘制而成的。
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180160140120Z Axis100806040200143465256
1X AxisY Axis23图3-9单个喷嘴水压力0.08MPa，流量50L/h;空气压力0.2MPa，流量18Nm3
200180160140120Z Axis10080604020014342256
1
56
X Axis
图3-10 单个喷嘴水压力0.035MPa，流量40L/h;空气压力0.2MPa，流量18Nm3
从上图可以看出喷嘴喷出的是一个实心锥，并且喷嘴的雾化角度不是很大，通过照相机拍照并经过处理可知雾化角度大概在18度左右，并且随着气体的压力升高，角度会有明显变化，增大的效果很明显。图3-9和3-10中我们可以看出在离开中心喷嘴处的液体收集量很少，在三维图中的高度几乎是平的，这是因为在雾化角之外的喷雾一个方面是由于雾化角度外的喷雾少，另一方面是由于雾化粒径小，雾化颗粒少，受空气流动影响大，相互撞击的颗粒少，散的比较开，所以收集困难。从上面两幅图中可以看出当水的流量减少时，雾化均匀性好一些，喷雾的范围大一些，靠近中间的雾化的高度比图3-9的高。从上面两幅图中可以得出当水侧压力升高的时候，水侧流量也是增加的。在测量中可以发现雾化有一定的偏移，造成这种现象产生的原因是国
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Y Axis3华中科技大学硕士学位论文
产喷嘴存在一定的缺陷以及实验时受到风速的影响。 3.4.2 流体压力和流量的标定曲线
通过测量气体或液体的压力与其流量，对压力和流量的关系进行标定。得到了流体压力和流量的相互影响曲线图。
固定气体压力和流量，改变不同的水压力和流量，对水压力和流量进行标定。数据分别如下：选用空气压力0.38MPa，0.28MPa，0.2MPa三种空气压力情况，水压力和流量分别改变五次以上并进行数据标定。实验后的水压力和流量的标定曲线如图，以下三幅图中均注明了在何种空气压力和流量的情况，图中的横坐标是水的压力，单位是MPa，纵坐标是水的流量，单位是L/h。
在图3-11到3-13中可以看出：在空气压力和流量一定的情况下，随着水的压力升高，水的流量也是增大的，基本上是线性关系。在实验过程中，通过感官可以得到在气体压力和流量不变的情况下，水的流量增大时，喷雾的颗粒粒度会变大，这说明单位时间内水的喷射量增大时，双流喷嘴的雾化质量变差。
air p=0.38MPa;Q=27Nm3/h200180160Q(L/h)1401201000.0250.0300.0350.0400.0450.0500.0550.0600.0650.070P(MPa)
图3-11 在空气压力0.38MPa，流量27Nm3/h时，水压力和流量的关系曲线
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AirP=0.28MPa;Q=24.5Nm3/h260240220200Q(L/h)180160140120100800.010.020.030.040.050.060.070.080.09P(MPa)
图3-12 在空气压力0.28MPa，流量24.5Nm3/h时，水压力和流量的关系曲线
AirP=0.2MPaQ=21Nm3/h260240220200180Q(L/h)160140120100800.000.010.020.030.040.050.060.070.08P(MPa)
图3-13 在空气压力0.2MPa，流量21Nm3/h时，水压力和流量的关系曲线
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56545250flux(L/h)4846444240380.060.070.080.090.100.11pressure of water
图3-14 空气压力和空气流量的关系图
图3-14是固定水压和流量测试空气压力和流量做出曲线，空气压力和流量近似的是正比关系。
通过以上四幅图可以得到的结论是：双流喷嘴中，当空气（水）的变化时，空气（水）的流量近似成正比的变化。
Pl=0.19290888684Ql82807876740.100.150.200.250.300.350.40Pg
图3-15 空气压力和空气流量的关系图
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图3-15是在水压力为0.1MPa时，变换不同的空气压力测得空气压力和空气流量的关系，可以看出随着空气压力的升高，水流量会变小。这是因为双流体喷嘴内部是互相连通的，相互有影响，在实验过程中会出现当把空气压力增大到一定程度时水路就没有流量了的现象。 3.4.3 不同压力比下的雾化效果
随后做三组不同压力比的情况下的喷嘴雾化结果，主要研究压力比对雾化效果的影响。具体情况如下图3-16~18。
height65234X Axis456
12Y Axis31图3-16 压力比7：1的情况
height65234X Axis456
12Y Axis31图3-17压力比为6：1的情况
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height6523014X Axis456
12Y Axis3
图3-18 压力4:1的情况
以上三组数据的测量都是在同样的空气压力条件下（0.4MPa），同一个测量高度下得到的。可以看出压力比增大时雾化锥角有所增大，并且试管高度峰值的周边的试管高度有明显升高。
在双流喷嘴中雾化液体的外部作用力和自身的惯性力的力平衡主要受到气液两相的压力、流量等的影响。在液体初次雾化破裂时，气体和液体之间较高的相对运动中气体的动能转变成对液体的扰动动能，能抗衡液体的表面张力，使得射流失稳并破裂。空气的压力对雾化效果的影响起到积极的作用，在实验过程中，当气体压力不变的情况下，液体流量的增大会阻碍雾化作用，使得雾化颗粒明显增大[58-59]。
在实验过程中，随着气液压力比的增大，雾化粒径越来越小，肉眼可以观察出雾化粒径的明显变化，气液压力比大时，雾化效果好，呈现白雾状，当气液压力比小的情况下，把手伸入喷嘴下方可以感觉到喷出的水的打击效果变大，有较为明显的疼痛感。当气压达到一定以后，气压增大对雾化效果的影响变缓。
对于在增大气液两相比时开始能够使雾化均匀性增大，同时通过观察可以发现雾化效果变好的现象进行分析，这是因为：雾化的过程是一个能量转化的过程，双流喷嘴的雾化动力主要来源是气流对液体的剪切作用，随着空气压力的增大，空气的速度也随着增大。与此同时，气流的动量也增大，转化为液滴雾化的能量也就越多，有利于形成小液滴。空气的动力主要是克服液滴的表面张力和黏性力。当液滴再次破碎，
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雾化粒径继续减小，雾化的表面积与雾化粒径的平方成正比，液滴表面粘性力的增长成几何级数的变化，再通过增大空气压力来提高雾化效果就不明显了[59]。在实验过程中，气液两相各自的压力存在一定的波动，这会造成数据的一定波动。空气压力越大，SMD越小，喷嘴的雾化效果越好，这是由于空气压力增大后，气液相对速度增大，因此气动力相应增大，使液滴更容易破裂。
3.5 本章小结
本章节首先过对单喷嘴的可重复性进行了校核实验；同时对距离喷嘴一定高度的试管高度分布的测量，研究其雾化分布和雾化锥角；并对单个喷嘴在不同压力比的情况下的雾化均匀性进行了测量和对比；还进行了压力和流量的标定。通过实验结果分析，可以得到以下结论：
1）、提高空气压力可以改善雾化粒径和雾化锥角
2）、双流喷嘴中气（液）压力越高，流量越大的趋势；但是气液两相相互影响，使得压力和流量并不完全是正比关系，空气压力和流量关系曲线存在拐点。
3）、实验过程中空气扰动误差，风速越大，雾化颗粒漂移越厉害，影响雾化锥角的对称性。
4)、在水路压力一定的情况下，气压增大，水流量减小 5)、国内喷嘴制造:盲目地引用与仿制；仿制质量不高；缺乏创新
本章的创新点是采用冷态实验研究双流喷嘴的雾化特性，从研究单个喷嘴的雾化性能开始，从喷雾的形状和雾化锥角和雾化曲线来研究喷嘴性能，目前，国内对双流喷嘴的研究还是很少的。
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4 多喷嘴的雾化实验研究
本章实验研究对多喷嘴不同分布进行雾化均匀性的测量，通过测量在喷嘴下方试管的高度，并在一定时间内进行归一化处理，即把测量的试管的高度都除以测量的时间，把时间单位统一成一个值，来看雾化分布情况。这样可以同一个平台上进行比对，分析多喷嘴相互影响的关系。在每次分析时需要采用相同的实验条件进行比对。
4.1 不同工况下的六喷嘴雾化分布
在空气压力和流量不同的三种情况中，选用不同的水压力和流量进行实验并标定试管高度，然后处理成三维图可得到以下六幅图。
Z Axis10846648210X AxY Axis2图4-1水压力0.01MPa，流量100L/h;空气压力0.2MPa，流量18Nm3
is
Z Axis1084664810
2图4-2水压力0.02MPa，流量160L/h;空气压力0.2MPa，流量18Nm3
35
X AxisY Axis2
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以上两张图中，空气的压力和流量都是一致的，仅仅变化了水的流量和压力。当水的压力不同时，雾化的液滴如左图所示，图中右边是第二个峰值，其旁边出现了一个小高峰；在右图中图形的趋势和左图一样，最高峰都是出现在左边，不同的地方是在水流量增大的情况下，左边的喷嘴下方出现了拐点，有一个次高峰。
Z Axis10846648102X AxisY Axis2
图4-3水流量0.01MPa，流量100L/h;空气压力0.3MPa，流量21.5Nm3
Z Axis10846648102X AxisY Axis2
图4-4水流量0.02MPa，流量160L/h;空气压力0.3MPa，流量21.5Nm3
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Z Axis10846648102X AxisY Axis2
图4-5水流量0.01MPa，流量100L/h;空气压力0.4MPa，流量24Nm3
Z Axis108466X Axis810
2Y Ax4is2
图4-6水流量0.02MPa，流量160L/h;空气压力0.4MPa，流量24Nm3
图4-7雾化粒度较细时的照片
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图4-8雾化粒径较大时的照片
从上面六幅图可以看出，当空气压力增大时，对雾化效果有正面的影响。并且在空气参数一致的情况下，流量小的时候雾化颗粒较细。如图7到8。.
4.2 对喷嘴的改进
拍照后在计算机上打开并进行数据处理，测量照片上的雾化角度，只有18度。由于雾化锥角很小，在规定的喷射距离内无法重合，不利于喷嘴雾化的交叠，影响多喷嘴的雾化效果，所以有必要增大雾化角，所以要对现有的喷嘴进行改进。实验方案是加入旋流叶片。具体的加工图如图4-1：
图4-9旋流叶片图
喷嘴的雾化锥角角度越大，雾化时的喷嘴相互影响的范围越大，更有利于观察多喷嘴雾化后相互影响，喷雾相互交叠，碰撞，混合的效果。所以通过加入旋流叶片，
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空气进入喷嘴内部后，通过切向的几个流道旋流后，可以产生旋流效果，把水旋流后再从喷嘴喷出，经过实验验证，雾化的角度有明显的增大。
图4-10加入旋流叶片的对比图
上图中左边是未加入旋流片的，右边是加入旋流片的，可以看出加入后的雾化角度有明显的增大。并且加入旋流叶片的喷嘴的雾化效果更好，雾化颗粒更细。
加入旋流叶片后在相同的工况和时间下对同一个喷嘴进行测量试管高度，并进行图像处理后。从图4-3和4-4中可以看出未加入旋流叶片的喷嘴在一定时间内测量的试管高度分布范围小，加入旋流叶片后明显改善了雾化效果，喷嘴雾化范围更大，试管高度分布更均匀。
height6523014X Axis456
12Y Axis3
图4-11 未入旋流叶片前的试管高度分布三维图
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height65234X Axis456
12Y Axis31
图4-12 加入旋流叶片后的试管高度分布三维图
由于改进后的喷嘴雾化效果更好，雾化角度变大，雾化颗粒在同等实验条件下更细，所以我们采用加入旋流叶片的喷嘴进行多个喷嘴分布的实验。在同等实验条件下，加入旋流叶片的喷嘴将能获得更好的实验效果。
改进后的喷嘴，雾化效果变好，在离喷嘴同样的高度可以粗略的估算一下改进后对雾化均匀性的影响。如图4-13所示的计算示意图：假设雾化角度为θ，两喷嘴的距离是d,距离喷嘴的高度h。则在距离喷嘴同一个平面的经过简单的推导可得当两个喷嘴的喷雾重叠时需要的高度为：
H=
dθctan （4-1） 22
从上式可以看出当角度越大，相互交叠所需要的高度越小。意味着固定了喷嘴雾化高度时，雾化角大的更容易交叠。在未来的转炉煤气的实验研究中，可以通过借鉴测量不同层面上的雾化均匀性来做出大致雾化分布的曲线来计算在何处能够使得喷雾相交。
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图4-13 雾化交叠示意图
4.3 多个喷嘴的喷雾均匀性实验
目前，国内研究喷嘴雾化效果的基本上是研究单个喷嘴的雾化效果。本章内容的创新点就是研究多个喷嘴的雾化效果。本章实验在相同压力下和流量下，测定四组不同排列的喷嘴雾化后的均匀性，研究喷嘴数量和排列对雾化的影响。然后变换压力和流量进行新一轮的测定，研究压力和流量对喷嘴的影响。实验手段是通过试管盛接水量来分析雾化分布的均匀性。在第三章中已经进行过喷嘴的校核和重复性、一致性实验，所以本章内容可以通过测量四分之一的喷嘴雾化效果来分析整个的雾化效果。该实验需要特别说明的是：本实验不同于两个喷嘴的变换不同距离的实验，尽管是只测量四分之一的喷嘴分布均匀性，在测量系统的范围内只有两个喷嘴，但是由于整个喷雾是由六个喷嘴的共同作用而形成的，在整个空间涉及到六个雾化喷嘴的水雾的碰撞和破碎，所以是区别于两个喷嘴的实验研究。
4.4 实验具体数据及分析
选择不同的喷嘴个数和不同的喷嘴排列进行雾化的研究。我们的实验是冷态实验，改变不同喷嘴个数时，保证单个喷嘴的流量一定和空气处压力一致。以此可以得到喷嘴个数和半径对雾化效果的影响。
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选择喷嘴个数是6和4，排列半径200cm和300cm进行实验研究，喷嘴空气侧进口压力为0.3MPa，单个喷嘴水流量17L/h。每次尽量保证实验的时间一致，然后对数据进行归一化分析和整理。把测量的试管高度都除以时间，得到单位时间的试管高度。利用origin绘图软件对四分之一的流场的试管高度图进行图像处理，得到四分之一的流场的雾化分布。
4.4.1 喷嘴不同半径相同的实验对比
16141210height864202446810
26108X AxisY Axis
18161412Z Axis10864202446810
26108X AxisY Axis
图4-14 上面喷嘴个数6，实验半径300cm；下面喷嘴个数4，实验半径300cm
从上面两幅图中可以看出的是当喷嘴个数较少时，在同一高度的交叠区域较小，雾化均匀性受到影响。
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4.4.2 半径相同四喷嘴不同的实验分析
把气路和水路的分配器的管子进行对接，留下四个喷头，分别做半径300cm和200cm的四喷嘴的实验，对实验数据进行归一化处理并对试管高度进行图像处理。可得到以下结果：
16141210height86420165347248
X Axis56278
1Y Axis3
18161412Z Axis10864202446810
26108X AxisY Axis
图4-14 上图喷嘴个数4，实验半径200cm；下图喷嘴个数4，实验半径300cm
从喷嘴个数都是4个，半径不同的两幅图比较可得出：当半径较小(200cm)的时候，在相同的高度，喷嘴雾化的均匀性明显好过半径为300cm的情况。雾化均匀无明显拐点。喷嘴的雾化重合范围大，雾化的效果好。对测量的试管高度数据经过规一处
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理，并对在相同时间内的水的总高度求和可知，两种情况的结果试管高度总和相差不大，一个是204.48,另一个是214.09，相差不大。表明水的总流量不变，但是从试管高度图上看出，所显示的雾化效果为半径300cm时两个不同的喷嘴喷出的喷雾未能出现明显交集。
表4-1 归一处理后的半径200cm 喷嘴4个的情况
0.16 0.16 0.16 0.160.16
0.16
0.16
0.16 0.16 0.16
0.16 0.16 0.16 0.16 0.16 0.16 0.16 0.16 0.16 0.160.16 0.16 1.36 3.52 8.16 15.12 13.36 4.16 1.44 1.520.16 0.16 1.6 2.08 6.08 9.76 7.6 2.56 2.4 2.560.16 0.16 1.52 2 4.24 4.32 3.6 3.68 4.96 5.6 0.16 0.16 1.04 1.52 2 2.32 2.72 4.8 9.12 10.720.16 0.16 0.8 0.88 1.2 1.6 1.52 3.12 8.72 12.640.16 0.16 0.64 0.64 0.72 0.8 1.12 1.52 2.72 4.320.16 0.16 0.56 0.48 0.56 0.4 0.64 0.72 0.8 0.960.16 0.16 0.48 0.4 0.48 0.4 0.4 0.48 0.24 0.32
表4-2 归一处理后的半径300cm 喷嘴4个的情况
2.091 5.364 10.364 17.273 10.000
2.455 0.545 0.182 0.182 0.182 1.727 4.091 8.364 9.818 5.455 1.545 0.273 0.273 0.364 0.545 1.545 2.909 3.636 4.000 2.818 1.455 0.455 0.364 0.545 0.727 1.182 1.636 2.364 1.909 1.636 0.818 0.545 0.818 1.364 1.455 0.636 0.818 1.091 0.636 0.818 0.545 0.636 1.364 2.636 3.545 0.364 0.455 0.455 0.364 0.364 0.545 0.818 2.455 7.273 7.091 0.455 0.455 0.545 0.364 0.364 0.545 0.818 3.273 15.364 11.0910.091 0.091 0.091 0.091 0.182 0.273 0.545 3.455 10.455 9.364 0.091 0.091 0.182 0.182 0.182 0.182 0.636 1.182 3.273 1.636 0.091 0.091 0.182 0.182 0.182 0.182 0.273 0.364 0.364 0.455
从上面两表中可以看出，最高点均是喷嘴下方部分，而试管最高点周围的雾化分布较为均匀。并且两个喷嘴中间相交处的试管的高度比离开两个喷嘴中心并远离喷嘴的地方要高，这也表明了雾化在此处是相交的。
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4.5 本章小结
本章实验主要是针对不同喷嘴数量和排列方式对雾化的影响展开的，得到的主要结论是：
（1）半径相同时，喷嘴的个数越多，雾化效果越好，雾化分布越均匀。 （2）喷嘴一样，半径越小，在同一测量高度雾化的重合范围越大，雾化效果越好。
（3）国产的雾化喷嘴仿造质量不高，雾化锥角很小，加入旋流叶片后雾化锥角明显变大。
这本章的实验中，分析实验误差可能存在的原因有： （1）试管高度测量误差；
（2）调节压力和流量的人为读数误差； （3）实验时，人为盖板子存在时间差。
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5 总结与展望
5.1 总结
本论文首先介绍了课题来源背景和国内外对于转炉煤气除尘的两种常用的方法，总结了干法除尘系统是当前被推广的方法，介绍了干法除尘系统的工艺流程并提出了本文研究的重点是蒸发冷却器中的双流喷嘴的性质。本课题来源于企业实际项目，通过三、四章的实验可以得到如下主要结论：
（1）首先针对国内生产的喷嘴得到双流喷嘴的雾化角度和雾化分布。得出所购买的双流喷嘴的雾化形状是实心圆锥，雾化角度较小的结论；同时得出国内喷嘴制造盲目地引用与仿制；仿制质量不高；缺乏创新
（2）压力越高，流量越大。在空气压力和流量一定的情况下，水的压力和流量成正比关系。双流喷嘴的空气路和水路都有流量和压力成正比的关系，当固定空气压力时，水路压力和流量成正比关系；当把提高空气压力可以改善雾化粒径和雾化锥角
（3）实验过程中空气扰动误差，风速越大，雾化颗粒漂移越厉害，影响雾化锥角的对称性。
（4）在水路压力一定的情况下，气压增大，水流量减小
（5）加入旋流叶片可以使得雾化角度增大，其主要作用是使进入的空气切向速度，从而改变水的流动方向，扩大了出口角度；
（6）雾化半径影响雾化均匀性的分布，雾化半径越小，雾化均匀性越好； （7）雾化个数影响雾化均匀性分布，喷嘴越多，在相同的压力和流量情况下，雾化均匀性的效果越好。
通过本文，可以得到对转炉煤气喷淋系统的指导作用是通过测量不同层面的雾化均匀性，可以做出曲线来计算雾化在离喷嘴何处可以交汇重叠。
如图5-1可以看出，首先针对所选用的喷嘴，可以通过测量不同截面的雾化分布进行数据处理得到雾化的形状，然后根据喷嘴个数进行角度计算，得到两个喷嘴能够
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交叠的位置。
图5-1 雾化交叠图
5.2 进一步研究建议
（1）在后续实验中可以进一步对喷嘴的多圈数的排列和各种不同排列的雾化效果进行研究，现有的排列方式都是圆周排列，并且都是排列在同一圈中，如果多圈排列效果更好，可以改变工艺。
（2）由于本论文研究的重点是双流喷嘴的雾化均匀性，所以没有测量雾化粒径和雾化速度等参数，后续的实验测试系统可以选用激光测试等先进的测量手段，更好的研究实验过程中雾化颗粒和分布的情况，能够在电脑上直接成像，然后方便进行后处理。
（3）在完成第一条和第二条之后，后续过程可以进一步对转炉煤气蒸发冷却器进行数值模拟，数值模拟采用DPM模型中的雾化模型进行温度场和速度场模拟，主
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要针对雾化颗粒在蒸发冷却器中雾化的时间和雾化在实际工况中的效果进行分析。在对转炉实际过程中的流场模拟中选用实际模型中的喷嘴分布先进行雾化分析，同时，调整喷嘴的分布来分析喷嘴的最佳排列，以期达到能通过工况调整更好的分布。
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致 谢
两年半的研究生生活一晃即逝，掐指一算，在华中科技大学我总共待了六年有余。从四年前本科毕业，在武汉新世界制冷工业有限公司工作了一年后，发现自己的职业规划需要更多的知识沉淀，所以决定回校读研。在经过08年的考研后，我顺利回到母校的工程热物理专业进行对本专业的深入学习。在研究生学习期间，我结识了很多很好的老师和同学，他们对我这两年半的学习和生活帮助很多。回首往事还历历在目，但时间总是流逝地匆匆，我即将于这些敬爱的老师和亲爱的同学们告别了。这一刻即有对新生活、新工作的向往，也有对老师和同学的依依不舍。
在即将离别之际，总觉得千言万语亦不能表明我此时此刻的心情，总结两年半的学习生活，我觉得最多的是感恩。首先，我应该庆幸的是我有一个无论是学识还是为人都令人钦佩的好导师——靳世平教授。靳老师对学术的认真态度和工作的敬业以及博学的知识无不令学生望其项背。在我的硕士学习中，老师对我无微不至的关怀时常令我感动，从我的硕士论文的选题到论文实验方案的确立，乃至实验台架的搭建等都得到了靳老师事无巨细地悉心指导，老师的恩情学生也将铭记于心。
除了恩师外，课题组的黄素逸教授对我的学习和生活也十分关心。黄老师是一个德高望重的学者，他为人处世的态度和治学精神时刻鼓舞着我。在我遇到挫折时，黄老师总能鼓励我和指导我。从他的身上，我学到更加乐观的生活态度和怎么样把自己的人生过的更精彩的方法。即使将来离开华工，黄老师的教诲还会伴随我更好地处理日常事务。
我还要感谢工热课题组的刘伟教授、许国良教授、罗小兵教授、王晓墨老师、龙妍老师、明廷臻老师、黄晓明老师、杨金国老师、康忠新老师、杨昆老师、刘志春老师、姚斌老师、杜一庆老师等诸位老师耐心指导和热心帮助。其中，特别要感谢的是罗小兵老师和黄志平老师在我硕士期间对我的关怀和帮助。
感谢实验室的各位兄弟姐妹们，其中，大师兄张喜来博士生给过我很多建议，他的专业基础知识扎实，为实验室的兄弟姐妹带了一个好头，我也衷心祝福他学业有成，
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早日毕业。还要文午琪博士生，方顺利博士生，杨益博士生都给过我很多帮助，希望他们能在科研上越走越顺。同时，我们这一批即将毕业的研究生：杨智越、罗惠芳、高畅、刘超、陈勇、章士斌、葛京鹏，他们和我朝夕相处，建立了深厚的感情，希望他们工作顺利。特别鸣谢帮助我做实验的师弟裴青龙和黄文文，也感谢其他研一研二的师弟师妹们！
最后，我要感谢我的家人。我的父母、妹妹、男友都很支持我的学业，给了我一个在学校安心快乐学习的机会。我希望在以后的生活中能回报他们对我的爱。
最后再次真诚的感谢所有关心、帮助和支持作者的所有人士！
王聃
2011年1月于华中科技大学
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