高黏度化工废液喷枪设计及雾化性能试验研究

马尊领，李 渊，兰 剑，张建辉

（中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海 201108）

石油化工、造纸和印染等行业每年都会产生大量的有机废液。有机废液中有机物浓度高、黏度大且具有毒性，直接排放会造成严重环境污染。近些年国家环境保护要求逐步提高，目前工业产生的大量有机废液均需进行无害化处理。最彻底的无害化处理方式是通过焚烧炉高温热解，将有机废液转化成二氧化碳和水汽［1-2］。此技术中焚烧炉膛上的废液喷枪雾化性能是保证有机废液有效高温热解的关键因素。

某项目中废液焚烧炉主要用于处理厂内印染剂车间有机废液，该废液热值高、黏度大且带有毒性。废液焚烧炉运行过程中喷枪雾化性能不佳，导致喷出的液雾粒径过大，在炉膛中燃烧不完全，出现明显的火星（图1a），未燃尽的液渣粘附在下游换热面表面（图1b），严重影响设备使用寿命。文中针对此问题展开喷枪设计、雾化性能测试及应用效果研究。

图1 某项目印染剂废液雾化效果不佳引起的燃烧不充分问题

在项目现场对印染剂废液进行取样，在试验室内采用乌式黏度计测定废液在不同温度条件下的黏度值［3-5］。黏度计直径ϕ=1.5 mm，编号60，仪表常数0.439 3 mm2/s2，测得50、60、70 ℃下废液运动黏度依次为134.8、67.6、42.3 mm2/s。

2.1 基本形式

废液在60 ℃下的运动黏度超过60 mm2/s，属于高黏度介质，普通雾化喷嘴已经很难对其进行有效雾化，因此进行喷枪形式的选择。经过文献调研后，选择外混式气流雾化喷枪。这种喷枪能够在液体喷出喷嘴之后，利用雾化介质高速气流碰撞摩擦喷出的液体微粒，借助摩擦产生的切向应力将液体微粒破碎成更加细微的雾滴，雾化效果好（图2）［6-8］。

图2 外混式气流雾化喷枪雾化效果

2.2 性能优化

有研究表明［9-11］，增加雾化介质流量、增强雾化介质湍流度和增加废液湍流度均有利于雾化性能的提高。基于通过结构改进对原喷枪进行性能优化，新设计的喷枪喷头雾化孔尺寸和雾化孔数量均较原来的大，同时还增大了雾化孔角度，改变了雾化孔形式，增大了废液开孔夹角。其中，喷枪喷头雾化孔尺寸和雾化孔数量的增多可以实现雾化介质流量的增加，雾化孔角度的增大和雾化孔形式的改变可以实现雾化介质湍流度的增加，废液开孔夹角的增大可以实现废液湍流度的增加。

2.3 尺寸计算

2.3.1 内管直径

废液喷枪内管（废液流道）内径D1计算如下。

式中：qmf为废液质量流量的数值，单位kg/s；
ρ1为废液密度的数值，单位kg/m3；
u1为喷枪内管废液流速数值，一般取0.1～1.0［9］，此处取值0.8，单位m/s。

2.3.2 外管直径

废液喷枪外管（氮气流道）内径D2计算如下。

式中：qma为氮气质量流量的数值，单位kg/s；
ρ2为氮气密度的数值，单位kg/m3；
K 为耗气比，一般取0.2～0.3［9］，此处取值为0.3；
u2为喷枪氮气流速的数值，一般取15～20［9］，此处取值18，单位m/s；
D1o为喷枪内管外径的数值，D1o=D1+2δ，δ为内管壁厚的数值，δ 取值2，单位mm。

2.3.3 喷孔内径

废液喷枪喷头废液喷孔内径d1计算如下。

式中：μ1为废液喷孔流量系数，由试验确定，一般在0.2～0.4［1］，此处取值0.3；
n1为废液喷孔的数量，取值5；
p1为废液压力的数值，单位MPa。

2.3.4 氮气喷孔

废液喷枪喷头氮气喷孔截面积F2计算如下。

式中：μ2为氮气喷孔流量系数，参考文献［1］取值0.82；
n2为氮气喷孔数量，取值5；
ϕlj为氮气喷孔临界截面流量系数，取值0.484［9］；
p2为氮气压力的数值，单位MPa。

2.3.5 计算结果

已知废液参数:qmf=0.083 3 kg/s、t1=60 ℃、ρ1=1 195.22 kg/m3、p1=0.3 MPa（G）。雾化介质氮气参数:t2=25 ℃、p2=0.4 MPa（G）、ρ2=4.52 kg/m3，应用上述公式进行计算，得到喷枪结构参数，见表1。

表1 喷枪结构参数计算结果

2.4 图形设计

根据计算出的印染剂废水雾化喷枪结构参数进行图形设计，得到印染剂废液焚烧炉雾化喷嘴结构设计图以及根据设计图制作的喷枪实物见图3。

图3 印染剂废液雾化喷枪设计图及实物图

3.1 试验设计

保持废液的黏度和压力不变，改变雾化介质的压力，进行系列雾化试验。应用激光粒度仪测定雾化后的液滴粒径，分析研究高黏度废液喷枪的雾化性能［12-13］。

3.2 试验介质

印染剂车间的高黏度废液具有毒性且气味较大，出于人员安全考虑，采用配制糖浆液代替高黏度废液进行喷枪雾化试验。项目现场进入焚烧炉的废液温度为60 ℃，运动黏度为67.6 mm2/s。在试验车间配置不同比例的糖浆液，在室温条件下采用乌式黏度计进行黏度分组测定，最后选定质量分数60%的糖浆液为试验介质，其运动黏度为69 mm2/s。

3.3 试验系统

焚烧炉雾化喷枪性能试验系统组成示图见图4。试验气体回路主要由液氮罐、液氮气化器、控制阀及相关管路组成，采用汽化后的氮气作为雾化介质。试验时，调节氮气管线控制阀门，使得废液喷枪入口氮气的压力达到设定值0.6 MPa（G）和0.4 MPa（G）。液体回路主要由雾化液接收池、废液缓冲罐、齿轮泵、控制阀及相关管路组成。

图4 焚烧炉雾化喷枪性能试验系统组成示图

3.3.2 基本设置

根据现场焚烧炉废液喷枪前的压力和流量进行试验压力和流量的设置，调节液体回路控制阀门使糖浆液的压力达到0.3 MPa（G），质量流量达到300 kg/h。

在喷枪喷嘴下方1～1.5 m 处的完全雾化区域采用Winner318 型工业喷雾激光粒度分析仪进行测量，通过分析废液雾化粒径来研究喷枪的雾化性能。

3.3.3 关键设备

焚烧炉雾化喷枪性能试验系统关键设备包括液氮罐、液氮汽化器、阀组管路及工业喷雾激光粒度分析仪，其实物见图5～图8。

图5 液氮罐

图6 液氮汽化器

图7 管路系统

图8 工业喷雾激光粒度分析仪

4.1 过程简述

焚烧炉雾化喷枪性能试验现场布置见图9。

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图9 焚烧炉雾化喷枪性能试验现场

试验时，先调节废液喷枪入口的雾化氮气压力为0.4 MPa（G），再开启废液管路，通过控制阀组调节，控制进入废液枪的糖浆液压力和质量流量分别为0.3 MPa（G）和300 kg/h。待雾化喷嘴工作稳定后开启工业喷雾激光粒度分析仪进行雾化粒径的采集和记录。

4.2 结果分析

4.2.1 雾化氮气压力0.4 MPa（G）下

试验结束后对粒度分析仪采集的数据进行分析处理，采用索达尔平均直径（SMD）来评价雾化质量。得到雾化液滴的索达尔平均直径和平均直径中值的偏差值，见图10。

图10 0.4 MPa（G）下喷枪雾化质量分析评价图

分析图10a 可以知道，在雾化氮气压力条件为0.4 MPa（G）时，废液喷枪雾化液滴的SMD 为80.69 μm。分析图10b 可以知道，瞬时液滴粒径正负偏离平均粒径比较均匀，瞬时液滴粒径最大值为98 μm，最大正偏差为22%，粒径最小值为68 μm，最大负偏差为15%。

4.2.2 雾化氮气压力0.6 MPa（G）下

将废液喷枪入口氮气压力调整为0.6 MPa（G），其余参数保持不变。重新进行试验，通过分析粒度分析仪采集的数据，得到雾化液滴的索达尔平均直径和平均直径中值的偏差值，见图11。

图11 0.6 MPa（G）下喷枪雾化质量分析评价图

分析图11a 可以知道，在雾化氮气压力条件为0.6 MPa（G）时，废液喷枪雾化液滴的SMD 为73.18μm。分析图11b 可知，瞬时液滴粒径正负偏离平均粒径也比较均匀且偏离幅值较上次试验有所减小，瞬时液滴粒径最大值为81 μm，最大正偏差为11%，粒径最小值为63 μm，最大负偏差最大为14%。

4.2.3 效果对比

综合分析两次试验结果可以发现，随着雾化介质压力的提高，雾化液滴的SMD 由80.69 μm降低至73.18 μm，减小幅度为9.3%，但是雾化粒径最大值由98 μm 降低至81 μm，减小幅度达到17.34%。这表明增大雾化介质压力可以有效减少大颗粒雾化液滴数量，从而提高喷枪雾化效果。

现场焚烧炉为立式布置，燃烧器位于炉顶。焚烧炉炉膛内径为2 400 mm，焚烧炉炉膛长度为10 550 mm，废液喷枪位于焚烧炉炉头倾斜段，喷枪喷头距离焚烧炉出口为9 950 mm。根据设计计算，运行过程中焚烧炉总烟气量为13 736 m3/h（标准状态下），烟气中氧体积分数为6%。炉头部分炉膛内温度为1 573 K，后部焚烧炉膛温度为1 373 K，废液在高温炉膛内停留约为2.3 s［14］。将新设计喷枪安装到废液焚烧炉上进行工程试验，保持废液压力0.3 MPa（G）和废液温度60 ℃不变，调节雾化空气压力至0.4 MPa（G），正常运行后通过视镜观察到喷枪雾化后废液在炉膛中的燃烧充分（图12a）, 检查到的下游换热表面灰渣附着情况也有很大改善（图12b）。

图12 新设计喷枪喷雾炉膛燃烧和液渣改善情况

对比图1 和图12 可以看出，采用重新设计的喷枪对废液进行雾化后，炉膛内不完全燃烧产生的火星完全消失，呈现出充分燃烧后的透亮火红色。下游换热面灰渣附着情况也有很大的改善,烟气特征污染物排放也达到了排放限值。这表明废液经由新设计喷枪雾化后的液滴在炉膛高温环境下能够瞬时蒸发［15］和充分燃烧，结合2 s 以上的炉膛内停留时间，废液内的有机物可以被完全氧化分解。

针对某项目中印染剂废液喷枪雾化性能差的问题，结合印染剂车间废液黏度大、不易雾化特点重新设计喷枪，搭建试验平台进行喷枪雾化性能测试，在焚烧炉上进行实际应用验证。测试和应用结果表明，设计的喷枪很好地解决了高黏废液雾化效果差、燃烧不完全及炉膛带火星问题，下游热交换器表面积渣也有了很大改善。

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