CN103115359B - 一种雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴，包括喷头、限流锥板、气液分配器以及锁紧螺母，气液分配器包括中心的雾化气管道和包覆在雾化气管道外围的高粘液体管道；锁紧螺母将喷头密封压紧在气液分配器的出口端，喷头将限流锥板压紧在雾化气管道的出口端，限流锥板上设置多个气孔。本发明提供了气体辅助雾化喷嘴，强化了气液间的混合，有效改善了雾化质量，当用于燃烧设备雾化高粘可燃液体时，可极大缩短其点火时间，配合普通的调风器，极大提高了可燃液体的燃烧效率及燃尽程度。

Description

一种雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴

技术领域

本发明涉及电站锅炉、冶金、化工等行业燃烧设备用液体燃料的雾化喷嘴及其它非燃烧设备液体的雾化，特别涉及雾化重油、渣油及其它相关高粘流体的气体辅助雾化喷嘴，可适应大流量及大调节比的要求，当用于燃烧设备后由于采用了偏离燃烧的方法可极大降低NOx的排放。

背景技术

近年来，随着化工深加工的发展，能提供作为燃料油的质量不断下降，粘度大大提高，现有的油喷嘴，无论是机械雾化还是气体辅助雾化，雾化质量都大大恶化，导致着火燃烧不稳定，燃尽程度低，出力不足，严重结渣，排放严重超标等，需要对现有的雾化器进行改进以适应实际需要。

对于这些粘度较高的燃料油，普遍存在粘度较高、难于雾化，热解后生成的焦壳减缓油滴的蒸发等特点，使其燃烧存在以下技术难点：（1）点火时间长，升温慢，启动时间过长；（2）燃烧不完全、冒黑烟，燃烧效率低，经济性差：（3）NOx排放量高严重污染环境。上述问题解决的关键在于这些高粘流体的雾化过程，为使其完全燃烧，应使其快速蒸发，其雾化粒度50μm以下的粒径最好在85%以上，20μm以下粒径占5%左右时，着火稳定；同时为降低NOx的排放量，应采用先进的低氮燃烧技术。作为燃烧器中的关键部件，雾化喷嘴的性能决定着高粘流体的雾化质量、进一步影响到其燃烧完全程度，采用合理的喷口布局形成合理的雾场分布将对NOx的抑制产生显著的效果。因而开发出能高效雾化高粘流体，并形成一定合理雾场的喷嘴能解决以上问题，具有广泛的应用价值。

为保证高粘流体的雾化质量，现有的雾化喷嘴一般采用气体辅助雾化的形式。对于气体辅助雾化喷嘴，主要有外混、内混及中间混和型三种型式，中间混和型喷嘴具有结构简单、出力大、雾化好、调节范围大等优点被广泛应用于高粘液体雾化。对于中间混合型喷嘴，气液间的撞击及混合过程是影响雾化粒度的关键因素；喷嘴整体的雾化角度则直接影响雾场形状及雾场在炉膛内的充满程度；当用于燃烧设备时喷嘴的雾场分布对于燃烧完全程度及组织低NOx燃采用合理的布置方式能形成合理的雾场、当用于燃烧设备后配合相应的调风器后能提高燃烧的完全程度的关键技术。为了形成合理的雾场分布，用于燃烧设备后为提高喷嘴燃烧的完全程度及使NOx的排放降至最低水平，需要合理选择喷嘴单个单元的各结构因素及进行喷嘴各单元间的合理布局，最终提高喷嘴的性能及可靠性。对气液的撞击及混合起关键作用的结构因素主要有油孔直径，气、液及混合孔的截面比，油气孔夹角，混合孔长度等；混合孔与混合单元的中心轴线的夹角决定着喷嘴整体的雾化角度、与雾场形状有关；喷嘴各单元采用合理的布置方式能形成合理的雾场、当用于燃烧设备后配合相应的调风器后能提高燃烧的完全程度、形成合理的温度场，组织低NOx燃烧。因此，喷嘴单个单元的雾化特性及各单元组织后整体雾化特性是喷枪设计的关键技术。为了形成合理的雾场分布，用于燃烧设备后为提高喷嘴燃烧的完全程度及使NOx的排放降至最低水平，需要合理选择喷嘴单个单元的各结构因素及进行喷嘴各单元间的合理布局，最终提高喷嘴的性能及可靠性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：设计并研制了一种能雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴，当用于燃烧设备后能高效雾化高粘可燃液体、极大提高燃烧器的稳定燃烧能力及可燃液体的燃尽程度，同时采用先进的低NOx燃烧技术，极大地控制了NOx的排放量。

本发明的技术解决方案为：

一种雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴，包括喷头1、限流锥板2、气液分配器3以及锁紧螺母4，其特殊之处在于：

所述气液分配器包括中心的雾化气管道和包覆在雾化气管道外围的高粘液体管道；所述锁紧螺母将喷头密封压紧在气液分配器的出口端，所述喷头将限流锥板压紧在雾化气管道的出口端，所述限流锥板上设置多个气孔，

所述喷头上设置有数量与气孔一致的多个混合单元，所述混合单元包括液孔、预混腔、混合段和二次混合腔，所述喷头和气液分配器之间形成环形的高粘液体腔；所述预混腔的入口端与气孔的出口端相对，所述液孔的入口端开口于高粘液体腔，其出口端开口于预混腔且朝向气孔；所述预混腔出口端通过混合段与二次混合腔相通，所述气孔、预混腔、混合段与二次混合腔的中心线重合，所述二次混合腔的出口设置在喷头的外端面。

上述混合单元的二次混合腔的出口处设置有出口段，所述出口段的直径大于二次混合腔的直径，并与二次混合腔通过圆弧过度连接。

其单个雾化单元的特征在于：限流锥板2上的液孔长径比L2/d2=2~5,气孔长径比L1/d1=2~5,，预混腔长径比L5/d5=0.5~2,，液孔的轴线与二次混合腔的轴线夹角α2为15°～75°，二次混合腔长径比为L4/d4=0.6~2。

混合单元的二次混合腔与喷头的中心线夹角α为25°～55°，相邻混合单元的二次混合腔与喷头的中心线夹角β为25°～55°，α与β相同或不等。

上述多个混合单元均匀分布在喷头上。

上述多个混合单元以喷头的横截面的中心为圆心成两个圆周均匀间隔分布在喷头上。

上述多个混合单元按照二次混合腔的孔径大小间隔设置。

上述多个混合单元为一组，均匀分布在喷头上，同组混合单元的相邻混合孔之间夹角θ为30~60°。

混合单元的数量为3～24个。

本发明与现有的技术相比的有益效果是：

1、本发明提供了气体辅助雾化喷嘴，强化了气液间的混合，有效改善了雾化质量，当用于燃烧设备雾化高粘可燃液体时，可极大缩短其点火时间，配合普通的调风器，极大提高了可燃液体的燃烧效率及燃尽程度。

2、本发明通过合理设计混合单元的布局方案，控制重油流量实现重油的浓淡燃烧技术，通过布局可以使NOx排量降低16%。

3、本发明通过合理设计混合单元的布局方案，用于燃烧设备雾化高粘可燃液体时，优化了分割火焰的形式，降低了NOx的排放水平。

4、本发明提供了气体辅助雾化喷嘴，采用气液逆向撞击混合的方式，使雾化气体的动能利用率得到极大提高，在不降低雾化质量的同时其气耗率低，从而使降低了工厂用气量，节约了能耗。

5、本发明可根据实际需要通过更换喷头或限流椎板的方式调整喷枪喷嘴的雾化角度、雾化油滴直径空间分布及穿透深度，最大限度地满足操作环境要求。

附图说明

图1是本发明的雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴结构示意图；

图2是本发明的雾化单元的布置形式图；

图3为喷嘴单个雾化单元的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细叙述：

图1为本发明的一种雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴结构图，包括喷头1、限流锥板2、气液分配器3以及锁紧螺母4，气液分配器包括中心的雾化气管道和包覆在雾化气管道外围的高粘液体管道；锁紧螺母将喷头密封压紧在气液分配器的出口端，喷头将限流锥板压紧在雾化气管道的出口端，限流锥板2上设置多个气孔12，喷头上设置有数量与气孔一致的多个混合单元，混合单元包括液孔13、预混腔14、混合段15和二次混合腔16，喷头1和气液分配器3之间形成环形的高粘液体腔11；

预混腔14的入口端与气孔12的出口端相对，液孔13的入口端开口于高粘液体腔11，其出口端开口于预混腔14且朝向气孔；预混腔14出口端通过混合段15与二次混合腔16相通，气孔12、预混腔14、混合段15与二次混合腔16的中心线重合，二次混合腔的出口设置在喷头的外端面。混合单元的二次混合腔的出口处设置有出口段，出口段的直径大于二次混合腔的直径，并与二次混合腔通过圆弧过度连接。

喷头1和气液分配器3形成环形雾化气腔道，依靠密封垫5及密封垫6进行密封；限流锥板2与气液分配器3形成高粘液体的中心通道依靠密封垫6进行密封。喷嘴采用逆向喷射式气体辅助雾化方式，喷头1及限流椎板2可根据实际需要进行更换。通过调整喷头1二次混合腔的穹顶型扩口结构调整喷嘴的穿透深度及粒径分布。

如图3所示，限流锥板2上的液孔长径比L2/d2=2~5,气孔长径比L1/d1=2~5,，预混腔长径比L5/d5=0.5~2,，液孔的轴线与二次混合腔的轴线夹角α2为15°～75°，二次混合腔长径比为L4/d4=0.6~2。

如图2本发明的雾化单元的布置形式图（分别以六个和八个混合单元为例）

均匀分布：多个混合单元均匀分布在喷头上。

外淡内浓型：多个混合单元以喷头的横截面的中心为圆心成两个圆周均匀间隔分布在喷头上，位于内圆周上的混合单元混合孔的孔径大于外圈的孔径。

外浓内淡型：多个混合单元以喷头的横截面的中心为圆心成两个圆周均匀间隔分布在喷头上，位于内圆周上的混合单元混合孔的孔径小于外圈的孔径。

周向浓淡分布：多个混合单元均匀分布在喷头上，以混合孔的大小间隔分布。

分割火焰方案（三分割线型）：多个混合单元为一组，均匀分布在喷头上，同组混合单元的相邻混合孔之间夹角θ为30~60°。

雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴工作时，雾化气体由气液分配器3进入，经由限流椎板2进入喷头预混腔内；液体由气液分配器3的环形圆孔进入集液腔内，然后通过喷头1的液孔进入到喷头预混腔内与雾化气体撞击混合，撞击混合后的气液混合物经由喷头的混合段后从喷头1的穹顶型二次混合腔喷出。

喷嘴采用气体辅助雾化形式，内部为逆向喷射式结构、强化气液掺混及有效利用气体能量，二次混合腔增加穹顶型结构，进一步强化雾化、减小液滴直径，同时控制二次混合腔喷射速度。喷嘴的气液供应设置气液分配器保证周向均匀的液流供应量，气液分配器内管为雾化气体管，二次混合腔设置限流锥板，扩大气液的调节范围，防止液流反窜到气体中。

本发明的雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴，所属喷嘴采用分离结构，喷嘴主体完全独立，通过调整限流锥板的大小,实现对气液撞击及混合强度的控制；喷头二次混合腔采用穹顶型结构，通过调整喷头二次混合腔能对喷嘴的二次混合腔速度和穿透深度进行调整，进而可以适应相应的调风器，使空气与高粘液体进行合理混合。该喷嘴用于燃烧设备时能保证可燃液体完全燃烧的同时建立合理的温度场，降低烟气中NOx的含量；喷嘴采用多单元的形式、分割火焰、将大火焰分割为数个小火焰，增大火焰散热面积，改善冷却条件，降低火焰温度，减少NOx的生成量。

本发明的雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴，所述喷嘴由喷头及限流锥板组成，喷嘴采用逆喷式结构，雾化气体从中心通道进入后经过限流锥板提高流速后喷出，可燃液体由周向进入与雾化气体逆向撞击混合，发生强烈的能量交换和动量交换，气液两相流在混合孔内充分混合、形成均匀的两相流，经过喷嘴二次混合腔的穹顶型结构、形成局部涡流区，强化湍流混合，同时气液混合物进一步膨胀扩张，从喷嘴喷出后形成很细的空心椎形雾场。

本发明的雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴，当用于重油雾化时能对粘度达到380～400cSt、密度为0.955～0.995的重油能很好的进行雾化。重油压力为0.4～1.0Mpa、重油流量为800kg/h、气耗率为6%时，平均索太尔直径为60μm。

采用本发明的雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴已进行了冷态试验，用于燃烧重油时在缩尺寸模拟试验台进行了热态试验，燃烧效果良好，能长期稳定运行，NOx的排放量控制在280mg/Nm3以内。

本发明采用的技术原理：喷嘴采用逆喷型式的结构、喷头二次混合腔增加穹顶形结构，强化雾化的同时保证了雾场的分布，当用于燃烧设备时与相应的配风器适应后可形成合理的温度场进而降低排放的NOx值；同时喷嘴采用多单元布置的形式，采用火焰分割技术增加火焰面，改善冷却条件，降低火焰温度，减少NOx生成；喷嘴材料采用耐磨耐热钢，有效提高产品的耐蚀性及耐磨性。

Claims (9)

1.一种雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴，包括喷头(1)、限流锥板(2)、气液分配器(3)以及锁紧螺母(4)，其特征在于：

所述气液分配器包括中心的雾化气管道和包覆在雾化气管道外围的高粘液体管道；所述锁紧螺母将喷头密封压紧在气液分配器的出口端，所述喷头将限流锥板压紧在雾化气管道的出口端，所述限流锥板上设置多个气孔，

所述喷头上设置有数量与气孔一致的多个混合单元，所述混合单元包括液孔、预混腔、混合段和二次混合腔，所述喷头和气液分配器之间形成环形的高粘液体腔；所述预混腔的入口端与气孔的出口端相对，所述液孔的入口端开口于高粘液体腔，其出口端开口于预混腔且朝向气孔；所述预混腔出口端通过混合段与二次混合腔相通，所述气孔、预混腔、混合段与二次混合腔的中心线重合，所述二次混合腔的出口设置在喷头的外端面。

2.根据权利要求1所述的雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴，其特征在于：所述混合单元的二次混合腔的出口处设置有出口段，所述出口段的直径大于二次混合腔的直径，并与二次混合腔通过圆弧过度连接。

3.根据权利要求1或2所述的雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴，其特征在于：限流锥板(2)上的液孔长径比L2/d2＝2～5,气孔长径比L1/d1＝2～5，预混腔长径比L5/d5＝0.5～2，液孔的轴线与二次混合腔的轴线夹角α2为15°～75°，二次混合腔长径比为L4/d4＝0.6～2。

4.根据权利要求3所述的雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴，其特征在于：混合单元的二次混合腔与喷头的中心线夹角α为25°～55°，相邻混合单元的二次混合腔与喷头的中心线夹角β为25°～55°，α与β相同或不等。

5.根据权利要求4所述的雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴，其特征在于：所述多个混合单元均匀分布在喷头上。

6.根据权利要求4所述的雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴，其特征在于：所述多个混合单元以喷头的横截面的中心为圆心成两个圆周均匀间隔分布在喷头上。

7.根据权利要求4所述的雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴，其特征在于：所述多个混合单元按照二次混合腔的孔径大小间隔设置。

8.根据权利要求4所述的雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴，其特征在于：所述多个混合单元为一组，均匀分布在喷头上，同组混合单元的相邻混合孔之间夹角θ为30～60°。

9.根据权利要求3所述的雾化高粘流体的气体辅助雾化喷嘴，其特征在于：混合单元的数量为3～24个。