氣動旋流霧化原油噴嘴霧化特性的實驗研究

揭 濤

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所,上海 201108）

液體燃燒時污染物的排放量及燃料的燃燒效率取決于燃料的霧化質(zhì)量，所以研究燃燒器的冷態(tài)流場試驗的關(guān)鍵就是燃油燃燒器的霧化。本文借助可適性相位多普勒激光測速儀對不同霧化壓力下的噴嘴特性進行分析和研究，使試驗研究數(shù)據(jù)更具指導意義，為相關(guān)研究提供參考。

1 噴嘴結(jié)構(gòu)及霧化機理

結(jié)合邊際油田的實際狀況，霧化方式為旋流式的新型內(nèi)混式氣動旋流霧化原油燃燒器噴嘴，其工作原理為：噴嘴的中心氣管四周可以噴出油，同徑向噴孔噴出的空氣相混合，混合氣體在燃燒室中不斷進行摩擦、撞擊，完成第一次霧化，之后以螺旋的方式從旋流噴頭通道中將混合油氣噴出，在爐膛內(nèi)同空氣進行摻混，完成第二次霧化[1]。

2 實驗研究裝置及內(nèi)容

在試驗研究模擬過程中，對油由泵進行加壓處理，使原油通過壓力表和流量計之后達到噴嘴，之后進行空氣過濾后，將其在往復式壓縮機中進行壓縮，利用噴嘴內(nèi)管進入緩沖罐，最后使原油同處理后的空氣進行充分的混合并噴出。

可適性相位多普勒激光測速儀是實驗研究的重要設備，該設備取得液體流速信息的主要依據(jù)就是照射光光波同示蹤粒子光波在流體中的頻差，結(jié)合由運動粒子產(chǎn)生的不同光頻信號（大于等于2個）的相位漂移，從而對粒子的不同信息進行明確，比如：粒子時空分布狀況、粒子濃度、粒子大小等[2]。

利用可適性相位多普勒激光測速儀對霧化場進行測量的過程中，涉及到多項設備和儀器，包括多個操作環(huán)節(jié)，試驗研究過程主要包括：

（1）對測量點的坐標數(shù)據(jù)進行編制，將編制結(jié)果傳輸?shù)街羏ind軟件并保存；

（2）將自動坐標架、可適性相位多普勒激光測速儀開啟；

（3）在find軟件中將設定好的文件打開；

（4）將空氣壓縮機開啟，并保證氣體在緩沖罐中達到預定壓力標準，將閥門緩緩打開；

（5）將離心泵開啟后，對泵的輸出壓力進行設定，將噴嘴閥門打開；

（6）根據(jù)設定值對噴嘴水壓、霧化氣壓進行調(diào)整，當噴嘴處的噴霧達到穩(wěn)定狀態(tài)時，完成測量工作。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 半徑方向位置及濃度分布

試驗可得沿半徑方向的粒子濃度在距噴口1.714mm處的橫截面時的濃度分布狀況，當粒子位于斷面測量半徑中間部位的時候，濃度達到最大值，而當位于界面軸線外端及周線處時，濃度最小[3]。由此可知沿半徑方向的粒子濃度會隨著同噴口和截面之間距離的增大而不斷變化，呈現(xiàn)出一種鐘形分布狀況。霧化場中間部位的空氣柱能夠使得空氣和油滴進行充分的融合，保證內(nèi)、外部燃燒的充分性，大大提高了燃燒的效率，使得燃燒器性能得到進一步的提升。

根據(jù)不同壓力下半徑方向位置和濃度的曲線分布狀況可知，當霧化壓力達到0.26MPa的情況下，同中間部位相比，粒子的濃度明顯減小，表示0.26MPa的壓力下，不會出現(xiàn)鐘型分布的狀態(tài)，旋流分離和霧化速度相對較小。只有當霧化壓力超過固定結(jié)構(gòu)的噴嘴時，霧化場的旋流霧化效果才能達到最佳。

3.2 霧化氣量

新型氣動旋流霧化原油燃燒器噴嘴的結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)直接影響著霧化氣量，由于霧化氣體為空氣，當霧化氣量增大時，對壓縮機排放量的要求也會相繼提高，最終會降低總效益[4]。在邊際油田中應首先要確保噴嘴霧化質(zhì)量，并最大限度的減小用氣量，在壓力增大的過程中，霧化氣流量、油流量的也會增大，導致氣液質(zhì)量各不相同，噴嘴在不同壓力下對應的霧化氣量均小于0.1。

3.3 霧化粒子速度場

試驗研究獲得的霧化壓力為0.4MPa的情況下，平行斷面二維速度矢量圖中，旋流式射流噴嘴外湍流射流流場比較復雜，不僅包括尾渦運動、自由射流運動，還包括紊流運動，噴嘴處的霧化場總體為放射狀態(tài)，射流在噴口的速度在30m/s以上[5]。

燃燒室著火后的混合環(huán)節(jié)就是擴散混合，而油霧燃燒本質(zhì)上也可以看作是擴散燃燒，空氣中油蒸氣擴散速度、油滴蒸發(fā)速度影響著油霧的燃燒速度。如果噴嘴處的湍流強度達到一定程度的話，空氣同油霧的混合會更有效，改善油蒸氣擴散和油滴蒸發(fā)速度，保持穩(wěn)定、高效的燃燒。

4 結(jié)語

經(jīng)過氣動旋流霧化原油噴嘴霧化特性的實驗研究，發(fā)現(xiàn)當半徑方向粒子濃度在霧化場中分布形式為鐘形，空氣柱在粒子中能夠保證燃燒的穩(wěn)定性，燃燒更加充分；在確保霧化質(zhì)量的基礎上，應盡量減小用氣量，通過較小型號的壓縮機進行供氣，不僅為后期維修工作提供方便，還能減少功率損耗，在邊際油田中發(fā)揮著重要作用，在原油加熱爐燃燒器（無配套蒸汽鍋爐）中非常適用。

[1]田春霞,仇性啟,崔運靜.噴嘴霧化技術(shù)進展[J].工業(yè)加熱,2005(04).

[2]王立榮.新型旋流式與內(nèi)混式氣動霧化噴嘴比較[J].石油化工設備,2002(02).

[3]陳斌,郭烈錦,張西民,高暉,Panidis Th.,Papailiou D.D..噴嘴霧化特性實驗研究[J].工程熱物理學報,2001(02).

[4]王宗明,段希利,仇性啟.氣動旋流噴嘴燃燒特性實驗研究[J].石油化工設備,2004(03).

[5]李進賢,徐敏,陳步學等.氣/液同軸旋流式噴嘴霧化特性實驗研究[J].宇航學報,2000(S1).