废液喷枪的设计与选型
废液喷枪的设计不是一个独立的结构设计,是依附于整个焚烧系统的综合设计,包括材料设计、高温防护设计、磨损防护设计、雾滴雾化粒径设计、雾滴穿透深度设计、防堵设计等。
一、废液喷枪的材料设计
废液成份非常复杂,废液喷枪设计时针对不同的废液应当合理的选材才能保证喷枪的性能,延长喷枪的寿命。
废液含卤素等腐蚀性较强的物质时应当选取耐腐蚀的材料,例如316L、蒙乃尔合金、2205、2507等材料;
焚烧炉燃烧温度较高时应当选取耐高温的材料,例如310S、高温合金、航天特殊材料等;
废液含固体小颗粒时应当选取耐磨损的高硬度材料,例如哈氏合金等。
二、废液喷枪的高温防护设计
接下来我们介绍废液喷枪的高温防护设计。喷枪布置在焚烧炉高温区附近,烟气温度大约在1200℃以上,为了保证喷枪的可靠运行,需要进行冷却设计。冷却设计分为两种,如果喷枪仅头部深入炉膛,可设计为液体走外管侧的喷枪自冷却结构。如果由于布置需要,喷枪伸入炉膛部分较长,则需要设计水冷夹套。
三、废液喷枪的磨损防护设计
焚烧炉内燃烧环境非常复杂,有时本身废液含灰量较大,有时由回转窑等设备过来的烟气含尘量较大,导致喷枪外管磨损较大。为了保证喷枪安全可靠的运行,增加喷枪的寿命,需进行喷枪抗磨损的防护设计。
设计合理的喷枪套管, 将喷枪头部缩进套管内10-30mm。可以采用不锈钢套管或者陶瓷套管。采用不锈钢套管时应当在套管内通冷却风;
在喷枪外表面设计防磨涂层。涂层材质选用耐高温耐磨损的金属涂层LX88A、碳化物,涂层厚度小于0.3mm,太厚容易脱落。
四、废液喷枪蒸发特性设计
为了保证废液能够在焚烧炉内充分燃烧,应严格控制废液的雾化粒径,从而有效控制蒸发燃烧时间。雾滴过大,则导致燃烧时间较长,炉膛下部燃烧温度较高,VOC排放超标。雾滴过小,则导致局部超温,不利于流畅组织。
五、废液喷枪的液滴穿透深度设计
考虑到焚烧炉内的烟气流速为3-5m/s,并且具有一定的含尘量。为了使雾滴能够和烟气充分接触,增强掺混,提高燃烧效率,就必须保证一定程度的喷射穿透深度。冷态工况下,穿透深度、喷嘴出口速度及雾滴的动力和喷雾角度成反比。
六、废液喷枪的拆装和密封设计
接下来介绍喷枪的拆装和密封设计。通常焚烧炉上的喷枪都是通过法兰和炉体密封,这样虽然增强了密封的可靠性,但是喷枪伸入炉内的长度不可调,不利于燃烧的调节。同时检修时的拆装都较复杂。所以需要对喷枪的安装结构进行设计。喷枪的安装采用支架的形式,喷枪支架由配对法兰、中心可调密封导管、螺杆、蝴蝶卡件组成。
该结构具有以下三个优点:
1.喷枪可以根据实际需求,通过调节螺杆上的螺母,灵活的调节喷枪插入深度;
2. 喷枪的拆装只需要打开或关闭蝴蝶卡件,可以实现无工具操作;
3. 喷枪的密封问题可以通过中心密封导管上设置的螺母密封解决。
七、废液喷枪的防堵设计
接下来介绍喷枪的防堵设计,对于一般高粘流体,内混喷枪会频繁堵塞。由于在混合室内强烈掺混,气孔液空均容易堵塞。所以设计时主要考虑气动外混式喷枪。液路流道要尽量简单,不要出现液小孔或者强旋流等增大压损的结构。利用音速气体在喷枪出口处和废液发生撞击,形成高效雾化。
八、废液喷枪内部结构设计
在进行系统设计时,内混式喷枪一般的压损较小,在马赫数小于0.3时,气体也可以近似的当作不可压缩流体来处理。
外混式喷枪设计时,液体流道不用过多设计,只要让他的压损尽量小就可以。在气孔设计是,气体的速度越大越好。一般我们设计为音速。
九、废液喷枪的选型原则
废液的成分非常复杂,通常情况下为两三种或多种物质的混合物,里面包含有杂质、胶体等物质,物性状态也是千差万别。由于废液状态复杂,因此应根据不同的废液状态有针对性的设计废液喷枪。影响喷枪设计的物性参数主要有以下几个方面:
1. 牛顿流体:牛顿流体是指剪切应力和剪切速率成线性关系。物性参数较稳定,喷枪设计时仅需考虑粘度因素;
2. 非牛顿流体:非牛顿流体是指剪切应力和剪切速率成非线性关系。物性参数较复杂,非牛顿流体具有剪切稠化性和流凝性,喷枪设计时需考虑废液粘度的瞬间变化;
3. 粘度:粘度体现为废液的流动特性,是喷枪设计时需要考虑的首要因素;
4. 结焦特性:高热值废液受热后易结焦,设计时需考虑枪身冷却问题。
对于气、液供应稳定,废液粘度较低的,一般选用内混式空气雾化喷嘴。该类喷嘴利用均流后的多股空气和多股废液在混合室内完成相互撞击,通过合理的动量匹配达到较好的雾化效果。喷嘴头部为单孔或多孔结构,可以根据炉内流场和燃烧场灵活调整喷射角度和流强分布,提高燃烧效率。
上海朗致环保科技有限公司的墙式废液喷枪,雾化方式采用气动雾化方式,能够在900~1100℃烟气环境中长期工作。废液喷雾场速度及横向粒径分布由喷口形式进行调节,喷雾场结构包括扇形、实心锥、空心锥等,在满足雾化要求前提下,能够达到较大的穿透深度。
该类喷枪具有的优势具有以下四个方面
1. 无冷却水条件下的可靠冷却;
2. 变负荷下高效雾化的稳定性能;
3. 喷雾场的高穿透性能
4. 腐蚀和磨损防护性能;
半预混式废液喷枪采用气动旋流半预混的复合结构,在不影响雾化效果的条件下有效的减小了喷嘴阻力,降低了喷嘴前端的供应压力,同时利用可调喷头钝体结构来实现对雾化效果的灵活调节。压缩雾化空气在枪体外侧流动,采用合理的切向孔均孔结构,使压缩空气产生强旋流,增强和液体撞击的破碎和混合效果;液体在枪体内侧流动,利用旋流板结构使废液均匀化的同时产生强旋流,增强雾化性能。外混式喷嘴采用低气耗率雾化方式,液路通过复合旋流结构使液滴破碎雾化,在喷嘴出口处和辅助气二次撞击,进一步雾化。
对于废液粘度较高,但加热后粘度会变小,流动性变好的废液,采用蒸汽辅助雾化喷枪。
对于大流量(大于1t/h),废液首先经过蒸汽预热后送入喷枪,蒸汽雾化喷嘴基于“Y”型标准喷嘴,采用了耦合式均流结构,在喷嘴出口处形成多个气液混合的小喷嘴。蒸汽和废液在喷嘴出口处发生撞击,形成高效雾化。各个小喷嘴可以独立调节汽液比,可以适应各种复杂的工况。标准Y型喷嘴具有出力大、宽调节比、气耗率低、雾化锥角稳定的特点。
对于中小流量(0.1-1t/h),雾化介质选用蒸汽,液路应充分考虑防堵,采用直管路结构,在喷嘴出口处和蒸汽发生撞击,形成高效雾化。该喷嘴适用于中小流量,雾化性能较好,具有优良的防堵性能,且喷枪维护简单。
废液喷枪的设计参数主要包括喷射角度、雾化粒度、喷嘴出口速度,可调节范围等。
喷射角度:喷射角度的设计应根据炉膛的具体形状设计,理想情况是覆盖面积大且不刷壁,这样不仅可以保证更好的混合而且不会冲刷耐火材料,造成耐材的脱落和结焦。
雾化粒度:可实现50-200um的雾化粒径,雾化粒径的大小直接影响燃烧效率以及烟气的排放是否达标。
喷嘴出口速度:可实现30-150m/s的喷射速度,出口喷射速度是影响液滴穿透深度的重要因素,在燃烧过程中对火焰长度有较大的影响。
可调范围:可实现10%-150%的宽范围调节。可调范围越大,系统运行的越稳定。高性能防堵雾化喷枪尤其在低负荷运行时,有良好的雾化效果。