Конструкции и испытания распылительного устройства для золоуловителей ТЭС

Загоскина Н. В., Зыкин Ю. В., Соковнин О. М.

Одним из эффективных и малозатратных путей повышения КПД мокрых золоуловителей, работающих на ТЭС, является совершенствование систем орошения и конструкций распылителей, используемых в аппаратах газоочистки [1].
Основные требования к распылителям, работающим в мокрых аппаратах очистки дымовых газов теплоэлектростанций, следующие:
обеспечение равномерной плотности орошения и высокой удельной поверхности массообмена в зоне контакта запыленного газа и капель распыленной жидкости;
высокая производительность по распиливаемой жидкости единичного устройства;
возможность устойчивой работы распылителей на оборотной воде с частицами твердых включений, обладающих цементирующими и абразивными свойствами.
Проведенный анализ и обобщение опыта эксплуатации показали, что с точки зрения надежности
предпочтительно использование в скрубберах ТЭС струйных форсунок. Они наряду с центробежно-струйными форсунками обладают высоким коэффициентом расхода (т.е. менее энергоемки) и могут обеспечивать наиболее оптимальное заполнение факела распыла. При этом струйные форсунки целесообразно использовать для орошения газоходов прямоугольного, а центробежно-струйные - в газоходах круглого сечения, форма которых подобна поперечному сечению их факелов распыла. Однако с ростом единичной производительности форсунок (и соответственно с увеличением диаметра их выходного сопла) ухудшается дисперсность распыла. Указанная закономерность, характерная для всех типов гидравлических распылителей, больше проявляется именно у струйных форсунок, так как удельные энергозатраты на распыл жидкости у них самые минимальные.
Таким образом, задачей практического исследования являлась разработка плоскофакельной (щелевой) форсунки большой единичной производительности с улучшенными характеристиками распыла (дисперсность капель, равномерность плотности орошения в поперечном сечении факела распыла и др.).
На рис. 1 показано разработанное устройство с тремя распылительными соплами [2]. Распылительное устройство содержит корпус 1 с центральной полостью 2, которая цилиндрическими каналами 3, расположенными на продольной оси полости, соединена с клиновой выходной щелью 4. Диаметр цилиндрических каналов - d0, расстояние между их центрами - ак, высота клиновой щели - hщ. При пересечении цилиндрических каналов с клиновой щелью образуются выходные распылительные сопла 5 шириной λщ. Щель выполнена сквозной по всей торцевой поверхности распылительного устройства.
Устройство работает следующим образом. Распыливаемая жидкость подается в центральную полость корпуса, где распределяется по цилиндрическим каналам и поступает к выходным распылительным соплам. Так как их сечение представляет собой щель (отношение ширины к длине составляет 0,2 - 0,5), то истекающая струя при входе в сопло сжимается, а на выходе из него расширяется в плоскости параллельной щели, приобретая плоскую веерообразную форму. При этом боковые грани клиновой щели служат направляющим аппаратом, формирующим факел распыла и определяющим его геометрические параметры. Длина направляющего участка (hщ) в 6 - 12 раз больше ширины выходного сопла, что обеспечивает формирование устойчивой плоской струи с углом раскрытия а, соответствующим углу раскрытия клиновой щели.

Рис. 1. Распылительное устройство с тремя распылительными соплами

Использование в одном устройстве нескольких сопл, расположенных на его продольной оси, позволяет пропорционально увеличить производительность распыливающего устройства при сохранении высокой дисперсности распыла. Последняя величина обратно пропорциональна геометрическим размерам выходных каналов (чем меньше их размер, тем выше дисперсность образующихся капель).
Производственные испытания разработанных форсунок (вариант с двумя и тремя соплами при do = 8,0 мм, λΠί = 2,4 мм) проводились на специальном стенде [3]. В ходе испытаний определялись зависимости расхода Q, угла раскрытия факела распыла ос от давления распыла р. Кроме того, с помощью кольцевого сборника [4] определялось распределение жидкости q по сечению факела распыла. Коэффициент расхода ε форсунки определялся из соотношения
(1)
где Fς - суммарная площадь выходных сопл форсунки, м²; р - давление распыла, Па; р - плотность распыливаемой жидкости, кг/м³.
Дисперсность образующихся капель dK оценивалась через критерий Рейнольдса согласно формуле
(2)

Рис. 2. Графики зависимости расхода (a) и угла раскрытия факела (б) щелевой форсунки от давления распыла: 1 - двухсопловая форсунка; 2 - трехсопловая форсунка

Рис. 3. Графики распределения жидкости по радиусу факела для трехсопловой щелевой форсунки при различных давлениях распиливания: I, 2,3,4 - давление соответственно 0,1; 0,15; 0,2; 0,25 МПа

предложенной для расчета средних размеров капель, образующихся при работе плоскофакельных (щелевых) и центробежно-струйных форсунок [5].
Здесь Dc = 4F\l1 - эквивалентный диаметр одиночного щелевого сопла (/·), Щ - соответственно площадь и периметр одного выходного сопла форсунки); Re = WKDcp/ϻ - критерий Рейнольдса (- скорость капель на выходе из сопла форсунки, μ - вязкость распыливаемой жидкости).
На рис. 2 показаны графики зависимости Q (р) и а(р), снятые для двух- и трехсопловых щелевых форсунок. Распределение плотности орошения q трехсопловой щелевой форсунки по радиусу факела распыла R при различных давлениях показано на рис. 3. Средние значения коэффициентов расхода и дисперсности образующихся капель для двух-  и трехсопловых щелевых форсунок, рассчитанные из соотношений (1), (2), сведены в таблицу.

Таким образом, средний коэффициент расхода разработанных щелевых форсунок составил примерно 0,75, что несколько ниже, чем у типовых струйных распылителей. Однако незначительное увеличение энергозатрат обеспечило хорошую дисперсность распыла (dx и 0,4 т 0,5 мм), которая соответствует характеристикам центробежноструйных форсунок, работающих в тех же режимах [6, 7].
Повышение дисперсности капель по сравнению с известными струйными форсунками, достигнутое при низких давлениях распыла, обеспечивается за счет совмещения в одном корпусе нескольких распылительных сопл (на практике от одного до четырех) относительно малого выходного сечения. Кроме того, совмещение нескольких распылительных сопл в одном корпусе обеспечило высокую единичную производительность форсунки (до 8 м³/ч для четырехсоплового варианта) при снижении ее материалоемкости. Работа форсунки на оборотной воде, содержащей взвеси (dч < 0,5 мм), показала достаточную ее надежность, при этом простая конструкция форсунки способствует удобству ее обслуживания при ревизии орошающих коллекторов.

Значения коэффициентов расхода и дисперсности образующихся капель для щелевых форсунок

Указанные характеристики распыла (высокие производительность, дисперсность, равномерность плотности орошения) необходимы при проведении процессов межфазного массообмена (пылеулавливание, абсорбция, сушка и др.).

Особенно целесообразно использование предлагаемых распылительных устройств в технологических аппаратах прямоугольной формы, т.е. когда сечения зоны массообмена (реакции) и факела распыла подобны, например, в скрубберах Вентури с выносной трубой-коагулятором прямоугольного сечения, используемых для золоулавливания на теплоэлектростанциях.
В целом разработанная щелевая много сопловая форсунка отвечает требованиям эксплуатации в газоочистных установках теплоэлектростанций, обеспечивая хорошее качество распыла и надежность работы.

Список литературы

1. Соковнин О. М., Загоскина Н. В., Зыкин Ю. В. Реконструкция системы орошения золоуловителей ТЭС. - Электрические станции, 2000, № 7.
2. Пат. 2161073 (РФ). Распылительное устройство / Соковнин О. М., Загоскина Н. В., Зыкин Ю. В. Опубл. в Б. И., 2000, № 36.
3. ПажиД. Г, ПраховА. М., Равикович Б. Б. Форсунки в химической промышленности. М.: Химия, 1971.
4. А.с. 1331583 (СССР). Устройство для измерения объема жидкости по радиусу факела распыла форсунок / Соковнин О. М. Опубл. в Б. И., 1987, №31.
5. Вальдберг А. Ю., Савицкая Η. М. Обобщенная оценка дисперсности распыла гидравлических форсунок. - В кн.: Теоретические основы химической технологии, 1989, т. 23, №5.
6. Чернышов А. А., Мизин В. А. Струйно-вихревые форсунки тепло- и массообменных аппаратов. - Экспресс-информация. Сер. ХМ-1: Химическое и нефтеперерабатывающее машиностроение. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1986.
7. Галустов В. С. Прямоточные распылительные аппараты в теплоэнергетике. М.: Энергоатомиздат, 1989.