萬 益，黃薇薇，鄭成航，高 翔，岑可法
（浙江大學(xué)熱能工程研究所，能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州３１００２７）
摘 要：為優(yōu)化濕式靜電除塵器清灰特性，研究噴嘴特性．采用相位多普勒粒子分析儀（ＰＤＡ），研究單噴嘴、雙噴嘴同軸側(cè)向撞擊及噴嘴與壁面碰撞后的霧化特性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明液滴撞壁后形態(tài)主要由液滴自身動能、液滴表面張力和黏度決定，由韋伯?dāng)?shù)描述．距離噴嘴位置越遠(yuǎn)，噴嘴霧化角越大，索特爾平均粒徑（ＳＭＤ）波動越小，韋伯?dāng)?shù)分布越均勻，液膜均布性越好．在此基礎(chǔ)上，對噴嘴布置方式與液膜均布性關(guān)系做進(jìn)一步分析，得到噴淋管間距越大，噴嘴角度越大，極板上水膜更加均勻，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與噴嘴特性實(shí)驗(yàn)相符．
關(guān)鍵詞：濕式靜電；ＰＤＡ；噴嘴霧化特性；水膜均布
國家新發(fā)布的燃煤電廠排放標(biāo)準(zhǔn)將ＰＭ ２．５排放量降低到３０ｍｇ／ｍ３，重點(diǎn)地區(qū)ＰＭ?。玻蹬欧艥舛认拗禐椋玻埃恚纾?sup>３，如此嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，對傳統(tǒng)靜電除塵器的達(dá)標(biāo)排放帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)．濕式靜電除塵器由于采用水膜清灰方式，避免了傳統(tǒng)電除塵器二次揚(yáng)塵與反電暈現(xiàn)象，可進(jìn)一步提高細(xì)顆粒物的脫除效率，實(shí)現(xiàn)ＰＭ?。玻档某团欧牛蔀楝F(xiàn)在工業(yè)除塵發(fā)展的一個重要方向．目前，濕式靜電除塵器工程應(yīng)用多采用噴嘴噴淋清灰方式，當(dāng)噴淋流量過小，在收塵極板上易形成溝流，長期運(yùn)行則造成極板結(jié)垢，影響系統(tǒng)放電特性；當(dāng)噴淋量過大時，則會造成對水資源的浪費(fèi)，同時加重循環(huán)水處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)．合理的噴嘴排布方式及噴嘴選型可在較小水量下實(shí)現(xiàn)液膜均勻分布，在濕式靜電除塵器設(shè)計中極為關(guān)鍵．
在霧滴的激光測量技術(shù)中，馬爾文粒度儀、粒子圖像測速儀（ＰＩＶ）及激光多普勒測速儀（ＬＤＡ）多應(yīng)用于噴霧研究［１－２］．馬爾文儀不能測量粒子速度分布，而后兩者方法不能測量粒子的平均粒徑．ＰＤＡ結(jié)合上述３種測試技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可同時測量粒子速度與粒徑分布，廣泛應(yīng)用于噴嘴霧化性能研究中．
對于單個噴嘴霧化的研究，早在上個世紀(jì)８０年代國外就使用ＰＤＰＡ 簡單測量了氣動噴嘴霧化的液滴尺寸和速度［３］．隨后國內(nèi)外課題組展開了對于各種結(jié)構(gòu)噴嘴空間內(nèi)粒徑分布與速度分布的ＰＤＡ測量研究［４－５］．對于多噴嘴霧化特性的研究，劉海峰等［６］采用ＰＤＡ測量對置撞擊流徑向速度，得到最大徑向速度與射流初速度、噴嘴直徑和噴嘴間距有關(guān)，但沒有給出粒徑分布與噴嘴參數(shù)之間的關(guān)系．
Ｇｗｏｎ等［７］提出新的液滴碰撞模型，同時從實(shí)驗(yàn)角度得到兩噴嘴碰撞對粒徑分布的影響．對于液滴對壁碰撞特性的研究，Ａｎｄｅｒｓ等［８］結(jié)合高速攝影技術(shù)與微距攝影技術(shù)，研究了不同液滴速度與壁溫條件下液滴碰壁形態(tài)的變化．關(guān)于水膜均布性方面，國內(nèi)外學(xué)者曾針對豎直管壁降液膜均布性進(jìn)行研究［９－１０］，然而針對濕式靜電除塵器內(nèi)部噴嘴特性及對液膜均布性影響的研究，國內(nèi)外還沒有這方面的文獻(xiàn)報道．
本文主要研究濕式靜電噴嘴特性，包括不同噴嘴參數(shù)與噴嘴布置下霧化特性與對液膜均布的影響．從單噴嘴及雙噴嘴霧化特性與液滴對壁碰撞特性研究入手，得到不同噴嘴參數(shù)條件下液滴粒徑分布規(guī)律及與液膜均布性關(guān)系．在此基礎(chǔ)上搭建液膜均布實(shí)驗(yàn)臺，得到噴嘴布置方式與液膜均布性關(guān)系，為濕式靜電除塵噴淋系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供理論基礎(chǔ)及技術(shù)支持．
１ 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法
１．１ 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
如圖１所示為噴嘴霧化特性測試裝置圖，霧化在常溫下進(jìn)行，工質(zhì)為水，離心水泵（Ｆｕｌａｎｋｅ，浙江）揚(yáng)程為１６～２０ｍ，流量為１０～６８Ｌ／ｍｉｎ．該裝置采用ＰＤＡ測試系統(tǒng)（ＤＡＮＴＥＣ公司，丹麥），測量粒子素特爾平均（實(shí)際的顆粒具有相同表面積的球體的直徑）直徑在０．１～１０?。埃埃?mu;ｍ，實(shí)驗(yàn)中每一個測試點(diǎn)設(shè)定采集１ ０００個樣，焦距設(shè)定為８００ｍｍ，焦點(diǎn)為測試點(diǎn)．噴嘴選用不銹鋼實(shí)心錐一流體霧化噴嘴，具體參數(shù)如表１所示，其中ｑＶ為水流量，α為霧化角．
噴嘴距水池高度為１ ４５０ｍｍ，噴嘴間距調(diào)節(jié)通過改變兩噴嘴之間連接管道長度實(shí)現(xiàn)．為保證激光透過擋板，不影響測試結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)選取長度為１?。矗埃埃恚?，高度為１?。矗担埃恚?高透明度有機(jī)玻璃板作為液滴碰撞壁面，模擬除塵器陽極板．
在假設(shè)理想狀態(tài)下，噴嘴霧化對稱分布，僅掃描１／４霧化區(qū)域，ＰＤＡ測試坐標(biāo)建立如圖２所示，Ｚ 軸方向測點(diǎn)間隔為１０ｍｍ，圖２（ａ）為單噴嘴測點(diǎn)布置方式，選取噴嘴正下方５ｍｍ處作為ＰＤＡ掃描坐標(biāo)原點(diǎn)；圖２（ｂ）為雙噴嘴同軸側(cè)向碰撞測點(diǎn)布置方式，選取兩噴嘴噴淋區(qū)域的交點(diǎn)為ＰＤＡ 掃描的坐標(biāo)原點(diǎn)；圖２（ｃ）為液滴對壁碰撞測點(diǎn)布置方式，選取碰壁最高點(diǎn)為ＰＤＡ掃描的坐標(biāo)原點(diǎn)．
如圖３所示為液膜均布性測試裝置圖，采用離心水泵（上海，佳爽）作為供水動力設(shè)備，揚(yáng)程５０ｍ，流量２５ｍ３／ｈ．測試極板總寬度為１ｍ，總高度為６ｍ，極板下端連接測試裝置，測試裝置與極板平行放置．噴嘴布置方式如圖３（ｂ）所示，共計２根水管，水管放置方向與極板垂直，每根水管上布置２個噴嘴，噴嘴高度及水管間距可通過調(diào)節(jié)懸掛水管的鋼架位置實(shí)現(xiàn)．
測試裝置結(jié)構(gòu)如圖３（ｃ）所示，水槽槽口朝上，由分流板分隔為１０個子水槽，水槽內(nèi)均設(shè)置通孔，引流管與通孔相連接，整個裝置通過螺絲固定于陽極板上．測試時，通過引流管將水槽中水導(dǎo)入水桶，設(shè)定測試時間為５ｍｉｎ，測試結(jié)束，依次稱量每個水槽中水的重量．通過改變噴嘴參數(shù)，噴淋管間距，噴淋高度及噴嘴與極板位置，獲得不同噴嘴布置方式下液膜均布性，得到最優(yōu)噴嘴布置方式．本實(shí)驗(yàn)選用２種規(guī)格噴嘴，如表２所示：
１．２ 噴嘴霧化過程與韋伯?dāng)?shù)
濕式靜電除塵系統(tǒng)中霧化過程十分復(fù)雜，但總體上霧化過程可分為噴嘴霧化、液滴撞擊霧化、液滴碰壁霧化等３個基本過程，其中，液滴撞擊霧化是由多噴嘴同軸側(cè)向撞擊形成．在液體霧化過程中，作用在單個液滴上的力主要有：重力，慣性力，表面張力與黏性力［１１］．重力與慣性力作為外力使得液滴表面發(fā)生變形，表面張力與黏性力作為內(nèi)力維持液滴形態(tài)，當(dāng)外力作用大于內(nèi)力作用，液滴發(fā)生破碎．液滴破碎過程主要由韋伯?dāng)?shù)來描述，公式如下：
式中：ρ為液體密度，σ液體表面張力，Ｄ 液滴直徑，ｖ為液滴的特征流速，其中ρ＝１?。埃埃埃耄纾?sup>３，σ＝７．２８×１０－２?。危恚ǎ玻啊鏁r），液滴的平均流速為特征流速．
在液滴撞擊霧化過程中，假設(shè)撞擊流在除塵器內(nèi)擴(kuò)散并交叉撞擊，撞擊流撞擊前后軸向速度不變，在徑向擴(kuò)散的兩股流體之間也不存在往復(fù)運(yùn)動；撞擊流在除塵器內(nèi)擴(kuò)散并交叉撞擊，液滴在撞擊后，散裂、聚并或保持原顆粒大小．液滴碰撞過程如圖４所示，液滴之間由于存在空隙，除受到上述４種基本力之外，還受到彼此相斥的壓力，在這些力的作用下，相互碰撞通常會出現(xiàn)以下４種情況，反彈、聚結(jié)、反身分離及拉伸分［７］．當(dāng)液滴動能不足以克服壓力，則液滴反彈，當(dāng)液滴動能足夠大時，兩液滴碰撞發(fā)生聚結(jié)，當(dāng)液滴處于高韋伯?dāng)?shù)下，液滴動能相當(dāng)大，則發(fā)生反身分離或拉伸分離．當(dāng)液滴發(fā)生分離時會在液滴周圍出現(xiàn)衛(wèi)星顆粒，大大減小液滴平均粒徑，這一過程又被稱為碰撞引起的液滴破碎過程．Ａｒｋｈｉｐｏｖ等［１２］給出液滴分離判據(jù)如下：
式中：Δ 為最大液滴粒徑與最小液滴粒徑的比值，Ｘ為無量綱數(shù)，公式（２）為Ｘ 值閾值計算公式，超過該值則出現(xiàn)拉升分離．由該公式可知，韋伯?dāng)?shù)越大，碰撞液滴粒徑越接近，越易出現(xiàn)分離．然而，分離又將導(dǎo)致液滴粒徑變小，從而韋伯?dāng)?shù)減小，閾值增大，制約液滴進(jìn)一步分離．
液滴與固壁的碰撞過程是濕式靜電液滴霧化最重要的過程，其結(jié)果直接影響形成液膜的均勻性．由于液滴本身撞擊動能、表面張力及黏度的不同，液滴碰壁后出現(xiàn)反彈、擴(kuò)展和飛濺３種可能情況，可根據(jù)碰撞液滴Ｗｅｂｅｒ數(shù)判別液滴碰壁后形態(tài)．由文獻(xiàn)［１３］可知，液滴反彈與飛濺的臨界韋伯?dāng)?shù)分別為３０和８０．當(dāng)Ｗｅｂｅｒ數(shù)較小時，碰壁后液滴反彈，其直徑不變；隨著Ｗｅｂｅｒ數(shù)達(dá)到第１臨界韋伯?dāng)?shù)，碰壁后液滴形成皇冠形空間液膜［１４］，噴霧場中大液滴數(shù)目減?。唬祝澹猓澹驍?shù)進(jìn)一步增大到第２臨界韋伯?dāng)?shù)，碰壁后部分液體形成貼壁液膜，部分液體形成飛濺小液滴，且飛濺液滴直徑小于入射液滴直徑，減小了噴霧場液滴平均粒徑［１５］．液滴破碎與反彈均導(dǎo)致水利用率下降，液滴的不同韋伯?dāng)?shù)造成極板處液膜分布不均勻，由此可知，可從液滴韋伯?dāng)?shù)分布出發(fā)衡量形成液膜均布性．
１．３?。校模翜y試原理
激光打到粒子表面發(fā)生散射作用，其散射光頻率與粒子移動速度有關(guān)，通過測量２個不同位置接收器散射光相位差，可以求得散射光頻率ｆ，進(jìn)而求得粒子運(yùn)動速度，其頻率ｆ與相位差φ１２關(guān)系公式如下：
當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)幾何參數(shù)保持不變，兩不同位置接收器散射光相位差與散射粒子直徑ｄｐ成正比，相關(guān)公式如下：
式中：φ１２為探測器接收到的一個多普勒脈沖的相位；β為幾何因子，由散射模型及光路設(shè)置參數(shù)而定；ｎ１為散射介質(zhì)的折射率；λ 為激光在真空中的波長［１６］．
１．４ 液膜厚度理論計算
假設(shè)在理想表面上，小流量液體流過壁面，最初以溝流形式存在，增加液體流量達(dá)到一定值，液膜以固定厚度存在，只是在寬度上加大．當(dāng)加大到一定程度，形成連續(xù)液膜，則該固定厚度即形成均勻連續(xù)液膜的臨界厚度．根據(jù)能量最小原理，得到臨界液膜厚度為［１７］
式中：取液膜的動力黏性系數(shù)μ＝１×１０－３?。校?middot;ｓ（２０℃），液膜表面張力σＬＶ＝７．２８×１０－２?。?middot;ｍ－１（２０℃），液體在不銹鋼極板上接觸角θＹ＝６４．２１４°，取水密度ρ＝１．０×１０３?。耄纾?sup>３，計算常溫下液膜臨界厚度為８．２５×１０－５?。恚?dāng)液體流量繼續(xù)增加，液膜厚度增加，其厚度δ與流速ｕａｖ具有以下關(guān)系［１８］：
當(dāng)測量液膜流量，可以根據(jù)該公式計算出液膜平均厚度．
２ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
２．１ 噴嘴霧化特性
如圖５所示為不同高度下單噴嘴霧化特性測試，此時選用噴嘴角度６０°，流量為３．７Ｌ／ｍｉｎ．由圖５（ａ）可知，隨Ｚ 軸位置的下降，索特爾平均粒徑減小，同時其粒徑分布越均勻．索特爾平均粒徑隨Ｙ軸位置分布，在Ｚ＝－５０ｍｍ呈現(xiàn)三峰分布，在Ｚ＝－４０ｍｍ呈現(xiàn)Ｖ型分布．分析原因?yàn)椋河梢旱闻鲎怖碚摽芍?，在噴嘴的霧化邊緣，隨著位置的降低，其液滴動能增大，韋伯?dāng)?shù)增大，分離閾值減小，在碰撞中更易發(fā)生破碎形成衛(wèi)星顆粒，降低索特爾平均粒徑；在噴嘴霧化的中心區(qū)域，隨著位置的降低，其液滴動能減小，液滴在碰撞中更易發(fā)生聚結(jié)．如圖５（ｂ）所示，隨著噴淋高度增大，韋伯?dāng)?shù)分布趨于均勻．由液滴碰壁理論可知，韋伯?dāng)?shù)決定液滴碰壁后形態(tài)，當(dāng)噴嘴位置于Ｚ＝－５０ｍｍ 處，韋伯?dāng)?shù)處于３０～８０之間，波動較小，液滴無飛濺情況，水利用率高，由此可知噴淋高度的提高有助于形成均勻液膜．
如圖６（ａ）所示為不同霧化角噴嘴在Ｚ＝－５０ｍｍ時，Ｙ 軸方向上粒徑分布，由圖可知，隨著霧化角的增大，索特爾平均粒徑減小，同時其粒徑分布越均勻．分析原因?yàn)椋簭V角噴嘴噴射液滴具有更大的動能，液滴碰撞發(fā)生破碎的概率更大，索特爾平均粒徑減小．由圖６（ｂ）可知，隨著噴嘴霧化角增大，韋伯?dāng)?shù)分布趨于均勻，噴嘴霧化角為９０°時，韋伯?dāng)?shù)在６５左右波動，由液滴碰壁理論可知液滴運(yùn)動到壁面擴(kuò)展更易形成均勻液膜．
如圖７所示為不同噴嘴間距在Ｚ＝ －５０ｍｍ處，Ｙ 軸上粒徑分布，此時選用噴嘴角度為６０°，流量３．７Ｌ／ｍｉｎ．由圖７可知，噴嘴間距為１００ｍｍ時，粒徑隨位置變化呈現(xiàn)雙峰分布，噴嘴間距為１５０ｍｍ，粒徑隨位置變化呈現(xiàn)三峰分布．比較可得，隨著噴嘴間距增加，液滴索特爾平均粒徑增大，分布波動性減小．分析原因：隨著噴嘴間距增大，在碰撞中心區(qū)域，液滴碰撞動能較大，碰撞導(dǎo)致液滴碰撞破碎，形成更多衛(wèi)星液滴，使得液滴的平均粒徑下降．在碰撞邊緣區(qū)域，由于液滴之間碰撞速度減小，不足以發(fā)生液滴背離，液滴聚結(jié)，使得平均粒徑上升．
如圖８所示為雙噴嘴同軸側(cè)向碰撞霧化與單噴嘴霧化在Ｚ＝－８７ｍｍ 處，Ｙ 軸不同位置粒徑與霧滴數(shù)關(guān)系比較圖，其中Ｎ 表示霧滴數(shù)目．由圖可知，雙噴嘴同軸撞擊后液滴碰撞發(fā)生破碎，形成較小衛(wèi)星顆粒，且小顆粒有向霧化邊緣區(qū)運(yùn)動的趨勢，使得空間液滴索特爾平均粒徑減小．
２．２ 液滴與壁面碰撞特性
如圖９所示為壁面碰撞距離分別為５０與１００ｍｍ霧滴在Ｙ 軸方向上粒徑分布，由圖可知隨壁面距離增大，霧滴粒徑分布越均勻．分析原因?yàn)?，噴嘴與極板距離的增加使得噴嘴與極板碰撞處下移，碰撞處液滴的索特爾平均粒徑增大，速度減小，液滴在與極板碰撞后，因動能的減小而增加了黏附界面的性能，液滴在極板上更利于形成均勻的水膜．設(shè)定ＰＤＡ在每個測點(diǎn)所測得的法向速度ｕ其方向與Ｙ 軸正方向一致的為反彈（或噴濺）霧滴，否則為入射霧滴．
如圖１０所示，撞擊壁面后霧滴粒徑有所增加．反彈后的霧滴數(shù)明顯低于撞擊前，這顯現(xiàn)出霧滴具有較好的黏附性能．小霧滴減小，大霧滴增加，這也反映了反彈過程中的凝并現(xiàn)象．
如圖１１所示為不同壁面位置韋伯?dāng)?shù)分布，韋伯?dāng)?shù)在２０～４５波動，液滴沒有發(fā)生飛濺，由液滴碰壁理論可知，在此韋伯?dāng)?shù)范圍內(nèi)的大部分液滴都將受到黏附力的作用黏附于極板之上，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合．
２．３ 噴嘴布置對液膜均布性影響
利用式（６）可計算不同位置平均液膜厚度與平均流速，其計算結(jié)果如圖１２所示，隨著噴淋管高度提高，噴嘴霧化角增大，噴淋管間距增大，噴嘴與極板間距增大，更易形成均勻水膜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與噴嘴霧化特性實(shí)驗(yàn)符合較好．從液膜厚度角度來說，所測量工況均超過理論計算的臨界液膜厚度，可形成連續(xù)液膜．
圖１２（ａ）為噴嘴布置在不同位置上液膜均布性測試，其中橫坐標(biāo)Ｐ 為位置，由圖可知，極線上方要比極板上方平均液膜厚度大，所用噴淋水量增加，然而由圖可見各位置液膜厚度波動性小，并且噴嘴在極線上方可同時兼顧陰極線與陽極板清灰，綜上，噴嘴布置選擇在極線上方．
圖１２（ｂ）、（ｃ）所示，噴嘴布置于極線上方，所用噴嘴參數(shù)相同，均為５０°普通角噴嘴，僅改變噴嘴布置方式，液膜均布性有所變化，噴嘴位置越高，噴嘴間距越大，液膜分布越均勻，液膜平均厚度越薄，用水量越省，符合工程應(yīng)用要求．
圖１２（ｄ）中，采用不同霧化角噴嘴，噴淋管間距為５００ｍｍ，其噴淋流量略有不同，整塊極板液膜平均厚度及平均流速不具有可比性，由圖可知，各個位置液膜平均厚度波動性隨噴嘴霧化角增大而減小，主要體現(xiàn)在極板邊緣液膜均布性上．當(dāng)采用普通角噴嘴，由于噴嘴距極板邊緣水平距離較遠(yuǎn)，影響極板邊緣液膜分布均勻性．當(dāng)采用廣角噴嘴，噴淋覆蓋范圍增加，極板邊緣液膜均布性得到改善．
３ 結(jié) 論
（１）單噴嘴霧化角越大，噴淋高度越高，索特爾平均粒徑分布越均勻，韋伯?dāng)?shù)分布波動值越小，液膜分布越均勻．
（２）雙噴嘴同軸側(cè)向撞擊，碰撞后粒徑比噴撞前粒徑降低，兩噴嘴噴淋間距影響液滴粒徑分布，噴淋間距越大，平均粒徑分布越均勻，液膜分布越均勻．韋伯?dāng)?shù)分布可作為液膜均布性的判定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)韋伯?dāng)?shù)分布均勻，對應(yīng)噴嘴布置形成的液膜分布均勻．
（３）噴淋管高度提高，噴嘴霧化角增大，噴淋管間距增大，噴嘴與極板間距增大，更易形成均勻水膜．噴嘴布置在極線之上更優(yōu)．
以上研究均未考慮電場力對液滴作用，在此簡化模型下對噴嘴參數(shù)及噴淋布置做了初步研究．
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