高压气流雾化喷嘴与机械式雾化喷嘴的主要类型

高压气流雾化喷嘴主要类型及特点

高压气流的雾化介质通常是0.2～1.0Mpa压力的压缩空气或蒸汽，利用高压气流的能量将高粘度液体雾化。高压气流能量大，用高压雾化比低压雾化消耗的雾化介质量少，约占燃用空气量的l0％左右。采用压缩空气雾化的喷嘴的燃烧装置的燃油雾化质量好，火焰温度高，火焰稍短，但是压缩空气成本比采用蒸汽的高，比采用低压气雾化的成本更高。例如用l0％的高压空气(0.3MPa)雾化的l00kg／h的重油，空气压缩机需要功率约为用30％的低压气(10000Pa)雾化同样油量的鼓风机功率的6倍。当然采用高压气的雾化质量高，燃烧速度快。

采用蒸汽雾化约消耗锅炉蒸汽量的2％左右(若采用内混式或Y型喷嘴，则耗汽量仅0．3％～0．5％)，并且送人燃烧器前，必须排掉水质较好的凝结水，也有一定消耗，但比压缩空气的低。因此能提供蒸汽的单位尽量使用蒸汽雾化方式。一也般也可先用压缩空气启动燃烧装置，待产生蒸汽后切换为蒸汽雾化。

人们为了降低雾化气成本和提高雾化质量，研究开发了不同结构型式的高压空气(蒸汽)雾化喷嘴。

(1)外混式高压气流雾化喷嘴

下面给出的是几种外混式气流雾化喷嘴的方案示意图，液体和雾化剂在喷口外部混合、雾化，仅是一级雾化。但是，如果喷嘴结构参数合理，运行参数适当，高速气流剧烈冲击液体，仍可获得优于机械雾化的质量。为早期炉窑中使用的导管式高压气流雾化喷嘴，雾化刺与燃油以25°的夹角相撞击雾化。该种简单的斜交外混型油嘴，已在工业炉上有近百年的使用历史。它的喷油嘴可用手轮前后调节，以改变雾化剂流量。也可采用阀门调节油、气量，其调节比可达l：5。雾化剂喷出速度低于声速，当雾化剂压力低于0．3MPa以下(相应油压为0.2～0.25MPa)。该种喷嘴气耗高，采用蒸汽为0.4～0.6kg／kg，空气为0.5～0.8kg／kg，并且火焰细长，约为2.5-7m。同时由于气耗大而造成烟气中水蒸气含量提高，造成锅炉尾部低温腐蚀或堵灰。

下图为国外引进的外混式喷嘴，采用多孔式油喷头，也是与燃油斜交撞击雾化方式。由于多而细的油孔，在燃用国产重油时易于堵塞。且当气油比下降时，雾滴尺寸急剧增大，因此使用效果不太满意。

所示的方案的雾化剂经过旋流器，又称为涡流式高压烧嘴，它已形成HB型系列产品，雾化剂用量约为燃烧所需理论守气最的2．8％．蒸汽耗量为0．22kg／kg，空气耗量为0.28kg／kg，火焰较短，且尺寸可调(改变雾化剂旋流度)，比简单套管式的性能优越。也有的外混式燃嘴采用雾化剂经中心拉伐尔管，燃油经环道在喉道处喷人气流中．经扩张管喷出的油气混合物速度可超过声速，但是扩张管外混式喷嘴的雾化剂密度会减小，雾化效果不一定会改善，凶此多采用收敛喷口。

高压气流雾化外混式喷嘴的喷油量不可能太大，过大则雾化剂耗量大。外混式气流雾化喷嘴的雾化剂从喷口喷出后，无论采用何种形式，与燃油升始瞬间接触时间短(在距喷口一定距离内)，良好的雾化条件很快减弱，致使雾化、混合、燃烧过程长，火焰细长。

基于以上原用而产生了内混式气流雾化喷嘴。

(2)内混式高压气流雾化啧嘴

我们给出几种内混武喷嘴方案，它们共同特点是有一个较大的内混室，油在混合室内与雾化剂混合后，从喷出孔喷出并膨胀、雾化。良好的预混合雾化，_仃利下减少气耗，提高燃烧速度，缩短火焰长度。内混式喷嘴的燃油喷口不受高温辐射，可防止燃油裂化而堵塞喷口。

1)混合室尺寸

试验对比了三种混合室直径(32、34、36mm)，在直径变化范围内，对雾化质量影响不大。而不同混合室长度(L=20、25、30ram)对雾化质量有明显影响，长度短的SMD最小。L过长的不利原因在于：一是第一级雾化燃油部分发生聚合，或在流动过程中凝结在内壁上；二是流动损失增加，使混合室内压力降低，不利于二次雾化。

2)气孔直径

气孔直径小，在低气液比时一级雾化效果好。而气液比增加时，大气孔的雾化效果好，这是由于压力损失小，二级雾化效果好。

3)油扎直径

在小气液比时，采用大油孔的流速低，当气流相对速度差大，一级雾化效果好；而在大气液比时，油孔大的供油压力低，混合室压力也低，二级雾化效果差。综台考虑，采用较大油孔直径，有利于改善在低气液比的雾化质量，且不易堵塞油孔。

4)二缎喷孔直径

在小气液比时，二级喷孔尺寸小，二级雾化效果好。而在大气液时，混合室压力高，一级雾化效果差，二级雾化效果好，综合效果不如采用较大二级喷于直径。

(3)Y型喷嘴

我们示出了Y型喷嘴结构图，它是一种多单元内混式双重流体雾化器。也有人称它为中间混台式，与单纯的一般内混或外混式的射流雾化喷嘴在结构上有些差别，已有不少试验研究报告，从中中以概括如下特点：

1)出力大(工业炉上术语，即燃油量大或功率大)，最大燃油量可达10000kg／h，在大型工业炉、电厂锅炉上广泛采用。

2)在宽广调节比(1：20)范围内，雾化质量好，结构参数匹配合理时，SMD可达到50～80um。

3)气耗低，单位燃油耗气量为0.01-0.07 kg／kg。

4)可采用单孔试骑件进行调试，再由6-30组油气孔组合(根据国外燃气轮机经验，单个喷嘴燃油繁超过1000kg／h，则必须采用多喷嘴)。

5)雾化锥角不随工况变化。该种喷嘴的油大部分沾在混合孔壁上，形成油膜，受雾化介质(空气或蒸汽)的作用而加速从喷口喷出，形成环形油膜，然后破碎为雾滴。在混合孔中，油和气充分混合，高效地将雾化介质能量传递给燃油，因此气耗很低。

高压气流雾化喷嘴突出优点使它不仪在燃烧设备(工业炉、锅炉及燃气轮机)上作为高粘度燃油的喷雾装置，而且在非燃烧没备，如喷雾干燥器、表面清理和喷涂等也广泛采用。

在喷雾干燥器上使用的高压气流雾化喷嘴多采用外混式，可以防止高温下喷嘴堵塞，在医药和染料生产中常采用。对于高粘度溶液和膏糊状物，如铁红、钛白粉等，则采用内外混合的三流型喷嘴，即料液先与二次气流在喷嘴内混合，然后在喷嘴出口处与一次空气混合、雾化。一般喷漆的空气雾化喷枪的空气压力为0.3—0.6MPa，而涂料可靠空气吸引(吸上式)，自重喷出(重力式)或增压(压送式压力为12～2l。6MPa，可电动或气动驱动增压系)供给。喷嘴孔径为0. 5～2.5mm。

 

机械式空气雾化喷嘴特点与应用

1、特点及应用

机械空气(蒸汽)雾化喷嘴综台了简单机械(压力、离心式)雾化喷嘴和高压流雾化喷嘴的各自优点，消除了各自的缺点，既采用较高油压，又利用高速气流对流体的雾化作用。达到了在比机械雾化喷嘴低的油压，比纯高压气流喷嘴较低的气耗条件下，扩大了调节比，改善了低负荷时雾化质量及燃烧性能，又节约了雾化气用量。

下面给出的机械空气(蒸汽)雾化喷嘴包括机械雾化喷嘴与低压或高压气流雾化喷嘴的组合。在前面中已经介绍过与低压空气雾化喷嘴的组合．它主要应用于燃气轮机燃烧室上。请注意燃气轮机上的低压雾化喷嘴是指经过喷嘴的雾化气压差很小。本节主要介绍与高压气流雾化喷嘴的组合，它们在工业炉及燃气轮机上均设采用。在燃气轮机上采用的机械空气(蒸汽)雾化喷嘴也称为空气助雾化机械喷嘴。

当然该种喷嘴结构复杂，并且必须具备高压气源。因此在航空燃气轮机上只采用低压气的，在地面燃机上才可采用高压气的。

另外也有必要指出：机械空气雾化喷嘴似乎是“最佳的组合”喷嘴，但是并非所有燃烧装置上或非燃烧设备上都应采用它。随着对喷嘴技术的研究和开发，已经创新了各种不同方案，对各种方案的性能又在不断完善和改进。但是每种方案(包括机械空气雾化喷嘴)都有一定的优越性和局限性，以及一定的工作范围、工作条件。加之，不同燃烧装置和非燃烧设备对喷嘴的各方面要求是不同的，采用明哪种喷嘴主要依据燃烧与非燃烧设备而定，有的还要尊重使用单位的历史、经验、习惯等作出选择。有关喷嘴的选择的一般原则在下面文章中还将加以说明。

2、一般机械空气(蒸汽)雾化喷嘴

在工业炉窑上使用的一般机械空气(蒸汽)雾化喷嘴也分为内混式和外混式。我们给出的是某电厂使用的内混式蒸汽机械雾化喷嘴，它是由汽孔供入8个 4mm×4mm切向槽蒸汽，与由油孔供入的ll0-120℃重油射流在混合室预混，再从夹角为60°的混合孔喷出雾化：最大喷油量为1600kg/h，它的汽压0。8MPa，油压0.75MPa，汽耗率为0.0887kg/kg。

我们示出的是从国外引进的炉窑上使用的外混式机械-气流，油、气均经过旋流器(体)，油旋流器仅起产生油膜的作用，且流速较低，当粘性很高时仅形成油柱。在喷口前一个较小空间部分掺合、部分雾化。主要在喷口后雾化，属于液膜式外混喷嘴。该喷嘴的气耗约为0.255kg／kg。

对该喷嘴的变几何参数及工作参数试验研究获得结果是：

1)气旋角(5°-9°)及气槽面积变化，对SMD影响不大。

2)对SMD影响最大因素是气液比、气流速度，其次是燃油旋流角及燃油粘度。该喷嘴在燃用国产重油时，经常出现油旋流器(4)处堵塞。为此，有关单位对它进行不断改进和完善工作：

首先将原喷嘴采用的旋流件，由斜扎片改为旋流塞，并增大塞体上的旋流槽道尺寸，此项改进有效地减少了堵塞故障。但是雾化质墙不太理想。其次引入少量高压雾化气进入中心油路，油、气预混后经旋流塞喷出进行第一次雾化，然后再与原高压雾化气相混后喷出，实现第二次雾化，大大改善了雾化质量。由于燃油中引入高压气，燃油喷射后的燃烧火焰刚健有力，该种喷嘴在玻璃窑炉上得到了广泛应用。

由此可见，引进产品并非十全十美，完全有可能结合国内实际使用条件，在消化国外技术基础上加以改进和完善。另外也可以说明，同一种类型的喷嘴的雾化质量也并非一成不变，在结构上或配气比例上微小变化也可以改善雾化质量和工作性能。

下面是外混式蒸汽机械雾化喷嘴，燃油经雾化筒外环形通道、切向孔进入旋流室，然后从喷口喷出；蒸汽经旋流叶片，以同样旋向喷出，与喷油锥在喷嘴外相混合、雾化。活塞向右移动，可改变进油口开度，相当于可调式机械雾化喷嘴。当汽压不变，提高油压，喷油量增大，当喷油量大2000kg／h时，汽耗率低于0.05kg/kg。而当油量减小时，汽耗率增大。燃油喷雾锥角随汽压降低油压增大而增大，变化范围为40°60°；反之，雾化锥角减小。

我们曾在回油式机械雾化喷嘴外加装高压雾化空气套简(相当外混式机械雾化喷嘴)，由于供人高压雾化气，改变了常规回油喷嘴喷雾锥角变化规律，即低油压下本会出现的大的喷雾锥角变小了，而在高油压下的喷雾锥角并未减小。该现象与上述的喷嘴有相似之处，即高压雾化气对喷雾锥是有压缩作用的。

3、空气助雾化喷嘴

为了改善喷嘴雾化质量，在地面燃气轮机改燃重油时，采用了空气助雾化喷嘴(Air-asisted Atomizer),下面示出了二种型号燃气轮机上采用喷嘴结构图。它们共同的特点是中心有一个结构完善的机械雾化(压力雾化)喷嘴，红它的外围是雾化空气通道。前两种喷嘴的最外围还是有天然气供气通道，可以作为燃烧室点火时产生起始火焰，也可兼烧天然，又称为双燃料喷嘴。

由以上述表中可以看出：

1)燃气轮机上采用的机械空气雾化喷嘴的供油压力很高，燃油雾化主要是依靠压力雾化，空气雾化为辅，因此仅是助雾化。

2)助雾化的空气喷射比小，雾化气量也少，接近低压空气雾化空气，但是由于燃烧室内压力高，即使低压空气雾化，气源压力仍然很高。高压空气雾化的供气压力和耗气量更大，消耗的功率也更大。

采用该喷嘴燃用重油时．初期出现高负荷状态下火焰过长，排气冒烟，壁温过高，低负荷状态下喷嘴积炭严重，并出现喷雾平飞现象，即雾化空气加入不能改善雾化质量等问题。

针对上述问题，在喷嘴方而采取了如下措施：

1)增大重油二次加热温度，由90℃～150℃增加到130℃～150℃，并对雾化空气预热至160℃，使雾滴滴径由150um降至100um以下。

2)增大空气喷射压比，由l.8增至2.2，雾滴SMD可减小至50um，此措施代价太大，不可取。

3)减小喷雾锥角，由a=70℃-80℃降至60℃。

4)改善雾化气掺混、雾化功能，将原12片叶片45°的旋流器改为30°。双排16孔的斜孔式旋流器。

加上火焰头部结构改进，有效地消除了火焰长、冒烟、积炭及壁温高等问题。至于采用空气助雾化喷嘴的平飞现象，在工业炉及燃气轮机上都发生过，我们对该现象的发生、排除作过详细分析，解决的办法主要是减小低负荷下雾化空气旋流器旋流度；减小喷雾锥角等方面采取措施。空气(蒸汽)机械雾化喷嘴的设计主要是中心压力及雾化空气流道两部分。前者可按简单压力雾化喷嘴设计方法设计．后者可参考外混式高压雾化器设计方法。