王鹏飞;谭烜昊;刘荣华;王海桥;李泳俊;田畅
【摘 要】为了掌握喷嘴出口直径对气水喷雾降尘的影响,基于自行设计的气水喷雾降尘实验平台,对不同出口直径的空气雾化喷嘴流量、雾化特性及降尘性能进行了实测,并对实验结果作对比分析.研究结果表明:随着出口直径的增加,喷嘴耗水量几乎保持线性增长,而耗气量呈现指数增长的变化趋势;喷雾射程和雾滴体积分数均随着出口直径的增大不断增大,而雾化角先增大后减小;出口直径为2.0 mm的喷嘴雾化质量最好,所形成的雾滴索太尔平均直径D[3,2]最小,且雾滴粒径呈现正态分布,雾滴尺寸较为集中;雾滴速度沿喷嘴轴线方向不断衰减,且喷嘴直径越大雾滴速度衰减越缓慢;随着喷嘴直径的增加,雾滴速度呈现先增大后减小的变化规律;全尘和呼吸性粉尘降尘效率随着喷嘴出口直径的增加均有所提高,但增幅较小;综合考虑喷嘴降尘性能、耗水量和耗气量等因素,在采掘作业场所进行气水喷雾降尘时,选择出口直径为2.0～3.0 mm的空气雾化喷嘴较为合适. 【期刊名称】《煤炭学报》
【年(卷),期】2018(043)010
【总页数】9页(P2823-2831)
【关键词】气水喷雾;出口直径;流量特性;雾化粒径;降尘效率
【作 者】王鹏飞;谭烜昊;刘荣华;王海桥;李泳俊;田畅
【作者单位】湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害治理安全生产实验室,湖南湘潭411201;湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室,湖南湘潭411201;湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭411201;湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭411201;湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室,湖南湘潭411201;湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭411201;湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭411201;湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭411201;湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭411201
【正文语种】中 文
【中图分类】TD714
矿山生产的各个环节均会不同程度地产生粉尘，悬浮在空气中的粉尘不仅危害工人的身体健康，而且会对井下安全生产造成不利影响[1-3]。目前，喷雾降尘是矿山最主要的防尘措施之一，喷雾降尘设施主要包括采掘机内外喷雾、爆破自动喷雾、破碎转载点喷雾及风流净化水幕等[4-6]。在矿山现场实践中，采掘作业场所喷雾降尘通常采用传统的压力型喷嘴，由于供水压力的限制，雾滴粒径较大，降尘效率低于50%。而且，普通压力喷嘴水流量大，不仅影响矿石(煤)含水率，且污染采场作业环境[7-9]。气水喷雾是以压缩空气作为辅助动力的一种新型喷雾方式，具有耗水量小、雾化效果好、对水压要求低及降尘效率高(特别针对呼吸性粉尘)等优势。
目前，国内外学者对气水喷雾降尘开展了部分理论和实验研究工作。国外学者B.Raj MOHAN对洗涤塔内气水喷雾降尘效率开展了理论预测，并与实验结果进行了对比分析，验证了预测模型的准确性[10]。国外学者Dariusz PROSTANSKI将气水喷雾应用到矿山掘进机截割头喷雾降尘，工程现场实测表明气水喷雾能够大大降低工作面粉尘含量，降尘效率较应用前提高约80%[11]。国内学者曹建明、郑斌、吉晓莉等，对空气助力喷嘴流量和雾滴粒径开展了较为全面的研究，并讨论了气液两相流压力等工况参数对空气雾化效果的影响[12-15]。笔者基于空气动力学、多相流、气溶胶等相关理论，建立了气水喷雾降尘效率的
理论计算数学模型，并采用模型实验考察了供水压力、供气压力等工况参数对气水喷雾特性及降尘效率的影响[16-17]。近几年，国内部分矿山将气水喷雾应用于掘进工作面粉尘防治，相对于常规压力喷雾，不仅耗水量大大减少，而且取得了良好的降尘效果[18-20]。以上的研究成果均只考虑了工况参数(供气压力和供水压力)对喷嘴雾化效果和降尘性能的影响，而有关喷嘴结构参数，尤其是针对空气帽出口直径的研究鲜见相关报道。空气帽是空气雾化喷嘴关键部件之一，其出口直径对喷嘴流量、雾滴粒径、雾化角及降尘性能均有显著影响。因此，笔者借助自行开发的气水喷雾降尘实验平台，分析喷嘴出口直径对空气雾化喷嘴流量、雾化特性及降尘性能的影响，研究成果将为气水喷雾在矿山采掘作业场所粉尘防治方面的应用提供理论指导和设计依据。
1 实验系统及方案
1.1 实验喷嘴选取
根据喷嘴内部结构和气液混合方式，可将空气雾化喷嘴分为内混式和外混式两种类型。内混式空气雾化喷嘴水和空气在喷嘴内部撞击并使水破碎成液滴，雾化效果较为理想，矿山采掘作业气水喷雾降尘一般采用该类喷嘴。实验选用广东省东莞市鑫悦净化科技公司生产
的SUC型内混式空气雾化喷嘴，雾流形状为实心圆锥，主要由进水端口、进气端口、液体帽、空气帽等组成，如图1所示。本次实验所采用空气雾化喷嘴的气、水端口内径均为12.0 mm，喷嘴液体帽注水孔和注气孔直径分别为1.5 mm和2.0 mm，注气孔数量为4个，空气帽(喷嘴)出口直径为1.5～4.0 mm。
图1 实验所选用喷嘴Fig.1 Nozzles used in experiment
1.2 实验系统
如图2所示，气水喷雾降尘实验平台主要由模型巷道、供水系统、供气系统、发尘装置及相关的测量仪器仪表等组成。本次实验所涉及的仪器仪表包括雾滴粒度分析仪、三维粒子成像测速PIV系统、风速仪、空气质量流量计、电磁流量计、数字压力表、直读式粉尘浓度测定仪及粉尘采样器等。巷道模型由入口段、整流段、测量段、喷雾段、除尘风机及出口段等组成。为便于马尔文实时高速喷雾粒度分析仪和三维粒子成像测速PIV系统的测量，巷道模型喷雾段由透明有机玻璃加工而成，其他部分均由不锈钢板材制作。
图2 气水喷雾降尘实验平台Fig.2 Schematic of experimental platform for air-water spraying
and dust removal1—干粉气溶胶扩散器;2—风速仪;3—粉尘浓度测定仪;4—粉尘采样器;5—激光发射器;6—接收器;7—马尔文粒度分析仪;8—PIV系统;9—空气雾化喷嘴;10—闸阀;11—数字式压力表;12—电磁流量计;13—高压水泵;14—储水箱;15—接市政自来水管;16—整流装置;17—空气压缩机;18—减压阀;19—空气质量流量计
1.3 实验方案
第1组实验为空气雾化喷嘴流量实验。通过在供气管路和供水管路分别安装空气质量流量计和电磁流量计，对6种(1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 mm)不同出口直径的空气雾化喷嘴流量变化规律进行测定。图3为实验中所采用的喷嘴流量测量仪表。第2组实验为喷嘴雾化特性实验，所涉及的雾化特性参数包括雾化角、雾滴体积分数、射程、喷雾流场、雾滴粒径等。采用高性能数码相机拍摄上述6种出口直径喷嘴的喷雾流场，并借助Image-Pro Plus6.0后处理软件进行雾化角和射程的计算。安设在喷雾段一侧的三维粒子成像测速PIV系统实现对喷雾流场和雾滴速度的测定。实验所采用的PIV系统一次拍摄最大区域为60 cm×60 cm，为保证拍摄质量本次实验取30 cm×30 cm，通过不断移动CCD相机和激光片源，实现全喷雾流场的拍摄。采用马尔文实时喷雾粒度分析仪测定喷嘴雾滴粒径分布和雾
滴体积分数，如图4所示。选择喷口前方50 cm截面中心作为雾滴性能参数的采集线，所测定的雾滴粒径参数均为该采集线上全部雾滴的平均值。
图3 喷嘴流量测量仪表Fig.3 Nozzle flow measurement
图4 巷道模型和雾滴粒径分析仪Fig.4 Tunnel model and droplet particle size analyzer
第3组实验为空气雾化喷嘴降尘性能实验。根据文献[17]的研究结论，对于内混式空气雾化喷嘴，当气液两相压力接近时，喷雾降尘效果最佳。将供水压力和供气压力均调节至0.5 MPa，对上述6种出口直径的空气雾化喷嘴的降尘性能进行了测定。实验所选用的粉尘为过100目标准工业筛分选出的粒径d<150 μm的煤粉，采用AG410干粉气溶胶扩散器进行发尘，设置发尘量为15 g/min，输送气压为0.2 MPa。在巷道模型喷雾段前、后测量段内分别布置CCF-1000直读式粉尘浓度测试仪，对喷雾前、后含尘气流中的粉尘浓度进行测定，从而计算喷雾降尘效率。在对喷雾前、后测量段内粉尘浓度进行测定时，对全尘和呼吸性粉尘浓度分别进行了测定。通过对除尘风机进行变频调节，将实验巷道模型测量段内的风速稳定在1.0 m/s。
2 实验结果及分析
2.1 对喷嘴流量的影响
图5为喷嘴耗水量与出口直径的关系曲线，图中d为喷嘴出口直径，QL为喷嘴耗水量，pL为喷嘴供水压力，pair为喷嘴供气压力。从图5可以看出，对于液体帽结构参数和工况参数固定的空气雾化喷嘴，喷嘴耗水量随着出口直径的增加几乎保持线性增长，且变化斜率与供水压力成反比，与供气压力成正比。
图5 出口直径对喷嘴耗水量的影响Fig.5 Effect of outlet diameter on water consumption of nozzle
图6为喷嘴耗气量与出口直径的关系曲线。从图6中能够发现，随着出口直径增加，喷嘴耗气量呈现指数增长的变化趋势，且供气压力越大与供水压力越小时曲线越陡峭。喷嘴出口直径的增加，提高了空气帽混合室气液两相流的排泄能力，液体帽注水孔和注气孔的出口压力降低，从而使得喷嘴耗水量和耗气量均随着出口直径的增大而增大。从实验的过程中还发现，对于出口直径为1.5 mm的空气雾化喷嘴，当气液两相压差较大时，由于出口直径过小，气液两相流无法顺畅排出，造成空气帽内压力偏高，影响水或空气的正常注入，无法形成正常喷雾，甚至会出现水流或气流的倒灌现象。
图6 出口直径对喷嘴耗气量的影响Fig.6 Effect outlet diameter on air consumption of nozzle
2.2 对喷嘴雾化特性的影响
2.2.1 宏观雾化参数
将气液两相压力均设置为0.5 MPa，考察出口直径对喷嘴宏观雾化特性参数(雾化角、喷雾射程、雾滴体积分数)的影响，实验结果见表1。
从表1中的不同出口直径的喷嘴宏观雾化特性参数可以发现，随着出口直径的不断提高，喷雾射程和雾滴体积分数均不断增加。对于内混式空气雾化喷嘴，随着出口直径的增加，喷嘴耗水量和耗气量均不断提高，导致喷雾射程和雾滴体积分数不断增大。
表1 出口直径对喷嘴宏观雾化特性参数的影响Table 1 Effect outlet diameter on macroscopic atomization characteristics parameters
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