基于渦旋效應的霧化噴頭及其在選煤廠的應用

姚春波，弓培林，郭建珠，3，馬新世，高金杉

(1.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024；2.太原理工大學湍流技術裝備聯合實驗室，山西 太原 030024；3.山西中永通機電設備制造有限公司，山西 太原 030024；4.兗州煤業股份有限公司，山東 濟寧 272102)

礦山粉塵治理是礦山安全領域的重要內容，常用的降塵措施為霧化降塵，研究者們圍繞粉塵特性以及霧化規律開展了廣泛的研究[1，2]，實踐發現雖然高壓水霧化降塵成本低，系統簡單，但往往霧化效果不好且由于較高的水壓以及較大的耗水量難以維護。為了尋找既能在低壓下產生良好的霧化降塵效果又能降低水耗量的技術措施，人們創新霧化方式[3-5]，如磁化水霧、靜電霧化等可從根本提升水霧特性，再如超聲霧化、氣水兩相流的新型霧化技術。

氣液兩相流技術早期在燃油燃燒領域研究較多，后來眾多學者將液相介質由油轉向了水，發現同等的水壓下，氣水霧化的霧滴粒徑和水耗量均低于壓力霧化，而霧滴群體積分數、液滴速度及降塵率均高于壓力噴霧[6]，于是輔助霧化(在波蘭采礦業盛行)[7]、氣動霧幕[8]等衍生除塵技術相繼發展。目前的研究主要集中在霧化規律、霧化基本參數研究[9，10]，此外還有優化降塵環節如提高水的表面張力等。伊朗學者[11]對雙流體兩相內混合霧化器的霧化特性和霧滴分布進行了分析、數值和實驗研究，提出了最大熵判定法(MEM)；周剛研究發現霧化效果越好，粉塵粒度則變得越大，則越容易沉降[12]，而霧化噴頭作為氣水兩相流霧化技術的核心元件，其內部結構決定了霧化特性，于是相關學者積極嘗試改造噴頭內部的霧化結構[13，14]，如優化腔體長徑比、孔徑、孔洞偏移角等，李明忠通過有限元仿真對噴頭結構參數進行設計研發，供水需求壓力降低了30%以上，最低霧化壓力為2MPa，但目前大部分霧化流體呈現錐形、扇形或廣角的噴灑形式，該類霧化形式的霧化距離短、覆蓋面積小，無法從縱向及徑向的多維度同時覆蓋到工業現場。

本文將介紹一種產生的流體具有渦旋效應的霧化噴頭，基于兩相流霧化技術，通過對噴頭內部流動方式進行創新，使得流體霧化形態更好、流體作用面積更廣。文章從噴頭的構造及流體形態出發，并進一步闡述其內部流通方式以及渦旋機理，最后通過現場實踐來研究該噴頭在限定空間內的除塵效果。

1 渦旋噴頭及流體特性

霧化渦旋噴頭由太原理工大學和山西中永通公司共同研制，其工作方式為內混式，基本工作原理是以壓縮空氣為主動力輔以低壓水驅動氣水霧化渦旋噴頭，通過渦旋生成器在噴頭共振室處將水剪切破碎并經三級渦旋結構的整合效應產生霧化渦旋效果。工作及結構相關參數見表1，結構及實物如圖1所示。該噴嘴的空氣帽結構并非傳統的圓形、扇形等構造，而是模仿人類唇部造型具有一定唇部邊緣的扁圓口結構，同時當運行過程中氣體壓力或水壓力發生波動時，氣水調控器上的調節桿將發生移動調節水氣比例，多余壓力通過氣水調控器上的卸壓小孔釋放，保證穩定生成氣水渦旋。

表1 霧化渦旋噴頭參數

圖1 霧化渦旋束生成裝置

圖2 外觀特性圖像

瞬態渦旋流體如圖2(a)所示，渦旋束前端近似呈傾斜纏繞的射流狀態，霧化流體在內部高速氣流帶動下逐漸渦旋纏繞，為驗證其特征，采用3D立體捕捉設備進行采集，如圖2(b)所示，氣水霧化渦旋流體的形態并非傳統霧化噴嘴噴射的錐形或拋物線曲線，而是具有渦旋涌動形態的非線性渦旋流體，應用于除塵中時，持續推進的渦旋能量波相當于一個多級除塵器，可以對作用介質產生多級反應，遵循如下規律：

ηr=1-(1-η1)(1-η2)…(1-ηn)

式中，ηr為總除塵效率，各級渦旋波的降塵效率為ηi(i=1，2…n)。

2 霧化渦旋機理分析

渦旋的生成主要靠內部偏移旋轉的主要結構以及高速氣流的帶動。在內部構造中，氣水兩相有兩對偏移結構的各自通路又有彼此交互混合渦旋生成區，液體流道的換向以及氣相對液相徑向剪切破碎作用，使得氣液兩相在渦旋偏移組件內各完成5次換向動作；基于氣體的靈活性，使得在較為復雜的內部通道依然能對低壓水源進行破碎霧化并逐級生成渦旋。

為直觀清晰地表征噴頭內部流場，應用計算流體力學(CFD)模塊進行內部流場3D仿真模擬，采用物理場沿幾何中面對稱分布計算，應用精度更高的(RNG)k-ε湍流模型，假設湍流粘度為各向同性，不可壓縮流動采用直接耦合的兩相歐拉模型，而該模型本身是非穩態的。湍流方程定義如下[11]：

式中，Q為通量守恒變量；Fn為非粘性通量；Fvn為流體通量；xn為傳輸方向；t為傳輸時間；u為湍流平均速度；um和un為湍流速度分量；τmm為粘性耗散項；ρ為湍流動量；δmn為應變張量分量；E為變形量。相應的k方程和ε方程如下：

式中，k為湍流動能；ε為湍流動能耗散率；μeff為有效黏度；Gk為平均速度梯度產生的湍流動能；G1ε和G2ε為模型常數；∝k和∝ε分別為k方程和ε方程的紊流普朗特數。數值模擬設置見表2。

內部流動形態及速度、壓力圖像參數如圖3所示，提取幾何模型壁面沿程壓力及中線體速度數據，結果如圖4所示。由圖3、圖4可知，渦旋裝置內部的速度可達57m/s，壓力可達0.44MPa左右，推測霧化流體出口速度較為可觀，克服空氣等沿程阻力后依舊能保持50 m/s的較高霧滴速度，為霧化除塵中霧滴碰撞粉塵提供基礎保障。由圖4提取的數據可發現，由兩相壓力入口至出口，其速度及壓力整體呈升高趨勢，基于三級渦旋結構逐級升高，呈梯度上升趨勢。

表2 數值模擬設置

圖3 速度等值面及流向分布，流體速度等值線，壓力等值線

圖4 壓力及速度沿程分布曲線

3 在選煤廠的應用

3.1 現場概況與實施方案

馬脊梁選煤廠是一座設計能力為600萬t/a的大型選煤廠，自二期改造擴建于2014年11月1日正式運行以來，雖然采取了一些措施，但粉塵污染問題一直未得到徹底解決，尤其以準備車間污染問題最為嚴重，粉塵最高濃度可達500mg/m3。針對選煤廠污染現狀，以氣水兩相霧化渦旋噴頭作為主要降塵元器件，并在特定場所如轉載處、落煤處配合防塵罩封隔煤塵，阻止外溢，使霧化渦旋流體工作于特設限定空間內。系統主要由噴頭、空壓機、緩沖罐、配電集中控制臺、氣水兩相8#軟管以及系統外部的防塵罩組成。以準備車間原煤落煤口等15個塵源點為核心治理目標，通過將氣水兩相輸送至對應產塵點，并根據每個塵源點環境以及粉塵濃度的不同，每一除塵單元中裝設3～5個渦旋噴頭，噴頭與集塵罩基本有如下3種安設方案：

1)如圖5(a)所示，針對振動篩應用軟密封材料將集塵罩固定于振動篩四周篩幫，上下連接激振器和篩下漏斗，噴頭延伸至集塵罩內部，入料口處噴頭與物料平行安設，與另外4只于罩體頂板固定的噴頭產生的霧流在篩體內部形成渦旋干霧立體交叉網，充分與塵粒反應，將飛揚的粉塵卷吸凝結，并由尾部噴頭霧化整合至漏斗落下。

2)帶式輸送機的處理如圖5(b)，煤流在輸送機尾由于拋物線運動使得揚塵較大，在機尾配備集塵罩，產塵量較大的輸送處還需在入料口加裝全斷面密封刷。輸料口噴頭與輸送帶呈水平方向安置，利用霧流沉降體濕潤煤流，形成初步的揚塵防治，集塵罩內部的二次揚塵通過安設有縱橫交錯形成十字交叉流體網的3個噴頭，對粉塵進行二次卷吸凝結處理。

3)扎煤軸滾齒對煤塊的破碎作用使粉塵在破碎機內腔的有限空間迅速集聚，會沿向上和向下兩個方向擴散，如圖5(c)在破碎機上方落料位置四周均勻布置4個渦旋噴頭，阻斷風塵的飛揚，同時噴射口后方形成負壓，通過引風管風壓延伸至落料管出口的導料槽內，粉塵沿引風管卷吸進入噴射口形成濕潤煤粉被噴出。

圖5 集塵罩及噴頭安裝位置示意圖

3.2 霧化參數與條件探討

對霧化距離以及霧流覆蓋角隨氣水壓力的變化關系進行實驗研究，從而得到現場應用的可行參數。通過實驗發現，霧化角會依托升高的水壓而增大，如圖6所示，噴頭前端霧流形態依托增高的水壓呈扁圓錐扇形逐漸張開，霧流量加大，霧化明顯，同時前端霧化范圍持續增大，霧化角度分別達到23.5°、29.2°、45.4°、58.9°，此時霧化角較大時，霧流性態較好。當水壓調定0.22MPa時，霧化角隨氣壓的變化如圖7所示，霧流前端依托增高的氣壓呈扁圓錐扇形先張開后聚攏，基本呈現射流、發散、霧化三種形態，最高霧化角度達到77°，實驗發現，角度處于較大時的發散態階段霧滴較大、水霧發散，霧化效果反而不好，而較好的霧化效果是出現在角度由大變小的霧化態階段，覆蓋角度穩定在55°左右。

圖6 霧化形態隨水壓的變化

圖7 霧化角隨氣壓的變化圖

將霧化角對應的氣水壓力值，以3D軌跡變化的形式加以呈現，如圖8所示，霧化效果較好的區域出現在：0.28>X(PL)>0.22MPa，0.5>Y(Pair)>0.4MPa，584>Z(角度)>48°，基于以上分析，綜合選取工業現場應用工況壓力PL為0.24MPa，Pair為0.45MPa，該工況下可產生55°左右的霧化覆蓋面積，有效霧化推進距離4～5m，QL<1L/min，可滿足現場作業要求(Pair為氣壓，PL為水壓，QL為耗水量)，同時較小的耗水量有利于降低輸煤系統中對煤流的增濕影響，滿足降塵需要的同時，亦不對工作地點產生二次污染。

圖8 隨氣水壓力變化的角度運行軌跡

3.3 數據采集與分析

為了評價氣水霧化渦旋流體除塵效果，綜合選取分級篩2#等6處空氣中粉塵濃度最高的地點，分別收集了單獨安設霧化渦旋噴頭以及整個降塵裝置安設前、后的粉塵濃度，測得的數據見表3，依據降塵量占原粉塵濃度的比例計算出降塵效率。

表3 除塵裝置運行前后各產塵點濃度測定參數 mg/m3

1)試驗結果發現單獨利用氣水霧化渦旋流體除塵時，塵粒經渦旋流體內部水霧淹沒體的慣性碰撞、重力沉降的作用下，以及外部的卷吸、馬格努斯效應[15]的整合下，空間的塵粒濃度有效降低，同時潤濕傳送裝置以及破碎、分篩組件阻止塵粒由于摩擦再次飛揚?，F場發現，由于沒有集塵罩的控制，形成的氣溶膠顆粒易擴散，且干霧流體易受風流影響，總體來看渦旋流體性質優良，現場降塵效果明顯，全塵降塵率平均為88.8%，呼塵的降塵率為84.8%。

2)當結合防塵罩等除塵系統其他部件后，平均全塵降塵率可達94.3%，呼塵降塵率為91.6%，綜合選取的6個采樣點的全塵濃度平均控制在18.8mg/m3，呼塵控制在4.3mg/m3，降塵效果顯著，作業過程中發現，篩機的抖動對防塵罩的封隔粉塵作用有一定影響，在系統設計中應著重優化封隔裝置。

4 結論與展望

1)本文對氣水兩相流霧化渦旋流體的生成裝置、霧化渦旋機理、流體特性進行了詳細介紹及分析，結果表明：渦旋流體的生成主要靠內部偏移旋轉的主要結構以及高速氣流的帶動，通過模擬研究發現，該噴頭內部的壓力及速度隨三級不同的渦旋結構逐級遞增，在噴嘴處達到峰值，速度可達57m/s，壓力可達0.44MPa左右。

2)通過霧化性態與相關參數的探討，確定了工業現場噴頭工作壓力PL為0.24MPa，Pair為0.45MPa，該工況下可產生55°左右的霧化覆蓋面積，有效霧化推進距離4～5m，QL<1L/min，可滿足現場作業要求，同時較小的耗水量有利于降低輸煤系統中對煤流的增濕影響，滿足降塵需要的同時，亦不對工作地點產生二次污染。

3)針對選煤廠粉塵逸散特點，提出了3種不同產塵地點的噴頭及相關組件的布置方案，采用渦旋干霧流體在限定空間內的粉塵治理方法，系統整體降塵率可達92%以上，達到了工業預期要求。

4)筆者后續將對該霧化流體的具體特性參數，如霧化角、霧滴粒徑及分布等展開研究，并嘗試將堿性渦旋氣霧應用于煤層硫化氫的防治。