高壓噴嘴霧化特性試驗研究

彭欣，周英烈

(1.湖南寶山有色金屬礦業(yè)有限責(zé)任公司， 湖南 郴州市 423000；2.飛翼股份有限公司， 湖南 長沙 410600)

眾所周知，粉塵是造成礦山塵肺病的根本原因。為保障礦山井下工人的身心健康，必須對礦井工作環(huán)境采取降塵措施。當(dāng)前噴霧降塵技術(shù)被廣泛應(yīng)用于礦井井下降塵中[1-3]。國內(nèi)外學(xué)者對噴霧降塵技術(shù)進(jìn)行了大量研究[4-6]。蔣仲安等[7]設(shè)計了一套氣水噴霧降塵系統(tǒng)，并對其噴嘴霧化特征及降塵性能進(jìn)行了試驗研究。王鵬飛等[8-10]建立了氣水噴霧降塵效率數(shù)學(xué)計算模型。林鴻亮等[11-12]采用試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，建立了噴嘴霧化模型。大量的研究表明噴嘴的性能直接影響了噴霧降塵的效率。因此，對噴嘴的性能進(jìn)行研究十分必要。本文以室內(nèi)模擬試驗為基礎(chǔ)，對影響噴嘴霧化特性的噴霧壓力、孔徑因素進(jìn)行探究。研究成果可為井下噴霧除塵噴嘴選型提供參考。

1 室內(nèi)試驗

1.1 試驗系統(tǒng)

本次室內(nèi)試驗系統(tǒng)管道模型由混合段、測量段等組成，如圖1所示。為便于試驗觀察及結(jié)果記錄，試驗系統(tǒng)管道模型段均由厚度為1 cm的有機(jī)玻璃制成，其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)由鋼板加工而成。試驗系統(tǒng)的測試部分由Spraytec馬爾文霧滴粒徑分析儀、智能電磁流量計、數(shù)字式壓力表等構(gòu)成。為測試噴嘴在不同方向產(chǎn)生的霧場霧滴粒度，在測量段將噴嘴設(shè)置為可旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。

圖1 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 試驗方案

以清水作為本次試驗的工質(zhì)，為研究孔徑對噴霧特性的影響，分別選取 0.15，0.3，0.5，0.8 mm孔徑的噴嘴為試驗噴嘴，噴嘴設(shè)置為逆噴。掘進(jìn)工作面最優(yōu)排塵風(fēng)速為 0.4～0.7 m/s，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)和噴霧泵，將試驗風(fēng)速設(shè)為0.5 m/s，在噴霧壓力為2，4，6，8，10 MPa，距離噴嘴出口為300 mm處測定噴霧霧場霧滴粒徑分布。

本次試驗所需的細(xì)微粉塵由 SAG-410粉塵氣溶膠發(fā)生器輸送，該儀器的粉塵質(zhì)量流量范圍為9.0～490.0 g/h，采用CCZ-1000直讀式粉塵濃度測定儀分別測量孔徑為0.15，0.3，0.5，0.8 mm的噴嘴在5種噴霧壓力下，巷道噴霧段前后斷面的粉塵濃度。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 壓力影響因素分析

試驗的壓力范圍設(shè)置在2～10 MPa之間，在距離噴嘴出口處300 mm的位置，測定不同壓力下噴嘴霧化的粒徑數(shù)據(jù)，其中D10、D50和D90分別代表小于此粒徑的顆粒體積占顆粒總體積的10%、50%和90%。D（4,3）為體積加權(quán)平均粒徑，D（3,2）為索太爾平均粒徑。在本試驗中，D（3,2）可作為描述粒徑的參數(shù)。

圖 2為不同壓力作用下的霧化粒徑參數(shù)分布圖。從圖2（a）中可以看出，在噴霧壓力提高到4 MPa后，霧化粒徑與噴霧壓力成正相關(guān)關(guān)系。在噴霧壓力從2 MPa變?yōu)? MPa時，霧滴的粒徑分布范圍成正相關(guān)關(guān)系，但噴霧壓力超過6 MPa后，霧滴分布粒徑范圍基本不變。另一方面，隨著噴霧壓力的增加，噴嘴所產(chǎn)生的D10與D（3,2）值都成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖2 不同壓力下霧化粒徑參數(shù)分布

從圖2（b）的數(shù)據(jù)可以得到，在噴霧壓力為2 MPa時，霧滴粒徑主要分布在39～140 μm之間；當(dāng)噴霧壓力增大到4 MPa后，噴嘴所產(chǎn)生的霧滴粒徑分布范圍為28～116 μm。其所產(chǎn)生的噴霧粒徑最大值與最小值均有所下降。而當(dāng)噴霧壓力再增長時，噴嘴所產(chǎn)生的霧徑最小值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，最大值呈正相關(guān)關(guān)系，但整體相差不大。D（3,2）值先增大后減小。總體趨勢為，噴霧壓力越高，霧滴粒徑越小，霧滴分散性越好。

從圖2（c）的數(shù)據(jù)可以看出，孔徑0.3 mm噴嘴所產(chǎn)生的霧滴粒徑總體上隨著噴霧壓力的增加而呈減小的趨勢變化。在噴霧壓力從4 MPa增長到6 MPa時，霧滴粒徑相對來說明顯減小。在噴霧壓力從2 MPa增長到4 MPa時，噴嘴所產(chǎn)生的D（4,3）值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

從圖2（d）中可以得到，隨著噴霧壓力的增大，噴嘴所產(chǎn)生的噴霧粒徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但當(dāng)噴霧壓力大于6 MPa后，噴霧粒徑隨壓力增長的變化明顯減小。

2.2 孔徑影響因素分析

本試驗以D（3,2）作為主要研究參數(shù)，輔以參數(shù)D10、D50、D90和D（4,3）對噴嘴霧化參數(shù)進(jìn)行試驗研究。圖3為不同孔徑噴嘴在不同壓力下產(chǎn)生的噴霧粒徑分布圖。

圖3 不同孔徑下霧化參數(shù)分布

從圖3（a）可以看出，在噴霧壓力為2 MPa時，時，D（3,2）與噴嘴孔徑的關(guān)系曲線在孔徑0.5 mm處成跳躍性變化，而在壓力為4 MPa時，D（3,2）與噴嘴孔徑基本成線性變化。在噴霧壓力達(dá)到6 MPa后，在孔徑0.5 mm處再次出現(xiàn)相對明顯的非線性變化。從圖3（b）可以看出，當(dāng)噴霧壓力為4 MPa時，D（4,3）值在孔徑0.3 mm處出現(xiàn)跳躍變化。從圖3（c）可以看出，當(dāng)噴霧壓力達(dá)到6 MPa后，在孔徑為0.3 mm處，D90值出現(xiàn)跳躍變化。從圖 3（d）可以看出，當(dāng)壓力為10 MPa時，D50值在孔徑0.5 mm處表現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性變化。從圖3（e）可以看出，當(dāng)壓力為4 MPa和10 MPa時，D10在孔徑為0.5 mm處呈跳躍變化。

結(jié)合圖2和圖3可以得到，當(dāng)噴霧壓力到達(dá)6 MPa后，噴霧壓力的提高對霧化粒徑的影響已不明顯。從圖3的數(shù)據(jù)可以看出，在各壓力作用下，隨著孔徑的減小，噴嘴所產(chǎn)生的噴霧粒徑參數(shù)呈非線性減小，噴嘴孔徑與霧化參數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論

（1）孔徑一定的噴嘴，噴霧壓力與噴霧粒徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而噴霧粒徑分布與噴霧壓力呈正相關(guān)關(guān)系。

（2）在相同的噴霧壓力作用下，隨著噴嘴孔徑的減小，噴霧粒徑的D（3,2）、D（4,3）、D10、D50和D90值也逐漸減小。

（3）當(dāng)噴霧壓力到達(dá)6 MPa后，噴霧壓力的增長雖然能減小噴嘴所產(chǎn)生的霧滴粒徑，但此時減小的效果已不明顯。從最優(yōu)解的角度考慮，6 MPa為本次試驗的最佳噴霧壓力。

（4）在最優(yōu)噴霧壓力作用下（6 MPa），0.8 mm的噴嘴所產(chǎn)生的噴霧粒徑分布范圍為34～292 μm，D（3,2）值為62 μm；0.5 mm的噴嘴所產(chǎn)生的噴霧粒徑范圍為 24～132 μm，D（3,2）值為 52 μm；0.3 mm的噴嘴所產(chǎn)生的噴霧粒徑范圍為13～40 μm，D（3,2）值為21 μm；0.15 mm的噴嘴所產(chǎn)生的噴霧粒徑分布為 5～13 μm，D（3,2）值為 8 μm。可根據(jù)不同的工況需求，為噴霧降塵系統(tǒng)選擇合適孔徑的噴嘴。