高壓噴嘴霧化參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

孫其飛 鄒常富 欒旭東 盛曉明 黃金星 溫艷艷

（1.山東招金集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，山東招遠(yuǎn)265400；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

噴霧降塵是礦井防塵系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一，而噴嘴又是噴霧降塵技術(shù)中的核心構(gòu)件，直接影響噴霧降塵效果。目前關(guān)于噴嘴性能參數(shù)的研究，基本都是建立在無風(fēng)或近乎無風(fēng)狀態(tài)下，而噴霧降塵技術(shù)在井下工作面或巷道等地點(diǎn)使用時(shí)，均受風(fēng)流影響。實(shí)踐證明，噴嘴在不同的風(fēng)速狀態(tài)下其霧化性能參數(shù)變化明顯，因此，無風(fēng)或近乎無風(fēng)狀態(tài)下噴嘴的霧化性能參數(shù)對(duì)噴嘴的選型指導(dǎo)意義不大，導(dǎo)致噴嘴的選型缺少理論及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效支撐。因此，本項(xiàng)目針對(duì)不同風(fēng)速條件的環(huán)境參數(shù)下，研究噴嘴霧化性能參數(shù)的影響因素，用于指導(dǎo)不同工礦環(huán)境條件下的工程應(yīng)用。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

為真實(shí)模擬礦井環(huán)境條件下噴嘴的霧化性能參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室模擬巷道中開展風(fēng)速對(duì)單個(gè)噴嘴有效水量及分布均勻度、霧粒粒徑的影響試驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，改變風(fēng)速大小，測(cè)試噴霧系統(tǒng)的有效水量、水量分布均勻度、平均霧粒粒徑和耗水量，得出每個(gè)噴嘴在不同的風(fēng)速、采高和壓力下的有效性，試驗(yàn)分析系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 測(cè)試方法

本實(shí)驗(yàn)從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，以MT/T 240—1997《煤礦降塵用噴嘴通用技術(shù)條件》為基礎(chǔ)，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行初選，選擇工程應(yīng)用中比較常見的噴嘴系列，主要包括射程較遠(yuǎn)、霧化效果較好的G系列高壓噴嘴、S系列實(shí)心錐形噴嘴、PZ系列實(shí)心錐形噴嘴、SS系列實(shí)心錐形噴嘴4大類共32種不銹鋼噴嘴型號(hào)，并分別進(jìn)行編號(hào)。對(duì)篩選出的噴嘴，根據(jù)礦井通風(fēng)及噴霧應(yīng)用實(shí)際情況，分別在0、1.5、2.5、3.5 m/s的風(fēng)速條件下測(cè)試其分別在6、8、10、12 MPa壓力下的有效水量、條件霧化角和有效射程。

測(cè)試耗水量及有效水量時(shí)，噴嘴垂直向下噴射，風(fēng)流與噴嘴出口方向垂直，在噴霧與巷道垂直的軸線上采用盛水容器進(jìn)行測(cè)試，在噴嘴正下方的地面上放置十字計(jì)量?jī)x，十字計(jì)量?jī)x中心與噴口中心的垂直投影點(diǎn)重合，測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

噴嘴條件霧化角按MT240-1997的規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得霧流邊界2個(gè)交點(diǎn)的距離為L(zhǎng)，則按照條件霧化角的標(biāo)準(zhǔn)定義（距噴嘴500 mm處水霧中心線的垂線與霧流邊界的2個(gè)交點(diǎn)與噴口中心相連所成的夾角），計(jì)算噴嘴的條件霧化角為：用影響下發(fā)生偏離點(diǎn)距噴口的距離，測(cè)試方法如圖3所示。

2 噴霧參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 噴霧粒徑分析

霧滴粒徑是壓力、風(fēng)速、噴嘴的孔徑等多種因素綜合作用的結(jié)果。針對(duì)噴嘴的出口口徑、噴口長(zhǎng)度、噴霧壓力與噴口距離構(gòu)成4項(xiàng)主要因素，采用正交試驗(yàn)方法，得出各因素對(duì)指標(biāo) Dv（10）（μm）、Dv（50）（μm）、Dv（90）（μm）、D［4 3］（μm）和D［3 2］（μm）的貢獻(xiàn)率如圖4所示。

由極差分析及顯著性檢驗(yàn)中各因素對(duì)各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率可以得出，噴霧粒度分布的影響因素依次為距噴口的距離、噴口直徑、噴霧壓力，噴口長(zhǎng)度僅對(duì)Dv（10）有一定影響。因此，在噴霧降塵工程應(yīng)用中，噴嘴初步選型后，首先應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況確定噴嘴安裝位置，即確定塵源點(diǎn)距噴口的距離，其次確定噴嘴孔徑，最后根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)節(jié)噴霧壓力。

同時(shí)，粒徑均隨距離的增加而增大、隨噴嘴口徑的減小而減小、隨噴霧壓力的增加而減少，噴口長(zhǎng)度的影響并不明顯。主要是由于隨噴霧距離的增加，霧粒速度減弱，小霧粒不斷被大霧粒吞并，導(dǎo)致粒徑變大、霧粒數(shù)目減小。而噴嘴口徑越小，液體在破碎成霧粒過程中其內(nèi)部的紊流、表面張力以及周圍介質(zhì)的相互擠壓、剪切作用力越強(qiáng)烈，粒徑越小。但霧粒太細(xì)易蒸發(fā)而失去作用，試驗(yàn)表明，霧粒粒徑與粉塵粒徑分布范圍接近時(shí)降塵效果最佳。因此，在充分考慮不同作業(yè)地點(diǎn)粉塵粒徑的分布范圍及呼吸性粉塵占比的基礎(chǔ)上，選擇可產(chǎn)生與粉塵粒徑分布范圍及呼吸性粉塵占比相近的噴嘴。

2.2 噴嘴霧化性能參數(shù)分析

礦井噴嘴的使用都是在有風(fēng)的情況下，風(fēng)流對(duì)噴霧射程、有效水量、噴嘴覆蓋范圍等霧化性能參數(shù)均會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。在噴霧粒徑分析的基礎(chǔ)上對(duì)噴嘴進(jìn)行優(yōu)選后測(cè)試，其中噴霧射程與噴霧覆蓋范圍受噴霧壓力及風(fēng)流影響較大。因此在不同風(fēng)速和壓力條件下進(jìn)行試驗(yàn)，得出噴霧射程影響規(guī)律如圖5、圖6所示，噴霧覆蓋范圍影響如圖7、圖8所示。

由圖5～圖8可以看出，隨著噴霧壓力增大，噴霧射程增加，噴霧流量加大，噴霧覆蓋面積也略微增加，這主要是由于噴霧壓力增加使霧滴具有較大的動(dòng)能和速度。同時(shí)，壓力增加霧化角減小，抗風(fēng)能力增加，空氣阻力降低，射程更遠(yuǎn)。而在本研究風(fēng)流方向與噴射方向垂直的條件下，風(fēng)速增大，風(fēng)流阻力增加，噴霧射程和噴霧覆蓋面積大大降低。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，風(fēng)速對(duì)噴霧參數(shù)的影響程度要高于噴霧壓力對(duì)噴霧參數(shù)的影響程度。

通過對(duì)有效水量進(jìn)行測(cè)試，有風(fēng)流影響的情況下，各型噴嘴不同實(shí)驗(yàn)噴霧壓力條件下噴霧最大有效射程處的噴霧流量為無風(fēng)流條件下噴霧流量的80%左右，即風(fēng)流導(dǎo)致有效射程內(nèi)噴霧流量損失在20%左右。

因此，噴霧降塵技術(shù)在礦井防塵應(yīng)用中，應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量噴霧應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)速大小，并根據(jù)該風(fēng)速條件下噴嘴參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果選取適宜的噴嘴，并在現(xiàn)場(chǎng)條件允許的情況下，盡量避免逆風(fēng)噴霧。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

招金集團(tuán)夏甸金礦卸載站礦車卸料時(shí)，卸料坑處產(chǎn)生大量的粉塵飛揚(yáng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度測(cè)試，在卸載站中部，總粉塵和呼吸性粉塵濃度分別達(dá)350 mg/m3和120 mg/m3，導(dǎo)致該水平卸載站粉塵污染嚴(yán)重。由于卸載站面積較大且不易密閉，因此，為了防止該卸載站產(chǎn)生的粉塵擴(kuò)散，擬采用噴霧降塵措施進(jìn)行治理。

由于礦車向料坑卸料時(shí)，壓縮料坑內(nèi)的空氣，導(dǎo)致氣流向坑外擴(kuò)散，形成較大的氣流，氣流逸出速度為1.5 m/s左右。在坑口向下噴霧時(shí)，氣流方向與噴霧方向相反，類似于逆風(fēng)噴霧，因此，為防止該粉塵擴(kuò)散，需在短時(shí)間內(nèi)迅速捕捉沉降粉塵，同時(shí)水量不宜過大而堵塞卸料坑，即需采用小流量、高壓力、大霧化角、遠(yuǎn)射程型抗風(fēng)噴嘴。通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)風(fēng)速在1.5 m/s時(shí)，噴霧壓力8 MPa左右，選取射程為3 m的PZ型噴嘴，通過現(xiàn)場(chǎng)采用濾膜稱重法測(cè)試，粉塵濃度及降塵效率如表1所示。

注：粉塵采樣地點(diǎn)為卸料口下風(fēng)側(cè)3 m位置處。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，采用適宜的噴嘴進(jìn)行高壓噴霧降塵措施時(shí)，卸料口下風(fēng)側(cè)總粉塵濃度降塵效率達(dá)91.1%，呼吸性粉塵濃度降塵效率也高達(dá)90%，降塵效果非常明顯，呼吸性粉塵降塵效率也較高。對(duì)比以往的工程案例，高壓噴霧降塵效果在85%～90%之間，主要是噴嘴選型不合理，由于受風(fēng)流影響導(dǎo)致噴霧效果略低。因此，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用證明，噴嘴的參數(shù)試驗(yàn)必須考慮風(fēng)流的影響，利用不同風(fēng)速條件下測(cè)試的噴嘴參數(shù)進(jìn)行噴嘴選型，對(duì)噴霧降塵技術(shù)應(yīng)用具有非常重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室模擬巷道中開展風(fēng)速對(duì)單個(gè)噴霧有效水量及分布均勻度、霧粒粒徑的影響試驗(yàn)，并在礦井卸載站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，得出如下結(jié)論：

（1）噴霧粒徑隨噴霧距離的增加而增大、隨噴嘴口徑的減小而減小、隨噴霧壓力的增加而減少，霧粒粒徑與粉塵粒徑分布范圍接近時(shí)降塵效果最佳。

（2）隨著噴霧壓力增大，噴霧射程增加，噴霧流量加大，噴霧覆蓋面積也略微增加，而隨風(fēng)速增大，噴霧射程和噴霧覆蓋面積大大降低，且風(fēng)速對(duì)噴霧參數(shù)的影響程度要高于噴霧壓力對(duì)噴霧參數(shù)的影響程度。

（3）在風(fēng)流的影響下，噴嘴有效水量為無風(fēng)流條件下有效水量的80%左右，應(yīng)避免逆風(fēng)噴霧。

（4）噴霧降塵技術(shù)在礦井防塵應(yīng)用中需根據(jù)風(fēng)速值及噴嘴參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果選取適宜的噴嘴，招金集團(tuán)夏甸金礦卸載站礦車卸料點(diǎn)采用優(yōu)選噴嘴噴霧降塵后，總粉塵和呼吸性粉塵濃度降塵效率分別高達(dá)91.1%和90%。