金屬礦山氣-水噴頭霧化特性及降塵能力實(shí)驗(yàn)研究

蔣仲安，王亞朋，許峰

(北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京，100083)

多中段高溜井在金屬礦山運(yùn)輸中具有較大作用。但是，高溜井運(yùn)輸也導(dǎo)致了嚴(yán)重的粉塵污染問題[1-2]。在礦山粉塵治理中，除通風(fēng)除塵外，噴霧降塵是控制粉塵污染較為有效的手段。傳統(tǒng)水噴霧耗水量大，液滴粒徑大，捕塵能力差。而氣-水噴霧以壓縮空氣為動(dòng)力，將水通過氣-水噴頭進(jìn)行霧化，產(chǎn)生的霧滴粒徑較小，提高了捕塵能力[3-4]。然而，多中段高溜井卸礦口粉塵受沖擊氣流的影響，粉塵運(yùn)動(dòng)速度較快[5-6]。現(xiàn)階段對(duì)于氣-水噴霧降塵的研究更多針對(duì)風(fēng)流較為穩(wěn)定的環(huán)境下除塵，很少應(yīng)用于具有沖擊氣流影響的溜井卸礦口除塵。例如聶文等[7]通過改變噴霧壓力，分析了噴嘴霧化特性變化規(guī)律。汲銀鳳等[8]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)不同霧化噴頭進(jìn)行噴霧實(shí)驗(yàn)，利用霧滴粒徑標(biāo)定出不同噴嘴的最佳霧化氣水比。顯然，對(duì)于存在沖擊風(fēng)流的多中段溜井卸礦粉塵治理，現(xiàn)有水噴霧降塵參數(shù)并不能在溜井粉塵治理中完全使用。同時(shí)，氣-水噴頭結(jié)構(gòu)在不斷更新，對(duì)于金屬礦山常用的新型氣-水噴頭霧化特性的影響因素分析較少。為提高噴霧霧化效果及除塵能力，本文作者對(duì)噴霧直徑為1.5 mm的新型可調(diào)廣角氣-水噴頭的霧化特性、風(fēng)流影響下霧滴變化趨勢(shì)及霧滴的捕塵能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出新型氣-水噴頭的最佳氣壓和水壓范圍，霧化角隨氣壓和水壓變化的趨勢(shì)，同時(shí)確定沖擊風(fēng)速對(duì)噴霧粒徑及捕塵能力的影響程度。

1 氣-水噴霧數(shù)學(xué)計(jì)算模型建立

傳統(tǒng)水噴霧是利用單相液體水作為材料和動(dòng)力，完全依靠水壓作用在噴頭處碰撞形成霧滴，其用水量及霧滴粒徑較大，捕塵效率低。而新型氣-水噴霧是采用壓力水和壓縮空氣為動(dòng)力，通過噴霧頭的2 次霧化作用使水變成粒徑較小的霧滴，更適合治理高溜井沖擊氣流攜帶的粉塵[9-10]。新型可調(diào)廣角氣-水噴頭結(jié)構(gòu)及霧化捕塵原理如圖1所示。

霧滴粒徑是影響捕塵能力最主要的因素，氣-水噴霧霧滴平均粒徑計(jì)算公式為[11-14]：

圖1 新型氣-水噴頭結(jié)構(gòu)和霧化捕塵原理Fig.1 New gas-water nozzle structure and atomization principle

將式(2)代入式(1)并經(jīng)整理可得

在恒溫恒壓條件下，噴頭混合腔內(nèi)流體滿足Q=v·A。液體水參數(shù)σ=72×10-5N/cm，μl=0.009 82 Pa·s 及ρl=1.0 g/cm3。將上述參數(shù)代入方程(3)，化簡(jiǎn)后可得

其中：Al為液體注入孔面積，m2；Ag為注氣孔面積，m2。實(shí)驗(yàn)選用的噴頭注水孔直徑dl=1.5 mm，Al=1.77×10-6m2；氣 孔 直 徑dg=2.0 mm，Ag=3.14×10-6m2；α=30°。將參數(shù)代入式(4)并化簡(jiǎn)得

由式(5)可以看出：液體和氣體的體積流量是影響霧滴顆粒直徑主要因素，壓縮空氣通過供氣管線輸入到噴頭混合腔。在理想情況下，氣體在噴頭出口處速度vg可以使用圣維南公式計(jì)算：

氣體質(zhì)量流量Qmg使用式(6)計(jì)算可得：

其中：vg為空氣出口流速，m/s；k為空氣絕熱指數(shù)；ρg為空氣的密度，kg/m3；Qmg為空氣質(zhì)量流量，kg/s;ηl為注氣孔流量系數(shù)，一般取0.8～0.9；Ag為注氣孔總面積，m2；ph為混合室的壓力；pg為供氣壓力。

由水泵提供的水通過管線輸送到噴霧口，整個(gè)過程動(dòng)力損失包括沿程阻力和局部阻力。在一般情況下，沿程阻力可以忽略，噴霧系統(tǒng)中局部阻力指水由1.5 mm孔徑進(jìn)入混合腔時(shí)存在的阻力。局部阻力損失為

其中：Δpm為局部損失，Pa；ζ為局部阻力系數(shù)，ζ=0.5；ρl為水的密度，kg/m3；vl為注水孔出口流速，m/s。Δpm=pl-ph，結(jié)合式(8)可得流體出口速度:

同理，液體質(zhì)量流量Qml使用式(9)計(jì)算可得：

2 新型氣-水噴霧參數(shù)實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立

在北京科技大學(xué)安全防塵實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的除塵實(shí)驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上，建立新型氣-水噴頭霧化性能(噴射角度、霧滴粒徑、霧滴軸線穩(wěn)定性)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。圖2所示為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的噴頭霧化粒徑測(cè)試模塊，包括霧滴粒度分析儀(型號(hào)JL-3000)、空氣壓縮機(jī)、高壓水泵、噴嘴安裝三腳架、氣體及液體流量計(jì)。輸氣及輸水管線均采用直徑為12 mm 的空壓管，空壓機(jī)為實(shí)驗(yàn)提供壓縮空氣，有效可調(diào)壓力范圍為0～0.8 MPa；高壓水泵(型號(hào)QL380A)提供壓力水，壓力范圍為0～6.0 MPa。由空氣壓縮機(jī)及水泵分別用空壓管連接壓力表和流量計(jì)，然后通過空壓管與霧化噴嘴(孔徑為1.5 mm)直接相連，通過調(diào)節(jié)氣壓閥和水壓閥，控制噴嘴的氣、水流量。噴嘴采用三腳架固定，噴嘴距離粒度分析儀激光束垂直距離為0.5 m，架設(shè)高度為1.5 m。由于霧化程度反映氣-水噴霧的除塵能力，而氣壓和水壓參數(shù)是影響霧化效果主要因素[15]，因此，以氣壓和水壓參數(shù)為主進(jìn)行霧化效果分析。

圖2 新型氣-水噴頭霧化性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 New gas-water atomization performance experiment system

2.2 不同參數(shù)下噴頭霧化效果分析

霧滴粒徑及噴射角度是衡量噴頭性能即霧化效果的主要標(biāo)準(zhǔn)[16-18]。由式(5)可知：在噴頭確定的情況下，氣、液流量是決定霧化效果最主要的參數(shù)，而壓力影響流量，因此，優(yōu)先對(duì)氣液壓力進(jìn)行分析。由于噴霧呈發(fā)散狀，實(shí)驗(yàn)選擇在噴霧軸向檢測(cè)霧滴粒徑分布。在進(jìn)行控制變量分析時(shí)，使用卸壓閥分別對(duì)氣壓、水壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。為分析出氣壓與水壓變化對(duì)霧化效果的影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取氣壓為0.2，0.3，0.4，0.5和0.6 MPa；選取水壓為0.3，0.4，0.5，0.6，0.7 和0.8 MPa，進(jìn)行交叉實(shí)驗(yàn)。并利用激光粒度分析儀分別讀取不同氣壓及水壓配比時(shí)霧滴粒徑。分析評(píng)定霧滴群的霧化質(zhì)量和其霧化特性的方式較多，本文使用霧滴粒徑D50及D90(D50和D90分別為累計(jì)分布50%和90%處的直徑)對(duì)新型氣-水噴頭的霧化效果進(jìn)行分析[19-20]。為使氣-水噴霧在除塵過程中達(dá)到較少耗水量，同時(shí)分析氣水量的變化對(duì)霧滴粒徑的影響。霧滴粒徑與耗氣、水流量隨氣壓及水壓變化如圖3所示。

由圖3可知：霧滴粒徑在30 μm以下的比例占50%，粒徑在40 μm以下的比例占90%。霧滴平均粒徑可以到達(dá)24 μm，此種新型噴頭霧化效果較好。礦山生產(chǎn)中呼吸性粉塵的空氣動(dòng)力學(xué)直徑(AED)小于7 μm，可吸入粉塵AED小于10 μm。由于霧滴與粉塵粒徑接近時(shí)粉塵容易被捕捉，因此，應(yīng)通過調(diào)節(jié)氣壓和水壓盡量將霧滴粒徑縮小。對(duì)圖3(a)和3(b)進(jìn)行進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，D50和D90的霧滴三維曲面圖存在2 個(gè)紅色凹陷區(qū)α和β，區(qū)域內(nèi)霧滴粒徑明顯比其余部分的小。其中D50約為20 μm，D90約為30 μm，霧化能力較強(qiáng)。紅色凹陷區(qū)域α和β的氣壓范圍為[0.4,0.6]MPa，水壓范圍為[0.3,0.5]MPa，對(duì)應(yīng)水流量范圍為[0.8,1.5]L/min，氣流量的范圍為[110,130]L/min。同時(shí)，由三維曲面圖可看出：氣壓到達(dá)0.5 MPa時(shí)，繼續(xù)增加氣壓并沒有明顯改變粒徑，而氣壓過大導(dǎo)致壓縮氣體浪費(fèi)。經(jīng)過整理分析，最佳氣、水流量比的范圍為100～150。由圖3(c)和3(d)可以看出：氣、水流量變化呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。氣-水流量在壓力變化下相互制約，一方變大，另一方必定減小。當(dāng)氣壓恒定時(shí)，水流量與水壓呈正相關(guān)；當(dāng)水壓恒定時(shí)，氣流量與氣壓呈正相關(guān)。此外，氣流量隨氣壓的增大能夠持續(xù)增加，而水壓的繼續(xù)增大水流量增加量減緩。

霧滴最佳粒徑確保捕塵能力，噴霧角度確定了三維空間內(nèi)霧滴的覆蓋范圍。選取最佳霧滴粒徑區(qū)域α和β(氣壓范圍為[0.4,0.6]MPa、水壓范圍為[0.3, 0.5]MPa)，分析區(qū)間內(nèi)氣壓和水壓變化對(duì)噴霧角度的影響。在不同氣壓和水壓下，新型氣-水噴霧霧化角度變化如圖4所示。

圖3 氣壓和水壓變化下霧滴粒徑變化Fig.3 Variation of droplet size under gas-water pressure changes

圖4 氣壓和水壓變化對(duì)霧化角度的影響Fig.4 Effect of gas-water pressure changes on atomization angle

由圖4可知：當(dāng)氣壓為0.5 MPa 時(shí)，水壓由0.3 MPa 增加到0.7 MPa，噴頭霧化角度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。噴頭最大霧化角為38°，最小33°。水壓增大時(shí)，供水量增加，形成霧滴較多，氣壓利用率較高因此霧化半徑變大。當(dāng)水流量過大時(shí)，氣壓不足以將水充分霧化，水壓在霧化室內(nèi)占據(jù)主要優(yōu)勢(shì)，霧滴粒徑變大霧化角度變小。當(dāng)水壓為0.4 MPa 時(shí)，在氣壓變化區(qū)間為[0.3,0.6]MPa 時(shí)，霧化角不斷增大。氣壓增加使水在噴頭處充分霧化，霧化角度不斷變大。通過分析可知，氣壓變化是優(yōu)化霧化角度最有利因素。在保證霧化粒度的前提下，適當(dāng)調(diào)整氣壓可以增加噴霧在空間內(nèi)覆蓋面積，從而改善霧滴與粉塵的混合程度，提高降塵率。在最佳氣、水壓力配比參數(shù)區(qū)間內(nèi)，根據(jù)霧化角度的變化可知，在保證氣壓為0.6 MPa、水壓為0.5 MPa 時(shí)可以達(dá)到最佳霧化角度。

2.3 氣-水壓力變化對(duì)霧滴軸向穩(wěn)定性分析

上述對(duì)氣-水流量比的分析，得到霧滴需滿足最佳捕塵粒徑。霧滴由噴嘴噴出后，粒徑在外界環(huán)境中的穩(wěn)定性也是體現(xiàn)霧化效果的重要參數(shù)。為研究霧滴粒徑在水平方向上的穩(wěn)定性，設(shè)置間距為0.3，0.5，0.7，0.9 和1.1 m 5 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，軸向水平移動(dòng)噴霧支架，分析霧滴軸向穩(wěn)定性。霧滴參數(shù)檢測(cè)設(shè)置情況如圖5所示。同樣選取區(qū)域α和β，采用D90分析氣、水壓力變化對(duì)霧滴在不斷運(yùn)動(dòng)中穩(wěn)定性的影響，結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖5 霧滴軸線穩(wěn)定性檢測(cè)Fig.5 Droplet stability test

由圖6可知：當(dāng)水壓為0.4 MPa 時(shí)，隨著氣壓不斷增大，霧滴粒徑逐漸減??；在距離噴頭[30,70]cm 范圍時(shí)，霧滴處于穩(wěn)定狀態(tài)，粒徑變化較小。當(dāng)氣壓為0.5 MPa 和0.6 MPa 時(shí)，霧滴遠(yuǎn)離噴頭90 cm 后，粒徑逐漸穩(wěn)定在38～39 μm，不隨距離增大而增大。由圖7可知：當(dāng)氣壓為0.4 MPa時(shí)，水壓的變化對(duì)霧滴粒徑穩(wěn)定性的影響不大。綜上可知：水壓的變化對(duì)噴嘴的霧化效果影響不明顯，調(diào)節(jié)氣壓是維持霧滴穩(wěn)定及保證霧滴粒徑較小的主要手段。

圖6 氣壓變化對(duì)霧滴穩(wěn)定性的影響Fig.6 Effect of pressure change on droplet stability

圖7 水壓變化對(duì)霧滴穩(wěn)定性的影響Fig.7 Effect of water pressure change on droplet stability

2.4 體積流量比對(duì)霧滴粒徑影響分析

當(dāng)氣、水流量范圍分別為[110, 130]L/min 和[0.8,1.5]L/min時(shí)，霧滴平均粒徑小于30 μm。氣、水流量是影響霧滴粒徑變化主要原因，但同時(shí)涉及氣壓、水壓的分析離散性太強(qiáng)。因此，引入氣、水流量比(Qg/Ql)分析其對(duì)霧滴粒徑變化影響。圖8所示為氣、水流量比與霧滴平均粒徑關(guān)系圖。

圖8 霧滴平均粒徑隨氣、水流量比變化Fig.8 Average particle size of droplet changes with flow ratio of gas to water

由圖8可知：霧滴粒徑與氣、水流量呈反比，氣、水流量比在[100,150]范圍霧滴平均粒徑小于23.5 μm；當(dāng)氣、水流量比小于100 時(shí)，對(duì)霧滴粒徑的影響較大；當(dāng)氣、水流量比為[100, 200]時(shí)，霧滴受氣水流量比的影響較小；當(dāng)氣、水流量比大于200時(shí)，霧滴粒徑基本穩(wěn)定。平均霧化粒徑擬合出的最佳氣、水流量比與實(shí)驗(yàn)中氣液壓力比確定的最佳氣、水流量比相吻合。

3 沖擊氣流對(duì)捕塵能力影響的實(shí)驗(yàn)分析

礦山運(yùn)輸系統(tǒng)其他部位采用氣-水噴霧降塵時(shí)，環(huán)境風(fēng)流穩(wěn)定且風(fēng)速較小，不會(huì)對(duì)降塵效果產(chǎn)生影響。而多中段溜井卸礦時(shí)，粉塵由礦石下落產(chǎn)生的沖擊性氣流帶入聯(lián)絡(luò)巷污染作業(yè)環(huán)境，具有粉塵運(yùn)移速度快的特點(diǎn)。溜井口沖擊風(fēng)速相對(duì)較大，影響了粉塵與霧滴的均勻混合。因此，建立如圖9所示噴霧降塵實(shí)驗(yàn)巷道分析沖擊氣流對(duì)霧滴粒徑及捕塵效率的影響。矩形高溜井聯(lián)絡(luò)巷長(zhǎng)、寬和高分別為6.0 m、1.5 m 和1.2 m，斷面積為1.8 m2；除塵實(shí)驗(yàn)采用圖2所示的氣-水噴霧設(shè)備。進(jìn)行多中段溜井卸礦時(shí)，沖擊氣流攜帶粉塵由不同中段溜井口噴出。由于受現(xiàn)有巷道模型的限制，不能實(shí)現(xiàn)從巷道底部產(chǎn)塵，因此，采用巷道端頭設(shè)置64 m3/min 的揚(yáng)塵風(fēng)扇配合粉塵擴(kuò)散器模擬產(chǎn)塵源。為區(qū)分出噴霧對(duì)呼吸性粉塵及可吸入粉塵的降塵能力，采用4.0，6.5，8.0，13.0 和18.0 μm 5 種粒度銅礦石粉，配比出粉塵材料。將噴霧頭布置在距離風(fēng)扇2 m處，安裝角度為指向產(chǎn)塵源30°方向的位置。分別采用粉塵濃度測(cè)試儀及粒度分析儀檢測(cè)出巷道內(nèi)降塵前后粉塵濃度及粉塵粒徑分布。

圖9 噴霧和粉塵抑制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.9 Experimental platform for spray and dust suppression

3.1 沖擊氣流對(duì)霧滴粒徑的影響

溜井口卸礦粉塵治理與普通巷道內(nèi)彌漫粉塵治理不同，噴霧對(duì)卸礦粉塵治理時(shí)受風(fēng)速影響較大，因此，研究風(fēng)速對(duì)霧滴粒徑的影響及不同風(fēng)速下除塵能力意義較大。選取最佳氣、水流量比為126(氣壓為0.5 MPa，水壓為0.4 MPa)，同時(shí)改變正向風(fēng)速為0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 和3.0 m/s，監(jiān)測(cè)霧滴粒徑變化。在不同風(fēng)速下檢測(cè)霧滴粒徑(D50和D90)及分布情況，分析風(fēng)速對(duì)霧滴粒徑的影響，如圖10所示。

圖10 不同風(fēng)速下霧滴粒徑變化Fig.10 Variation of droplet size at different wind speeds

由圖10可知：在不同霧滴粒徑分析標(biāo)準(zhǔn)下，隨著巷道內(nèi)風(fēng)速增加，霧滴粒徑均表現(xiàn)出增大趨勢(shì)。風(fēng)速增大增加了霧滴之間的相互碰撞，使霧化后的液滴互相捕捉，導(dǎo)致霧滴質(zhì)量的積累，從而霧滴粒徑增加。當(dāng)風(fēng)速小于1.5 m/s 時(shí)，霧滴粒徑變化較平緩，D50增量為3 μm 左右，D90增量為6 μm 左右。因此，當(dāng)巷道內(nèi)風(fēng)速小于1.5 m/s 時(shí)，對(duì)于霧滴的變化影響不大，可以保證霧化效果。

3.2 沖擊氣流對(duì)捕塵率的影響

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，溜井聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)正常風(fēng)速為0.5 m/s 左右。為模擬現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境，開啟風(fēng)機(jī)使巷道達(dá)到正常風(fēng)量，粉塵分布均勻后開啟噴霧，監(jiān)測(cè)噴霧后粉塵質(zhì)量濃度。為分析卸礦后沖擊性風(fēng)速對(duì)噴霧降塵效果的干擾，采用同樣的實(shí)驗(yàn)步驟，分別對(duì)風(fēng)速為0.5，1.0，1.5，2.0 和2.5 m/s 時(shí)噴霧后粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 不同風(fēng)速下氣-水噴霧捕塵率Table 1 Gas-water spray dust collection at different wind speeds

由表1可知：噴霧前后全塵質(zhì)量濃度的降低程度比呼吸性粉塵的質(zhì)量濃度降低程度大；最佳全塵降塵率為65.65%，呼吸性粉塵降塵率最佳為33.46%。呼吸性粉塵相比全塵粒徑較小，不易在空氣中產(chǎn)生自由沉降，噴霧對(duì)其捕捉能力有限。全塵及呼吸性粉塵的降塵率均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，這與風(fēng)流對(duì)霧滴粒徑影響的規(guī)律基本一致。經(jīng)分析可知：當(dāng)風(fēng)速小于1.5 m/s 時(shí)，噴霧霧滴粒徑變化較?。伙L(fēng)速的存在提高了粉塵與霧滴之間的混合程度，進(jìn)而增大了霧滴對(duì)粉塵捕捉概率，因此，降塵率增加。當(dāng)風(fēng)速大于1.5 m/s時(shí)，霧滴粒徑受風(fēng)速的影響急劇增大；同時(shí)，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)降低了粉塵與霧滴的接觸時(shí)間，使噴霧降塵能力快速減弱。通過分析風(fēng)速對(duì)霧滴粒徑及降塵率的影響，可知巷道內(nèi)沖擊風(fēng)速小于1.5 m/s時(shí)，噴霧降塵能力最強(qiáng)。

4 結(jié)論

1)在氣壓、水壓及霧滴粒徑這3個(gè)變量中，當(dāng)氣-水噴頭供氣壓范圍為[0.4,0.6]MPa、供水壓范圍為[0.3,0.5]MPa時(shí)，確定出的三維空間為最佳霧化效果區(qū)域。新型氣-水噴頭最佳氣、水流量比為100～150，霧滴粒徑可達(dá)30 μm以下。

2)在最佳氣壓和水壓范圍，霧化角度隨氣壓的增大而增大，最大霧化角度為40°；霧化角度隨水壓的增大先增大后減小最后趨于穩(wěn)定，最大霧化角度為38°。氣壓變化相對(duì)水壓變化對(duì)霧化角的影響更大，現(xiàn)場(chǎng)可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整氣壓優(yōu)化霧化角度。

3)溜井卸礦產(chǎn)生的沖擊氣流對(duì)霧滴粒徑影響較大，霧滴粒徑隨風(fēng)速的增大而增大。風(fēng)速與霧滴捕塵能力呈反比，隨著風(fēng)速增大，捕塵能力呈現(xiàn)出先增大后急劇減小的趨勢(shì)。噴霧全塵最大降塵率為65.65%，呼吸性粉塵最大降塵率為33.46%。