低阻文丘里管內(nèi)精細霧化噴嘴的噴霧特性實驗研究

陳祖云 鄒 明 程健維 藍善海

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,江西 贛州 341000；2.中銅東南銅業(yè)有限公司,福建 寧德 352106；3.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇 徐州 221008；4.江西漂塘鎢業(yè)有限公司,江西 大余 341500）

低阻文丘里耦合振弦柵除塵器在文丘里喉管段噴霧，低風(fēng)速作用下將粉塵凝聚成大顆粒，然后振弦柵攔截捕集，最后在水膜除塵的旋轉(zhuǎn)離心力作用下除塵。傳統(tǒng)文丘里水膜除塵器的喉管風(fēng)速極大，對于亞微米粒度的塵粒，喉管風(fēng)速一般為90～120 m/s，阻力高。低阻文丘里耦合振弦柵除塵器采用低風(fēng)速，較傳統(tǒng)文丘里水膜除塵器阻力低，使用壽命長、除塵效果好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在工業(yè)除塵領(lǐng)域，但是其能耗大、運行成本高慢慢被淘汰。本文利用文丘里除塵機理，改進噴嘴方式和提高霧化水平，在文丘里管增設(shè)了振弦柵，在低風(fēng)速條件下很好地提高了除塵效率，同時為礦山的噴霧降塵研究提供一定的理論和技術(shù)支持。

1 低阻文丘里管結(jié)構(gòu)

1.1 低阻文丘里管參數(shù)

低阻文丘里耦合振弦柵除塵器煙氣處理量設(shè)計為850 m3/h，文丘里喉管風(fēng)速的確定要綜合考慮塵粒粒徑、氣體成分、振弦柵的攔截效率、水膜除塵的旋轉(zhuǎn)離心力、文丘里管的除塵效率及阻力影響等因素[1-2]。文丘里阻力值越小越好，初步確定喉管風(fēng)速為30 m/s[3-4]。低阻文丘里管的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括收縮管、喉管及擴散管的長度和直徑[5-6]。

1.2 低阻文丘里管噴嘴布置方式

喉管風(fēng)速設(shè)計值較低，需要通過預(yù)霧化而提高霧化程度，達到提高除塵效果的目的[7]。噴霧方式包括徑向外噴和軸向噴霧。徑向外噴是在收縮管或喉管的周圍垂直均布安裝4個精細霧化噴嘴，水霧從喉部管道周圍的4個噴嘴向喉部管道中心位置噴出，水流經(jīng)過高壓噴嘴霧化形成霧粒，與喉管氣流形成氣霧混合物。當(dāng)含塵氣流經(jīng)過收縮管時流速加快[8]，含塵氣流與水霧在收縮管尾部或喉部前端進一步發(fā)生碰撞凝并，在擴散管部位持續(xù)碰撞凝聚形成更大含塵霧粒被振弦柵攔截捕集。軸向噴霧是在收縮管截面中心軸線位置布置噴嘴，噴霧方向與含塵氣流方向相同，可以減少文丘里管的阻力，水霧區(qū)間覆蓋整個喉部[9]，水流經(jīng)過高壓噴嘴霧化在收縮管中心軸線形成霧粒，在喉管氣流的共同作用下形成氣霧混合物。由于軸向射流的影響，在射流噴霧后方形成負壓場。氣霧混合物與含塵氣流經(jīng)收縮管道時氣霧速度加快，在負壓場作用下含塵氣流被吸入噴霧場，在喉管處氣流速度達到最大，隨后在擴散管處管徑增大，使氣霧混合物與含塵氣流充分混合[10]。在喉部和擴散管繼續(xù)碰撞及凝并形成含塵霧粒，最終被振弦柵攔截捕集。

1.3 確定低阻文丘里管噴嘴結(jié)構(gòu)

低阻文丘里耦合振弦柵除塵采用不銹鋼實心錐形噴嘴。原因是實心噴嘴結(jié)構(gòu)緊湊，在增壓泵壓力作用下水由實心噴嘴噴出形成圓錐形霧粒，霧化均勻。圓錐形霧粒角度約為44°～82°，氣霧效果良好。實心錐形噴嘴結(jié)構(gòu)合理，過濾器防止噴嘴堵塞。分配器把水量分散霧化，切線計量槽減少霧粒運動阻力，旋轉(zhuǎn)形成旋轉(zhuǎn)離心力作用，將在有增壓水泵作用下水由實心錐形噴嘴口噴出的過程中形成更細霧粒。

2 實驗參數(shù)測定方法簡介

2.1 噴霧水量

低阻文丘里采用噴嘴霧化來提高霧化水平，進而提升其除塵效果。比較噴嘴噴霧水量的霧化效果實驗時，先調(diào)節(jié)流量開關(guān)，觀察壓力表，待噴霧穩(wěn)定時，用杯子收集噴霧水量。與此同時，用秒表計時，把采集到噴霧水量的杯子置于電子天秤稱重，并做好記錄。為減少測量誤差，在相同噴霧壓力等條件下多次測量求得平均值，作為該壓力條件下的噴霧量。

2.2 噴嘴噴霧角度

噴嘴在壓力作用下噴水霧射流與未凈化含塵氣流混合均勻，噴水霧射流形成扇形面。為了比較噴霧效果和噴嘴噴霧角度，沿著噴嘴射噴出口所形成的扇形面兩邊繪制切線，兩邊繪制的切線所形成的角度近似地認為噴嘴噴霧角度。垂直于噴嘴射噴的某位置設(shè)置一張適當(dāng)大的白紙，為防止測試之前白紙濕潤，白紙放置阻擋物。測試時，先讓射流運行穩(wěn)定，然后在某時瞬間抽去阻擋物，白紙被噴嘴射噴濕潤，及時測定濕潤面積的長度及寬度，通過平均值求取霧化角度。

2.3 平均噴霧粒徑

測定噴嘴射噴中心軸線不同地點截面處的霧化粒徑分布，分別測定距離噴嘴60 mm、100 mm和140 mm對應(yīng)平面H1、H2和H3的水霧化粒徑。采用索特平均粒徑法分析，索特平均粒徑法采用霧粒群的總體積與總表面積之比值，其值小表示總體水霧粒粒徑小，霧化效果好。水霧滴粒徑和分布情況采用浸入法測定，通過顯微鏡觀察，連接到電腦顯示如圖1所示。

3 噴霧特性的測定結(jié)果

3.1 噴嘴噴霧水量

采用容積法測定噴嘴在不同供水壓力作用下的噴霧水量，得到如圖2所示。噴霧量隨著供水壓力的增大，先迅速增大后趨于穩(wěn)定。原因是噴嘴供水壓力的增加導(dǎo)致噴嘴噴射速度增加，造成噴霧水量增多。當(dāng)噴嘴供水壓力升高到某值時，由于噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的制約，噴霧量先是增加較快，然后增加幅度變緩并趨于穩(wěn)定。由圖2可知，噴嘴噴霧流量隨孔徑增大而增加，若進一步增大噴嘴流量，應(yīng)增大噴嘴孔徑才能達到。

圖1 顯微鏡下的水霧顆粒

圖2 不同噴嘴孔徑不同壓力下的流量曲線

3.2 霧化角

文丘里除塵依靠水霧與含塵氣流的碰撞凝并形成更大含塵霧粒，噴嘴噴霧霧化角度大小是否覆蓋文丘里管道影響其降塵效果。測定兩種噴射孔徑在不同水泵供水壓力情況下噴嘴霧化角，如圖3所示。水泵供水壓力小時，霧化角較?。凰霉┧畨毫Υ髸r，霧化角較大。原因是液體表面張力和粘力，與水所施加的能量對比。當(dāng)在水泵供水壓力為0.6 MPa時，受噴嘴結(jié)構(gòu)的限制，最終噴嘴噴霧霧化角增加緩慢而趨于穩(wěn)定。依據(jù)圖3，噴嘴孔徑為1.8 mm的霧化角在壓力初期變化比噴嘴孔徑為1 mm更快，兩者的霧化角度都趨于80°。

3.3 噴嘴噴霧霧化直徑

噴嘴噴霧粒徑的主要受水泵供水壓力和噴嘴的自身結(jié)構(gòu)的影響及制約。霧化區(qū)的霧粒粒徑大小不均，水霧粒大小及均勻程度對凝聚捕集細微粉塵有重要影響。實驗結(jié)果如圖4所示。兩種不同孔徑的噴嘴在不同壓力下的變化情況比較相似，噴嘴噴霧形成的水霧粒徑分別為90～145μm及200～265μm。隨著水泵供水壓力的增加，噴嘴噴霧的平均霧化粒徑先是減小，然后趨于穩(wěn)定。當(dāng)噴嘴噴霧的供水壓力為0.6 MPa時，受到噴嘴結(jié)構(gòu)制約，噴霧射流變化較小，然后大體保持穩(wěn)定，平均霧化粒徑變化很小。原因是噴嘴的供水壓力增加，射流作用比氣流作用明顯，氣流作用導(dǎo)致液滴不斷破裂成許多微小霧滴。

圖3 不同孔徑噴嘴不同壓力下的霧化角曲線

圖4 不同孔徑噴嘴霧化粒徑與供水壓力的曲線

3.4 噴嘴參數(shù)綜合分析

由于兩種孔徑噴嘴是屬于同一類型噴嘴，兩種孔徑噴嘴參數(shù)情況類似，表現(xiàn)形式相似，僅以噴嘴孔徑是1 mm的為例。噴嘴噴霧水量及霧化角度隨著噴嘴供水壓力的增加而增大，表示噴嘴霧化程度越高。當(dāng)噴嘴供水壓力增至0.6 MPa時霧化角度達到70°，未達到最大值80°；當(dāng)噴嘴供水壓力增至0.6～1 MPa時，霧化流量逐漸增大然后趨于穩(wěn)定，噴嘴噴霧霧化角度趨于最大值80°，此時水霧對文丘里的收縮管及喉管截面都形成良好的封閉效果。當(dāng)噴嘴供水壓力為0.6～1.0 MPa時，霧化粒徑隨供水壓力增加而逐漸減?。辉谠搲毫Ψ秶鷥?nèi)，孔徑為1 mm和1.8 mm，噴嘴的霧粒初速度范圍分別為15～20 m/s和18～24 m/s。因此，不考慮噴霧初速度的影響，噴嘴供水壓力的最佳值為0.6～1.0 MPa。

3.5 供水方式對比

低阻文丘里耦合振弦柵除塵器進行徑向外噴和軸向噴霧下的配置，喉管氣速24 m/s，振弦柵數(shù)2塊，纖維絲間隙 0.8 mm，噴霧量2.4 L/min。在低阻文丘里耦合振弦柵除塵器配置的條件下，測定了6組該除塵器的除塵效率，如圖5所示，可以看出徑向外噴和軸向噴霧的除塵效率的波動區(qū)間分別在100%以內(nèi)。徑向外噴的除塵效率大于軸向噴霧的除塵效率，因此，低阻文丘里耦合振弦柵除塵器最佳供水方式為徑向外噴。

圖5 低阻文丘里耦合振弦柵除塵器的除塵效率

4 結(jié)論

本文進行了低阻文丘里耦合振弦柵除塵器的噴霧各參數(shù)的實驗研究，得出了噴嘴噴霧最佳供水壓力區(qū)間為0.6～1.0 MPa，并得到以下結(jié)論。

（1）測得1 mm和1.8 mm孔徑噴嘴的噴霧霧化粒徑范圍分別為90～145 μm和200～265 μm，平均水霧粒徑隨著噴嘴供水壓力和噴霧距離的增大而減小。

（2）理想條件下孔徑為1 mm和1.8 mm噴嘴噴霧粒的初速度分別隨供水壓力增大而增加，增大幅度由大到小最終趨于平緩。

（3）在相同參數(shù)下對低阻文丘里耦合振弦柵除塵器的效率和系統(tǒng)阻力進行測定，得到除塵效率為徑向外噴優(yōu)于軸向噴霧，系統(tǒng)阻力為徑向外噴小于軸向噴霧，最佳供水方式為徑向外噴。