蔣仲安，王 明，陳舉師，林夢露

(教育部金屬礦山高效開采與安全重點實驗室(北京科技大學)，北京 100083)

氣水噴嘴霧化特征與降塵效果分析

蔣仲安，王 明，陳舉師，林夢露

(教育部金屬礦山高效開采與安全重點實驗室(北京科技大學)，北京 100083)

為提高氣水噴嘴在煤礦井下高濃度粉塵作業(yè)場所的噴霧降塵效率，通過實驗研究了氣水噴嘴的霧化特性參數(shù)，得出了霧滴平均直徑與氣、水流量的變化規(guī)律；以煤礦綜掘工作面氣水噴霧降塵過程為研究對象，建立了相應的數(shù)學模型，推導出了氣水噴嘴降塵效率的關系式，采用Matlab軟件繪制了降塵效率曲線.研究表明：水流量一定時，氣體流量越大降塵效率越大；氣體流量一定時，降塵效率隨水流量的增大先增大后減??；粉塵粒徑越大，噴霧霧滴有效作用距離越長，粉塵越容易被沉降；要使氣水噴嘴的降塵效率達到80%以上，氣體流量必須大于150×10-5m3/s，最佳的氣水流量比范圍為100～150.依據(jù)工作面粉塵的粒徑分布和降塵效率要求，參照相關曲線選擇最佳的氣水流量，可以達到更好的降塵效果和經(jīng)濟效益.

綜掘面；粉塵；氣水噴嘴；噴霧；降塵效率；氣水流量比

煤礦井下采掘工作面作業(yè)時會產(chǎn)生大量粉塵，而采用濕式噴霧降塵是最經(jīng)濟簡便的方法，如機組內(nèi)外噴霧聯(lián)合降塵、巷道水幕降塵等，其基本原理都是采用壓力水噴嘴的噴霧形式[1].但傳統(tǒng)的壓力水噴嘴往往要求水壓高、耗水量大，且霧滴粒徑較大，對呼吸性粉塵的降塵效果普遍較差[2].氣水聯(lián)動霧化降塵在中國是一項新興的技術，國內(nèi)外的研究表明采用氣水聯(lián)動噴霧降塵技術較常規(guī)噴霧降塵技術相比能使呼塵的濃度大幅度降低[3-4].氣水聯(lián)動噴霧裝置的核心部件是氣水噴嘴，由于現(xiàn)在對氣水噴嘴噴霧降塵的理論研究較少，導致氣水噴霧降塵技術在實際應用中存在盲目性，只憑經(jīng)驗調(diào)節(jié)裝置的氣、水流量，不僅浪費水資源而且也不能得到應有的降塵效果.本文通過實驗研究氣水噴嘴的霧化特性，結合霧化降塵機理的理論分析，對氣水噴嘴噴霧降塵效率的影響因素進行了分析，得出了氣水噴嘴霧化降塵效率與氣流量、水流量及氣水流量比等因素的關系曲線，能對氣水噴嘴的實際應用提供理論上的指導.

1 氣水噴嘴霧化特性研究

1.1 氣水噴嘴的結構及原理

氣水噴嘴主要由進水端口、進氣端口、氣水混合室及噴霧出口4部分組成，如圖1所示，其原理是：一定壓力的水和氣體分別從進水端口、進氣端口進入，水流在高速氣流作用下破碎成包含大量微小氣泡的液絲或液線，多股氣流和單股水流在氣水混合室內(nèi)形成穩(wěn)定的氣泡兩相流動，混合體經(jīng)噴嘴高速噴出時，由于混合體的體積膨脹和流體攪動作用以及周圍空氣的卷入，水被霧化成許多微細的水粒[5-8].

圖1 氣水噴嘴結構示意Fig.1 Gas-water nozzle structure

1.2 氣水噴嘴性能參數(shù)的研究

在實際應用中，氣水噴嘴噴霧降塵效率的直接影響因素主要有霧滴粒徑、噴射距離及覆蓋角度等參數(shù)[9].這些參數(shù)除了跟混合室及噴嘴的結構有關外，主要取決于氣水噴嘴氣體流量、水流量及氣水流量比[10].為此，本文先通過實驗研究氣水噴嘴的流量特性及霧化特性，為研究氣水噴嘴霧化降塵機理提供理論基礎.

1.2.1 實驗裝置及方法

實驗裝置如圖2所示，整個裝置由供水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、排霧裝置及噴嘴實驗臺4部分組成.實驗在常溫常壓下進行，采用空氣和水作為工作介質(zhì)，氣水噴嘴出口孔徑為2 mm.通過空壓機提供壓縮空氣，壓力范圍為0～1.0 MPa，利用QL-380A型清洗機提供壓力水，壓力范圍為0～6.0 MPa.在噴嘴進氣端和進水端分別用高壓管連接好壓力表和流量計，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氣壓和水壓控制噴嘴的氣流量、水流量. 選用JL-3000型全自動噴霧激光粒度儀對噴嘴霧滴粒徑分散度進行測定，測量范圍為0.5～1 300 μm，霧化角和噴霧過程通過高速攝像機進行觀察.

圖2 實驗裝置Fig.2 Experimental apparatus

1.2.2 流量特性分析

氣水噴嘴內(nèi)兩種流體的流動不是相互獨立的，氣壓和水壓及其各自的流量之間互相影響，改變其中任何一個參數(shù)，其余3個也隨之改變[11].為研究它們之間的關系，分別測定水壓在0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa時，氣壓從0.1 MPa變化到0.5 MPa情況下噴嘴的氣體流量和水流量，得到不同水壓和氣壓情況下水流量及氣體流量的變化關系曲線如圖3，4所示.

圖3 不同水壓下水流量隨氣壓變化關系曲線

Fig.3 The changing curve of water flow under different water pressure

圖4 不同水壓下氣體流量隨氣壓變化關系曲線

Fig.4 The changing curve of gas flow under different water pressure

從圖3,4中可以看出：1)當水壓一定時，隨著氣壓的增加，噴嘴的水流量逐漸下降，且水壓越大，水流量受氣壓的影響越來越小.2)隨著氣壓的增加，氣體流量基本呈線性增加，且水壓越大，氣體流量隨氣體壓力增加的速率越小.

根據(jù)上述試驗的不同工況，得出了對應的氣流量和水流量，由此可以得出水流量與氣水流量比之間的關系如圖5所示.由圖5可知，氣體流量和水汽量流量之間也不是相互獨立的，不論氣水壓力及流量比如何變化，水流量與氣水流量比之間的關系始終成指數(shù)關系，可擬合得

Ql=5.83e-0.03R×10-5.

式中：R=Qg/Ql為噴嘴氣水流量比；Qg、Ql分別為噴嘴的氣體流量和水流量，m3/s.

1.2.3 霧化特性分析

對于結構和原理相似的氣水噴嘴，它們之間都保持著同樣的相似準則，具有相同的相似準則關系式.文獻[12-14]得到相關的內(nèi)混式氣水霧化噴嘴霧滴平均粒徑(文中指索太爾平均直徑)的經(jīng)驗公式為

圖5 水流量與氣水流量比之間的關系曲線Fig.5 The relationship between water flow and gas/water flow ratio

應用Matlab軟件繪制出氣水噴嘴霧滴的平均粒徑大小與不同氣水流量的關系曲線如圖6所示.從圖6中可以看出，水流量一定時，霧滴平均粒徑隨氣體流量的增大而減?。粴怏w流量一定時，水流量越大，霧滴平均粒徑越大；當水流量小于1×10-5m3/s，氣流量大于50 ×10-5m3/s時，霧滴平均粒徑小于10 μm.

圖6 不同水流量下霧滴粒徑隨氣流量變化關系曲線

Fig.6 The curve of droplet diameter with gas flow changing under different water flow

2 氣水噴嘴噴霧降塵數(shù)學模型的建立

2.1 假設條件

以同忻礦5207綜掘工作面為例進行分析，在掘進機搖臂上裝有外噴霧模塊，掘進割煤時對著掌子面噴射水霧，噴射穩(wěn)定后在掘進頭附近形成水霧柱流.假設噴嘴的水霧霧化均勻，多個噴嘴擴散角度能覆蓋整個巷道斷面，則在此噴射范圍內(nèi)高速運動的水霧柱流能與粉塵顆粒發(fā)生碰撞黏結而沉降.在水霧的噴射范圍內(nèi)，水霧的運動速度遠大于含塵氣流的速度，可近似的認為其相對速度就是霧滴的速度[15].噴霧降塵的機理主要有慣性沉降和擴散沉降，其中慣性沉降主要適用于捕獲粒徑大于5 μm的粉塵顆粒，而擴散沉降適用于小顆粒粉塵.通過現(xiàn)場粉塵采樣，采用Winner 2000激光粒度分析儀測得綜掘工作面顆粒粒徑大于5 μm的粉塵占80%以上，可只考慮粉塵顆粒的截留和碰撞作用.

2.2 數(shù)學模型的建立

單一水滴捕捉粉塵顆粒粒子能力是體現(xiàn)噴霧降塵效率的重要參數(shù).如圖7所示含塵氣流以相對速度Ur經(jīng)過一個小水滴，空氣沿流線在液滴周圍做繞流運動，粉塵顆粒在慣性的作用下不能隨氣體流線一起運動而是沿靠近液滴方向的曲線路徑運動，接近軸線位置的粉塵顆粒將在液滴的前方與其相撞而被捕獲.

圖7 單一水滴對粉塵顆粒的慣性作用示意Fig.7 Single droplet inertia effect on dust particles

在整個氣流和水滴的相對運動過程中，可假設一直徑為y的流管內(nèi)的粉塵顆粒全部被捕獲，粒子從管中心線將進一步向液滴轉(zhuǎn)移.則單個液滴捕獲效率E可用半徑為y的圓面積和水滴的投影面積之比來表示，即

假設空氣中粉塵均勻分布，每立方米的粉塵顆粒數(shù)量為n，則單一水滴單位時間內(nèi)捕捉的粉塵顆粒數(shù)為

(1)

式(1)兩邊同時除以空氣流量Q(m3/s)，則單一水滴捕塵速率為

(2)

(3)

考慮如圖8所示的一掘進巷道微元體，巷道斷面積為A，取長度為dx，含塵氣流與水滴以相對速度Ur從相反的方向運動；在dt時間內(nèi)，含塵氣流運動dx，粉塵濃度降低dn，則

結合式(3)可得：

(4)

圖8 巷道斷面微元體Fig.8 Microelement of tunnel section

假設霧滴的有效作用距離為L，粉塵的入口濃度為n1，出口濃度為n2，則對式(4)兩邊求積分：

求解可得

降塵效率η為粉塵濃度減少的量除以入口的粉塵濃度，即

(5)

只考慮慣性作用時，文獻[16]提出了單一液滴慣性碰撞的捕塵效率為

(6)

式中，K為塵粒運動的無因次慣性系數(shù)，稱為斯托克斯準數(shù)，即

(7)

式中：ρp為煤塵的密度，kg/m3；DP為粉塵粒徑，m；μg為氣體的動力黏度，Pa·s.

巷道中霧滴和粉塵顆粒的相對速度近似于霧滴有效作用區(qū)霧滴的速度，為噴嘴出口時速度的1/2[15]，即

(8)

聯(lián)立式(5)～(8)可得

同忻礦5207綜掘工作面風速為Ug=1.5 m/s，巷道斷面積A=15 m2，煤塵的密度ρp=600 kg/m3，氣體的動力黏度μg=1.8×10-5Pa·s，噴霧裝置采用6個噴嘴，則W=6Ql，噴嘴出口面積A0=3.14×10-6m2，整理可得

(9)

3 氣水噴嘴噴霧降塵效果的影響因素分析

采用氣水噴嘴實施噴霧降塵時，針對采掘工作面，降塵效率主要取決于噴嘴的氣體流量、水流量、氣水流量比、工作面粉塵的粒徑分布及霧滴的有效作用距離.結合式(9)，利用Matlab軟件繪制出各個影響因素與降塵效率的關系曲線，分析各個因素對綜掘工作面氣水噴霧裝置降塵效率的影響.

3.1 氣水噴嘴噴霧降塵效率與氣體流量及水流量的關系

在粉塵粒徑DP=10 μm,噴霧有效作用距離L=4 m的條件下，用Matlab軟件分別繪制出不同水流量下氣水噴霧裝置的降塵效率隨氣體流量的變化曲線和不同氣體流量下降塵效率隨水流量的變化曲線如圖9，10所示.由圖可知：1)在水流量一定的條件下，氣體流量越大，氣水噴霧裝置的降塵效率越高，氣體流量小于150×10-5m3/s時，降塵效率隨氣體流量的增大而顯著提高；2)在氣體流量一定的條件下，氣水噴霧裝置的降塵效率隨水流量的增大而先增大后減小，即在給定的氣體流量情況下存在最佳的水流量使得降塵效率最高，其原因是噴霧降塵效率不僅跟霧滴粒徑有關還與霧滴的數(shù)量相關，水量越大霧滴的數(shù)量越多，則霧滴與粉塵顆粒碰撞的概率越大，降塵效率越高，同時霧滴粒徑會隨水流量的增大而變大，從而影響噴霧降塵效率.3)當氣體流量為200×10-5m3/s時，最佳水流量約為1.6×10-5m3/s，該工況下氣水噴霧的降塵效率達到90%以上.

圖9 不同水流量時降塵效率隨氣體流量的變化關系

Fig.9 The curve of dust removal efficiency with gas flow changing under different water flow

圖10 不同氣體流量時降塵效率隨水流量的變化關系

Fig.10 The curve of dust removal efficiency with water flow changing under different gas flow

3.2 氣水噴嘴噴霧降塵效率與氣水流量比的關系

5、如果定位螺栓發(fā)生變位的松動等原因。這種故障會導致限位半軸和扇形板無法實現(xiàn)有效的咬合，導致合閘的狀態(tài)無法保持，最終使操作機構無法實現(xiàn)動作。

在粉塵粒徑DP=10 μm,噴霧有效作用距離L=4 m的條件下，如圖11所示，通過Matlab模擬出了不同氣體流量時降塵效率隨氣水流量比的變化關系曲線，由圖11可知：1)氣體流量一定時，噴霧裝置的降塵效率隨氣水流量比的增大而先增大后減小，即存在一最佳氣水流量比，使得降塵效率最高，當氣體流量為200×10-5m3/s時，最佳氣水流量比為125，此時的降塵效率能達到90%以上；2)實際應用中，要保持較高的降塵效率，噴嘴的氣水流量比應該確保在100～150的范圍內(nèi).3)在相同的氣水流量比情況下，氣體流量越大降塵效率越高.

3.3 氣水噴嘴噴霧降塵效率與粉塵粒徑的關系

圖12描述了噴霧有效作用距離為4 m，水流量為1×10-5m3/s時，不同氣體流量條件下降塵效率隨粉塵粒徑的變化關系.由圖12可知:1)氣水噴霧降塵效率隨粉塵粒徑的增大而迅速增長，然后到達最大值，且隨著粒徑的增大不再變化；2)水流量一定時，氣流量越大，降塵效率越高，且降塵效率趨于穩(wěn)定時所能捕捉的粉塵粒徑越小.當氣體流量為150×10-5m3/s時，對于粒徑為2.5 μm以上的粉塵，降塵效率超過80%；而對于2.5 μm以下的粉塵顆粒，降塵效率急劇下降；當氣體流量為200×10-5m3/s時，粒徑在2 μm以上的粉塵降塵效率達到90%以上.

圖11 不同氣體流量降塵效率隨氣水流量比的變化關系

Fig.11 The curve of dust removal efficiency with gas/water flow ratio changing under different gas flow

圖12 水流量為1×10-5m3/s時，不同氣體流量降塵效率隨粉塵粒徑的變化關系

Fig.12 The curve of dust removal efficiency with dust diameter changing under different gas flow when water flow is 1×10-5m3/s

圖13描述了噴霧有效作用距離為4 m，氣流量為200×10-5m3/s時，不同水流量情況下降塵效率隨粉塵粒徑變化的關系曲線. 由圖13可知：1)在氣體流量足夠大的情況下，水流量大于0.5×10-5m3/s時，對于粒徑為2.5 μm以上的粉塵，降塵效率都超過80%；2)當氣體流量一定時，存在最佳的水流量，使得降塵效率達到最大.

3.4 氣水噴嘴噴霧降塵效率與霧滴的有效作用距離的關系

圖14, 15分別給出了粉塵粒徑為10 μm時，氣水噴霧裝置在不同氣、水流量工況條件下，降塵效率隨噴霧霧滴的有效作用距離的關系曲線.由圖14，15可知：1)霧滴的有效作用距離越遠，降塵效率越高，當水流量為1×10-5m3/s、氣體流量為150×10-5m3/s時，要使降塵效率達到90%以上，有效作用距離必須大于5 m；2)水量一定時，氣體流量越大對噴霧霧滴的有效作用距離要求越低，當氣體流量大于200×10-5m3/s時，霧滴的有效作用距離大于4 m，降塵效率就能達到90%以上.

圖13 氣體流量為200×10-5m3/s時，不同水流量降塵效率隨粉塵粒徑的變化關系

Fig.13 The curve of dust removal efficiency with dust diameter changing under different water flow when gas flow is 200×10-5m3/s

圖14 水流量為1×10-5m3/s時，不同氣體流量降塵效率隨有效作用距離的變化關系

Fig.14 The curve of dust removal efficiency with the effective distance changing under different gas flow when water flow is 1×10-5m3/s

圖15 氣體流量為200×10-5m3/s時，不同水流量降塵效率隨有效作用距離的變化關系

Fig.15 The curve of dust removal efficiency with the effective distance changing under different water flow when gas flow is 200×10-5m3/s

4 現(xiàn)場應用及模擬結果的驗證與分析

本次現(xiàn)場應用及測定是在同忻礦5207綜掘工作面進行的，掘進采用EBZ200型掘進機，氣水噴霧裝置安裝在截割臂端部的機體上，固定支架圍繞機體環(huán)形布置，支架上共安裝6個噴嘴，形成對截割頭的大范圍包裹.根據(jù)上述模擬得出的氣水噴霧裝置降塵效率與氣體流量之間的關系曲線，要使現(xiàn)場的降塵效率達到80%以上，氣體流量必須大于150×10-5m3/s.為驗證氣水噴霧裝置最佳氣水流量比的準確性，本次現(xiàn)場試驗測定了氣體流量為150×10-5、200×10-5m3/s時，水流量分別為0.5×10-5、1.0×10-5、1.5×10-5、2.0×10-5、4.0×10-5、6.0×10-5、8.0×10-5、10.0×10-5m3/s等不同工況下工作面在使用氣水噴霧降塵裝置前后粉塵的濃度，得到不同條件下的降塵效率如圖16所示.

圖16 不同工況下降塵效率的現(xiàn)場測定曲線

Fig.16 The curve of dust removal efficiency in situ measurement under different working conditions

由圖16可知：1)氣體流量為150×10-5m3/s和200×10-5m3/s時，氣水噴霧裝置在水流量為1.5×10-5m3/s的情況下降塵效率達到最大，分別接近80%和85%；2)將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)模擬結果與實測數(shù)據(jù)基本吻合，降塵效率與氣體流量、水流量的變化關系基本保持一致.但整體看來，模擬結果與實測數(shù)據(jù)仍然存在一定偏差，這是由于在現(xiàn)場實測、模型建立過程中均出現(xiàn)一定誤差所引起的.通過對比分析，驗證了模擬結果的準確性，說明推導出的氣水噴嘴霧化降塵效率理論公式及關系曲線有較大的實際應用價值.

5 結 論

1)氣水噴嘴霧滴平均粒徑在水流量不變的條件下，隨氣體流量的增大而減?。辉跉怏w流量不變時，水流量越大，霧滴平均粒徑越大.

2)水流量一定時，氣體流量越大降塵效率越大；氣體流量一定時，降塵效率隨水流量的增大先增大后減??；粉塵粒徑越大，噴霧霧滴有效作用距離越長，粉塵越容易被沉降.

3)使用該類型氣水噴嘴進行噴霧降塵時，要保持較高的降塵效率，氣水流量比應確保在100～150范圍內(nèi).

4)模擬得到的降塵效率曲線與現(xiàn)場數(shù)據(jù)有較好的一致性，可根據(jù)工作面粉塵顆粒的粒度分布和降塵效率要求參照相應的曲線選擇合適的氣流量和水流量，從而達到最佳的降塵效果和經(jīng)濟效益.

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Atomization characteristics and dust suppression mechanism of a gas-water nozzle

JIANG Zhong’an, WANG Ming, CHEN Jushi, LIN Menglu

(Key Laboratory of Ministry of Education for High Efficiency Exploitation and Safety of Metal Mine (University of Science and Technology Beijing), Beijing 100083, China)

In order to improve the spray dust efficiency of a gas-water nozzle in the coal mine workplaces with high concentration of dust, the gas-water nozzle atomization characteristic parameters were studied through experiments, and the changing rule between the droplet average diameter and the gas/water flow was obtained; this paper studied the dust removal process of the gas-water spraying in the comprehensive tunneling face. The corresponding mathematical model was established and the expression of the gas-water nozzle’s efficiency was provided. The curve of dust removal efficiency was drawn by use of Matlab. Research results show that: when the water flow remains constant, the dust removal efficiency increases with the increase of the gas flow; when the gas flow remains constant, the dust removal efficiency increases firstly and then decreases with the increase of the water flow; the larger the dust size is and the longer the effective distance of spray droplets is, the easier the dust settling is. Only when the gas flow is greater than 150×10-5m3/s, the dust reducing efficiency can reach 80%, and the best gas water flow ratio lies between 100 and 150. Based on the size distribution and removal requirement of dust in working face, choose the best gas/water flow can be chosen by reference to the related curve so that better dust removal effect and economic benefits can be achieved.

comprehensive tuneling face；dust；gas-water nozzle；spray；dust removal efficiency；gas/water flow ratio

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.02.024

2015-07-16

國家自然科學基金(51274024,51574016)；中國博士后科學基金(2014M560891);北京市自然科學基金青年科學基金(8164060)

蔣仲安(1963—)，男，博士生導師

王 明, Dwangming@163.com

TD714.2

A

0367-6234(2017)02-0151-07