李浩軒,劉榮華,2*,王鵬飛,2,鄔高高

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點實驗室,湖南 湘潭 411201)

據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的近三年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展公報顯示,我國煤炭消費總量逐年遞增,同時,煤炭消費量在能源消費總量中占比長期穩(wěn)定在60%左右,可以預(yù)計,煤炭這種主要能源為我國社會經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮重要作用的現(xiàn)狀短期內(nèi)不會發(fā)生改變[1-3].隨著我國煤礦智能化建設(shè)的大力推進,開采過程中的機械化、自動化水平不斷攀升,其產(chǎn)塵量也大幅激增,污染工作環(huán)境的同時,對井下作業(yè)人員的健康也構(gòu)成了巨大威脅,尤其是粉塵粒徑小于7.07 μm的呼吸性粉塵,可引起包括塵肺病在內(nèi)的多種嚴(yán)重疾病,粉塵治理刻不容緩[4-8].噴霧降塵具有裝置簡單、適用范圍廣等特點,已成為目前濕式除塵領(lǐng)域普遍采用的一種有效措施[9-11].

目前,國內(nèi)外學(xué)者對噴霧降塵機理及其降塵效果影響因素進行了大量相關(guān)研究.S.Chand通過對水噴淋降塵做了大量系統(tǒng)性實驗后,發(fā)現(xiàn)只有在塵粒與霧滴均具有一定初始動能的前提下,二者才能發(fā)生有效碰撞并聚集在一起[12].徐立成等結(jié)合空氣動力學(xué)的觀點分析研究,結(jié)果顯示在霧滴與含塵氣流相遇后,后者不會沿著流線繞開霧滴,而是根據(jù)慣性作用的原理繼續(xù)沿原運動方向移動,進而將會和霧滴發(fā)生碰撞,最終被其捕集并共同沉降[13].王鵬飛等自主設(shè)計搭建噴霧降塵實驗平臺模擬巷道工況,對噴霧裝置進行性能測試和霧化特性研究,并通過系統(tǒng)性的實驗,分析降塵效率的影響因素,實驗結(jié)果顯示當(dāng)霧滴平均粒度接近粉塵顆粒粒徑時降塵效果最好[14-18].當(dāng)前普遍采用的噴嘴具有一定局限性,主要體現(xiàn)在其對呼吸性粉塵的降塵效果不盡人意,于是微霧降塵技術(shù)應(yīng)運而生,該技術(shù)的特點是能夠產(chǎn)生粒徑更小、與粉塵顆粒粒度更接近的霧滴,從而有效提升降塵效率.目前,微霧噴嘴已應(yīng)用于霧炮車、霧炮機等濕式除塵設(shè)備中[19-21].本文通過實驗的方法對微霧噴嘴的霧化特性和降塵性能進行研究,研究成果將對微霧噴嘴在濕式除塵領(lǐng)域更廣泛的應(yīng)用提供參考.

1 實驗系統(tǒng)及方案

1.1 實驗系統(tǒng)

圖1 噴霧降塵實驗系統(tǒng)

本研究所涉及的實驗基于噴霧降塵實驗平臺進行,該實驗平臺由巷道模型、發(fā)塵裝置、供水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)及測量設(shè)備等5個部分組成,主要儀器儀表有馬爾文實時高速噴霧粒度分析儀、BPZ75/12型高壓水泵、高速攝像儀、AG410型干粉氣溶膠擴散器、CCZ-20型粉塵采樣器等儀器.實驗系統(tǒng)如圖1所示.

經(jīng)過前期現(xiàn)場調(diào)研和實測,實驗所使用的噴嘴定為斯普瑞、泰格和LN微霧噴嘴,這3種微霧噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,具有較為理想的霧化效果,霧化場均呈實心圓錐狀,每種噴嘴均選取3種規(guī)格,即出口直徑分別為0.5,0.7,1.1 mm.

1.2 實驗方案

本研究共設(shè)計2組實驗.第1組為微霧噴嘴的霧化特性實驗,主要研究霧化角、霧滴粒徑、射程和噴嘴流量等參數(shù)與供水壓力的關(guān)系.通過調(diào)節(jié)高壓水泵,設(shè)定供水壓力分別為0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0 MPa這6種工況,再依次測定上述工況下斯普瑞、泰格、LN這3種微霧噴嘴在3種不同出口直徑下的霧化特性參數(shù).首先通過高速攝像儀記錄不同工況下噴嘴產(chǎn)生的噴霧流場,再利用Image-ProPlus 6.0軟件對數(shù)據(jù)進行提取、處理和分析,得出噴嘴的霧化角和射程;噴嘴流量通過電磁流量計直接讀取;將馬爾文實時高速噴霧粒度分析儀的激光發(fā)射器與接收器分別安設(shè)在沿霧流噴射方向與噴嘴水平距離50 cm處的巷道模型兩側(cè),并取該處截面中心作為霧滴特性參數(shù)采集點,測定并分析得出噴霧場霧滴的粒徑及分布.

第2組為微霧噴嘴降塵性能實驗.選擇在第1組實驗中霧滴粒徑參數(shù)最小時對應(yīng)的出口直徑,測定該直徑下3種噴嘴在第1組實驗中6種供水壓力下的降塵效率.實驗所用粉塵粒徑小于106 μm,采用150目(篩孔尺寸為100 μm)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)篩通過篩分得到.發(fā)塵裝置為AG410型干粉氣溶膠擴散器,設(shè)置發(fā)塵量為15 g/min,輸送氣壓為0.2 MPa.通過調(diào)節(jié)變頻除塵風(fēng)機,使整個降塵實驗過程中巷道模型內(nèi)的風(fēng)速穩(wěn)定在1.0 m/s.在噴霧段前后分別設(shè)置CCZ-20型粉塵采樣器,設(shè)置采樣時間為120 s,吸氣流量為15 L/min.對采集到的粉塵樣品進行烘干操作,通過LS13320型激光粒度分析儀分別對前后兩種粉塵樣品進行粒徑體積頻率分析,得出噴霧段前、后含塵氣流中的全塵和呼吸性粉塵的質(zhì)量濃度,進而計算出微霧噴嘴的降塵效率.

2 實驗結(jié)果分析

2.1 宏觀霧化特性參數(shù)分析

在噴霧降塵的現(xiàn)場應(yīng)用中,噴嘴的流量、霧化角和射程是評價其降塵性能的3項關(guān)鍵指標(biāo),其中霧化角和射程決定了霧滴與塵粒發(fā)生有效碰撞的空間范圍的大小,而噴嘴流量則是衡量噴嘴單位時間霧化水能力的重要指標(biāo)[22-23].3種噴嘴在不同出口直徑下噴嘴流量與供水壓力的關(guān)系如圖2所示.

圖2 3種噴嘴的噴嘴流量與供水壓力關(guān)系

由圖2可知:相同的供水壓力下,3種噴嘴的流量均隨出口直徑的增大而增加,這是由于出口直徑的增大會減小出口處的局部阻力,有利于水的流動;同時,相同出口直徑的噴嘴流量亦隨供水壓力的增加而增大.當(dāng)出口直徑為0.5 mm和0.7 mm時,相同的供水壓力下LN微霧噴嘴的流量最大,其次是泰格,斯普瑞流量最小,且LN噴嘴的流量相較其余2種噴嘴優(yōu)勢明顯,后兩者差值較小,如當(dāng)供水壓力為2 MPa、出口直徑為0.5 mm時,LN、泰格、斯普瑞噴嘴的流量依次為0.31,0.27,0.25 L/min;相同水壓下,出口直徑為0.7 mm時,LN、泰格、斯普瑞噴嘴的流量依次為0.62,0.52,0.52 L/min.不同噴嘴的流量隨出口直徑和水壓變化的增減幅度不一.當(dāng)出口直徑為1.1 mm時,在供水壓力為0.5～1.5 MPa時,泰格噴嘴流量大于斯普瑞噴嘴流量;在水壓為2.0 MPa時兩者數(shù)值相等,均為0.7 L/min;而在2.5～3.0 MPa水壓段,增長較快的斯普瑞噴嘴流量超過泰格;LN噴嘴在各種水壓下,其流量都是3種噴嘴中最大的,這是因為LN噴嘴相較其他2種噴嘴在結(jié)構(gòu)上具有明顯的差異,斯普瑞和泰格微霧噴嘴出水口一端均為平口設(shè)計,而LN微霧噴嘴的出水口位于半球面的頂部位置,該構(gòu)造有利于減小水流阻力,故其噴嘴流量在相同水壓和出口直徑的情況下更大.

圖3為3種噴嘴在不同出口直徑下霧化角與供水壓力的關(guān)系.由圖3可知:噴嘴出口直徑保持一定時,隨著供水壓力增加,噴嘴的霧化角按照先增大后減小的規(guī)律變化;同時,在相同水壓下,噴嘴的霧化角隨出口直徑的增大而增大.由前文可知,提高供水壓力可使噴嘴流量增大,不斷增大的水流量提高了噴嘴內(nèi)部旋流強度,進而增大了噴嘴出口處的射流徑向速度,導(dǎo)致霧化角隨之增大.但這種變化并不是線性的,并且當(dāng)供水壓力增大至一定程度時,隨著流量和霧滴速度的提高,霧化場中心產(chǎn)生較大負壓,霧化場的邊界在負壓作用下不斷向內(nèi)收縮,霧化角將隨之變小.由圖3還可發(fā)現(xiàn),在任意工況下LN噴嘴的霧化角均為3種噴嘴中的最小值.如供水壓力為1.0 MPa時,LN噴嘴在出口直徑為0.5,0.7,1.1 mm時的霧化角分別為51.96°,64.08°,67.58°,而泰格和斯普瑞噴嘴在相應(yīng)工況下的霧化角分別為68.45°,88.52°,98.73°和72.13°,83.68°,95.26°.此外,隨著出口直徑的增大,3種噴嘴霧化角由增至減的拐點處對應(yīng)的供水壓力逐漸變低,如當(dāng)直徑為0.5 mm時,3種噴嘴霧化角在供水壓力為2.5 MPa時開始減小,當(dāng)直徑增加至0.7 mm時,拐點處對應(yīng)的供水壓力為2.0 MPa.

圖3 3種噴嘴的霧化角與供水壓力關(guān)系

3種噴嘴在不同出口直徑下射程與供水壓力的關(guān)系如圖4所示.在相同出口直徑下,射程隨供水壓力的增大而增大;在相同供水壓力下,射程則隨出口直徑增大而減小.結(jié)合前文對流量和霧化角的分析可知,微霧噴嘴的流量隨出口直徑的增大有不同程度的提高,但流量增大的同時霧化角也會大幅增加,導(dǎo)致射流的軸向速度被分散削減,從而射程隨出口直徑的增大逐漸變小.對3種噴嘴橫向比較可以看出:當(dāng)水壓為0.5～2.0 MPa時,在射程方面LN噴嘴相較其余2種噴嘴具有明顯的優(yōu)勢.如當(dāng)水壓為2.0 MPa時,LN噴嘴在出口直徑為0.5,0.7,1.1 mm下的射程依次為133,125,118 cm,而泰格和斯普瑞噴嘴的射程依次為113,110,106 cm和118,111,108 cm.當(dāng)水壓增至3.0 MPa時,3種出口直徑下斯普瑞和泰格噴嘴的射程均超越LN噴嘴.以出口直徑0.5 mm為例,斯普瑞噴嘴射程為171 cm,泰格噴嘴射程為161 cm,而LN噴嘴射程僅為157 cm,比斯普瑞和泰格噴嘴分別低8.2%和2.5%.由此可見LN噴嘴在低水壓區(qū)間射程優(yōu)勢明顯,但其射程隨水壓變大的增長率最小.進一步分析還可發(fā)現(xiàn),射程隨出口直徑的增大而減小的幅度并不明顯.6種供水壓力下,3種噴嘴在出口直徑從0.5 mm增至0.7 mm和從0.7 mm增至1.1 mm兩段,斯普瑞、泰格、LN噴嘴的射程平均降低率分別為5.5%,5.0%;5.5%,4.6%和5.8%,3.9%.

圖4 3種噴嘴的射程與供水壓力關(guān)系

根據(jù)上述分析,在微霧降塵實際應(yīng)用中,可結(jié)合噴嘴特性對微霧噴嘴進行合理的選擇與布置.當(dāng)水壓較低且需要遠距離降塵時,宜選用LN小口徑噴嘴;若作業(yè)環(huán)境可提供較高的供水壓力時,則優(yōu)先選用斯普瑞微霧噴嘴;對于需要大面積降塵的現(xiàn)場作業(yè),則適合選用霧化角較大的泰格微霧噴嘴,可減少安設(shè)的噴嘴數(shù)量.

2.2 霧滴粒徑分析

霧滴粒徑是與微霧噴嘴霧化除塵效果緊密相關(guān)的參數(shù).現(xiàn)有研究表明,霧滴粒徑與塵粒粒度越接近,除塵效果越明顯[24-25].衡量霧滴粒徑的指標(biāo)較多,常用的有D10,D50,D90等特征直徑,其中使用頻率最高的是D50,即顆粒的質(zhì)量中值直徑,其含義為當(dāng)顆粒物中小于某一直徑的各種粒度的顆粒物質(zhì)量之和占所有顆粒物總質(zhì)量的50%,則稱該直徑為質(zhì)量中值直徑,該項指標(biāo)的增減情況很大程度反映了霧滴粒徑的變化趨勢.實驗得到不同出口直徑下3種噴嘴的霧滴質(zhì)量中值直徑與供水壓力的關(guān)系,如圖5所示.

由圖5可知:3種噴嘴在相同出口直徑下,其霧滴質(zhì)量中值直徑隨著供水壓力的提高均出現(xiàn)不同幅度的下降.當(dāng)出口直徑為0.5 mm,供水壓力從0.5 MPa增至3.0 MPa時,泰格微霧噴嘴的D50從82.86 μm減小到54.55 μm,降幅達到34.17%,LN噴嘴的D50從88.20 μm減小至59.30 μm,斯普瑞噴嘴的D50從63.75 μm減至49.58 μm,降幅分別為32.77%和22.23%.當(dāng)出口直徑為0.7 mm和1.1 mm,水壓從0.5 MPa升高到3.0 MPa時,斯普瑞、泰格、LN噴嘴的D50分別下降了34.03%,43.21%;38.73%,43.69%;41.90%,29.09%.在0.5 mm和1.1 mm出口直徑下,3種噴嘴中泰格微霧噴嘴霧滴粒徑隨供水壓力的升高而減小的幅度最大,而在出口直徑為0.7 mm時,則是LN微霧噴嘴減小幅度最大.

圖5 3種噴嘴的D50與供水壓力關(guān)系

由圖5還發(fā)現(xiàn):3種噴嘴在不同出口直徑下D50的排序不同.任意出口直徑下,LN噴嘴的D50均為3種噴嘴中數(shù)值最大的,且多數(shù)工況下遠大于其余2種噴嘴的D50,隨著出口直徑的增大,3種噴嘴的D50均出現(xiàn)不同幅度的增長.當(dāng)出口直徑從0.5 mm增至0.7 mm時,斯普瑞、泰格、LN噴嘴在6種不同水壓下的D50平均漲幅分別為33.42%,5.01%,30.40%;當(dāng)出口直徑從0.7 mm增至1.1 mm時,三者的漲幅分別為5.07%,15.69%,18.94%.總體來看,斯普瑞、泰格、LN噴嘴在出口直徑由0.5 mm增至1.1 mm的過程中,D50平均增長率分別為19.24%,10.35%,24.67%.

由此可見,LN噴嘴的D50總漲幅、分段漲幅和初始值均為3種噴嘴中的最大值,故其霧滴粒徑始終大于其余2種噴嘴;斯普瑞噴嘴初始D50小于泰格,增長速度先快后慢,且總漲幅僅次于LN噴嘴,故其僅在0.5 mm出口直徑下霧滴粒徑最小;泰格微霧噴嘴因其增幅最小,是出口直徑為0.7 mm和1.1 mm時霧滴粒徑最小的噴嘴.

2.3 降塵性能分析

霧滴粒徑是噴嘴除塵效率的主要影響因素,且微霧噴嘴與傳統(tǒng)壓力噴嘴相比,其核心優(yōu)勢為霧滴粒徑更小.故選取0.5 mm出口直徑的3種噴嘴,依次測定其在第1組實驗中6種供水壓力下的降塵效率.通過第2組實驗得到3種噴嘴的全塵降塵效率和呼吸性粉塵降塵效率,如圖6和圖7所示.

圖6 噴嘴結(jié)構(gòu)對全塵降塵效果的影響

圖7 噴嘴結(jié)構(gòu)對呼吸性粉塵降塵效果的影響

由圖6和圖7可知:隨供水壓力的提高,3種噴嘴在全塵和呼吸性粉塵降塵效率2項指標(biāo)上呈現(xiàn)大致相同的規(guī)律,均表現(xiàn)為先升高后降低的變化特點.這是由于噴霧降塵主要是通過塵粒與霧滴之間的慣性碰撞原理發(fā)揮作用,故霧滴粒徑與粉塵粒度越接近,發(fā)生碰撞的概率就越大.因此,在初始階段,升高供水壓力使霧滴在噴嘴內(nèi)被破碎成更小的顆粒,霧滴粒徑的縮小對噴嘴降塵效率的提高起到了立竿見影的效果.然而這并不表示霧滴的粒徑越小越好,因為過小的霧滴不僅蒸發(fā)過快、極易隨氣流流動,且無法完全潤濕塵粒,碰撞結(jié)合后的霧滴-塵粒組合體仍可懸浮于空氣中,無法達到降塵目的,這種情況下反而不利于降塵效率的提升.同時由霧化特性實驗可知,當(dāng)供水壓力超過一定范圍后，繼續(xù)提升水壓將使霧化角不斷減少,這種情況下所產(chǎn)生的霧化場將更加集中,使其在巷道的截面上所形成的有效降塵面積大幅縮減,同樣對降塵不利.

由圖6和圖7還發(fā)現(xiàn):供水壓力在0.5～1.5 MPa時為降塵效率的遞增區(qū)間,且增幅逐漸變大,3種噴嘴在水壓為1.5 MPa時降塵效率達到峰值;供水壓力在1.5～3.0 MPa時為降塵效率的遞減區(qū)間,在此區(qū)間內(nèi),泰格和LN噴嘴的降塵效率減小幅度逐漸趨于平緩,斯普瑞噴嘴的降塵效率減幅先大后小.橫向?qū)Ρ?種噴嘴,在供水壓力為0.5～2.0 MPa時,斯普瑞微霧噴嘴的降塵效率相比于其余2種噴嘴具有明顯優(yōu)勢,其次是LN噴嘴.如水壓為1.5 MPa時,斯普瑞噴嘴的全塵和呼吸性粉塵降塵效率分別為79.27%,77.73%,而泰格、LN噴嘴對應(yīng)的效率則分別為62.58%,60.92%;69.28%,64.60%.繼續(xù)增大水壓至2.5 MPa,斯普瑞噴嘴的降塵效率銳減,降至低于泰格和LN噴嘴的水平.當(dāng)供水壓力為2.5 MPa和3.0 MPa時,泰格和LN噴嘴的全塵降塵效率較為接近,而在呼吸性粉塵降塵效率上,LN噴嘴在2.0 MPa和2.5 MPa水壓下數(shù)值較大,而在3.0 MPa水壓下則是泰格噴嘴較大.

由上述分析可知,對于微霧噴嘴,只需提供較低的供水壓力即可達到理想的霧化狀態(tài),并實現(xiàn)顯著的降塵效果,繼續(xù)增大水壓,不僅不利于粉塵的捕集,還會加劇設(shè)備的磨損和資源的浪費.3種噴嘴中,斯普瑞微霧噴嘴的降塵性能最好,在多種供水壓力下的降塵效率具有明顯優(yōu)勢,且在1.5 MPa水壓下全塵和呼吸性粉塵的降塵效率均接近80%.

3 結(jié)論

1)出口直徑相同時,隨著供水壓力的升高,3種噴嘴的流量、射程均增大,霧化角先增大后減小;在固定的供水壓力下,隨著出口直徑的增加,3種噴嘴的流量和霧化角均增大,射程反而減小.

2)出口直徑相同時,3種噴嘴的霧滴粒徑隨供水壓力的升高而減小;固定供水壓力時,霧滴粒徑則會隨出口直徑的增大而增大.3種噴嘴中,當(dāng)出口直徑為0.5 mm時,斯普瑞微霧噴嘴所產(chǎn)生的霧滴粒徑最小;當(dāng)出口直徑達到0.7 mm及以上的規(guī)格時,泰格微霧噴嘴霧滴粒徑最小.

3)隨著供水壓力的增加,3種噴嘴的全塵和呼吸性粉塵降塵效率均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢,且斯普瑞噴嘴的降塵效率在水壓為0.5～2.0 MPa時具有明顯優(yōu)勢.