高壓噴嘴霧化參數的實驗研究

孫其飛 鄒常富 欒旭東 盛曉明 黃金星 溫艷艷

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

噴霧降塵是礦井防塵系統中應用最為廣泛的技術之一，而噴嘴又是噴霧降塵技術中的核心構件，直接影響噴霧降塵效果。目前關于噴嘴性能參數的研究，基本都是建立在無風或近乎無風狀態下，而噴霧降塵技術在井下工作面或巷道等地點使用時，均受風流影響。實踐證明，噴嘴在不同的風速狀態下其霧化性能參數變化明顯，因此，無風或近乎無風狀態下噴嘴的霧化性能參數對噴嘴的選型指導意義不大，導致噴嘴的選型缺少理論及實驗數據的有效支撐。因此，本項目針對不同風速條件的環境參數下，研究噴嘴霧化性能參數的影響因素，用于指導不同工礦環境條件下的工程應用。

1 試驗系統及測試方法

1.1 試驗系統

為真實模擬礦井環境條件下噴嘴的霧化性能參數，在實驗室模擬巷道中開展風速對單個噴嘴有效水量及分布均勻度、霧粒粒徑的影響試驗，通過調節風機風量，改變風速大小，測試噴霧系統的有效水量、水量分布均勻度、平均霧粒粒徑和耗水量，得出每個噴嘴在不同的風速、采高和壓力下的有效性，試驗分析系統如圖1所示。

1.2 測試方法

本實驗從工程應用的角度出發，以MT/T 240—1997《煤礦降塵用噴嘴通用技術條件》為基礎，并結合相關文獻進行初選，選擇工程應用中比較常見的噴嘴系列，主要包括射程較遠、霧化效果較好的G系列高壓噴嘴、S系列實心錐形噴嘴、PZ系列實心錐形噴嘴、SS系列實心錐形噴嘴4大類共32種不銹鋼噴嘴型號，并分別進行編號。對篩選出的噴嘴，根據礦井通風及噴霧應用實際情況，分別在0、1.5、2.5、3.5 m/s的風速條件下測試其分別在6、8、10、12 MPa壓力下的有效水量、條件霧化角和有效射程。

測試耗水量及有效水量時，噴嘴垂直向下噴射，風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行測試，在噴嘴正下方的地面上放置十字計量儀，十字計量儀中心與噴口中心的垂直投影點重合，測試系統如圖2所示。

噴嘴條件霧化角按MT240-1997的規定的試驗方法進行測試，測得霧流邊界2個交點的距離為L，則按照條件霧化角的標準定義（距噴嘴500 mm處水霧中心線的垂線與霧流邊界的2個交點與噴口中心相連所成的夾角），計算噴嘴的條件霧化角為：用影響下發生偏離點距噴口的距離，測試方法如圖3所示。

2 噴霧參數試驗結果分析

2.1 噴霧粒徑分析

霧滴粒徑是壓力、風速、噴嘴的孔徑等多種因素綜合作用的結果。針對噴嘴的出口口徑、噴口長度、噴霧壓力與噴口距離構成4項主要因素，采用正交試驗方法，得出各因素對指標 Dv（10）（μm）、Dv（50）（μm）、Dv（90）（μm）、D［4 3］（μm）和D［3 2］（μm）的貢獻率如圖4所示。

由極差分析及顯著性檢驗中各因素對各指標的貢獻率可以得出，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，噴口長度僅對Dv（10）有一定影響。因此，在噴霧降塵工程應用中，噴嘴初步選型后，首先應根據現場應用情況確定噴嘴安裝位置，即確定塵源點距噴口的距離，其次確定噴嘴孔徑，最后根據需要適當調節噴霧壓力。

同時，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，導致粒徑變大、霧粒數目減小。而噴嘴口徑越小，液體在破碎成霧粒過程中其內部的紊流、表面張力以及周圍介質的相互擠壓、剪切作用力越強烈，粒徑越小。但霧粒太細易蒸發而失去作用，試驗表明，霧粒粒徑與粉塵粒徑分布范圍接近時降塵效果最佳。因此，在充分考慮不同作業地點粉塵粒徑的分布范圍及呼吸性粉塵占比的基礎上，選擇可產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 噴嘴霧化性能參數分析

礦井噴嘴的使用都是在有風的情況下，風流對噴霧射程、有效水量、噴嘴覆蓋范圍等霧化性能參數均會產生不同程度的影響。在噴霧粒徑分析的基礎上對噴嘴進行優選后測試，其中噴霧射程與噴霧覆蓋范圍受噴霧壓力及風流影響較大。因此在不同風速和壓力條件下進行試驗，得出噴霧射程影響規律如圖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能和速度。同時，壓力增加霧化角減小，抗風能力增加，空氣阻力降低，射程更遠。而在本研究風流方向與噴射方向垂直的條件下，風速增大，風流阻力增加，噴霧射程和噴霧覆蓋面積大大降低。通過實驗結果可以得出，風速對噴霧參數的影響程度要高于噴霧壓力對噴霧參數的影響程度。

通過對有效水量進行測試，有風流影響的情況下，各型噴嘴不同實驗噴霧壓力條件下噴霧最大有效射程處的噴霧流量為無風流條件下噴霧流量的80%左右，即風流導致有效射程內噴霧流量損失在20%左右。

因此，噴霧降塵技術在礦井防塵應用中，應準確測量噴霧應用現場的風速大小，并根據該風速條件下噴嘴參數試驗結果選取適宜的噴嘴，并在現場條件允許的情況下，盡量避免逆風噴霧。

3 現場應用分析

招金集團夏甸金礦卸載站礦車卸料時，卸料坑處產生大量的粉塵飛揚，根據現場粉塵濃度測試，在卸載站中部，總粉塵和呼吸性粉塵濃度分別達350 mg/m3和120 mg/m3，導致該水平卸載站粉塵污染嚴重。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生的粉塵擴散，擬采用噴霧降塵措施進行治理。

由于礦車向料坑卸料時，壓縮料坑內的空氣，導致氣流向坑外擴散，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，氣流方向與噴霧方向相反，類似于逆風噴霧，因此，為防止該粉塵擴散，需在短時間內迅速捕捉沉降粉塵，同時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、遠射程型抗風噴嘴。通過實驗室試驗數據，當風速在1.5 m/s時，噴霧壓力8 MPa左右，選取射程為3 m的PZ型噴嘴，通過現場采用濾膜稱重法測試，粉塵濃度及降塵效率如表1所示。

注：粉塵采樣地點為卸料口下風側3 m位置處。

根據測試結果，采用適宜的噴嘴進行高壓噴霧降塵措施時，卸料口下風側總粉塵濃度降塵效率達91.1%，呼吸性粉塵濃度降塵效率也高達90%，降塵效果非常明顯，呼吸性粉塵降塵效率也較高。對比以往的工程案例，高壓噴霧降塵效果在85%～90%之間，主要是噴嘴選型不合理，由于受風流影響導致噴霧效果略低。因此，通過現場實際應用證明，噴嘴的參數試驗必須考慮風流的影響，利用不同風速條件下測試的噴嘴參數進行噴嘴選型，對噴霧降塵技術應用具有非常重要的指導意義。

4 結論

在實驗室模擬巷道中開展風速對單個噴霧有效水量及分布均勻度、霧粒粒徑的影響試驗，并在礦井卸載站進行了現場應用，得出如下結論：

（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，而隨風速增大，噴霧射程和噴霧覆蓋面積大大降低，且風速對噴霧參數的影響程度要高于噴霧壓力對噴霧參數的影響程度。

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

（4）噴霧降塵技術在礦井防塵應用中需根據風速值及噴嘴參數試驗結果選取適宜的噴嘴，招金集團夏甸金礦卸載站礦車卸料點采用優選噴嘴噴霧降塵后，總粉塵和呼吸性粉塵濃度降塵效率分別高達91.1%和90%。