金屬礦山氣-水噴頭霧化特性及降塵能力實驗研究

蔣仲安，王亞朋，許峰

(北京科技大學 土木與資源工程學院，北京，100083)

多中段高溜井在金屬礦山運輸中具有較大作用。但是，高溜井運輸也導致了嚴重的粉塵污染問題[1-2]。在礦山粉塵治理中，除通風除塵外，噴霧降塵是控制粉塵污染較為有效的手段。傳統水噴霧耗水量大，液滴粒徑大，捕塵能力差。而氣-水噴霧以壓縮空氣為動力，將水通過氣-水噴頭進行霧化，產生的霧滴粒徑較小，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，粉塵運動速度較快[5-6]。現階段對于氣-水噴霧降塵的研究更多針對風流較為穩定的環境下除塵，很少應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律。汲銀鳳等[8]通過實驗對不同霧化噴頭進行噴霧實驗，利用霧滴粒徑標定出不同噴嘴的最佳霧化氣水比。顯然，對于存在沖擊風流的多中段溜井卸礦粉塵治理，現有水噴霧降塵參數并不能在溜井粉塵治理中完全使用。同時，氣-水噴頭結構在不斷更新，對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，本文作者對噴霧直徑為1.5 mm的新型可調廣角氣-水噴頭的霧化特性、風流影響下霧滴變化趨勢及霧滴的捕塵能力進行實驗分析，通過實驗總結出新型氣-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，同時確定沖擊風速對噴霧粒徑及捕塵能力的影響程度。

1 氣-水噴霧數學計算模型建立

傳統水噴霧是利用單相液體水作為材料和動力，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]。新型可調廣角氣-水噴頭結構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算公式為[11-14]：

圖1 新型氣-水噴頭結構和霧化捕塵原理Fig.1 New gas-water nozzle structure and atomization principle

將式(2)代入式(1)并經整理可得

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

其中：Al為液體注入孔面積，m2；Ag為注氣孔面積，m2。實驗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°。將參數代入式(4)并化簡得

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算：

氣體質量流量Qmg使用式(6)計算可得：

其中：vg為空氣出口流速，m/s；k為空氣絕熱指數；ρg為空氣的密度，kg/m3；Qmg為空氣質量流量，kg/s;ηl為注氣孔流量系數，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，整個過程動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，噴霧系統中局部阻力指水由1.5 mm孔徑進入混合腔時存在的阻力。局部阻力損失為

其中：Δpm為局部損失，Pa；ζ為局部阻力系數，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，結合式(8)可得流體出口速度:

同理，液體質量流量Qml使用式(9)計算可得：

2 新型氣-水噴霧參數實驗分析

2.1 實驗平臺的建立

在北京科技大學安全防塵實驗室現有的除塵實驗設備基礎上，建立新型氣-水噴頭霧化性能(噴射角度、霧滴粒徑、霧滴軸線穩定性)實驗平臺。圖2所示為實驗平臺的噴頭霧化粒徑測試模塊，包括霧滴粒度分析儀(型號JL-3000)、空氣壓縮機、高壓水泵、噴嘴安裝三腳架、氣體及液體流量計。輸氣及輸水管線均采用直徑為12 mm 的空壓管，空壓機為實驗提供壓縮空氣，有效可調壓力范圍為0～0.8 MPa；高壓水泵(型號QL380A)提供壓力水，壓力范圍為0～6.0 MPa。由空氣壓縮機及水泵分別用空壓管連接壓力表和流量計，然后通過空壓管與霧化噴嘴(孔徑為1.5 mm)直接相連，通過調節氣壓閥和水壓閥，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，而氣壓和水壓參數是影響霧化效果主要因素[15]，因此，以氣壓和水壓參數為主進行霧化效果分析。

圖2 新型氣-水噴頭霧化性能實驗系統Fig.2 New gas-water atomization performance experiment system

2.2 不同參數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準[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，而壓力影響流量，因此，優先對氣液壓力進行分析。由于噴霧呈發散狀，實驗選擇在噴霧軸向檢測霧滴粒徑分布。在進行控制變量分析時，使用卸壓閥分別對氣壓、水壓進行調節。為分析出氣壓與水壓變化對霧化效果的影響，根據經驗選取氣壓為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，進行交叉實驗。并利用激光粒度分析儀分別讀取不同氣壓及水壓配比時霧滴粒徑。分析評定霧滴群的霧化質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分別為累計分布50%和90%處的直徑)對新型氣-水噴頭的霧化效果進行分析[19-20]。為使氣-水噴霧在除塵過程中達到較少耗水量，同時分析氣水量的變化對霧滴粒徑的影響。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24 μm，此種新型噴頭霧化效果較好。礦山生產中呼吸性粉塵的空氣動力學直徑(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粉塵容易被捕捉，因此，應通過調節氣壓和水壓盡量將霧滴粒徑縮小。對圖3(a)和3(b)進行進一步分析發現，D50和D90的霧滴三維曲面圖存在2 個紅色凹陷區α和β，區域內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。紅色凹陷區域α和β的氣壓范圍為[0.4,0.6]MPa，水壓范圍為[0.3,0.5]MPa，對應水流量范圍為[0.8,1.5]L/min，氣流量的范圍為[110,130]L/min。同時，由三維曲面圖可看出：氣壓到達0.5 MPa時，繼續增加氣壓并沒有明顯改變粒徑，而氣壓過大導致壓縮氣體浪費。經過整理分析，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、水流量變化呈現負相關關系。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。當氣壓恒定時，水流量與水壓呈正相關；當水壓恒定時，氣流量與氣壓呈正相關。此外，氣流量隨氣壓的增大能夠持續增加，而水壓的繼續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霧滴的覆蓋范圍。選取最佳霧滴粒徑區域α和β(氣壓范圍為[0.4,0.6]MPa、水壓范圍為[0.3, 0.5]MPa)，分析區間內氣壓和水壓變化對噴霧角度的影響。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 氣壓和水壓變化對霧化角度的影響Fig.4 Effect of gas-water pressure changes on atomization angle

由圖4可知：當氣壓為0.5 MPa 時，水壓由0.3 MPa 增加到0.7 MPa，噴頭霧化角度呈現出先增大后減小的趨勢。噴頭最大霧化角為38°，最小33°。水壓增大時，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。當水流量過大時，氣壓不足以將水充分霧化，水壓在霧化室內占據主要優勢，霧滴粒徑變大霧化角度變小。當水壓為0.4 MPa 時，在氣壓變化區間為[0.3,0.6]MPa 時，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，氣壓變化是優化霧化角度最有利因素。在保證霧化粒度的前提下，適當調整氣壓可以增加噴霧在空間內覆蓋面積，從而改善霧滴與粉塵的混合程度，提高降塵率。在最佳氣、水壓力配比參數區間內，根據霧化角度的變化可知，在保證氣壓為0.6 MPa、水壓為0.5 MPa 時可以達到最佳霧化角度。

2.3 氣-水壓力變化對霧滴軸向穩定性分析

上述對氣-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，粒徑在外界環境中的穩定性也是體現霧化效果的重要參數。為研究霧滴粒徑在水平方向上的穩定性，設置間距為0.3，0.5，0.7，0.9 和1.1 m 5 個檢測點，軸向水平移動噴霧支架，分析霧滴軸向穩定性。霧滴參數檢測設置情況如圖5所示。同樣選取區域α和β，采用D90分析氣、水壓力變化對霧滴在不斷運動中穩定性的影響，結果分別如圖6和圖7所示。

圖5 霧滴軸線穩定性檢測Fig.5 Droplet stability test

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

圖6 氣壓變化對霧滴穩定性的影響Fig.6 Effect of pressure change on droplet stability

圖7 水壓變化對霧滴穩定性的影響Fig.7 Effect of water pressure change on droplet stability

2.4 體積流量比對霧滴粒徑影響分析

當氣、水流量范圍分別為[110, 130]L/min 和[0.8,1.5]L/min時，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，但同時涉及氣壓、水壓的分析離散性太強。因此，引入氣、水流量比(Qg/Ql)分析其對霧滴粒徑變化影響。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；當氣、水流量比小于100 時，對霧滴粒徑的影響較大；當氣、水流量比為[100, 200]時，霧滴受氣水流量比的影響較小；當氣、水流量比大于200時，霧滴粒徑基本穩定。平均霧化粒徑擬合出的最佳氣、水流量比與實驗中氣液壓力比確定的最佳氣、水流量比相吻合。

3 沖擊氣流對捕塵能力影響的實驗分析

礦山運輸系統其他部位采用氣-水噴霧降塵時，環境風流穩定且風速較小，不會對降塵效果產生影響。而多中段溜井卸礦時，粉塵由礦石下落產生的沖擊性氣流帶入聯絡巷污染作業環境，具有粉塵運移速度快的特點。溜井口沖擊風速相對較大，影響了粉塵與霧滴的均勻混合。因此，建立如圖9所示噴霧降塵實驗巷道分析沖擊氣流對霧滴粒徑及捕塵效率的影響。矩形高溜井聯絡巷長、寬和高分別為6.0 m、1.5 m 和1.2 m，斷面積為1.8 m2；除塵實驗采用圖2所示的氣-水噴霧設備。進行多中段溜井卸礦時，沖擊氣流攜帶粉塵由不同中段溜井口噴出。由于受現有巷道模型的限制，不能實現從巷道底部產塵，因此，采用巷道端頭設置64 m3/min 的揚塵風扇配合粉塵擴散器模擬產塵源。為區分出噴霧對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扇2 m處，安裝角度為指向產塵源30°方向的位置。分別采用粉塵濃度測試儀及粒度分析儀檢測出巷道內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驗平臺Fig.9 Experimental platform for spray and dust suppression

3.1 沖擊氣流對霧滴粒徑的影響

溜井口卸礦粉塵治理與普通巷道內彌漫粉塵治理不同，噴霧對卸礦粉塵治理時受風速影響較大，因此，研究風速對霧滴粒徑的影響及不同風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)，同時改變正向風速為0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 和3.0 m/s，監測霧滴粒徑變化。在不同風速下檢測霧滴粒徑(D50和D90)及分布情況，分析風速對霧滴粒徑的影響，如圖10所示。

圖10 不同風速下霧滴粒徑變化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準下，隨著巷道內風速增加，霧滴粒徑均表現出增大趨勢。風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，導致霧滴質量的積累，從而霧滴粒徑增加。當風速小于1.5 m/s 時，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，當巷道內風速小于1.5 m/s 時，對于霧滴的變化影響不大，可以保證霧化效果。

3.2 沖擊氣流對捕塵率的影響

經現場監測，溜井聯絡巷內正常風速為0.5 m/s 左右。為模擬現場真實環境，開啟風機使巷道達到正常風量，粉塵分布均勻后開啟噴霧，監測噴霧后粉塵質量濃度。為分析卸礦后沖擊性風速對噴霧降塵效果的干擾，采用同樣的實驗步驟，分別對風速為0.5，1.0，1.5，2.0 和2.5 m/s 時噴霧后粉塵質量濃度進行監測，監測結果如表1所示。

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

由表1可知：噴霧前后全塵質量濃度的降低程度比呼吸性粉塵的質量濃度降低程度大；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，不易在空氣中產生自由沉降，噴霧對其捕捉能力有限。全塵及呼吸性粉塵的降塵率均呈現出先增大后減小的趨勢，這與風流對霧滴粒徑影響的規律基本一致。經分析可知：當風速小于1.5 m/s 時，噴霧霧滴粒徑變化較小；風速的存在提高了粉塵與霧滴之間的混合程度，進而增大了霧滴對粉塵捕捉概率，因此，降塵率增加。當風速大于1.5 m/s時，霧滴粒徑受風速的影響急劇增大；同時，當風速較大時降低了粉塵與霧滴的接觸時間，使噴霧降塵能力快速減弱。通過分析風速對霧滴粒徑及降塵率的影響，可知巷道內沖擊風速小于1.5 m/s時，噴霧降塵能力最強。

4 結論

1)在氣壓、水壓及霧滴粒徑這3個變量中，當氣-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，確定出的三維空間為最佳霧化效果區域。新型氣-水噴頭最佳氣、水流量比為100～150，霧滴粒徑可達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定，最大霧化角度為38°。氣壓變化相對水壓變化對霧化角的影響更大，現場可以根據實際情況調整氣壓優化霧化角度。

3)溜井卸礦產生的沖擊氣流對霧滴粒徑影響較大，霧滴粒徑隨風速的增大而增大。風速與霧滴捕塵能力呈反比，隨著風速增大，捕塵能力呈現出先增大后急劇減小的趨勢。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%。