高壓噴嘴霧化特性試驗研究

彭欣，周英烈

(1.湖南寶山有色金屬礦業有限責任公司， 湖南 郴州市 423000；2.飛翼股份有限公司， 湖南 長沙 410600)

眾所周知，粉塵是造成礦山塵肺病的根本原因。為保障礦山井下工人的身心健康，必須對礦井工作環境采取降塵措施。當前噴霧降塵技術被廣泛應用于礦井井下降塵中[1-3]。國內外學者對噴霧降塵技術進行了大量研究[4-6]。蔣仲安等[7]設計了一套氣水噴霧降塵系統，并對其噴嘴霧化特征及降塵性能進行了試驗研究。王鵬飛等[8-10]建立了氣水噴霧降塵效率數學計算模型。林鴻亮等[11-12]采用試驗與數值模擬相結合的方法，建立了噴嘴霧化模型。大量的研究表明噴嘴的性能直接影響了噴霧降塵的效率。因此，對噴嘴的性能進行研究十分必要。本文以室內模擬試驗為基礎，對影響噴嘴霧化特性的噴霧壓力、孔徑因素進行探究。研究成果可為井下噴霧除塵噴嘴選型提供參考。

1 室內試驗

1.1 試驗系統

本次室內試驗系統管道模型由混合段、測量段等組成，如圖1所示。為便于試驗觀察及結果記錄，試驗系統管道模型段均由厚度為1 cm的有機玻璃制成，其他內部結構由鋼板加工而成。試驗系統的測試部分由Spraytec馬爾文霧滴粒徑分析儀、智能電磁流量計、數字式壓力表等構成。為測試噴嘴在不同方向產生的霧場霧滴粒度，在測量段將噴嘴設置為可旋轉的結構。

圖1 試驗系統結構

1.2 試驗方案

以清水作為本次試驗的工質，為研究孔徑對噴霧特性的影響，分別選取 0.15，0.3，0.5，0.8 mm孔徑的噴嘴為試驗噴嘴，噴嘴設置為逆噴。掘進工作面最優排塵風速為 0.4～0.7 m/s，通過調節風機和噴霧泵，將試驗風速設為0.5 m/s，在噴霧壓力為2，4，6，8，10 MPa，距離噴嘴出口為300 mm處測定噴霧霧場霧滴粒徑分布。

本次試驗所需的細微粉塵由 SAG-410粉塵氣溶膠發生器輸送，該儀器的粉塵質量流量范圍為9.0～490.0 g/h，采用CCZ-1000直讀式粉塵濃度測定儀分別測量孔徑為0.15，0.3，0.5，0.8 mm的噴嘴在5種噴霧壓力下，巷道噴霧段前后斷面的粉塵濃度。

2 試驗結果分析

2.1 壓力影響因素分析

試驗的壓力范圍設置在2～10 MPa之間，在距離噴嘴出口處300 mm的位置，測定不同壓力下噴嘴霧化的粒徑數據，其中D10、D50和D90分別代表小于此粒徑的顆粒體積占顆粒總體積的10%、50%和90%。D（4,3）為體積加權平均粒徑，D（3,2）為索太爾平均粒徑。在本試驗中，D（3,2）可作為描述粒徑的參數。

圖 2為不同壓力作用下的霧化粒徑參數分布圖。從圖2（a）中可以看出，在噴霧壓力提高到4 MPa后，霧化粒徑與噴霧壓力成正相關關系。在噴霧壓力從2 MPa變為6 MPa時，霧滴的粒徑分布范圍成正相關關系，但噴霧壓力超過6 MPa后，霧滴分布粒徑范圍基本不變。另一方面，隨著噴霧壓力的增加，噴嘴所產生的D10與D（3,2）值都成負相關關系。

圖2 不同壓力下霧化粒徑參數分布

從圖2（b）的數據可以得到，在噴霧壓力為2 MPa時，霧滴粒徑主要分布在39～140 μm之間；當噴霧壓力增大到4 MPa后，噴嘴所產生的霧滴粒徑分布范圍為28～116 μm。其所產生的噴霧粒徑最大值與最小值均有所下降。而當噴霧壓力再增長時，噴嘴所產生的霧徑最小值呈負相關關系，最大值呈正相關關系，但整體相差不大。D（3,2）值先增大后減小。總體趨勢為，噴霧壓力越高，霧滴粒徑越小，霧滴分散性越好。

從圖2（c）的數據可以看出，孔徑0.3 mm噴嘴所產生的霧滴粒徑總體上隨著噴霧壓力的增加而呈減小的趨勢變化。在噴霧壓力從4 MPa增長到6 MPa時，霧滴粒徑相對來說明顯減小。在噴霧壓力從2 MPa增長到4 MPa時，噴嘴所產生的D（4,3）值呈負相關關系。

從圖2（d）中可以得到，隨著噴霧壓力的增大，噴嘴所產生的噴霧粒徑呈負相關關系，但當噴霧壓力大于6 MPa后，噴霧粒徑隨壓力增長的變化明顯減小。

2.2 孔徑影響因素分析

本試驗以D（3,2）作為主要研究參數，輔以參數D10、D50、D90和D（4,3）對噴嘴霧化參數進行試驗研究。圖3為不同孔徑噴嘴在不同壓力下產生的噴霧粒徑分布圖。

圖3 不同孔徑下霧化參數分布

從圖3（a）可以看出，在噴霧壓力為2 MPa時，時，D（3,2）與噴嘴孔徑的關系曲線在孔徑0.5 mm處成跳躍性變化，而在壓力為4 MPa時，D（3,2）與噴嘴孔徑基本成線性變化。在噴霧壓力達到6 MPa后，在孔徑0.5 mm處再次出現相對明顯的非線性變化。從圖3（b）可以看出，當噴霧壓力為4 MPa時，D（4,3）值在孔徑0.3 mm處出現跳躍變化。從圖3（c）可以看出，當噴霧壓力達到6 MPa后，在孔徑為0.3 mm處，D90值出現跳躍變化。從圖 3（d）可以看出，當壓力為10 MPa時，D50值在孔徑0.5 mm處表現出較強的非線性變化。從圖3（e）可以看出，當壓力為4 MPa和10 MPa時，D10在孔徑為0.5 mm處呈跳躍變化。

結合圖2和圖3可以得到，當噴霧壓力到達6 MPa后，噴霧壓力的提高對霧化粒徑的影響已不明顯。從圖3的數據可以看出，在各壓力作用下，隨著孔徑的減小，噴嘴所產生的噴霧粒徑參數呈非線性減小，噴嘴孔徑與霧化參數呈負相關關系。

3 結論

（1）孔徑一定的噴嘴，噴霧壓力與噴霧粒徑呈負相關關系，而噴霧粒徑分布與噴霧壓力呈正相關關系。

（2）在相同的噴霧壓力作用下，隨著噴嘴孔徑的減小，噴霧粒徑的D（3,2）、D（4,3）、D10、D50和D90值也逐漸減小。

（3）當噴霧壓力到達6 MPa后，噴霧壓力的增長雖然能減小噴嘴所產生的霧滴粒徑，但此時減小的效果已不明顯。從最優解的角度考慮，6 MPa為本次試驗的最佳噴霧壓力。

（4）在最優噴霧壓力作用下（6 MPa），0.8 mm的噴嘴所產生的噴霧粒徑分布范圍為34～292 μm，D（3,2）值為62 μm；0.5 mm的噴嘴所產生的噴霧粒徑范圍為 24～132 μm，D（3,2）值為 52 μm；0.3 mm的噴嘴所產生的噴霧粒徑范圍為13～40 μm，D（3,2）值為21 μm；0.15 mm的噴嘴所產生的噴霧粒徑分布為 5～13 μm，D（3,2）值為 8 μm。可根據不同的工況需求，為噴霧降塵系統選擇合適孔徑的噴嘴。