礦山除塵最佳噴霧粒徑影響因素及變化規律研究

田文兵

(山西沁和能源集團有限公司,山西 晉城 048205)

噴霧降塵技術是當前礦山除塵中應用最廣泛的技術之一,在煤礦粉塵防治方面產生了重要作用[1-2]。根據濕式除塵的基礎力學理論,噴霧降塵效果與噴霧液滴和粉塵顆粒的慣性碰撞幾率直接相關。在粉塵自身物理化學參數確定的情況下,這種慣性碰撞幾率主要取決于噴霧液滴的粒徑尺寸和液滴與粉塵顆粒的相對運動速度。在同樣噴霧量的條件下,噴霧液滴的粒徑越小,所產生的噴霧總表面積越大,理論上得到的碰撞幾率也就越大。因此,噴霧的粒徑是影響噴霧降塵效果的主要因素之一[3]。礦山除塵領域內的許多專家學者都對噴霧粒徑進行過實驗或模擬研究。例如，程衛民等[4]測試了不同類型噴嘴產生的噴霧粒徑大小,實驗發現噴嘴的孔徑越小,產生的霧化效果越好,噴霧粒徑也就越小;Wang等[5]研究了機掘工作面噴霧降塵效果的影響因素,確定了在一定風流條件下能夠得到最佳抑塵效果的噴霧參數;Xu等[6]使用數值模擬方法研究了不同噴嘴孔徑條件下,噴霧液滴的粒徑參數隨噴霧壓力的變化規律,并測試了噴霧在綜采工作面的實際應用效果;聶文等[7]通過粒度分析儀進一步測量了噴霧粒徑在噴霧場中的分布情況,發現噴霧場中不同位置的噴霧粒徑呈現出不均勻的分布,噴霧場邊緣的霧滴尺寸往往更小。

盡管在理論上更小的噴霧粒徑能夠得到更好的噴霧降塵效果,但是在現實礦山除塵應用中,噴霧粒徑不可能持續減小。這一方面是由于噴霧粒徑降低到一定程度后,噴霧壓力的提升對噴霧粒徑的降低效果變得不再顯著,而提高噴霧壓力的工藝復雜,且運行成本也會隨之升高[8-9];另一方面,噴霧粒徑過小會導致噴霧蒸發過快、液滴流速降低、沖擊碰撞能量減小,反而不利于噴霧降塵效果的提升。因此,一般認為存在一個能夠得到最優除塵效果的最佳噴霧粒徑[10-11]。然而,現有文獻中對最佳噴霧粒徑的研究均是在固定不變的測試條件下得出的,這與礦山除塵實踐是不相符的。在實際應用條件下,環境溫度、風流速度、空氣濕度等外在條件均會影響噴霧的蒸發速度和分散度,進而影響噴霧降塵的實際效果,最佳噴霧粒徑也會隨著外在環境條件的改變而發生變化[12-13]。因此,本文設計了一套噴霧除塵效果測試實驗裝置,通過實驗研究不同環境條件下噴霧降塵效果與噴霧粒徑之間的關系,旨在得出最佳噴霧粒徑的影響因素和變化規律,為礦井噴霧降塵系統的設計和優化提供有效指導。

1 實驗裝置及方案設計

1.1 實驗裝置設計

采用實驗方法測試礦山除塵最佳噴霧粒徑的影響因素及變化規律,實驗裝置如圖1所示。裝置的主體是一個密閉箱體,箱體尺寸為2.0 m×1.5 m×5.0 m(長×寬×高),箱體內部有一套噴霧降塵裝置,同時箱體設置有圓形進風口和出風口,直徑均為0.3 m,風口中心距離箱體底座0.65 m。出風口連接有抽出式風機,進風口外側連接有給粉機、空氣加濕器、空氣加熱器。給粉機用于向箱體內提供含塵氣體,可以將實驗粉塵分散開來,作為產塵源。空氣加濕器和空氣加熱器分別用來改變入口風流的濕度和溫度,從而調節箱體內噴霧降塵應用時的環境條件,兩者均可以調節相應的加濕或加熱功率。箱體內的環境條件可以通過安裝在其中的溫度計、濕度計和氣壓計進行監測,測量儀表固定在進氣口上方2.0 m位置處,氣壓計主要用于測量箱體內的壓強,確保測試箱體內的壓強接近標準大氣壓。箱體入口和出口處均安裝有粉塵含量探測器,用來檢測噴霧降塵應用前后粉塵的含量變化,從而評估粉塵的除塵效果。實驗中還考慮了風流速度及其對除塵效果的影響,因此在抽出式風機上安裝了調頻器,用于改變風機的轉速和風量,從而實現入口風流速度的調節,箱體入口同時安裝了風速計用來監測入口風流速度的變化。此外,進水管路和霧化噴嘴的高度也是可以調節的,這是為了改變噴嘴與塵源的間距,從而測試塵源間距對噴霧粒徑的影響。

圖1 實驗裝置示意圖

1.2 實驗材料

為了更準確地模擬礦井的實際應用條件,實驗中使用的粉塵材料為煙煤粉塵,實驗前將礦井實地取出的煙煤煤塊進行了充分地碾磨與篩分,并對煙煤煤粉進行了相關物理化學參數測試。圖2是通過激光粒度分析儀測得的煙煤粒徑分布曲線。從圖中可以看出,煙煤粉塵的粒徑大部分處于5～50 μm之間,粉塵顆粒的D20、D50、D80分別為6.48 μm、16.78 μm、33.15 μm,測試粉塵與礦山開采中產生的實際煤塵粒徑分布較為相似[14]。

圖3為掃描電子顯微鏡測試(SEM)得出的煤塵顆粒的微觀圖像。從圖中可以看出,煤塵在微觀形態下表面形狀極不規則,且部分塵粒表面有縫隙,這一結果從側面證明了粒徑分布測試結果的可靠性,即大部分煤塵顆粒的粒徑較小,屬于微米級的塵粒。由于SEM視口限制,部分較大尺寸的顆粒未放入其中。

圖4是煤塵接觸角的測量結果。接觸角是衡量煤塵潤濕能力的重要指標,一般接觸角越小,認為粉塵越容易被潤濕,相應的噴霧降塵效果也就越好。通常親水性粉塵的接觸角會小于60°,潤濕性差的粉塵其接觸角一般處于60°至85°之間,而疏水性粉塵的接觸角一般大于90°。從圖中可知,實驗測得煤塵的接觸角為56°,屬于較親水煤塵,潤濕性一般[15]。

圖3 實驗煤塵顆粒的掃描電鏡圖像

圖4 實驗煤塵的接觸角測量結果

1.3 實驗方案設計

實驗中,抽出式風機抽取含塵氣流進入實驗箱體,噴霧降塵裝置開啟后,在噴霧與粉塵顆粒的相互作用下,部分粉塵顆粒會隨著液滴沉降,因此箱體出口處監測到的粉塵體積分數將低于入口處的粉塵體積分數,根據公式(1)計算可得出噴霧的除塵效率:

(1)

式中:E為噴霧的除塵效率,%;φout為箱體出口處的粉塵體積分數,%;φin為箱體入口的粉塵體積分數,%。

保持一定的噴霧壓力,通過更換不同孔徑的噴嘴,產生不同霧滴粒徑的噴霧,進而通過激光粒度分析儀測試噴霧的平均粒徑,平均噴霧粒徑與噴嘴孔徑之間的關系見表1。實驗中測試了不同噴霧粒徑的除塵效果,得出噴霧除塵效率隨噴霧粒徑的變化規律,從而確定一定溫濕度及風速條件下的最佳噴霧粒徑。

表1 不同噴嘴孔徑對平均噴霧粒徑的影響

續表1

通過調節空氣加熱器功率、空氣加濕器功率、抽出式風機轉速、霧化噴嘴的布置高度,可以改變測試箱體內的溫度、相對濕度、風速、塵源間距等參數。實驗主要測試了這些外在環境因素改變的狀況下,最佳噴霧粒徑的變化情況,最終得出最佳噴霧粒徑的影響因素及規律。

2 結果與討論

2.1 溫度對最佳噴霧粒徑的影響

保持箱體環境相對濕度為50%,風速為2 m/s,調節實驗箱體內的溫度條件,測試了噴霧分別在10℃、20℃、30℃、40℃、50℃時,除塵率隨噴霧粒徑的變化情況,實驗測試結果如圖5所示。從圖中可以看出,噴霧的除塵率隨平均噴霧粒徑的變化呈現波動變化。在一定溫度條件下,存在一個最佳噴霧粒徑能夠使除塵率達到最大值。例如,20℃條件下,噴霧在平均噴霧粒徑為32.85 μm時獲得了最佳除塵效果,此時的除塵率為75.97%,其余噴霧粒徑下的除塵率均小于該值。這是由于一定溫度下,噴霧液滴的尺寸過大會減小噴霧整體的比表面積,降低捕獲顆粒的碰撞幾率；而噴霧液滴的尺寸過小,又會降低噴霧的相對速度,減弱噴霧的慣性碰撞能力。由此可見,噴霧的除塵效果與噴霧液滴的尺寸密切相關。

圖5 不同溫度下除塵率隨平均噴霧粒徑的變化情況

不同溫度下,除塵率隨平均噴霧粒徑變化曲線的頂點所在位置也有所不同。根據測試,10℃、20℃、30℃、40℃、50℃條件下的最佳噴霧粒徑分別為21.13 μm、32.85 μm、40.81 μm、53.02 μm、84.39 μm,將相關數據進行擬合能夠得到圖6所示的結果。從圖中可以看出,最佳噴霧粒徑與溫度呈正相關的變化趨勢,并且隨著溫度的升高,最佳噴霧粒徑增長的速度也在逐漸加快。由此可見,溫度對最佳噴霧粒徑的影響是顯著的,這與溫度升高導致噴霧液滴蒸發速度增大有關,盡管粒徑較小的霧滴更有利于降塵,但是在溫度較高的環境下,霧滴很可能會快速蒸發消失,導致實際作用在粉塵上的有效霧滴數量減少,因此適當增加噴霧粒徑反而有利于降塵效果的提升。

圖6 最佳噴霧粒徑隨溫度的變化情況

2.2 濕度對最佳噴霧粒徑的影響

在研究濕度對最佳噴霧粒徑的影響時,保持溫度為25℃，風速為2 m/s,分別比較了10%、30%、50%、70%、90%相對濕度(RH)下除塵率隨平均噴霧粒徑的變化情況。從圖7中可以看出,在90%相對濕度下,噴霧的除塵率隨著平均噴霧粒徑的增大持續下降,最佳噴霧粒徑為13.44 μm,此時取得的最高除塵率為75.63%；而對于其余各濕度下的實驗組,噴霧的除塵率總是隨著平均噴霧粒徑的增大呈現出先增大后降低的變化趨勢,這與不同溫度下的測試結果類似。不同相對濕度下的最佳噴霧粒徑分別為64.13 μm(RH 10%),40.81 μm(RH 30%),32.85 μm(RH 50%),21.13 μm(RH 70%),13.44 μm(RH 90%);此時測試得到的最大除塵率分別為74.10%、77.51%、76.57%、73.57%、75.63%。

圖7 不同相對濕度下除塵率隨平均噴霧粒徑的變化情況

圖8擬合了各個相對濕度值及其對應的最佳噴霧粒徑。從圖中可以看出,最佳噴霧粒徑隨著相對濕度的增大在逐漸降低,整體呈現出負相關的變化趨勢,且近似符合二次多項式的擬合關系。在相對濕度增長到一定值后,最佳噴霧粒徑的下降速度放緩,這種變化與前文展現的溫度影響趨勢相反。相對濕度的影響主要是由于不同濕度下液滴的蒸發速度差異所導致的,在相對濕度較高的條件下,如RH為90%,液滴在下落過程中很難蒸發,粒徑也不易改變,因此較小的噴霧粒徑容易取得更好的除塵效果。而當相對濕度較小時,小液滴容易在下落過程中蒸發,促使其粒徑進一步變小或直接蒸發消失,此時反而會導致除塵率的降低。因此在低濕度的條件下(本文特指為10%～50%的相對濕度范圍),適當增大顆粒的粒徑更有利于噴霧除塵效果的提升。

圖8 最佳噴霧粒徑隨相對濕度的變化情況

2.3 風速對最佳噴霧粒徑的影響

在礦山的實際應用過程中,巷道風速也是影響除塵效果的主要因素之一。為此實驗也開展了風速對最佳噴霧粒徑的影響研究。實驗中保持測試箱體內的溫度為25℃,濕度為50%,通過調節抽出式風機的轉速對風速進行調節。考慮到《煤礦安全規程》規定的“采煤工作面、正在掘進中的煤巷和半煤巷,最低容許風速為0.25 m/s,最高容許風速為4 m/s;掘進中的巖巷最低容許風速為0.15 m/s,最高容許風速為4 m/s”,本研究中設置的實驗風速分別為0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s、3.5 m/s、4.5 m/s,不同風速下噴霧除塵率隨平均噴霧粒徑的變化規律如圖9所示。從圖9中可以看出,不同風速下除塵率的變化曲線區別明顯。對于0.5 m/s的風速條件下,較小的噴霧粒徑能夠取得明顯的除塵效果,而隨著噴霧粒徑的增加,除塵率逐漸降低。當風速逐漸增大后,平均粒徑較小的噴霧就難以達到滿意的除塵效果。例如，在13.44 μm的平均噴霧粒徑下,除塵率就隨著風速的增大在逐漸減小,此時0.5 m/s風速下的除塵率明顯高于其他的實驗組。

圖9 不同風速下除塵率隨平均噴霧粒徑的變化情況

圖10展示了最佳噴霧粒徑與對應風速的擬合曲線,可以看出,最佳噴霧粒徑隨著風速的升高在逐漸增大。這其中主要有兩方面的原因,一方面是由于風速的升高加快了液滴的蒸發,減少了噴霧液滴的存在時間,粒徑較小的液滴難以有效作用于粉塵微粒；另一方面,粒徑較大的液滴具有更大的沖擊慣性,不容易因風速過大而改變其自身運動軌跡,可以實現與塵粒的有效碰撞。相比之下,噴霧粒徑過小容易改變運動方向,在未捕獲到塵粒之前,就隨風流從測試箱體出口流出。

圖10 最佳噴霧粒徑隨風速的變化情況

2.4 塵源間距對最佳噴霧粒徑的影響

考慮到噴霧除塵在礦井應用的現實條件中,噴嘴可能安裝在不同高度巷道的頂部,此時噴嘴與產塵源之間的距離可能會對噴霧效果產生一定的影響。因此實驗設置了可調節的進水管路和噴嘴高度,來測試塵源間距對最佳噴霧粒徑的影響。此處所指的塵源間距為霧化噴嘴與箱體入口處含塵氣流之間的垂直距離,在圖1中有所標識。實驗中塵源間距設置了6個等級,分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m,不同塵源間距下噴霧除塵率隨平均噴霧粒徑的變化情況如圖11所示。從圖中可以看出,不同塵源間距下存在一個除塵率達到最大值的最佳噴霧粒徑。對于0.5 m和1.0 m的塵源間距,最佳噴霧粒徑為13.44 μm,對應的最大除塵率分別為76.39%和75.49%。此后，除塵率隨著平均噴霧粒徑的增加逐漸遞減,在噴霧粒徑為73.18 μm時,除塵率已經小于50%,這可能是由于塵源間距過小、噴嘴孔徑過大,噴霧未完全擴散而導致的。

圖11 不同塵源間距下除塵率隨平均噴霧粒徑的變化情況

最佳噴霧粒徑與塵源間距的擬合結果如圖12所示。由圖可見,在塵源間距為0.5 m和1.0 m時,最佳噴霧粒徑未出現明顯變化,其后開始呈現顯著遞增趨勢,并且增長速度逐漸加快,塵源間距為3.0 m時,最佳噴霧粒徑已增長至73.18 μm。該結果表明塵源間距較大時,較大尺寸的噴霧液滴能夠取得更優的除塵效果。這種現象產生的原因主要有兩個方面:一方面塵源間距大意味著液滴在下落過程中更容易受到風流影響,軌跡偏離程度也會越大,只有具備一定尺寸和質量的液滴才能夠避免偏離到目標塵源之外;另一方面,如果塵源間距過大而噴霧粒徑過小,就可能導致霧滴在下落過程中的蒸發加劇,無法產生有效捕塵動能。因此在實際應用中需要根據霧化噴嘴與塵源的實際距離對霧化液滴的粒徑進行合理調整。

圖12 最佳噴霧粒徑隨塵源間距的變化情況

3 結論

通過實驗研究了礦山除塵最佳噴霧粒徑的影響因素及變化規律,建立了一套噴霧降塵效果測試實驗裝置,分別測試了環境溫度、相對濕度、風流速度、塵源間距對最佳噴霧粒徑的影響。所得結論如下:

1)噴霧降塵效果易受到平均噴霧粒徑的影響,在一定的環境條件下,存在一個能夠使噴霧除塵率達到最大值的最佳噴霧粒徑;

2)最佳噴霧粒徑會隨著環境溫度、相對濕度、風流速度、塵源間距的改變而發生變化,其中最佳噴霧粒徑與溫度、風速和塵源間距呈正相關,與相對濕度呈負相關;

3)最佳噴霧粒徑受環境因素影響的原因是多方面的,其中環境條件改變導致噴霧液滴的蒸發速率、存在時間、運動特性發生變化是引起最佳噴霧粒徑改變的主要因素。

在礦山除塵工程實踐中,對于噴霧降塵最佳噴霧粒徑的設計和噴嘴選型,要充分考慮到外在環境條件的影響。實驗結果可為噴霧降塵系統的設計和優化提供有效參考。