气水喷嘴雾化特性实验研究*

汲银凤，陈举师，张　波，高康宁

(北京科技大学 教育部金属矿山高效开采与安全重点实验室，北京 100083)

数字出版日期： 2017-12-19

0　引言

随着采煤作业机械化水平的不断提高，煤炭企业产能不断扩大，生产作业强度越来越高。与此同时，煤矿井下各个作业点尤其是采掘工作面和综掘工作面的产尘量大幅提升，严重影响井下作业和井下工作人员的身体健康[1-4]。目前我国综掘工作面的除尘技术主要有通风除尘、喷雾除尘、除尘器除尘、风幕除尘、物理化学方法除尘、泡沫除尘等。这些方法对井下粉尘治理有一定的效果，但是并不理想，在运用过程中存在一定的弊端[5-6]。目前国内外煤矿对喷雾降尘的应用比较广泛，但是由于煤矿一般采用常规压力型喷嘴，受到喷雾压力的影响其雾化效果较差，全尘降尘效率较低，且常规喷嘴耗水量大，对煤质和工作环境等会产生不良影响。基于此，有关学者对常压下可以达到高压喷雾效果的气水喷嘴进行了研究[7]。但实际应用中气水喷嘴的气体流量及水流量的调节盲目性较大，不仅浪费能源同时也会恶化煤矿井下的生产环境。

气水喷雾是以压力水和压缩空气作为双动力的一种新型喷雾方式，可在常压供水条件下得到高压喷雾效果，相对于传统的常规喷雾方式，具有耗水量小、雾化效果好、对水压要求低及降尘效率高等优势[7-11]。本文通过实验研究气水喷嘴的雾化特性，并结合雾化降尘理论，对气水喷雾降尘效果的影响因素进行了分析，以期得出气水喷嘴雾化效果与气流量、水流量之间的关系，并得到最佳雾化条件，为合理利用水资源、改善煤矿井下环境，提高除尘效率提供依据。

1　气水喷嘴雾化特性实验

1.1　气水喷嘴的结构及原理

气水喷嘴主要由进气端、进水端、气水混合室及喷嘴口4部分组成，结构如图1所示。其工作原理为：一定压力的水和气体分别从进水端和进气端进入，水流在高速气体的作用下破碎成含有大量细小气泡的液丝或液线，气流和水流在气水混合室内混合形成稳定的气泡两相流，混合体经喷嘴高速喷出时由于混合体的体积膨胀和流体的搅动作用以及周围空气的卷入，液体会以微细的水粒从喷嘴口喷出[12-15]。

图1　气水喷嘴结构Fig.1　Air-water nozzle structure

通过研究粉尘颗粒沉降理论，得出喷雾降尘所能捕集的最小粒度粉尘与雾滴粒径之间的关系为：

(1)

式中：dpmin为最小粉尘粒径，m；μ为空气动力粘度，Pa/s；Dw为雾滴粒径，m；Stk为惯性碰撞系数(斯托克斯数)；ρp为粉尘密度，kg/m3；v0为气流速度，m/s[16]。

由公式(1)可知，雾滴能够捕集的最小粉尘粒径dpmin的平方与雾滴粒径Dw成正比。在外界环境、设备及其他参数条件相同的情况下，要想捕集小粒度的粉尘，雾滴的粒径Dw也要相应的减小，因而研究雾滴的雾化特性对提高降尘效果十分必要。

本实验的雾滴粒径主要选用平均粒径D50作为衡量喷嘴雾化粒径的指标参数(D50代表该粒径以下的颗粒体积占全部颗粒总体积的50%)。一般情况下，雾滴粒径尺寸越小，雾滴分布均匀性越好，其对呼吸性粉尘的降尘效果就越好。

1.2　实验装置及方案

在工程应用中，影响气水喷嘴雾化效果的主要因素有雾滴粒径，喷射距离，雾化角及一些外部环境条件如风流，喷嘴使用环境等[9-10]。本文主要研究喷嘴本身对雾化效果的影响，雾化效果除了与混合室及喷嘴本身的结构有关外，主要影响因素还有喷嘴的气体流量、水流量及气水流量比的大小。为此，本文通过实验研究气水喷嘴的流量特性和雾化特性，并为气水喷嘴降尘提供理论基础。

1.2.1实验装置

本文的实验装置主要由JL-3000型激光粒度分析仪，空压机，清洗机，气水喷嘴，气体流量计，水流量计及计算机等组成。其中空压机提供压缩空气，QL-380A型清洗机提供压力水，气水喷嘴的进气端和进水端分别与进气管和进水管相连，空气和水由此进入气水混合室，在混合室混合后从喷嘴口喷出，可通过流量调节阀调节水流量和气体流量。实验系统示意图如图2所示。

图2　气水喷雾实验系统示意Fig.2　Schematic of experimental system for air-water spraying

1.2.2实验方案

本实验选取清水为雾化介质，选用锥形，扇形，干雾3种气水喷嘴作为实验喷嘴，喷嘴出口孔径均为2 mm，在供水压强和供气压强一定的条件下，实验喷嘴统一放置在距激光粒度仪中心轴线500 mm处，通过调节阀调节不同的气体流量和水流量，并使用激光粒度分析仪测量雾滴粒径分散度。实验步骤如下：

(1)根据实验系统示意图连接好设备，实物如图3所示，进行实验。首先固定水流量，调节不同的气体流量，利用JL-3000型激光分析仪测量粒径分布情况，为减小误差可多次测量取平均值；(2)改变水流量大小，调节不同气体流量，重复(1)中的步骤；(3)更换不同的喷嘴重复(1)(2)中的操作。

图3　实验装置Fig.3　Diagram of experimental device

1.2.3实验内容

本文的实验内容主要包括：根据气水喷雾的特点针对不同结构的喷嘴在实验室进行喷雾实验，通过参数调节，对比实验结果，得出影响喷雾效果的主要因素及其对实验结果的影响程度，并找出最佳工况条件。

2　实验结果分析

2.1　气体流量及水流量对雾化效果的影响

利用连接好的实验装置，分别用干雾、扇形、锥形喷嘴进行实验，分别调节水流量为2，5，10，15及20 L/h，逐渐调大并记录液体流量，得出雾滴粒径随气体流量的关系曲线如图4所示。由图4可知：

图4　雾滴粒径随气体流量变化情况Fig.4　Drop diameter change with the increase of gas flow

1)在水流量一定的条件下，随着气体流量的增加，3种喷嘴的雾滴粒径均整体呈逐渐减小的趋势，且下降速度由开始的迅速减小逐渐变慢。

2)水流量一定时，一定范围内气体流量越大，气体相对流速越大，空气对水的破碎和雾化作用越明显，故随着气体流量的增加雾滴粒径减小速度较快；超过此范围后，破碎和雾化作用减弱，雾滴粒径减小速度变慢。

3)对于干雾喷嘴，当水流量为5 L/h时，出现速度变缓的气体流量的值为50 L/min，其他水流量条件下，速度变缓时的气体流量均为60 L/min左右。其最佳工况可能存在于水流量为2或5 L/h，气体流量为70或80 L/min。

4)对于扇形喷嘴，当气体流量达到80 L/min时，雾滴粒径减小的速度开始变缓，且减小速度由快逐渐变慢。最佳工况可能存在于水流量为5 L/h，气体流量为110或100 L/min。

5)对于锥形喷嘴，当水流量小于10 L/h时，雾滴粒径减小速度变缓的气体流量值为90 L/min；当水流量大于10 L/h时，速度变缓时的气体流量为100 L/min。最佳工况可能存在于气体流量为140 L/min，水流量为5 L/h。

2.2　最佳雾化条件确定

利用所得数据绘制出雾滴粒径与气液比之间的关系曲线如图5所示。由图5可知：

图5　雾滴粒径随气液比的变化Fig.5　Drop diameter change with the increase of vapor liquid ratio

1)随着气液比的增加，雾滴粒径随着气液比的增加先迅速减小，超过一定范围后雾滴粒径减小速度变缓，并会出现一定幅度的上升趋势，最后趋于某一极限值，不再发生变化。

2)干雾喷嘴和扇形喷嘴在气液比分别为960和1 200时雾滴粒径最小，锥形喷嘴随着气液比的增加雾滴粒径逐渐减小，故当气液比为1 680时雾化效果最好。

3)增大气液比，气泡数量增加，气泡的总膨胀能增大，较大的气液比会使气体在喷嘴出口处占据较大的截面积，将液体挤压成更薄更细的液丝或液膜，雾滴粒径随之快速减小。但是随着液体流量的相对减小，液体颗粒内气泡体积液也相对减小，当气泡的能量不足以克服液体颗粒的表面张力及粘性力时，雾滴粒径便趋于稳定不会再继续减小[11]。

2.3　雾滴粒径分布均匀性与气水流量之间的关系

利用上述得到的3种气水喷嘴可能的最佳雾化工况点，其雾滴粒径数据如表1所示。

雾滴粒径相对尺寸范围ΔS的定义：

(2)

ΔS是衡量雾滴粒径分布均匀性的一个重要参数，ΔS越小，雾滴粒径分布越均匀[8，16]。从表1可以发现，干雾喷嘴雾滴粒径相对尺寸范围ΔS最小为0.628，此时气体流量80 L/min，水流量5 L/h，气液比为960，与上一节得出的最佳雾化条件相同；扇形喷嘴ΔS最小为0.862，此时气体流量100 L/min，水流量5 L/h，气液比1 200；锥形喷嘴ΔS最小为0.77，气液比为1 680。这些数值都与上节气液比图中得出的结论相同。

表1　不同喷嘴雾化粒径参数

3种喷嘴在最佳工况条件下雾滴粒径频度分布及体积累计分布情况如图6所示。

图6　 不同喷嘴最佳雾化条件下雾滴分布均匀性对比Fig.6　Droplet distribution uniformity of different nozzles under the best condition

根据结合表1的雾化粒径结果可发现，干雾喷嘴、扇形喷嘴及锥形喷嘴喷出的雾滴粒径分别集中在26～47 μm，26～57 μm，24～50 μm之间。因为雾滴相对尺寸越小，雾滴分布越均匀，根据表1及图6对比可得出结论：

1)从雾滴粒径分布情况可以看出，干雾喷嘴喷出的雾滴粒径比其他2种喷嘴雾滴粒径小，所需气体流量更小，说明在相同耗水量条件下，干雾喷嘴所能达到雾化效果更好，可以更好地减轻气压对设备的腐蚀，延长设备使用寿命。

2)由于雾滴粒径大小对粉尘的捕集和沉降作用影响较大，且雾滴粒径越小，越有利于呼吸性粉尘的捕集，因此在用水量及气压或气体流量受限的综掘工作面进行降尘时，应该选择干雾喷嘴较为合适，可同时保证全尘和呼吸性粉尘的降尘效率。

3)3种气水喷嘴的雾滴粒径均随着气体流量的增加而减小，由于运动时间的影响，喷嘴喷出的液滴在空气中受到碰撞和蒸发作用明显，因此实验过程中会出现雾化粒径随气体流量的增大而增大的误差。

3　结论

1)水流量一定时，随着气体流量及气液比的增加，雾滴粒径迅速减小，超过一定范围后减小速度变缓。故适当增加气体流量或气液比可提高降尘效果。

2)实验用的3种气水喷嘴的雾滴粒径分布均在20～60 μm之间，所以气水喷嘴在耗水量较小的情况下可以达到较好的雾化效果，可以对小粒径粉尘有较好的降尘效果。

3)在最佳工况条件下，3种喷嘴的气液比分别为960，1 200，1 680，通过比较不同喷嘴的雾滴平均粒径大小及雾滴分布均匀性条件可知，在用水受限时应当选用干雾气水喷嘴较为合适。

[1]时训先, 蒋仲安, 褚燕燕. 煤矿综采工作面防尘技术研究现状及趋势[J]. 中国安全生产科学技术, 2005, 1(1):41-43.

SHI Xunxian, JIANG Zhongan, CHU Yanyan. Current development and trend of dust control technology research of fully mechanized coalfaces[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2005, 1(1):41-43.

[2]王鹏飞, 刘荣华, 胡海桥, 等. 煤矿井下气水喷雾雾化特性实验研究[J]. 煤炭学报, 2017, 42(5): 1213-1220.

WANG Pengfei, LIU Ronghua, WANG Haiqiao, et al. Atomization characteristics of air-water spray in underground coal mine[J]. Journal of China Coal Society, 2017, 42(5):1213-1220.

[3]张小涛,隋金君,曲宝, 等. 采掘工作面喷雾降尘技术研究及应用[J]. 煤矿机械, 2013, 34(8):247-250.

ZHANG Xiaotao, SUI Jinjun, Qu Bao, et al. Research and application of spray dust suppression technology in coal face and heading face[J]. Coal Mine Machinery, 2013, 34(8):247-250.

[4]丁厚成, 杨帆, 张义坤. 综掘工作面粉尘运移规律及控制技术研究[J]. 安全与环境工程, 2015, 22(4): 82-87.

DING Houcheng, YANG Fan, ZHANG Yikun. Research on dust law migration law and control technology in full-mechanized working face[J]. Journal of Safety and Environmental Engineering, 2015, 22(4):82-87.

[5]陈斌, 郭列锦, 张西民, 等. 喷嘴雾化特性实验研究[J]. 工程热物理学报, 2001, 22(2):237-240.

CHEN Bin, GUO Liejin, ZHANG Ximin, et al. Experimental research of the atomization characteristics of a nozzle[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2002, 22(2):237-240.

[6]王鹏飞, 刘荣华, 桂哲, 等. 煤矿井下气水喷雾雾化特性及降尘效率理论研究[J]. 煤炭学报, 2016, 41(9):2256-2262.

WANG Pengfei, LIU Ronghua, GUI Zhe, et al. Theoretical research on atomization characteristics and dust suppression efficiency of air-water spray in underground coal mine[J]. Journal of China Coal Society, 2016, 41(9):2256-2262.

[7]蒋仲安, 王明, 陈举师, 等. 气水喷嘴雾化特征与降尘效果分析[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2017, 49(2):151-157.

JIANG Zhongan, WANG Ming, CHEN Jushi, et al. Atomization characteristics and suppress mechanism of a gas-water nozzle[J]. Journal of Harbin Institute of technology, 2017, 49(2):151-157.

[8]Barroso J, Lozano A, Barreras F, et al. Analysis and prediction of the spray produced by an internal mixing chamber twin-fluid nozzle[J]. Fuel Processing Technology, 2014, 128:1-9.

[9]武沛武. 综掘面新型气水雾化降尘技术实践[J]. 中州煤炭, 2015, (4): 14-16,29.

WU Peiwu. Practice on new gas water atomization and dust control technology in full-mechanized driving face[J]. China Energy and Environmental Protection, 2015, (4):14-16,29.

[10]桂哲, 刘荣华, 王鹏飞, 等. 供水压强对气水喷雾雾化粒度的影响[J]. 矿业工程研究, 2016, 31(3):21-25.

GUI Zhe, LIU Ronghua, WANG Pengfei, et al. Influence of water supply pressure over atomization article size by air-water spray[J]. Mineral Engineering Research, 2016, 31(3):21-25.

[11]梅国晖, 武荣阳, 孟红记, 等. 气水雾化喷嘴最佳气水比的确定[J]. 钢铁钒钛, 2004, 25(2):49-51,70.

MEI Guohui，WU Rongyang, MENG Hongji, et al. Optimal air to water ratio in misting cooling process[J]. Iron Steel Vanadium Titanium, 2004, 25(2):49-51,70.

[12]王延军, 张天林. 气-水喷雾加湿降尘技术在涂装车间的应用[J]. 涂料工业, 2013, 43(3):70-72.

WANG Yanjun, ZHANG Tianlin. Application of air-water spray humidification dust elimination technology in painting shop[J]. Paint & Coatings Industry, 2013, 43(3):70-72.

[13]李萍, 张薇. 内混式气液雾化喷嘴雾滴粒径的实验研究[J]. 小型内燃机与车辆技术, 2006, 35(4):21-24.

LI Ping, ZHANG Wei. Particle diameter investigation on internal mixing air-liquid atomizer[J]. Small Internal Combustion Engine and Vehicle Technique, 2006, 35(4):21-24.

[14]曹建明, 朱辉, 郭广祥, 等. 空气助力改善液滴雾化质量的研究[J]. 实验流体力学, 2013, 27(1):56-60,87.

CAO Jianming, ZHU Hui, GUO Guangxiang, et al. Study on air assistant to improve quality of droplet atomization[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2013, 27(1):56-60,87.

[15]刘联胜, 吴晋湘, 傅茂林, 等. 气泡雾化喷嘴雾化特性实验[J]. 燃烧科学与技术, 2001, 7(1):62-66.

LIU Liansheng, WU Jinxiang, FU Maolin, et al. Experimental studies on the spray characteristics of effervescent atomizers[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2001, 7(1):62-66.

[16]周刚, 程卫民, 聂文, 等. 高压喷雾射流雾化及水雾捕尘机理的拓展理论分析[J]. 重庆大学学报, 2012, 35(3):121-126.

ZHOU Gang, CHENG Weimin, NIE Wen, et al. Extended theoretical analysis of jet and atomization under high-pressure spraying and collecting dust mechanism of droplet[J]. Journal of Chongqing University, 2012, 35(3):121-126.