高压喷嘴雾化参数的实验研究

孙其飞 邹常富 栾旭东 盛晓明 黄金星 温艳艳

（1.山东招金集团有限公司技术中心，山东招远265400；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

喷雾降尘是矿井防尘系统中应用最为广泛的技术之一，而喷嘴又是喷雾降尘技术中的核心构件，直接影响喷雾降尘效果。目前关于喷嘴性能参数的研究，基本都是建立在无风或近乎无风状态下，而喷雾降尘技术在井下工作面或巷道等地点使用时，均受风流影响。实践证明，喷嘴在不同的风速状态下其雾化性能参数变化明显，因此，无风或近乎无风状态下喷嘴的雾化性能参数对喷嘴的选型指导意义不大，导致喷嘴的选型缺少理论及实验数据的有效支撑。因此，本项目针对不同风速条件的环境参数下，研究喷嘴雾化性能参数的影响因素，用于指导不同工矿环境条件下的工程应用。

1 试验系统及测试方法

1.1 试验系统

为真实模拟矿井环境条件下喷嘴的雾化性能参数，在实验室模拟巷道中开展风速对单个喷嘴有效水量及分布均匀度、雾粒粒径的影响试验，通过调节风机风量，改变风速大小，测试喷雾系统的有效水量、水量分布均匀度、平均雾粒粒径和耗水量，得出每个喷嘴在不同的风速、采高和压力下的有效性，试验分析系统如图1所示。

1.2 测试方法

本实验从工程应用的角度出发，以MT/T 240—1997《煤矿降尘用喷嘴通用技术条件》为基础，并结合相关文献进行初选，选择工程应用中比较常见的喷嘴系列，主要包括射程较远、雾化效果较好的G系列高压喷嘴、S系列实心锥形喷嘴、PZ系列实心锥形喷嘴、SS系列实心锥形喷嘴4大类共32种不锈钢喷嘴型号，并分别进行编号。对筛选出的喷嘴，根据矿井通风及喷雾应用实际情况，分别在0、1.5、2.5、3.5 m/s的风速条件下测试其分别在6、8、10、12 MPa压力下的有效水量、条件雾化角和有效射程。

测试耗水量及有效水量时，喷嘴垂直向下喷射，风流与喷嘴出口方向垂直，在喷雾与巷道垂直的轴线上采用盛水容器进行测试，在喷嘴正下方的地面上放置十字计量仪，十字计量仪中心与喷口中心的垂直投影点重合，测试系统如图2所示。

喷嘴条件雾化角按MT240-1997的规定的试验方法进行测试，测得雾流边界2个交点的距离为L，则按照条件雾化角的标准定义（距喷嘴500 mm处水雾中心线的垂线与雾流边界的2个交点与喷口中心相连所成的夹角），计算喷嘴的条件雾化角为：用影响下发生偏离点距喷口的距离，测试方法如图3所示。

2 喷雾参数试验结果分析

2.1 喷雾粒径分析

雾滴粒径是压力、风速、喷嘴的孔径等多种因素综合作用的结果。针对喷嘴的出口口径、喷口长度、喷雾压力与喷口距离构成4项主要因素，采用正交试验方法，得出各因素对指标 Dv（10）（μm）、Dv（50）（μm）、Dv（90）（μm）、D［4 3］（μm）和D［3 2］（μm）的贡献率如图4所示。

由极差分析及显著性检验中各因素对各指标的贡献率可以得出，喷雾粒度分布的影响因素依次为距喷口的距离、喷口直径、喷雾压力，喷口长度仅对Dv（10）有一定影响。因此，在喷雾降尘工程应用中，喷嘴初步选型后，首先应根据现场应用情况确定喷嘴安装位置，即确定尘源点距喷口的距离，其次确定喷嘴孔径，最后根据需要适当调节喷雾压力。

同时，粒径均随距离的增加而增大、随喷嘴口径的减小而减小、随喷雾压力的增加而减少，喷口长度的影响并不明显。主要是由于随喷雾距离的增加，雾粒速度减弱，小雾粒不断被大雾粒吞并，导致粒径变大、雾粒数目减小。而喷嘴口径越小，液体在破碎成雾粒过程中其内部的紊流、表面张力以及周围介质的相互挤压、剪切作用力越强烈，粒径越小。但雾粒太细易蒸发而失去作用，试验表明，雾粒粒径与粉尘粒径分布范围接近时降尘效果最佳。因此，在充分考虑不同作业地点粉尘粒径的分布范围及呼吸性粉尘占比的基础上，选择可产生与粉尘粒径分布范围及呼吸性粉尘占比相近的喷嘴。

2.2 喷嘴雾化性能参数分析

矿井喷嘴的使用都是在有风的情况下，风流对喷雾射程、有效水量、喷嘴覆盖范围等雾化性能参数均会产生不同程度的影响。在喷雾粒径分析的基础上对喷嘴进行优选后测试，其中喷雾射程与喷雾覆盖范围受喷雾压力及风流影响较大。因此在不同风速和压力条件下进行试验，得出喷雾射程影响规律如图5、图6所示，喷雾覆盖范围影响如图7、图8所示。

由图5～图8可以看出，随着喷雾压力增大，喷雾射程增加，喷雾流量加大，喷雾覆盖面积也略微增加，这主要是由于喷雾压力增加使雾滴具有较大的动能和速度。同时，压力增加雾化角减小，抗风能力增加，空气阻力降低，射程更远。而在本研究风流方向与喷射方向垂直的条件下，风速增大，风流阻力增加，喷雾射程和喷雾覆盖面积大大降低。通过实验结果可以得出，风速对喷雾参数的影响程度要高于喷雾压力对喷雾参数的影响程度。

通过对有效水量进行测试，有风流影响的情况下，各型喷嘴不同实验喷雾压力条件下喷雾最大有效射程处的喷雾流量为无风流条件下喷雾流量的80%左右，即风流导致有效射程内喷雾流量损失在20%左右。

因此，喷雾降尘技术在矿井防尘应用中，应准确测量喷雾应用现场的风速大小，并根据该风速条件下喷嘴参数试验结果选取适宜的喷嘴，并在现场条件允许的情况下，尽量避免逆风喷雾。

3 现场应用分析

招金集团夏甸金矿卸载站矿车卸料时，卸料坑处产生大量的粉尘飞扬，根据现场粉尘浓度测试，在卸载站中部，总粉尘和呼吸性粉尘浓度分别达350 mg/m3和120 mg/m3，导致该水平卸载站粉尘污染严重。由于卸载站面积较大且不易密闭，因此，为了防止该卸载站产生的粉尘扩散，拟采用喷雾降尘措施进行治理。

由于矿车向料坑卸料时，压缩料坑内的空气，导致气流向坑外扩散，形成较大的气流，气流逸出速度为1.5 m/s左右。在坑口向下喷雾时，气流方向与喷雾方向相反，类似于逆风喷雾，因此，为防止该粉尘扩散，需在短时间内迅速捕捉沉降粉尘，同时水量不宜过大而堵塞卸料坑，即需采用小流量、高压力、大雾化角、远射程型抗风喷嘴。通过实验室试验数据，当风速在1.5 m/s时，喷雾压力8 MPa左右，选取射程为3 m的PZ型喷嘴，通过现场采用滤膜称重法测试，粉尘浓度及降尘效率如表1所示。

注：粉尘采样地点为卸料口下风侧3 m位置处。

根据测试结果，采用适宜的喷嘴进行高压喷雾降尘措施时，卸料口下风侧总粉尘浓度降尘效率达91.1%，呼吸性粉尘浓度降尘效率也高达90%，降尘效果非常明显，呼吸性粉尘降尘效率也较高。对比以往的工程案例，高压喷雾降尘效果在85%～90%之间，主要是喷嘴选型不合理，由于受风流影响导致喷雾效果略低。因此，通过现场实际应用证明，喷嘴的参数试验必须考虑风流的影响，利用不同风速条件下测试的喷嘴参数进行喷嘴选型，对喷雾降尘技术应用具有非常重要的指导意义。

4 结论

在实验室模拟巷道中开展风速对单个喷雾有效水量及分布均匀度、雾粒粒径的影响试验，并在矿井卸载站进行了现场应用，得出如下结论：

（1）喷雾粒径随喷雾距离的增加而增大、随喷嘴口径的减小而减小、随喷雾压力的增加而减少，雾粒粒径与粉尘粒径分布范围接近时降尘效果最佳。

（2）随着喷雾压力增大，喷雾射程增加，喷雾流量加大，喷雾覆盖面积也略微增加，而随风速增大，喷雾射程和喷雾覆盖面积大大降低，且风速对喷雾参数的影响程度要高于喷雾压力对喷雾参数的影响程度。

（3）在风流的影响下，喷嘴有效水量为无风流条件下有效水量的80%左右，应避免逆风喷雾。

（4）喷雾降尘技术在矿井防尘应用中需根据风速值及喷嘴参数试验结果选取适宜的喷嘴，招金集团夏甸金矿卸载站矿车卸料点采用优选喷嘴喷雾降尘后，总粉尘和呼吸性粉尘浓度降尘效率分别高达91.1%和90%。