高压喷嘴雾化特性试验研究

彭欣，周英烈

(1.湖南宝山有色金属矿业有限责任公司， 湖南 郴州市 423000；2.飞翼股份有限公司， 湖南 长沙 410600)

众所周知，粉尘是造成矿山尘肺病的根本原因。为保障矿山井下工人的身心健康，必须对矿井工作环境采取降尘措施。当前喷雾降尘技术被广泛应用于矿井井下降尘中[1-3]。国内外学者对喷雾降尘技术进行了大量研究[4-6]。蒋仲安等[7]设计了一套气水喷雾降尘系统，并对其喷嘴雾化特征及降尘性能进行了试验研究。王鹏飞等[8-10]建立了气水喷雾降尘效率数学计算模型。林鸿亮等[11-12]采用试验与数值模拟相结合的方法，建立了喷嘴雾化模型。大量的研究表明喷嘴的性能直接影响了喷雾降尘的效率。因此，对喷嘴的性能进行研究十分必要。本文以室内模拟试验为基础，对影响喷嘴雾化特性的喷雾压力、孔径因素进行探究。研究成果可为井下喷雾除尘喷嘴选型提供参考。

1 室内试验

1.1 试验系统

本次室内试验系统管道模型由混合段、测量段等组成，如图1所示。为便于试验观察及结果记录，试验系统管道模型段均由厚度为1 cm的有机玻璃制成，其他内部结构由钢板加工而成。试验系统的测试部分由Spraytec马尔文雾滴粒径分析仪、智能电磁流量计、数字式压力表等构成。为测试喷嘴在不同方向产生的雾场雾滴粒度，在测量段将喷嘴设置为可旋转的结构。

图1 试验系统结构

1.2 试验方案

以清水作为本次试验的工质，为研究孔径对喷雾特性的影响，分别选取 0.15，0.3，0.5，0.8 mm孔径的喷嘴为试验喷嘴，喷嘴设置为逆喷。掘进工作面最优排尘风速为 0.4～0.7 m/s，通过调节风机和喷雾泵，将试验风速设为0.5 m/s，在喷雾压力为2，4，6，8，10 MPa，距离喷嘴出口为300 mm处测定喷雾雾场雾滴粒径分布。

本次试验所需的细微粉尘由 SAG-410粉尘气溶胶发生器输送，该仪器的粉尘质量流量范围为9.0～490.0 g/h，采用CCZ-1000直读式粉尘浓度测定仪分别测量孔径为0.15，0.3，0.5，0.8 mm的喷嘴在5种喷雾压力下，巷道喷雾段前后断面的粉尘浓度。

2 试验结果分析

2.1 压力影响因素分析

试验的压力范围设置在2～10 MPa之间，在距离喷嘴出口处300 mm的位置，测定不同压力下喷嘴雾化的粒径数据，其中D10、D50和D90分别代表小于此粒径的颗粒体积占颗粒总体积的10%、50%和90%。D（4,3）为体积加权平均粒径，D（3,2）为索太尔平均粒径。在本试验中，D（3,2）可作为描述粒径的参数。

图 2为不同压力作用下的雾化粒径参数分布图。从图2（a）中可以看出，在喷雾压力提高到4 MPa后，雾化粒径与喷雾压力成正相关关系。在喷雾压力从2 MPa变为6 MPa时，雾滴的粒径分布范围成正相关关系，但喷雾压力超过6 MPa后，雾滴分布粒径范围基本不变。另一方面，随着喷雾压力的增加，喷嘴所产生的D10与D（3,2）值都成负相关关系。

图2 不同压力下雾化粒径参数分布

从图2（b）的数据可以得到，在喷雾压力为2 MPa时，雾滴粒径主要分布在39～140 μm之间；当喷雾压力增大到4 MPa后，喷嘴所产生的雾滴粒径分布范围为28～116 μm。其所产生的喷雾粒径最大值与最小值均有所下降。而当喷雾压力再增长时，喷嘴所产生的雾径最小值呈负相关关系，最大值呈正相关关系，但整体相差不大。D（3,2）值先增大后减小。总体趋势为，喷雾压力越高，雾滴粒径越小，雾滴分散性越好。

从图2（c）的数据可以看出，孔径0.3 mm喷嘴所产生的雾滴粒径总体上随着喷雾压力的增加而呈减小的趋势变化。在喷雾压力从4 MPa增长到6 MPa时，雾滴粒径相对来说明显减小。在喷雾压力从2 MPa增长到4 MPa时，喷嘴所产生的D（4,3）值呈负相关关系。

从图2（d）中可以得到，随着喷雾压力的增大，喷嘴所产生的喷雾粒径呈负相关关系，但当喷雾压力大于6 MPa后，喷雾粒径随压力增长的变化明显减小。

2.2 孔径影响因素分析

本试验以D（3,2）作为主要研究参数，辅以参数D10、D50、D90和D（4,3）对喷嘴雾化参数进行试验研究。图3为不同孔径喷嘴在不同压力下产生的喷雾粒径分布图。

图3 不同孔径下雾化参数分布

从图3（a）可以看出，在喷雾压力为2 MPa时，时，D（3,2）与喷嘴孔径的关系曲线在孔径0.5 mm处成跳跃性变化，而在压力为4 MPa时，D（3,2）与喷嘴孔径基本成线性变化。在喷雾压力达到6 MPa后，在孔径0.5 mm处再次出现相对明显的非线性变化。从图3（b）可以看出，当喷雾压力为4 MPa时，D（4,3）值在孔径0.3 mm处出现跳跃变化。从图3（c）可以看出，当喷雾压力达到6 MPa后，在孔径为0.3 mm处，D90值出现跳跃变化。从图 3（d）可以看出，当压力为10 MPa时，D50值在孔径0.5 mm处表现出较强的非线性变化。从图3（e）可以看出，当压力为4 MPa和10 MPa时，D10在孔径为0.5 mm处呈跳跃变化。

结合图2和图3可以得到，当喷雾压力到达6 MPa后，喷雾压力的提高对雾化粒径的影响已不明显。从图3的数据可以看出，在各压力作用下，随着孔径的减小，喷嘴所产生的喷雾粒径参数呈非线性减小，喷嘴孔径与雾化参数呈负相关关系。

3 结论

（1）孔径一定的喷嘴，喷雾压力与喷雾粒径呈负相关关系，而喷雾粒径分布与喷雾压力呈正相关关系。

（2）在相同的喷雾压力作用下，随着喷嘴孔径的减小，喷雾粒径的D（3,2）、D（4,3）、D10、D50和D90值也逐渐减小。

（3）当喷雾压力到达6 MPa后，喷雾压力的增长虽然能减小喷嘴所产生的雾滴粒径，但此时减小的效果已不明显。从最优解的角度考虑，6 MPa为本次试验的最佳喷雾压力。

（4）在最优喷雾压力作用下（6 MPa），0.8 mm的喷嘴所产生的喷雾粒径分布范围为34～292 μm，D（3,2）值为62 μm；0.5 mm的喷嘴所产生的喷雾粒径范围为 24～132 μm，D（3,2）值为 52 μm；0.3 mm的喷嘴所产生的喷雾粒径范围为13～40 μm，D（3,2）值为21 μm；0.15 mm的喷嘴所产生的喷雾粒径分布为 5～13 μm，D（3,2）值为 8 μm。可根据不同的工况需求，为喷雾降尘系统选择合适孔径的喷嘴。