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除尘喷嘴雾化参数对不同粉尘源除尘效果的影响

程卫民^a,b，马有营^a,b,*，杨俊磊^c，孙标^a,b

a. 山东科技大学矿山防灾国家重点实验室育种基地，青岛，邮编：266590

b. 山东科技大学矿山与安全工程学院，青岛，邮编：266590

c. 中国煤炭科学研究院重庆分院，重庆，邮编：400039

文献信息：

文献历史：

2016.1.15 收到原稿

2016.4.20 收到修改稿

2016.8.2 接受文献

2016.9.19 在网上发布

摘要：为了得到合适的喷雾压力，提高喷雾和除尘效率，考虑了各种因素，包括粉尘特性、喷嘴角度、有效喷涂范围、耗水量和液滴尺寸。我们研究了不同矿山粉尘的特征并测量了不同压力喷嘴的雾化参数，发现煤刀和掘进机的内部压力应保持在2MPa，这可以确保大的液滴尺寸，大的喷射角度和低的水耗，从而实现大面积的覆盖和捕获大颗粒尘埃。但是，对于较小直径的液滴和更长的有效喷涂范围，外部喷雾压力应保持在4MPa，从而在操作者区域中有效除尘。全机械化驾驶面上的开采面和平台装载机上的悬移支架，拉拔开口和平台装载机的喷射压力应保持在8Mpa，在这个压力下，喷嘴能拥有长效喷射范围，较大的水流量和直径小的液滴，这些能够快速捕获瞬时，高浓度和小尺寸的灰尘组。从煤矿开采面上的应用来看，不同喷涂位置喷涂压力的优化可以有效提高除尘效率。根据不同位置的粉尘特性选择合适的喷嘴也有利于除尘效率。 选择的喷嘴在最佳压力下，总粉尘和可吸入粉尘的去除率可达70％以上，具有显着的除尘效果。

关键词：粉尘来源、粉尘粒径、喷嘴类型、喷雾压力、雾化参数

1.概况

作为矿山防尘最广泛使用的方法，喷粉除尘是一种非常有效的技术。适当的喷雾压力对除尘效果至关重要。在许多相关研究中，高压喷涂曾被认为具有比低压喷涂更高的除尘效率。但事实上，工业应用表明，高压喷涂除尘效果虽然略有改善，但远远不及理论上的成果。同时，高压喷涂会给工作场所带来用水量高，环境污染严重的问题^[1-3]。因此，目前喷雾压力依然取决于实际经验。 本文认为，考虑到雾化参数与喷嘴角度，有效喷涂范围，耗水量和液滴尺寸等多种因素的关系，需要根据矿山生产现场的实际情况确定合适的喷雾压力。在本次研究中，通过实验测量了不同矿山生产场地的灰尘特征和不同压力下6种压力喷嘴的雾化参数。在此基础上，综合考虑了喷嘴角度，有效喷涂范围，耗水量和液滴尺寸等雾化参数。根据煤切割机，掘进机，煤塌陷，悬移支架，破碎，平台装载机，塌陷面的回气道和驾驶面的平台装载机等内部和外部喷涂的各种位置进行喷雾压力优化。结合雾滴耦合机构，为喷嘴类型选择提供依据，进一步完善喷涂除尘理论。

2. 矿山生产区灰尘特征的测量

2.1实验系统

我们使用微观粒子图像分析仪（济南微纳仪器股份有限公司生产的Winner99）测量了十个中国有代表性的产矿区的采矿工作面的粉尘颗粒大小，并由此获得了粉尘的特性。微观粒子图像分析仪主要由三目镜，CCD图像采集系统和计算机软件处理系统三部分组成。为了获得粒子信息，在实验中采用膜涂片试验。通过计算机图像分析技术处理获取数据，由此获得灰尘粒径。

2.2粉尘取样选址

采用滤膜取样法，选用 AKFC-92A矿山除尘采样机和40 mm直径有机过滤膜进行粉尘取样。采样气流量控制在20 L / min，采样周期为5 min。在下面的七个位置的采矿工作面进行了对粉尘的取样：采煤机鼓，采煤机操作员区，悬移支架区，拉拔开口，破碎机，平台装载机和返回气道，在完全机械化的驾驶面上的灰尘取样在以下5个位置进行：掘进机，掘进机操作员区域，平台装载机的切割头和分别距离驾驶头100米和200米的两个位置。

2.3实验结果分析

样品实际上是在5分钟内从特定位置从灰尘取样器收集的一组颗粒。 该组的粒径反映了取样位置处的粒粒径。因此，为了分析实验结果，选择全组（称为X_SV）灰尘颗粒的加权平均直径作为粉尘粒度的代表，计算公式为：

，

其中，d_i是平均直径，N_i是直径为d_i的颗粒数，图1和2分别在完全机械化的塌陷面和驾驶面上显示不同位置的灰尘粒度。

从测量结果发现，在煤矿不同位置，存在不同的粉尘粒径。对于完全机械化的塌陷面，粉尘颗粒尺寸可以按照下列顺序排列：采煤机鼓gt;采煤机操作区gt;拉伸开口gt;支撑移动区域gt;破碎机gt;平台装载机gt;回气道; 对于驾驶面，顺序是：起重机的切割头gt;掘进机操作员区域gt;平台装载机gt;离驱动头gt;距离驱动头100米的驾驶头gt;距离驱动头200米的驾驶头。

3. 矿用喷嘴的分类

目前，矿用喷头可按其工作原理分为六种类型：压力喷嘴，旋转喷嘴，气动喷嘴，静电喷嘴，振动喷嘴和超声波喷嘴^[4,5]，其中压力喷嘴在工业上用的最多。根据喷雾形状，压力喷嘴可以进一步分为风扇喷嘴，梁形喷嘴，实心锥形喷嘴和中空锥形喷嘴。根据喷涂形式，压力喷嘴可以分为以下几种：包含螺旋槽和分流芯的混合喷嘴，涡流离心混合喷嘴，切向离心混合喷嘴，外螺旋槽喷嘴，X形芯分流混合喷嘴， 横向分流孔离心喷嘴等。所有喷嘴都有自己的优点和缺点，并在各种喷雾压力下表现出不同的雾化参数^[6-9]。 目前，选择喷嘴没有合理的标准或理论依据，导致喷嘴误用和除尘效率差。 因此，需要对不同压力下喷嘴的雾化参数进行研究，为煤矿选择喷嘴类型和除尘喷雾压力提供理论指导。

4. 雾化参数实验研究

对于上述六种类型的压力喷嘴，通过实验方法确定了其喷射压力与喷嘴喷射角度，有效喷涂范围，耗水量和液滴尺寸的关系，以探索压力喷嘴的喷涂特性，并提供 选择喷嘴类型和喷淋压力的理论指导，用于矿山除尘。实验中使用的六种喷嘴如表1所示。

4.1喷嘴雾化参数实验研究

4.1.1实验系统

实验装置由水箱（如图3所示），高压柱塞泵（图3所示）和SGC型双功能高压水表（图4所示）构成。 柱塞泵的压力可在0-28MPa的范围

内连续调节，水通过SGC型双功能高压水表通过高压橡胶软管输送到喷嘴。 最大水压为16MPa，水流量程为0.1-5m³ / h。

Fig. 3. Photo of high-pressure spraying pump and water tank.

Fig. 4. SGC-type bifunctional high pressure water meter.

4.1.2实验方案

根据矿山除尘的实际情况，喷涂在4MPa，4MPa，6MPa，8MPa的压力下进行。 在图5的曲线中测量并表示了喷头的喷雾角度，有效喷射范围和耗水量的一般雾化参数。

4.1.3实验结果分析

从图5中可以看出，不同的喷嘴类型显示雾化参数，如喷嘴喷射角度，有效喷涂范围和耗水量的明显差异。对于喷涂角度，我们按降序排列如下：切向离心混合喷嘴gt;涡流离心混合喷嘴gt;横向分流孔离心喷嘴gt;包含螺旋槽和分流芯的混合喷嘴gt;外螺旋槽喷嘴gt; X形芯导向混合喷嘴。六种喷嘴的有效喷涂范围和用水量的值也在不同的压力下变化。另外，随着喷雾压力的增加，所有喷嘴的喷射角逐渐降低，而有效喷涂范围和耗水量均呈现增加趋势。

4.2不同喷嘴液滴大小的测量

国内外有众多公司生产测量喷嘴液滴尺寸的仪器，包括TSI（美国），马尔文仪器有限公司（英国），济南微纳粒子仪器股份有限公司（中国）等。如表2所示，其他仪器也可以测量喷嘴液滴的速度，浓度和尺寸^[10,11]。

从文献^[12-14]可以看出，液滴尺寸对矿尘，特别是可吸入粉尘的影响远远大于液滴速度和液滴浓度。因此，我们研究中选择液滴大小作为关键参数。马尔文公司的液滴尺寸分析仪和微纳公司的激光液滴尺寸分析仪的测量范围几乎没有任何差异，但是通过Winner分析仪（0.001微米）比Malvern分析仪（0.01微米）有更高的测量精度。考虑到实验数据的准确性，我们使用Winner312激光液滴尺寸分析仪进行测量，以获得除尘效率与液滴尺寸的关系。

4.2.1实验系统

实验系统主要由高压喷射泵，封闭实验室，风扇和Winner312激光粒度分析仪组成，如图所示，高压喷射泵可连续调节为0~28MPa。封闭的实验室由发散部分和长方体形实验部分组成。 固定在长方体形状部分中的支架可以自由地从前向后移动和上下移动，以便在喷涂场的不同位置处测量液滴大小。轴流风扇（FZ40 / 35-11 / 12（s））的速度可以通过无级变频器进行调节，这样可以同时控制室内的空气速度。 Winner312液滴尺寸分析仪由激光发射装置和激光接收装置组成。由发射装置发出的绿色激光通过喷射场，并被接收装置接收，然后将激光信号传送到计算机系统，通过该计算机系统，我们可以分析数字信号并获得喷雾场中的液滴尺寸分布 。

4.2.2实验方案

实验在2MPa，4MPa，6MPa和8MPa的不同压力下进行。 根据文献^[15]统计分析，全机械化的塌陷面的空气速度一般约为1.14m / s。因此，通过改变无级变频器，应将密闭实验室中的空气速度调整为与该空气速度值一致。然后，可以通过固定Winner 312系统和改变喷嘴位置来测量液滴尺寸分布，液滴尺寸分布如图7所示。在该图中，虚线是激光检测线。从密闭实验室的空气入口到出气口的检测线的方向是X方向，而与检测线交叉的垂直向上方向是Y方向。在本工作中，为喷嘴设计了七个不同的位置来研究液滴尺寸分布。 从A到G的这些位置可以以毫米为单位的空间坐标表示：（0,50），（250,650），（0,650），（0,50），（250,650），（0,650），（-250,650），（500,1250），（0，1250）和（-500,1250）。

4.2.3结果分析

选择五个液滴尺寸参数^[16-17]来分析喷雾场中的喷嘴液滴尺寸：D_0.1，D_0.5，D_0.9，D₃₂和D₄₃。D_0.1表示直径为10％的液滴的累积分布，也就是说，直径小于D_0.1的喷雾液滴占全部液滴总体积的10％。D_0.5和D_0.9的定义是相似的。D₃₂是表面积的（加权）平均液滴直径，其表达式为：

。

D₄₃是（加权）体积的平均液滴直径，表达式为：

，

其中d_i是液滴直径，N_i是直径为d_i的液滴的数量。

4.2.3.1不同测量位置的液滴尺寸分析

图8中的曲线表示当喷雾压力从2MPa增加到8MPa时液滴直径的减小速率，因此可以进行以下分析：

（1）沿着喷嘴中心线的位置A，C和F的D_0.5和D₃₂在相同的喷雾压力下以升序有着相同的规律：A lt;C lt;F，这表示距离喷嘴中心线越远可以形成尺寸更大的液滴。 位置B，C，D，E，F和G中的D_0.5和D₃₂可按以下顺序排列：Cgt; Dgt; B，Cgt; Bgt; D，Fgt; Egt; G或Fgt; Ggt; E。这种现象表明，离中心线更远可能有助于形成较小尺寸的液滴，而在相对于喷嘴中心线对称的两个位置处，液滴尺寸的减小幅度是不确定的。

（2）在所有未知的D_0.5和D₃₂逐渐减缓喷雾压力的增加。不过，不同位置的下降幅度不一样。当喷雾压力从2MPa增加到8MPa时，沿着喷嘴中心线的位置A，C和F处的D_0.5和D₃₂的减少速率都显示相同的趋势：A lt;C lt;F，这表明距离中心线上的喷嘴孔更远的距离可能有助于液滴尺寸下降的速度。位置B，C，D，E，F和G的D_0.5和D₃₂的减少率可按以下顺序排列：Cgt; Dgt; B，Cgt; Bgt; D，Fgt; Egt; G或Fgt; Ggt; E。这表明随着压力的增加，离垂直表面的中心线更远的距离会导致较小的液滴尺寸，而在相对于喷嘴中心线对称的两个位置，液滴尺寸的减小速率是不确定的。

4.2.3.2不同喷嘴的液滴尺寸分析

不同喷嘴在不同压力下液滴直径的测量结果见图9。这里，液滴尺寸的定义可以给出如下：D_0.1 =（D_0.1A D_0.1B D_0.1C D_0.1D D_0.1E D_0.1F D_0.1G）/ 7，D_0.5 =（D_0.5A D_0.5

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