供氣壓力對流體型超聲噴嘴霧化特性及降塵效率的影響

鄔高高，王鵬飛,2，劉榮華,2，韓 涵，崔 燕，李石林

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201; 2.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害治理安全生產(chǎn)實驗室,湖南 湘潭 411201)

煤炭在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量粉塵，工人長期在高濃度粉塵環(huán)境下作業(yè)容易引起塵肺病[1-2]。據(jù)國家衛(wèi)健委統(tǒng)計，2019年全國共報告新增職業(yè)性塵肺病15 898人，其中煤炭行業(yè)約占40%。噴霧降塵是煤礦粉塵防治的主體技術(shù)，而霧化噴嘴是實施噴霧降塵關(guān)鍵部件[3-4]。根據(jù)霧化原理可將噴嘴分為壓力噴嘴、空氣霧化噴嘴、超聲霧化噴嘴等。煤礦采掘作業(yè)場所一般采用壓力噴嘴，但由于供水壓力的限制，壓力噴嘴霧化效果不佳，降塵效率偏低[5-6]。而且，傳統(tǒng)的壓力噴嘴耗水量大，易引起巷道內(nèi)積水量多，導(dǎo)致工人工作條件更加惡劣[7-9]。

超聲霧化是利用超聲波將液體破碎成微細(xì)霧滴的一種霧化方法。相對于傳統(tǒng)的壓力霧化，超聲霧化噴嘴具有對水壓要求低、耗水量小、降塵效率高(特別針對呼吸性粉塵)等優(yōu)勢。超聲霧化噴嘴根據(jù)產(chǎn)生超聲波原理分為壓電型和流體型。壓電型超聲噴嘴是由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生頻率極高的電磁振蕩信號，利用換能器將該信號轉(zhuǎn)換成超聲機(jī)械振動，再將液體霧化。流體型超聲噴嘴是借助自身特殊結(jié)構(gòu)將噴嘴出口高速流體的動能轉(zhuǎn)變成具有波狀振動的機(jī)械能，從而產(chǎn)生超聲波，使液體在超聲波的作用下發(fā)生振動而被霧化。超聲霧化噴嘴最初應(yīng)用于燃油霧化，宿鳳明等[10-13]研究了超聲波動力發(fā)生器和液體黏度對霧化質(zhì)量的影響，設(shè)計了燃油超聲霧化噴嘴并分析了工況參數(shù)對其霧化質(zhì)量的影響。隨后，劉旭澤等[14-17]以水為液相工質(zhì)研究其工況參數(shù)對噴嘴霧化特性的影響，設(shè)計出階梯腔式超聲霧化噴嘴并研究了該噴嘴聲場特性和霧化參數(shù)。李洪喜等[18-20]對噴嘴內(nèi)外部流場特性和霧化性能展開仿真研究。KUDO等[21-25]通過數(shù)值模擬研究了霧化器產(chǎn)生超聲波使液體霧化的現(xiàn)象，對噴嘴共振腔的非定常流動進(jìn)行研究，并就共振腔的共振機(jī)理進(jìn)行分類和總結(jié)，使流體動力式超聲波噴嘴的共振機(jī)理得到進(jìn)一步完善，促進(jìn)了超聲霧化在工業(yè)生產(chǎn)與生活中的實際應(yīng)用。目前，超聲霧化噴嘴可用于工程現(xiàn)場噴霧降塵，其中供氣壓力對其降塵性能有重要影響，但關(guān)于供氣壓力對噴嘴流量、霧化角、射程、霧滴粒徑等噴霧特性參數(shù)及降塵效率的研究欠缺，導(dǎo)致工程現(xiàn)場噴霧降塵方案制定缺少重要的依據(jù)，阻礙了該項噴霧技術(shù)的推廣使用。因此,筆者借助自行設(shè)計的噴霧降塵實驗平臺，開展供氣壓力對超聲霧化噴嘴霧化特性及降塵性能的實驗研究，研究供氣壓力與噴嘴霧化特性及降塵效率的關(guān)系。本研究成果對掌握氣壓對超聲霧化噴嘴霧化特性及降塵性能具有較好地借鑒意義，也為噴霧降塵實際應(yīng)用提供基礎(chǔ)性實驗參數(shù)。

1 實驗系統(tǒng)及方案

1.1 實驗系統(tǒng)

如圖1所示，噴霧降塵實驗平臺主要包括了模型巷道、發(fā)塵設(shè)備、供氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)及相關(guān)的測量儀器、設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)儀表。本次實驗所涉及的儀器儀表包括PIV、電磁流量計、數(shù)字壓力表、空氣質(zhì)量流量計、馬爾文實時高速噴霧粒度分析儀及粉塵采樣器等。巷道模型主體段長度為30 m，其中噴霧段長度為10 m，巷道斷面為矩形，規(guī)格為60 cm×60 cm。實驗平臺噴霧降塵部分由透明有機(jī)玻璃加工而成，透明有機(jī)玻璃便于噴嘴噴霧效果觀測及霧滴粒度的測量，其他部分均由不銹鋼板材制作。

圖1 噴霧降塵實驗平臺Fig.1 Experimental platform for spray dust removal

筆者選用山東濟(jì)寧博林噴霧設(shè)備有限公司生產(chǎn)的BL-CSBPZ-SS1.2型流體型超聲霧化噴嘴，該噴嘴主要包括底座、混合室、導(dǎo)流管及共振腔等部分，噴嘴霧流形狀為實心圓錐，如圖2所示。噴嘴底座設(shè)有進(jìn)水口和進(jìn)氣口，分別布置于底座下部和側(cè)面，內(nèi)徑分別為12和10 mm。噴嘴出口位于混合室末端，直徑為1.2 mm。該噴嘴是將共振腔(超聲波發(fā)生器)由支架固定于噴嘴出口前端。

圖2 實驗所選用噴嘴Fig.2 Nozzle used in the experiment

實驗所采用的粉塵為無煙煤煤塵，由湖南煤業(yè)集團(tuán)磨田煤礦塊狀煤樣加工而成。將所采集的煤樣通過破碎機(jī)破碎，用150目標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)篩分篩出實驗煤塵。圖3為煤塵樣品的粒徑分布圖，其中D10，D50和D90分別為4.66，39.78和92.09 μm(D10，D50，D90為粉塵的特征粒徑，分別代表小于此顆粒的顆粒粒徑分別占全部顆粒總體積的10%，50%和90%)。將制作的煤塵樣品放入真空干燥箱內(nèi)干燥，設(shè)定干燥時間480 min，溫度為80 ℃，樣品干燥后放入密封箱內(nèi)備用。

圖3 煤塵粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of coal dust sample

1.2 實驗方案

筆者共設(shè)置了3組實驗，分別為噴嘴流量實驗、噴嘴霧化特性實驗及噴霧降塵實驗。實驗中將供氣壓力變化范圍設(shè)置為0.2～0.7 MPa，共研究了3個供水壓力(0.2，0.3，0.4 MPa)。第1組實驗為噴嘴氣、液流量測定實驗，對上述供水壓力和供氣壓力組合下18種工況的超聲霧化噴嘴氣、液流量，采用電磁流量計和空氣質(zhì)量流量計進(jìn)行測定。第2組實驗為噴嘴霧化特性測定實驗，實驗工況同第1組實驗，對霧化角、射程、霧滴速度及霧滴粒徑4種霧化特性參數(shù)進(jìn)行測定。噴嘴不同工況條件下的噴霧場采用高性能數(shù)碼相機(jī)拍攝記錄，再借助Image-Pro Plus6.0后處理軟件計算霧化角和射程。霧滴速度通過PIV系統(tǒng)測定，本次實驗選取距噴嘴前方20 cm的40 cm×40 cm垂直區(qū)域作為流場測試截面，如圖4所示。霧滴粒徑采用馬爾文實時噴霧粒度分析儀測定，霧滴粒徑參數(shù)的采集線距噴嘴前方50 cm且位于截面中心。第3組實驗為噴嘴噴霧降塵性能實驗，對模型巷道內(nèi)設(shè)置的超聲霧化噴嘴進(jìn)行降塵效率測定。發(fā)塵器以15 g/min的速度發(fā)塵，使用粉塵采樣器采集噴霧前后模型巷道內(nèi)的粉塵，并根據(jù)所采集的粉塵計算噴霧降塵效率。在進(jìn)行噴霧降塵實驗時，將模型巷道內(nèi)風(fēng)速控制為1.0 m/s。

圖4 噴霧測量示意Fig.4 Schematic diagram of spray measurement

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 噴嘴流量

依據(jù)本次實驗方案設(shè)置噴嘴供氣壓力和供水壓力，研究供氣壓力對超聲霧化噴嘴氣、液流量的影響，得出噴嘴氣、液流量與供氣壓力之間的相關(guān)規(guī)律。圖5為供水壓力為0.2 MPa時，超聲噴嘴氣流量、水流量與供氣壓力的關(guān)系曲線，其中，QL為水流量;Qair為空氣流量。

圖5 噴嘴流量與供氣壓力的關(guān)系Fig.5 Relationship between nozzle flow and air supply pressure

從圖5可分析出，維持噴嘴供水壓力0.2 MPa不變，當(dāng)供氣壓力不斷提高時，噴嘴空氣流量逐漸升高而水流量不斷下降。對于流體型超聲霧化噴嘴，空氣和水分別通過噴嘴底座進(jìn)氣口和進(jìn)水口沿著通道進(jìn)入混合室，并在混合室內(nèi)碰撞摻混后從出口噴出。維持噴嘴供水壓力不變，噴嘴空氣流量隨著供氣壓力的增大而不斷增大。同時，空氣流量的增加導(dǎo)致混合室內(nèi)氣液兩相壓力升高，增大了噴嘴進(jìn)水口阻力，影響噴嘴水流量，從而導(dǎo)致噴嘴氣液體積流量比上升。擬合上述實驗數(shù)據(jù)，得出噴嘴流量與供氣壓力的關(guān)系曲線和擬合方程，如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)供水壓力固定時，隨著供氣壓力的增加，噴嘴空氣流量呈冪函數(shù)形式遞增，而水流量呈指數(shù)函數(shù)形式遞減。供氣壓力在0.2 MPa的基礎(chǔ)上增加0.5 MPa后，空氣流量約增加100 L/min，水流量則約降低1.3 L/min。其他2個供水壓力下的噴嘴流量實驗結(jié)果也均表現(xiàn)出類似的變化規(guī)律。

2.2 噴嘴霧化特性

2.2.1霧化角和射程

表1為供水壓力為0.4 MPa時，超聲霧化噴嘴在不同供氣壓力下的射程S和霧化角α實驗測定數(shù)據(jù)。從表1中的霧化角實驗數(shù)據(jù)可知，隨著供氣壓力的增加，噴嘴霧化角呈現(xiàn)減小的變化規(guī)律。從噴嘴流量實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在供氣壓力增大時氣體流量不斷增大，而水流量不斷減小，導(dǎo)致噴嘴出口兩相流中空氣體積分?jǐn)?shù)增大，霧場內(nèi)的主要介質(zhì)為空氣，噴嘴特性愈趨近普通平口噴嘴，噴霧流呈現(xiàn)出氣柱形式，霧化角不斷減小。同時，供氣壓力的增大也提升了噴嘴出口霧滴速度，高速運(yùn)動的液滴更易克服空氣流擾亂作用不易分散，使得霧化角減小，霧流更加集中。供氣壓力在0.2 MPa的基礎(chǔ)上增加0.5 MPa后，射程約增加210 cm，霧化角則約減小75°。其他2個供水壓力下的噴嘴射程和霧化角實驗結(jié)果也均表現(xiàn)出類似的變化規(guī)律。

表1 不同供氣壓力下的噴嘴射程S和霧化角α (pL=0.4 MPa)Table 1 Range and atomization angle under different air pressure(pL=0.4 MPa)

圖6為上述工況條件下的噴嘴霧流場照片。由圖6可知，超聲霧化噴嘴霧流形狀為實心圓錐，噴嘴出口霧流較為集中，由噴嘴出口向外擴(kuò)散，霧滴逐漸均勻分布。由于超聲霧化噴嘴供水壓力較低，水流量較小，霧流較為稀薄。同時，隨著供氣壓力增大，霧化角不斷縮小，霧流愈趨集中，霧滴濃度不斷增大。

由表1可知，噴嘴射程隨著空氣壓力的增大整體上呈現(xiàn)增大的趨勢。超聲霧化噴嘴為氣液兩相流噴嘴，隨著空氣壓力的增大，一方面空氣流量不斷增大，提高了出口氣液兩相流的動能;另一方面，隨著空氣壓力的增大，所形成的噴霧流的霧化角越來越小，霧流更為集中。

2.2.2霧滴速度

圖7為供水壓力0.3 MPa時，超聲霧化噴嘴在不同供氣壓力下的霧滴速度云圖。由圖7可知，在供氣壓力不斷增大的過程中，測量區(qū)域霧滴最大速度不斷增大。這是因為供氣壓力的增大，氣體動能也隨之增加，共振腔內(nèi)的空化作用加強(qiáng)，擾動振幅迅速增長。同時，液體在噴嘴內(nèi)部受到強(qiáng)烈的壓迫作用，液滴受這些因素的影響，霧滴速度不斷增大。從圖7中還能發(fā)現(xiàn)，隨著氣壓逐漸增大時，霧滴速度場越來越集中在中心區(qū)域。從霧化角的實驗結(jié)果可知，氣壓增大會引起霧化角減小，霧流趨于集中。在供氣壓力較小，水壓較大的情況下，霧化角大射程較小，霧場中邊緣霧滴會發(fā)生渦流卷吸作用，造成霧流流動狀態(tài)非常紊亂，如圖7(a)所示。供氣壓力在0.2 MPa的基礎(chǔ)上增加0.5 MPa后，霧滴速度約增加7.5 m/s。其他2個供水壓力下的霧滴速度實驗結(jié)果也均表現(xiàn)出類似的變化規(guī)律。

圖6 不同氣壓的噴嘴霧化角Fig.6 Different air pressure nozzle atomization angle

圖7 不同供氣壓力下的噴嘴霧滴速度v云圖Fig.7 Nephogram of nozzle droplet velocity under different air supply pressure

2.2.3霧滴粒徑

圖8為霧滴索泰爾平均直徑D[3,2]與供氣壓力的關(guān)系曲線。圖8中的3條曲線均顯示，當(dāng)供水壓力固定時，供氣壓力由0.2 MPa增加至0.7 MPa，霧滴D[3,2]逐漸減小，約減小60 μm。供氣壓力的增大使得氣體動能不斷增大，產(chǎn)生的超聲波強(qiáng)度加大，在液滴表面產(chǎn)生的振幅作用增強(qiáng)，使得氣泡振蕩頻率變大，霧滴粒徑減小。同時，供氣壓力增大引起氣液體積流量比不斷增大，單位質(zhì)量水獲得超聲波能量不斷增多，使得霧化更充分，霧滴粒徑更小。

圖8 不同工況下的噴嘴霧滴粒徑Fig.8 Droplet size of nozzle under different working conditions

圖9為供水壓力0.4 MPa時，6個供氣壓力下的霧滴粒徑分布圖。由圖9可知，維持供水壓力不變，供氣壓力由0.2 MPa逐漸增加到0.7 MPa時，霧滴體積頻率峰值隨著供氣壓力的增加不斷向左偏移，向左為霧滴粒徑減小的方向。同時，從體積頻率柱狀圖可分析出，霧滴粒徑分布范圍隨著供氣壓力的增加逐漸變窄，而體積頻率峰值隨著供氣壓力的增加呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。這主要是由于供氣壓力的增大提供了液體更多的霧化能量，使得霧化更充分，霧滴粒徑小且分布集中。

從以上實驗研究結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，供氣壓力對流體型超聲霧化噴嘴流量和霧化特性多個方面均有顯著影響。在粉塵粒徑、粉塵濃度和環(huán)境溫度等客觀條件不變的情況下，影響噴嘴噴霧降塵效率的主要參數(shù)包括水流量、霧滴粒徑、霧滴速度及霧化角等。通常情況下，霧滴粒徑越小，運(yùn)動速度越高，且空間水流量越大，霧滴與粉塵的碰撞沉降概率也會越高，降塵效率也相應(yīng)提高。供氣壓力對噴嘴霧化特性影響較為復(fù)雜，且隨著供氣壓力的增大，部分霧化特性參數(shù)有利于提高噴霧降塵效率，而另外一部分則會抑制噴霧降塵效率。目前，并不清楚供氣壓力對該類噴嘴噴霧降塵效率的影響規(guī)律，還需要測定不同供氣壓力下的降塵效率，進(jìn)一步討論供氣壓力與降塵效率之間的關(guān)系。

2.3 噴嘴降塵性能

依據(jù)噴霧降塵實驗方案，采用實驗材料部分所提及的煤塵樣品開展噴霧降塵試驗。圖10為3種供水壓力下，供氣壓力由0.2 MPa增加至0.7 MPa時噴嘴的全塵和呼吸性粉塵降塵效率η。由圖10可知，隨著供氣壓力的增大，3個供水壓力下噴嘴的全塵和呼吸性粉塵降塵效率均表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。為便于闡述原因，選擇圖10(b)中的1組實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析。當(dāng)供氣壓力在0.2～0.4 MPa時，全塵降塵效率由69.18%提高至78.89%，增加9.71%，降塵效率表現(xiàn)出隨供氣壓力增大而增大的變化規(guī)律;但當(dāng)供氣壓力高于0.4 MPa后，隨著供氣壓力的不斷增大，全塵降塵效率未提高反而下降，而且下降幅度越來越大，當(dāng)供氣壓力達(dá)到0.7 MPa時，全塵降塵效率僅為60.10%。類似的變化規(guī)律同樣適合呼吸性粉塵降塵效率，且2者最大降塵效率所對應(yīng)的供氣壓力均為0.4 MPa。

從噴嘴流量和霧化特性的實驗結(jié)果分析出，由于供氣壓力的不斷增大，噴嘴水流量、霧滴粒徑、霧化角均減小，而霧滴速度增大。當(dāng)供氣壓力為0.2 MPa時，雖然水流量較大，但霧滴粒徑太大，不利于粉塵(特別是呼吸性粉塵)的捕集與沉降，因此該供氣壓力下的全塵和呼吸性粉塵降塵效率均較低。當(dāng)供氣壓力在0.2～0.4 MPa變化時，雖然水流量和霧化角的下降不利于粉塵的捕集和沉降，但霧滴粒徑的減小及霧滴速度的增加均會對降塵效率產(chǎn)生積極的作用，所以呈現(xiàn)出的規(guī)律為全塵和呼吸性粉塵降塵效率均隨著供氣壓力的增大而增大[26-27]。供氣壓力為0.5 MPa時，相對于供氣壓力為0.4 MPa，霧滴粒徑的減小及霧滴速度的提高均有利于降塵效率的提高，但噴嘴水流量和霧化角減小較為嚴(yán)重，導(dǎo)致全塵和呼吸性粉塵降塵效率均有所下降。分析另外2個供水壓力下的工況發(fā)現(xiàn)，供水壓力為0.2和0.4 MPa獲得最高降塵效率所對應(yīng)的供氣壓力分別是0.3和0.5 MPa。由以上分析可知，在煤礦現(xiàn)場使用流體型超聲噴嘴噴霧降塵時，當(dāng)供水壓力固定時，為確保全塵和呼吸性粉塵的降塵效率最佳，所選的供氣壓力不能過高也不能過低，應(yīng)選擇高于供水壓力0.1 MPa的供氣壓力。同時，通過本實驗的3組不同供水壓力下的降塵效率實測值，可得出噴霧降塵效果較優(yōu)的氣水壓力組合有1號(pL=0.2 MPa,pair=0.3 MPa)，2號(pL=0.3 MPa,pair=0.4 MPa)和3號(pL=0.4 MPa,pair=0.5 MPa)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合噴嘴流量、霧滴粒徑等指標(biāo)，可進(jìn)一步得出最佳的氣水壓力組合。

圖9 不同供氣壓力下的噴嘴霧滴粒徑分布Fig.9 Droplet size distribution of nozzle under different air supply pressure

圖10 不同工況下的噴嘴降塵效率Fig.10 Dust removal efficiency of nozzle under different working conditions

3 結(jié) 論

(1)隨著供氣壓力的增大，流體型超聲霧化噴嘴空氣流量呈冪函數(shù)形式增加，水流量呈指數(shù)函數(shù)形式遞減，氣液流量比不斷增大。供氣壓力由0.2 MPa增加至0.7 MPa，噴嘴空氣流量約增加100 L/min，水流量約降低1.3 L/min。

(2)流體型超聲霧化噴霧的霧化角隨著供氣壓力增大而不斷減小，射程則不斷增大;霧滴速度隨著供氣壓力的增大逐漸增大，而霧滴粒徑隨著供氣壓力增大逐漸減小。供氣壓力由0.2 MPa增加至0.7 MPa，噴嘴射程約增加210 cm，霧化角約減小75°，霧滴速度約增加7.5 m/s，霧滴粒徑約減小60 μm。

(3)隨著供氣壓力的增大，全塵和呼吸性粉塵降塵效率均表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律;可得出噴霧降塵效果較優(yōu)的氣水壓力組合有1號(pL=0.2 MPa,pair=0.3 MPa)，2號(pL=0.3 MPa,pair=0.4 MPa)和3號(pL=0.4 MPa,pair=0.5 MPa)。