基于渦旋效應(yīng)的霧化噴頭及其在選煤廠的應(yīng)用

姚春波，弓培林，郭建珠，3，馬新世，高金杉

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué)湍流技術(shù)裝備聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；3.山西中永通機(jī)電設(shè)備制造有限公司，山西 太原 030024；4.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272102)

礦山粉塵治理是礦山安全領(lǐng)域的重要內(nèi)容，常用的降塵措施為霧化降塵，研究者們圍繞粉塵特性以及霧化規(guī)律開展了廣泛的研究[1，2]，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)雖然高壓水霧化降塵成本低，系統(tǒng)簡單，但往往霧化效果不好且由于較高的水壓以及較大的耗水量難以維護(hù)。為了尋找既能在低壓下產(chǎn)生良好的霧化降塵效果又能降低水耗量的技術(shù)措施，人們創(chuàng)新霧化方式[3-5]，如磁化水霧、靜電霧化等可從根本提升水霧特性，再如超聲霧化、氣水兩相流的新型霧化技術(shù)。

氣液兩相流技術(shù)早期在燃油燃燒領(lǐng)域研究較多，后來眾多學(xué)者將液相介質(zhì)由油轉(zhuǎn)向了水，發(fā)現(xiàn)同等的水壓下，氣水霧化的霧滴粒徑和水耗量均低于壓力霧化，而霧滴群體積分?jǐn)?shù)、液滴速度及降塵率均高于壓力噴霧[6]，于是輔助霧化(在波蘭采礦業(yè)盛行)[7]、氣動(dòng)霧幕[8]等衍生除塵技術(shù)相繼發(fā)展。目前的研究主要集中在霧化規(guī)律、霧化基本參數(shù)研究[9，10]，此外還有優(yōu)化降塵環(huán)節(jié)如提高水的表面張力等。伊朗學(xué)者[11]對(duì)雙流體兩相內(nèi)混合霧化器的霧化特性和霧滴分布進(jìn)行了分析、數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究，提出了最大熵判定法(MEM)；周剛研究發(fā)現(xiàn)霧化效果越好，粉塵粒度則變得越大，則越容易沉降[12]，而霧化噴頭作為氣水兩相流霧化技術(shù)的核心元件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了霧化特性，于是相關(guān)學(xué)者積極嘗試改造噴頭內(nèi)部的霧化結(jié)構(gòu)[13，14]，如優(yōu)化腔體長徑比、孔徑、孔洞偏移角等，李明忠通過有限元仿真對(duì)噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)，供水需求壓力降低了30%以上，最低霧化壓力為2MPa，但目前大部分霧化流體呈現(xiàn)錐形、扇形或廣角的噴灑形式，該類霧化形式的霧化距離短、覆蓋面積小，無法從縱向及徑向的多維度同時(shí)覆蓋到工業(yè)現(xiàn)場。

本文將介紹一種產(chǎn)生的流體具有渦旋效應(yīng)的霧化噴頭，基于兩相流霧化技術(shù)，通過對(duì)噴頭內(nèi)部流動(dòng)方式進(jìn)行創(chuàng)新，使得流體霧化形態(tài)更好、流體作用面積更廣。文章從噴頭的構(gòu)造及流體形態(tài)出發(fā)，并進(jìn)一步闡述其內(nèi)部流通方式以及渦旋機(jī)理，最后通過現(xiàn)場實(shí)踐來研究該噴頭在限定空間內(nèi)的除塵效果。

1 渦旋噴頭及流體特性

霧化渦旋噴頭由太原理工大學(xué)和山西中永通公司共同研制，其工作方式為內(nèi)混式，基本工作原理是以壓縮空氣為主動(dòng)力輔以低壓水驅(qū)動(dòng)氣水霧化渦旋噴頭，通過渦旋生成器在噴頭共振室處將水剪切破碎并經(jīng)三級(jí)渦旋結(jié)構(gòu)的整合效應(yīng)產(chǎn)生霧化渦旋效果。工作及結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖1所示。該噴嘴的空氣帽結(jié)構(gòu)并非傳統(tǒng)的圓形、扇形等構(gòu)造，而是模仿人類唇部造型具有一定唇部邊緣的扁圓口結(jié)構(gòu)，同時(shí)當(dāng)運(yùn)行過程中氣體壓力或水壓力發(fā)生波動(dòng)時(shí)，氣水調(diào)控器上的調(diào)節(jié)桿將發(fā)生移動(dòng)調(diào)節(jié)水氣比例，多余壓力通過氣水調(diào)控器上的卸壓小孔釋放，保證穩(wěn)定生成氣水渦旋。

表1 霧化渦旋噴頭參數(shù)

圖1 霧化渦旋束生成裝置

圖2 外觀特性圖像

瞬態(tài)渦旋流體如圖2(a)所示，渦旋束前端近似呈傾斜纏繞的射流狀態(tài)，霧化流體在內(nèi)部高速氣流帶動(dòng)下逐漸渦旋纏繞，為驗(yàn)證其特征，采用3D立體捕捉設(shè)備進(jìn)行采集，如圖2(b)所示，氣水霧化渦旋流體的形態(tài)并非傳統(tǒng)霧化噴嘴噴射的錐形或拋物線曲線，而是具有渦旋涌動(dòng)形態(tài)的非線性渦旋流體，應(yīng)用于除塵中時(shí)，持續(xù)推進(jìn)的渦旋能量波相當(dāng)于一個(gè)多級(jí)除塵器，可以對(duì)作用介質(zhì)產(chǎn)生多級(jí)反應(yīng)，遵循如下規(guī)律：

ηr=1-(1-η1)(1-η2)…(1-ηn)

式中，ηr為總除塵效率，各級(jí)渦旋波的降塵效率為ηi(i=1，2…n)。

2 霧化渦旋機(jī)理分析

渦旋的生成主要靠內(nèi)部偏移旋轉(zhuǎn)的主要結(jié)構(gòu)以及高速氣流的帶動(dòng)。在內(nèi)部構(gòu)造中，氣水兩相有兩對(duì)偏移結(jié)構(gòu)的各自通路又有彼此交互混合渦旋生成區(qū)，液體流道的換向以及氣相對(duì)液相徑向剪切破碎作用，使得氣液兩相在渦旋偏移組件內(nèi)各完成5次換向動(dòng)作；基于氣體的靈活性，使得在較為復(fù)雜的內(nèi)部通道依然能對(duì)低壓水源進(jìn)行破碎霧化并逐級(jí)生成渦旋。

為直觀清晰地表征噴頭內(nèi)部流場，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模塊進(jìn)行內(nèi)部流場3D仿真模擬，采用物理場沿幾何中面對(duì)稱分布計(jì)算，應(yīng)用精度更高的(RNG)k-ε湍流模型，假設(shè)湍流粘度為各向同性，不可壓縮流動(dòng)采用直接耦合的兩相歐拉模型，而該模型本身是非穩(wěn)態(tài)的。湍流方程定義如下[11]：

式中，Q為通量守恒變量；Fn為非粘性通量；Fvn為流體通量；xn為傳輸方向；t為傳輸時(shí)間；u為湍流平均速度；um和un為湍流速度分量；τmm為粘性耗散項(xiàng)；ρ為湍流動(dòng)量；δmn為應(yīng)變張量分量；E為變形量。相應(yīng)的k方程和ε方程如下：

式中，k為湍流動(dòng)能；ε為湍流動(dòng)能耗散率；μeff為有效黏度；Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；G1ε和G2ε為模型常數(shù)；∝k和∝ε分別為k方程和ε方程的紊流普朗特?cái)?shù)。數(shù)值模擬設(shè)置見表2。

內(nèi)部流動(dòng)形態(tài)及速度、壓力圖像參數(shù)如圖3所示，提取幾何模型壁面沿程壓力及中線體速度數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4所示。由圖3、圖4可知，渦旋裝置內(nèi)部的速度可達(dá)57m/s，壓力可達(dá)0.44MPa左右，推測霧化流體出口速度較為可觀，克服空氣等沿程阻力后依舊能保持50 m/s的較高霧滴速度，為霧化除塵中霧滴碰撞粉塵提供基礎(chǔ)保障。由圖4提取的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，由兩相壓力入口至出口，其速度及壓力整體呈升高趨勢，基于三級(jí)渦旋結(jié)構(gòu)逐級(jí)升高，呈梯度上升趨勢。

表2 數(shù)值模擬設(shè)置

圖3 速度等值面及流向分布，流體速度等值線，壓力等值線

圖4 壓力及速度沿程分布曲線

3 在選煤廠的應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場概況與實(shí)施方案

馬脊梁選煤廠是一座設(shè)計(jì)能力為600萬t/a的大型選煤廠，自二期改造擴(kuò)建于2014年11月1日正式運(yùn)行以來，雖然采取了一些措施，但粉塵污染問題一直未得到徹底解決，尤其以準(zhǔn)備車間污染問題最為嚴(yán)重，粉塵最高濃度可達(dá)500mg/m3。針對(duì)選煤廠污染現(xiàn)狀，以氣水兩相霧化渦旋噴頭作為主要降塵元器件，并在特定場所如轉(zhuǎn)載處、落煤處配合防塵罩封隔煤塵，阻止外溢，使霧化渦旋流體工作于特設(shè)限定空間內(nèi)。系統(tǒng)主要由噴頭、空壓機(jī)、緩沖罐、配電集中控制臺(tái)、氣水兩相8#軟管以及系統(tǒng)外部的防塵罩組成。以準(zhǔn)備車間原煤落煤口等15個(gè)塵源點(diǎn)為核心治理目標(biāo)，通過將氣水兩相輸送至對(duì)應(yīng)產(chǎn)塵點(diǎn)，并根據(jù)每個(gè)塵源點(diǎn)環(huán)境以及粉塵濃度的不同，每一除塵單元中裝設(shè)3～5個(gè)渦旋噴頭，噴頭與集塵罩基本有如下3種安設(shè)方案：

1)如圖5(a)所示，針對(duì)振動(dòng)篩應(yīng)用軟密封材料將集塵罩固定于振動(dòng)篩四周篩幫，上下連接激振器和篩下漏斗，噴頭延伸至集塵罩內(nèi)部，入料口處噴頭與物料平行安設(shè)，與另外4只于罩體頂板固定的噴頭產(chǎn)生的霧流在篩體內(nèi)部形成渦旋干霧立體交叉網(wǎng)，充分與塵粒反應(yīng)，將飛揚(yáng)的粉塵卷吸凝結(jié)，并由尾部噴頭霧化整合至漏斗落下。

2)帶式輸送機(jī)的處理如圖5(b)，煤流在輸送機(jī)尾由于拋物線運(yùn)動(dòng)使得揚(yáng)塵較大，在機(jī)尾配備集塵罩，產(chǎn)塵量較大的輸送處還需在入料口加裝全斷面密封刷。輸料口噴頭與輸送帶呈水平方向安置，利用霧流沉降體濕潤煤流，形成初步的揚(yáng)塵防治，集塵罩內(nèi)部的二次揚(yáng)塵通過安設(shè)有縱橫交錯(cuò)形成十字交叉流體網(wǎng)的3個(gè)噴頭，對(duì)粉塵進(jìn)行二次卷吸凝結(jié)處理。

3)扎煤軸滾齒對(duì)煤塊的破碎作用使粉塵在破碎機(jī)內(nèi)腔的有限空間迅速集聚，會(huì)沿向上和向下兩個(gè)方向擴(kuò)散，如圖5(c)在破碎機(jī)上方落料位置四周均勻布置4個(gè)渦旋噴頭，阻斷風(fēng)塵的飛揚(yáng)，同時(shí)噴射口后方形成負(fù)壓，通過引風(fēng)管風(fēng)壓延伸至落料管出口的導(dǎo)料槽內(nèi)，粉塵沿引風(fēng)管卷吸進(jìn)入噴射口形成濕潤煤粉被噴出。

圖5 集塵罩及噴頭安裝位置示意圖

3.2 霧化參數(shù)與條件探討

對(duì)霧化距離以及霧流覆蓋角隨氣水壓力的變化關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，從而得到現(xiàn)場應(yīng)用的可行參數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，霧化角會(huì)依托升高的水壓而增大，如圖6所示，噴頭前端霧流形態(tài)依托增高的水壓呈扁圓錐扇形逐漸張開，霧流量加大，霧化明顯，同時(shí)前端霧化范圍持續(xù)增大，霧化角度分別達(dá)到23.5°、29.2°、45.4°、58.9°，此時(shí)霧化角較大時(shí)，霧流性態(tài)較好。當(dāng)水壓調(diào)定0.22MPa時(shí)，霧化角隨氣壓的變化如圖7所示，霧流前端依托增高的氣壓呈扁圓錐扇形先張開后聚攏，基本呈現(xiàn)射流、發(fā)散、霧化三種形態(tài)，最高霧化角度達(dá)到77°，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，角度處于較大時(shí)的發(fā)散態(tài)階段霧滴較大、水霧發(fā)散，霧化效果反而不好，而較好的霧化效果是出現(xiàn)在角度由大變小的霧化態(tài)階段，覆蓋角度穩(wěn)定在55°左右。

圖6 霧化形態(tài)隨水壓的變化

圖7 霧化角隨氣壓的變化圖

將霧化角對(duì)應(yīng)的氣水壓力值，以3D軌跡變化的形式加以呈現(xiàn)，如圖8所示，霧化效果較好的區(qū)域出現(xiàn)在：0.28>X(PL)>0.22MPa，0.5>Y(Pair)>0.4MPa，584>Z(角度)>48°，基于以上分析，綜合選取工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用工況壓力PL為0.24MPa，Pair為0.45MPa，該工況下可產(chǎn)生55°左右的霧化覆蓋面積，有效霧化推進(jìn)距離4～5m，QL<1L/min，可滿足現(xiàn)場作業(yè)要求(Pair為氣壓，PL為水壓，QL為耗水量)，同時(shí)較小的耗水量有利于降低輸煤系統(tǒng)中對(duì)煤流的增濕影響，滿足降塵需要的同時(shí)，亦不對(duì)工作地點(diǎn)產(chǎn)生二次污染。

圖8 隨氣水壓力變化的角度運(yùn)行軌跡

3.3 數(shù)據(jù)采集與分析

為了評(píng)價(jià)氣水霧化渦旋流體除塵效果，綜合選取分級(jí)篩2#等6處空氣中粉塵濃度最高的地點(diǎn)，分別收集了單獨(dú)安設(shè)霧化渦旋噴頭以及整個(gè)降塵裝置安設(shè)前、后的粉塵濃度，測得的數(shù)據(jù)見表3，依據(jù)降塵量占原粉塵濃度的比例計(jì)算出降塵效率。

表3 除塵裝置運(yùn)行前后各產(chǎn)塵點(diǎn)濃度測定參數(shù) mg/m3

1)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)單獨(dú)利用氣水霧化渦旋流體除塵時(shí)，塵粒經(jīng)渦旋流體內(nèi)部水霧淹沒體的慣性碰撞、重力沉降的作用下，以及外部的卷吸、馬格努斯效應(yīng)[15]的整合下，空間的塵粒濃度有效降低，同時(shí)潤濕傳送裝置以及破碎、分篩組件阻止塵粒由于摩擦再次飛揚(yáng)。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，由于沒有集塵罩的控制，形成的氣溶膠顆粒易擴(kuò)散，且干霧流體易受風(fēng)流影響，總體來看渦旋流體性質(zhì)優(yōu)良，現(xiàn)場降塵效果明顯，全塵降塵率平均為88.8%，呼塵的降塵率為84.8%。

2)當(dāng)結(jié)合防塵罩等除塵系統(tǒng)其他部件后，平均全塵降塵率可達(dá)94.3%，呼塵降塵率為91.6%，綜合選取的6個(gè)采樣點(diǎn)的全塵濃度平均控制在18.8mg/m3，呼塵控制在4.3mg/m3，降塵效果顯著，作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)，篩機(jī)的抖動(dòng)對(duì)防塵罩的封隔粉塵作用有一定影響，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)著重優(yōu)化封隔裝置。

4 結(jié)論與展望

1)本文對(duì)氣水兩相流霧化渦旋流體的生成裝置、霧化渦旋機(jī)理、流體特性進(jìn)行了詳細(xì)介紹及分析，結(jié)果表明：渦旋流體的生成主要靠內(nèi)部偏移旋轉(zhuǎn)的主要結(jié)構(gòu)以及高速氣流的帶動(dòng)，通過模擬研究發(fā)現(xiàn)，該噴頭內(nèi)部的壓力及速度隨三級(jí)不同的渦旋結(jié)構(gòu)逐級(jí)遞增，在噴嘴處達(dá)到峰值，速度可達(dá)57m/s，壓力可達(dá)0.44MPa左右。

2)通過霧化性態(tài)與相關(guān)參數(shù)的探討，確定了工業(yè)現(xiàn)場噴頭工作壓力PL為0.24MPa，Pair為0.45MPa，該工況下可產(chǎn)生55°左右的霧化覆蓋面積，有效霧化推進(jìn)距離4～5m，QL<1L/min，可滿足現(xiàn)場作業(yè)要求，同時(shí)較小的耗水量有利于降低輸煤系統(tǒng)中對(duì)煤流的增濕影響，滿足降塵需要的同時(shí)，亦不對(duì)工作地點(diǎn)產(chǎn)生二次污染。

3)針對(duì)選煤廠粉塵逸散特點(diǎn)，提出了3種不同產(chǎn)塵地點(diǎn)的噴頭及相關(guān)組件的布置方案，采用渦旋干霧流體在限定空間內(nèi)的粉塵治理方法，系統(tǒng)整體降塵率可達(dá)92%以上，達(dá)到了工業(yè)預(yù)期要求。

4)筆者后續(xù)將對(duì)該霧化流體的具體特性參數(shù)，如霧化角、霧滴粒徑及分布等展開研究，并嘗試將堿性渦旋氣霧應(yīng)用于煤層硫化氫的防治。