李亞俊

(1.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，長(zhǎng)沙 410014；2.非煤礦山通風(fēng)防塵湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410014)

在工礦企業(yè)中粉塵的治理一直是業(yè)內(nèi)的難題，據(jù)國(guó)家衛(wèi)計(jì)委發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，塵肺病已占職業(yè)病報(bào)告總例數(shù)的87.72%，工業(yè)粉塵已成為導(dǎo)致職業(yè)病發(fā)生的主要原因，而粉塵危害最大的為粒徑小于10 μm的可吸入性粉塵顆粒，因其長(zhǎng)期懸浮于空氣中難以沉降，對(duì)人體危害極大且難以治理。礦山企業(yè)因其生產(chǎn)的特殊性，作業(yè)環(huán)境相對(duì)密閉，粉塵治理問(wèn)題更為嚴(yán)重。

為此，李小川研究指出粉塵軌跡由其沉降速度和氣流共同作用[1]；陳娟通過(guò)理論分析，提出氣、固兩相流的數(shù)學(xué)模型[2]；呂孝強(qiáng)等針對(duì)井下粉塵的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析及提出了相應(yīng)的治理技術(shù)[3]；黎勝龍等通過(guò)利用集成高壓微霧除塵與干霧抑塵裝置對(duì)粉塵進(jìn)行治理[4]；張永等利用高壓微霧系統(tǒng)在井下產(chǎn)塵點(diǎn)布置高壓微霧除塵設(shè)施，在礦井消塵、除塵方面取得良好效果[5]。上述研究從理論和實(shí)踐上對(duì)工業(yè)粉塵的治理提供了借鑒，研究顯示干霧對(duì)微細(xì)粉塵處理效果較佳，已經(jīng)在工業(yè)除塵上有良好應(yīng)用，高壓霧化的降塵效果與其霧化特性有密切關(guān)系，但有關(guān)高壓霧化特性及其降塵效果未有系統(tǒng)性研究。本文針對(duì)高壓霧化特性及粉塵凈化效果進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)研究。為優(yōu)化高壓霧化降塵效果提供理論基礎(chǔ)。

1 高壓霧化降塵機(jī)理

霧化機(jī)理是將水加壓至一定壓力，高壓力的水通過(guò)霧化噴嘴霧化，霧化后的水顆粒與粉塵相互碰撞實(shí)現(xiàn)粉塵的截留而實(shí)現(xiàn)降塵，而Stokes(Stk)作為微粒的湍流特征時(shí)間尺度及弛豫時(shí)間尺度比值[6]，是衡量霧化效果的重要指標(biāo)，其標(biāo)定如下：

式中：τp—弛豫時(shí)間尺度；dp—直徑；ρp—顆粒密度；ρf—溶液密度；μ—溶液動(dòng)為黏度；v—液體運(yùn)動(dòng)黏度；ξ—湍流耗散率；τk—湍流的Kolmogorov時(shí)間尺度；η—湍流的Kolmogorov長(zhǎng)度尺度。

在此情況下的慣性碰撞效率公式為

(2)

由式(1)、(2)可知，粉塵顆粒越大，液滴粒徑越小，產(chǎn)生慣性碰撞越易，粉塵被截留的概率越高，式(3)為其截留效率計(jì)算公式[6]。

(3)

式中：dp—粉塵顆粒直徑，μm；dc—液滴顆粒直徑，μm。

從式(3)可知，截留效果與粉塵粒徑成正比，與液滴粒徑成反比關(guān)系。為進(jìn)一步系統(tǒng)研究霧化特性對(duì)粉塵凈化效果，本文針對(duì)干霧霧化特性及粉塵凈化效果進(jìn)行以下試驗(yàn)研究。

2 霧化特性及降塵技術(shù)試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方案

2.1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

由上述理論得知，合適的水霧粒度和密度才能使凈化效果達(dá)到最佳，本次測(cè)試采用的壓力型霧化噴嘴可隨著壓力的改變產(chǎn)生不同粒徑的水霧顆粒，壓力越高，霧化粒徑越小[7-9]。

測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)為根據(jù)試驗(yàn)方式自制系統(tǒng)，如圖1所示，整個(gè)裝置由粉塵發(fā)生端，混合整流段、粉塵濃度初測(cè)段、霧化降塵段、整流測(cè)定段，除塵風(fēng)機(jī)組成，試驗(yàn)系統(tǒng)中裝有粉塵發(fā)生器、直讀式粉塵濃度測(cè)定儀、電磁流量計(jì)、水壓力計(jì)、干霧發(fā)生系統(tǒng)、除塵風(fēng)機(jī)等，裝置中霧化噴嘴為撞針式霧化噴嘴。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

2.1.2 試驗(yàn)方案

一般認(rèn)定霧化噴嘴的噴嘴孔徑越小霧化效果越佳[10]，故試驗(yàn)預(yù)采用孔徑為0.15 mm的撞針式高壓干霧噴嘴，試驗(yàn)前先用粒徑分析儀器測(cè)定該霧化噴嘴在不同壓力狀態(tài)下的霧化粒徑，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)測(cè)定時(shí)粉塵發(fā)生端的粉塵發(fā)生裝置產(chǎn)生穩(wěn)定濃度的粉塵，在除塵風(fēng)機(jī)作用下經(jīng)裝置混合整流段整流，使氣流和粉塵充分混合，再經(jīng)粉塵初測(cè)段對(duì)粉塵濃度進(jìn)行初次測(cè)量。霧化降塵段環(huán)形布置4組高壓霧化噴嘴，含塵氣流經(jīng)霧化降塵段降塵，經(jīng)整流后在測(cè)定段進(jìn)行二次測(cè)定，得到凈化前后粉塵濃度數(shù)據(jù)。試驗(yàn)完成后，調(diào)節(jié)霧化壓力值重復(fù)測(cè)定，得出不同壓力狀態(tài)下霧化噴嘴除塵效率。

2.2 霧化粒徑測(cè)試及分析

試驗(yàn)測(cè)試前先用噴嘴霧化后采用粒徑分析儀測(cè)試孔徑為0.15 mm噴嘴霧滴粒徑及粒徑分布，測(cè)試粒徑分布分別控制干霧機(jī)壓力為2、4、6、8、10 MPa，控制風(fēng)速實(shí)驗(yàn)巷道噴霧段段內(nèi)的風(fēng)速為0.5 m/s，并在距離噴嘴出口300 mm處測(cè)定噴霧霧場(chǎng)霧滴粒徑分布，0.15 mm孔徑噴嘴霧化粒徑試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，在不同噴霧壓力下霧化粒徑分布見(jiàn)表1所示。表中DX為顆粒累計(jì)分布X%的粒徑，D(4，3)為體積平均直徑，D(3，2)為體積面積平均徑[11]。

表1 0.15 mm孔徑噴嘴霧化粒徑參數(shù)

圖2 孔徑0.15 mm噴嘴在不同壓力下的霧化粒徑參數(shù)Fig 2 Atomization particle size parameters of 0.15 mm aperture nozzle under different pressure conditions

可以看出，當(dāng)噴霧壓力為2 MPa時(shí)，D10為13.16 μm，D90為24.41 μm，霧滴粒徑范圍主要集中在10～30.00 μm。當(dāng)噴霧壓力達(dá)到6 MPa 時(shí)，D10為5.06 μm，D90為12.80 μm，D(3，2)8.64 μm，說(shuō)明0.15 mm孔徑的噴嘴在噴霧壓力達(dá)到6 MPa時(shí)，霧滴粒徑已基本上集中在10 μm以下，霧化效果較好；當(dāng)噴霧壓力達(dá)到8 MPa時(shí)，D(3，2)為7.62 μm，隨著壓力增大粒徑減少變緩。

從圖2中發(fā)現(xiàn)，壓力達(dá)到6 MPa時(shí)，噴嘴、霧滴粒徑及分散度均達(dá)到理想值，壓力在6 MPa以下時(shí)，霧化各指標(biāo)雖仍在增加，但作用已不明顯。因此6 MPa壓力應(yīng)為噴嘴霧化粒徑效果較好較為合適的壓力參數(shù)，在壓力6 MPa下，噴嘴孔徑在0.15 mm時(shí)D(3，2)指標(biāo)為8.64，平均徑小于10 μm，與10 μm下呼吸性粉塵粒徑大小接近，根據(jù)除塵凈化上述理論對(duì)呼吸性粉塵的沉降應(yīng)有較好效果。

2.3 凈化試驗(yàn)測(cè)試

利用上述2.1節(jié)所述的試驗(yàn)裝置，設(shè)置粉塵發(fā)生器的發(fā)塵濃度為5 g/min，實(shí)驗(yàn)裝置中風(fēng)速設(shè)定為0.5 m/s，噴霧機(jī)壓力仍按2、4、6、8、10 MPa設(shè)置，噴嘴在裝置凈化段沿裝置環(huán)形布置，噴嘴方向?yàn)槟骘L(fēng)方向，流量計(jì)監(jiān)測(cè)各壓力條件下霧化噴嘴的耗水量，粉塵測(cè)定裝置分別測(cè)定凈化前和凈化后的粉塵含量，試驗(yàn)測(cè)定0.15 mm孔徑噴嘴在各噴霧壓力下的流量如表2所示。

從表2中可看出，孔徑為0.15 mm的霧化噴嘴流量隨著噴霧壓力的增大而增大，試驗(yàn)測(cè)定裝置中凈化前后粉塵濃度數(shù)據(jù)，并計(jì)算除塵效率，測(cè)定及計(jì)算各數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表2 0.15 mm孔徑霧化噴嘴各壓力條件下流量

表3 0.15 mm孔徑噴嘴霧化降塵效果

圖3 孔徑0.15 mm噴嘴在不同壓力下的霧化除塵效率Fig 3 Atomization efficiency of 0.15 mm nozzle under different pressure conditions

根據(jù)表3中測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果，粉塵在0.5 m/s測(cè)試風(fēng)速下，該0.15 mm孔徑噴嘴霧化降塵效率隨壓力增大而變高。對(duì)比霧化壓力2～6 MPa時(shí)降塵效率變化，發(fā)現(xiàn)其全塵和呼吸性粉塵降塵效率分別提高了18.64%和20.17%，6 MPa時(shí)0.15 mm孔徑噴嘴對(duì)呼塵的凈化效率已接近95%，壓力從6 MPa增加到10 MPa后降塵效率增加緩慢，除塵效率穩(wěn)定在95%左右，同時(shí)顯示0.15 mm孔徑噴嘴霧化降塵對(duì)粉塵的凈化效果極為顯著。

2.4 凈化試驗(yàn)分析

從上述表數(shù)據(jù)及圖表所示，壓力超過(guò)特定值(6 MPa)后，壓力繼續(xù)提高，降塵效率變化不大。從2.2節(jié)中的霧化粒徑中6 MPa壓力條件下，霧化指標(biāo)D(3，2)為8.64 μm， 0.15 mm孔徑的噴嘴在噴霧壓力達(dá)到6 MPa時(shí)，霧滴粒徑已基本上集中在10 μm以下，霧化粒徑較小，已經(jīng)可以對(duì)粉塵實(shí)現(xiàn)較好的捕集。對(duì)比霧化粒徑測(cè)試和凈化測(cè)試試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在6 MPa條件下霧化粒徑和降塵效果均達(dá)到較理想狀態(tài)，降塵效果與霧化粒徑有著密切正向聯(lián)系，但霧化粒徑并不是越小越好，隨著噴霧壓力的繼續(xù)增加，霧化系統(tǒng)將消耗更多資源，并增加設(shè)備負(fù)擔(dān)，對(duì)比各數(shù)據(jù)，圖表發(fā)現(xiàn)孔徑0.15 mm高壓霧化噴嘴的最佳工作條件應(yīng)為6 MPa，在此條件下可以較好地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性與降塵效果的統(tǒng)一。

3 結(jié)論

高壓霧化除塵在工業(yè)粉塵治理中顯現(xiàn)出越來(lái)越重要的作用，尤其對(duì)微細(xì)粉塵的處理效果較佳，其霧化效果與其降塵效果有密切的關(guān)系，本文有針對(duì)性的對(duì)高壓霧化特性與降塵效果進(jìn)行了系統(tǒng)性研究和分析，得出以下具體性結(jié)論：

1)同型號(hào)撞針式高壓噴嘴高壓噴霧的壓力越大，其霧化粒徑越小，霧化效果越佳，有利于霧化除塵效果。

2)對(duì)于孔徑為0.15 mm的高壓霧化噴嘴，噴霧壓力分別設(shè)置為2、4、6、8、10 MPa進(jìn)行降塵測(cè)試，降塵效果隨著壓力的增加而提高，增加噴霧壓力可

提高霧化效果，對(duì)于全塵和呼塵，在一定的范圍內(nèi)提高壓力可顯著提高降塵效率。

3)高壓霧化壓力與霧化粒徑及降塵效果有著密切正向聯(lián)系，但霧化壓力并不是越大越好，隨著噴霧壓力的繼續(xù)增加，霧化系統(tǒng)將消耗更多資源，并加快設(shè)備磨損，數(shù)據(jù)表明該型號(hào)高壓霧化噴嘴的最佳工作條件應(yīng)為6 MPa，在此條件下可以較好地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性與降塵效果的統(tǒng)一。