南文成

中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司 北京 100000

礦山企業(yè)生產(chǎn)過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生粉塵。粉塵作為一種有害物質(zhì)，可能誘發(fā)矽肺病，或者引起爆炸，會(huì)對(duì)從業(yè)人員身體健康和生命安全帶來嚴(yán)重威脅，也對(duì)環(huán)境造成污染，因此，礦山企業(yè)需選擇合適的辦法解決空氣中粉塵的問題[1-2]。目前常用的除塵措施主要有袋式除塵和霧化降塵。袋式除塵設(shè)備占地面積大、造價(jià)高、易堵塞，需定期更換除塵慮袋或?yàn)V芯，除塵成本較高，適用于比較封閉的空間；霧化降塵設(shè)備簡(jiǎn)單、除塵成本低廉、系統(tǒng)布設(shè)相對(duì)容易，適用于密閉和開放性空間，但是其捕集效率低，除塵效率難以保障，且水量消耗較大，維護(hù)困難[3]。為找到一種既能提高水霧特性，增加除塵效率，又可以減少用水量的除塵方法，工程技術(shù)人員研發(fā)了多種霧化手段和技術(shù)，例如磁化水霧[4]、氣水兩相流[5]等，為噴霧降塵提供了更多可靠的方案。

氣水兩相流技術(shù)最早是應(yīng)用在液體燃料燃燒領(lǐng)域，由于液相介質(zhì)的同一性，后來用水代替了液體燃料，開展氣水霧化方面的研究。研究發(fā)現(xiàn)，在相同的水壓下，氣水霧化形成的水滴顆粒大小和水量消耗均遠(yuǎn)小于壓力霧化，不僅如此，氣水噴霧產(chǎn)生的水滴體積分?jǐn)?shù)、運(yùn)動(dòng)速率和除塵效果均優(yōu)于壓力噴霧[6-7]。在此基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展出諸如輔助霧化和氣動(dòng)霧幕等噴霧降塵技術(shù)。為進(jìn)一步提高降塵效率，現(xiàn)階段主要對(duì)噴霧降塵技術(shù)在霧化參數(shù)和形成規(guī)律等方面進(jìn)行研究，其他方面還包括提升霧滴表面張力以及增加霧化時(shí)間等，重點(diǎn)在于提高兩相混合態(tài)發(fā)育效果和優(yōu)化霧化噴頭。張?zhí)斓热薣8]采用流體力學(xué)有限元分析方法對(duì)噴口近端霧滴顆粒大小與分布和運(yùn)動(dòng)速度特征進(jìn)行研究，提出超音速氣動(dòng)虹吸汲水霧化技術(shù)，有效提高了降塵效果。溫祿淳[9]采用數(shù)值仿真方法對(duì)噴霧參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，研發(fā)一種基于自激振蕩的霧化噴頭，可以達(dá)到最佳的湍流擾動(dòng)，從而提高降塵效果。但目前大多數(shù)噴霧形態(tài)仍然存在有效霧化范圍小等問題，無法滿足全斷面控制和多維度覆蓋要求。因此，筆者在優(yōu)化噴頭內(nèi)部流體流動(dòng)方式的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種基于兩相流的高效霧化效果噴頭。該噴頭能夠產(chǎn)生渦旋效應(yīng)流體，從而確保更優(yōu)的霧化形態(tài)以及產(chǎn)生更大的霧化面積。通過從渦旋噴頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手，研究其內(nèi)部流體的形態(tài)，分析渦旋霧化機(jī)理，并開展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，驗(yàn)證其實(shí)踐效果。

1 渦旋噴頭結(jié)構(gòu)和流體特征分析

渦旋霧化噴頭采用內(nèi)混式工作模式，其運(yùn)行原理主要是利用高壓氣體配合低壓水體渦旋霧化噴頭形成氣液二相流，具體作用流程為氣體和液體分別從氣相口和液相口進(jìn)入初級(jí)渦旋結(jié)構(gòu)，水體受到剪切破碎作用后與氣體混合經(jīng)過多級(jí)渦旋器整合，產(chǎn)生霧化渦旋。噴嘴端部的空氣帽組件沒有采用普通噴嘴的球形、扇形結(jié)構(gòu)，而是設(shè)計(jì)成與人類唇部相似的扁圓口形態(tài)，啟動(dòng)噴霧后，如果氣壓或水壓發(fā)生變化時(shí)，氣水調(diào)節(jié)裝置內(nèi)的調(diào)節(jié)閥門開度發(fā)生相應(yīng)變化，多余壓力通過泄壓孔卸壓，保持氣水比例相對(duì)固定，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的氣水渦旋。渦旋霧化噴頭結(jié)構(gòu)如圖1 所示，噴頭參數(shù)如表1 所列。

表1 渦旋霧化噴頭參數(shù)Tab.1 Parameters of vortex atomization nozzle

圖1 渦旋霧化噴頭裝置Fig.1 Vortex atomization nozzle device

瞬態(tài)渦旋流體特性如圖2 所示。由圖2(a) 可以看出，噴霧前端呈現(xiàn)射流形態(tài)，向末端流動(dòng)的過程中，受到高速渦旋氣流的影響，開始產(chǎn)生渦旋纏繞。利用 3D 設(shè)備對(duì)其瞬態(tài)進(jìn)行立體捕捉，3D 立體效果如圖2(b) 所示。與傳統(tǒng)噴嘴霧化流體的錐形或拋物線形態(tài)不同，其流體呈非線性渦旋形態(tài)，持續(xù)的渦旋能量波相當(dāng)于多級(jí)除塵器，可對(duì)流體介質(zhì)產(chǎn)生多級(jí)作用，其公式如下。

圖2 瞬態(tài)渦旋流體特性Fig.2 Characteristics of transient vortex fluid

式中：ηr為除塵總效率，η i(i＝1，2，…，n) 為多級(jí)渦旋降塵效率。

2 渦旋霧化機(jī)理

流體進(jìn)入渦旋狀態(tài)主要是受到介質(zhì)的推力以及裝置內(nèi)部的渦旋結(jié)構(gòu)造成的。氣液兩相在進(jìn)入裝置后，有各自的偏移結(jié)構(gòu)，也有兩相交互的渦旋作用區(qū)，液相通道變向過程中，氣相通道氣流對(duì)液相具有徑向的破碎效果，結(jié)果使兩相流在渦旋結(jié)構(gòu)內(nèi)各自換向 5次。氣相具有相當(dāng)?shù)撵`活性，因此，渦旋裝置內(nèi)通道雖然比較復(fù)雜，但氣相仍能夠?qū)σ合噙M(jìn)行多次剪切破碎，從而最終形成渦旋。

為更加直觀的對(duì)裝置內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析，開展 3D仿真，采用高精度 RNGκ-ε湍流模型，不可壓縮流動(dòng)利用直接耦合的非穩(wěn)態(tài)兩相歐拉模型，沿其物理場(chǎng)幾何中面進(jìn)行分布模擬。湍流方程如下。

式中：Q為通量守恒變量；xn、t分別為運(yùn)動(dòng)的方向和時(shí)間；Fn為非黏性通量；Fvn為流體通量；u和um、un為湍流均速和分量；ρ為湍流動(dòng)量；δ mn為應(yīng)變張分量；E為變形量。

相應(yīng)κ、ε方程如下。

式中：κ為湍流動(dòng)能；ε為耗散率；μeff為黏度；Gκ為梯度湍流動(dòng)能；G1ε、G2ε為常數(shù)；∝κ、∝ε分別為κ、ε方程紊流普朗特?cái)?shù)。

仿真模擬參數(shù)如表2 所列。

表2 仿真模擬參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

裝置內(nèi)流體仿真模擬如圖3 所示，對(duì)于模型中壁面處的沿程壓力和速度進(jìn)行提取并繪制分布曲線，如圖4 所示。經(jīng)分析可知，噴頭裝置內(nèi)的兩相流速最高接近 57.9 m/s，壓力為 0.436 MPa。由此可得，渦旋流體噴出后仍可保持可觀速度，在沿程阻力的影響下，最高速度可高達(dá) 50 m/s，使渦旋噴霧能夠更多地與空氣中的粉塵接觸、碰撞，從而提高霧化效果。由圖4 兩相流在裝置內(nèi)運(yùn)動(dòng)的壓力和速度情況分析，由于裝置采用三級(jí)渦旋，因此，流體的壓力和速度整體上呈現(xiàn)出三級(jí)上升的趨勢(shì)。

圖3 流體仿真模擬Fig.3 Fluid simulation

圖4 壓力、速度分布曲線Fig.4 Distribution curves of pressure and velocity

3 應(yīng)用情況與效果分析

3.1 選煤廠噴霧除塵設(shè)計(jì)

常村選煤廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為 600 萬 t/a，通過改造擴(kuò)建，二期工程與 2014 年 11 月正式投入使用。雖然工程在防塵方面開展一些工作，但是并沒有徹底解決粉塵問題，特別是準(zhǔn)備車間，最大粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到 500 mg/m2。基于此，2022 年重新優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合防塵系統(tǒng)，主要包括采用氣液兩相渦旋霧化噴頭開展渦旋噴霧降塵，在轉(zhuǎn)載點(diǎn)、落煤點(diǎn)等關(guān)鍵位置設(shè)置防塵罩，對(duì)煤塵進(jìn)行局部封閉，以防外溢，確保渦旋霧化噴頭在限定的有效霧化區(qū)域進(jìn)行作業(yè)。噴霧除塵系統(tǒng)由渦旋噴頭、壓縮機(jī)、緩沖裝置、中控臺(tái)、氣液兩相軟管、防塵罩等裝置組成。試驗(yàn)以準(zhǔn)備車間內(nèi)轉(zhuǎn)載點(diǎn)、落煤點(diǎn)等 14 處粉塵嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)橹饕卫韺?duì)象，將帶壓的水和空氣分別輸送到不同的除塵單元，根據(jù)產(chǎn)塵點(diǎn)空間環(huán)境和粉塵情況的差異，安裝窩旋噴頭的數(shù)量要滿足除塵需要，噴頭和集塵罩的安裝方式主要有以下 3 種。

(1) 振動(dòng)篩安裝方案 利用柔性密封材料搭配鋼制框架，建立全部覆蓋激振器、振動(dòng)篩和篩下漏斗的集塵罩，噴頭安裝在集塵罩內(nèi)，其中在激振器上方安設(shè) 1 只水平方向的噴頭，在振動(dòng)篩和篩下漏斗上方安裝 4 個(gè)垂直于鋼結(jié)構(gòu)的噴頭。除塵系統(tǒng)工作時(shí)，激振器上方的噴頭噴霧與其他 4 個(gè)噴霧形成近正交的渦旋立體網(wǎng)絡(luò)，促使霧流與粉塵充分混合、反應(yīng)，并在霧流的裹挾下運(yùn)動(dòng)至篩下漏斗處，在最末尾噴霧的整合作用下，發(fā)生沉降作用。振動(dòng)篩噴頭和集塵罩如圖5(a) 所示。

圖5 噴頭和集塵罩安裝結(jié)構(gòu)Fig.5 Installation structure of nozzle and dust cage

(2) 帶式輸送機(jī)安裝方案 煤流在離開帶式輸送機(jī)時(shí)作拋物線運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生大量粉塵。因此，在拋煤位置整體設(shè)置集塵罩，將整個(gè)拋煤空間全部覆蓋；在集塵罩的前端安裝密封刷，將來料口封閉；噴頭安裝在來料口和集塵罩頂部 (垂直向下) 及兩側(cè)(垂直向中部) 位置，來料口的噴霧負(fù)責(zé)將煤體初步濕潤(rùn)，當(dāng)進(jìn)入拋煤位置時(shí)，由頂部和兩側(cè)噴霧形成的十字交叉立體渦旋霧流對(duì)粉塵起到主要卷吸凝結(jié)作用。帶式輸送機(jī)噴頭和集塵罩如圖5(b) 所示。

(3) 破碎機(jī)安裝方案 煤體自入料口進(jìn)入破碎機(jī)后首先落入滾齒，在滾齒的破碎作用下產(chǎn)生大量的粉塵，這些粉塵會(huì)在向上和向下兩個(gè)方向上擴(kuò)散，在入料口四周布設(shè) 4 個(gè)噴頭，將向上飄移的粉塵凝結(jié)，并在后方形成負(fù)壓，該負(fù)壓通過引風(fēng)管將導(dǎo)料槽內(nèi)的粉塵抽出，隨著風(fēng)流再次投入到破碎機(jī)內(nèi)腔中，起到粉塵的循環(huán)除塵目的。破碎機(jī)噴頭和集塵罩如圖5(c)所示。

3.2 噴霧參數(shù)優(yōu)化

噴霧的霧化距離和覆蓋角主要受到水氣壓力影響，對(duì)相關(guān)因素變化關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)可得最佳應(yīng)用參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6、7 所示。由圖6 可知，霧化角度會(huì)隨著水壓力的增大而增大。噴頭端部霧流呈扇形張開狀，霧化角度為 23.4°、29.1°、45.3°、58.8°，霧化角越大，霧流截面增大，霧流性態(tài)越好。設(shè)置水壓為 0.22 MPa，霧化角與氣壓關(guān)系如圖7 所示。由圖7 可知，隨著氣壓的不斷增高，霧流的霧化角度先大幅提高后有所收斂，表現(xiàn)為射流態(tài)、發(fā)散態(tài)和霧化態(tài)3 種狀態(tài)，最大霧化角為 78°。由試驗(yàn)可知，霧流處于發(fā)散態(tài)時(shí)雖然霧化角較大，但是霧滴顆粒較大，實(shí)際霧化效果相對(duì)較差，霧化態(tài)下霧化角相對(duì)較小，但效果最好，覆蓋角約為 52°～ 55°。

圖6 霧化角受水壓的影響Fig.6 Influence of atomization angle by water pressure

圖7 霧化角受氣壓的影響曲線Fig.7 Influence curve of atomization angle by air pressure

將霧化角與氣壓和水壓的關(guān)系以 3D 的形式展現(xiàn)，結(jié)果如圖8 所示。對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析可知，當(dāng)水壓處于 0.22～0.28 MPa，氣壓處于 0.40～0.50 MPa，霧化角為 48°～ 58°時(shí)，噴霧的霧化效果相對(duì)較好。綜上所述，在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行勘察后，確定噴霧除塵系統(tǒng)水壓為 0.24 MPa，氣壓為 0.45 MPa，此時(shí)的噴霧霧化角約為 55°，有效除塵霧流長(zhǎng)度為 5 m，耗水量小于 1 L/min，且耗水量相對(duì)普通噴霧更小，能夠避免煤流過于濕潤(rùn)。

圖8 霧化角受氣壓和水壓變化的影響Fig.8 Atomization angle being influenced by changes in air pressure and water pressure

3.3 粉塵質(zhì)量濃度測(cè)定及分析

為對(duì)兩相流渦旋噴霧降塵系統(tǒng)應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì) 205 運(yùn)輸機(jī)頭等 6 個(gè)采樣點(diǎn)在未降塵、單獨(dú)采用渦旋噴霧降塵和采用渦旋噴霧加集塵罩降塵 3 種情況下的粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表3 所列。根據(jù)表3 計(jì)算各種情況下的降塵效率。

表3 渦旋噴霧降塵系統(tǒng)應(yīng)用前后對(duì)比Tab.3 Comparison before and after application of vortex spray dust reduction system

(1) 單獨(dú)采用渦旋噴霧，粉塵受交叉渦旋霧流的影響下，與霧滴碰撞并發(fā)生重力沉降，同時(shí)受到外部卷吸整合，粉塵質(zhì)量濃度大幅度降低，同時(shí)由于噴霧對(duì)粉塵的濕潤(rùn)作用，有效阻止了次生粉塵的產(chǎn)生。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，在未安裝集塵罩情況下，噴霧形成的氣溶膠受到風(fēng)流的影響，容易擴(kuò)散和定向集中?？傮w而言，渦旋噴霧降塵效果明顯，全塵和呼塵的平均降塵率可達(dá) 88.5% 和 83.4%。

(2) 安裝集塵罩后，可將有效渦旋霧流控制在限定范圍內(nèi)，增加與粉塵的接觸概率，且除塵效果更加穩(wěn)定。采用集塵罩加渦旋噴霧除塵時(shí)，全塵和呼塵的平均降塵率可達(dá) 94.1% 和 91.6%。

4 結(jié)論

通過對(duì)氣液兩相流渦旋噴頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用3D 仿真模擬計(jì)算方法對(duì)霧化渦旋機(jī)理進(jìn)行研究，并在常村選煤廠開展應(yīng)用，得到如下結(jié)論。

(1) 流體進(jìn)入渦旋狀態(tài)主要是受到介質(zhì)的推力以及裝置內(nèi)部的渦旋結(jié)構(gòu)造成的，根據(jù) 3D 仿真模擬計(jì)算結(jié)果，噴頭噴射端流體壓力和速度受到三級(jí)渦旋結(jié)構(gòu)的逐級(jí)遞增，噴頭裝置噴出的兩相流速最高接近57.9 m/s，壓力為 0.436 MPa。

(2) 對(duì)霧化參數(shù)進(jìn)行綜合分析，確定工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)噴霧水壓為 0.24 MPa，氣壓為 0.45 MPa，此時(shí)噴霧霧化角約為 55°，有效除塵霧流長(zhǎng)度為 5 m，耗水量小于1 L/min，且耗水量相對(duì)普通噴霧更小，能夠避免煤流過于濕潤(rùn)。

(3) 針對(duì)常村選煤廠產(chǎn)塵點(diǎn)環(huán)境和粉塵流動(dòng)特征，采取 3 種有針對(duì)性的噴霧與集塵罩布置方式，可將粉塵控制在特定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行有效處置，系統(tǒng)降塵率高達(dá) 92%，且具有較高的穩(wěn)定性，能夠滿足生產(chǎn)需要。