（机械设计及理论专业论文）综采工作面喷雾除尘技术研究.pdf

摘要井下粉尘对人体有严重的危害，对正常生产存在巨大的威胁，而综采工作面的产尘量在各个产尘点所占的比例最高，所以如何提高综采工作面粉尘的降尘率问题受n t 极大的关注。本文在分析产尘点具体问题的基础上，研究了喷雾降尘的机理，提出了决定呼吸尘及全尘降尘效率主要参数，在对各个参数进行分别探讨之后，根据雾化效果参数和系统参数之间关系对参数进行匹配，并对各设计参数的雾化效身甜? 了模拟；设计、改进了喷雾降尘系统的主要机构一一一喷嘴；对喷嘴的雾化性能进行研究；也探讨了喷雾降尘系统的两相流作用的问题。本文对综采工作面喷雾降尘系统的主要参数进行了确定。研究方法采用了理论与实验相结合的方法。对所设计的喷嘴的几个主要雾流参数( 速度、体积) 进行了试验测定，对实验结果进行了分析；对风流和雾流两相之间的作用规律进行了试验和数据处理，找出了两者之问作用的函数关系。经过理论和现场使用表明，综采工作面的喷雾降尘系统设计比较合理，取得了预期的降尘效果，大大提高了呼吸性尘和全尘的降尘率，具有较好的推广价值。关键词：喷雾降尘喷嘴雾化雾粒度a b s 1 1 r a c l m i n i n gd u s t si nt h ew e l ld og r e a th a r mt oh u m a nb o d y , i ta l s ot h r e a t e nt h en o r m a lw o r k i n gs y s t e m t h ed u s t si nt h el o n gf a c ea m o u n tt h eh i g h e s ti na l lt h ed u s t e dp l a c e s ，s ot h eq u e s t i o nh o wt oi n c r e a s et h ed u s ts e t t l i n ge f f i c i e n c ya t t r a c t sg r e a ta t t e n t i o n b a s e do nt h ec o n s e c r a t e ds i t u a t i o no fd u s t e dl o n gf a c e s ，t h ep a p e rd oa n a l y s i so nt h es p r a y i n gd u s ts e t t l i n g sm e c h a n i s m b a s e do nt h ed e c i d e dr e l a t i o n sa m o n ge f f e c t sa n ds y s t e mp a r a m e t e r sw h i c hd e c i d et h ee f f i c i e n c yo f b r e a t h i n gd u s t ss e t t l i n g ，t h ep a p e rm a t c ht h em a j o rp a r a m e t e r s a l s o ，d e s i g nt h em a i np a r to f 一- t h en o z z l e ，d o i n gr e s e a r c ho nas p e c i a lt y p eo fn o z z l ea b o u ti t ss p r a y i n gf e a t u r e s ，a l s ot h i n ka b o u to t h e rm a i nq u e s t i o n so f t h es y s t e m t h ep a p e rs e t st h em a i np a r a m e t e r s t h em e t h o do ft h e o r ya n a l y s i sa n dt e s tc o m b i n e di se m p l o y e di nt h i sp a p e r t h et e s t sm e t e r sm a i np a r a m e t e r s ，a n dt h er e s u l tw a ss i m u l a t e da n da n a l y z e d t h er e l a t i o no f t w o - p h a s e sw a sg o tb yt e s t s t h r o u g ht h et h e o r e t i c a lj u s t i f ya n da p p l i c a t i o no nt h ew o r k i n gs p o t ，t h ec o n c l u s i o nc a nb ed r a w nt h a tt h es y s t e mo fs p r a y i n gd u s t - s e t t l i n gs y s t e mi nl o n gf a c ea r ed e s i g n e dr e a s o n a b l y i tc a ng e tt h ea n t i c i p a t e dr e s u l t si ni m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fd u s t - s e t t l i n gb o t hi nb r e a t h i n gd u s t ，b u ta l s oi nt h et o t a ld u s t s i ti sw o r t hp o p u l a r i z a t i o n k e yw o r d s ：d u s t - s e t t l i n gb ys p r a y i n gn o z z l ea t o m i n a t i o ns i z eo f s p r a y i n gd r o p s太原理工大学硕士学位论文第一章概述采煤工作面的粉尘浓度一直大大超过作业标准，严重影响作业工人的健康。采煤工作面在采煤机截割时实测的原始粉尘浓度高达5 0 0 0 6 0 0 0 m g m ( 采煤机司机及下风流l o m 人行道处) ，最高可达8 0 0 0 1 0 0 0 0 m g m ，严重污染着工作环境。粉尘浓度高，易引起瓦斯煤尘爆炸，煤尘爆炸事件发生多次，伤亡惨重，严重的还摧毁矿井，造成巨大的经济损失。另外，工人长期处于高浓度粉尘作业场所，易患上职业尘肺病。煤炭系统尘肺人数占我国总尘肺人数的一半，对此国家每年要花费大量的人力财力，同时也给患者及家属带来很大痛苦。第一节井下粉尘危害1 1 1 矿尘的自燃性矿尘自燃的原因在于：由于尘粒过小使自由表面能增加，从而提高其化学活性和氧化产热能力。当氧化反应产生的热量不能及时散发，而使氧化反应自动加速，最终导致燃烧的发生。根据自燃温度可将可燃性粉尘分为两大类：第一类粉尘的自燃温度高于周围环境的温度，只有在加热时才能引起燃烧：另类粉尘的自燃温度低于周围环境的温度，即使不加热也会引起自燃。这种粉尘极易形成火灾。1 1 2 煤尘爆炸性煤的形成直至开采已经经历了很长的岁月，由于形成的条件不同，煤的炭化程度也不同。炭化程度越低，可燃挥发物的含量越高，煤尘的爆炸性越强。同时煤尘云在漂浮过程中，由于粉尘物带电量的增大，静电电压增高，有爆炸太原理工大学硕士学位论文的危险，也会因表面积的增大而使氧化能力明显提高，并且有较多的热量释放出来，提高了环境温度。当煤尘温度超过3 0 0 0 c 时便可放出大量的可燃性气体。这些可燃性气体与空气混合，在高温下便可燃烧，放出热量给附近的煤尘使其受热分解，也会燃烧起来使得氧化反应自i i 快，温度继续升高，可燃气体增多。煤尘接触摩擦使其带电量增大，当放电量超过最小引燃能量便引起煤尘爆炸。当煤尘浓度较低，尘粒间距较大，氧化放出的可燃气较少就不会达到遇火燃烧的程度。而且，氧化所产生的热量很快就被周围的介质所吸收，热量的迅速散失又促使氧化速度降低，生成可燃气体的速度下降，发生爆炸的可能f 生就很低。当煤尘浓度过高时，尘粒间距过小时煤尘大量吸收热量，使热量过快散失，同时，煤尘浓度过高刚氐了空气中氧气的浓度，氧化受到影响，即使可燃气体遇火，但缺氧也无法燃烧。因此，煤尘浓度过高也不会发生爆炸，爆炸只有在一定的浓度范围内才会发生，通常把这个范围叫做爆炸极限。资料表明，煤尘的浓度达到4 j 是引起煤尘爆炸的下限，煤尘浓度为2 0 0 0 9 ，m 3 为引起爆炸的上限。当每立方米浮有3 0 0 9 左右的煤尘云时爆炸力最强。煤尘爆炸所引起的后果涉及很广：人员伤害，设备毁坏和火灾，同时爆炸时产生的高温、高压和冲击波对矿井的影响也是非常大。1 1 3 尘肺病与矿尘的关系尘8 市病是矿工最常见的职业病之一。它的形成是由于工人长期吸入作业环境中悬浮粉尘而引起蝴市部组织纤维性病变的总称。对粉尘的评价可以从三个方面进行：粉尘的浓度、成分和粉尘的分散度。，太原理工大学硕士学位论文粉尘浓度与尘肺患病的关系表卜l 是山东省1 9 6 3 1 9 8 6 年以来j 个煤矿累计普查接尘作业人员1 5 6 9 6人( 受检率为8 4 ) 。其中干式作业时期入矿井接尘者9 7 8 7 名。从表中看出，干式作业时期的粉尘浓度是湿式作业时期的3 0 倍，湿式作业后尘肺患病率大幅度下降。各个煤矿防尘前后入矿的工人尘肺患病、病期构成、尘肺病死亡等情况有着明显不同。如表卜l 、卜2 、l 一3 所示。表1 - 1 粉尘浓度与尘肺患病关系尘肺患病率尘肺死亡平均粉尘浓防尘情况受检人数病率比率人数病死率度m g m 3无防尘措施9 7 8 7j 6 1 71 6 5 34 4 32 7 43 6 8 2 0有防尘措施5 9 0 970 1 2oo o o1 2 3 4表卜2 防尘前后 = t o t i o 病期构成单位防尘前尘肺病期构成防尘后尘肺病期构成ii lh 1il il i i病人病人病人病人病人病人陶庄矿2 9 74 7 91 5 82 5 31 6 52 644l o o山豸e 林矿8 44 9 74 62 7 23 92 3 1甘甜3 78 4 171 59孙村矿1 0 38 4 52 21 7 232 3 4i 坊子矿3 9 66 0 12 1 73 294 36 5 331 0 0台计9 1 7j 6 74 5 02 7 82 5 01 5 571 0 0太原理工大学硕士学位论文表13 防尘前入矿- r a ：4 2 , 累积死亡情况i单位尘肺 数死亡 数陶庄矿6 2 02 7 54 4 3 5山家林矿1 6 92 91 7 1 6甘霖矿4 412 2 7孙村矿1 2 82 62 0 3 1l坊子矿6 5 61 1 21 7 0 7l 合计1 6 1 74 4 32 7 0 4表卜4 防尘前后各矿尘肺病患病情况防尘前防尘后矿井受检人病人数患病率受i 盘人数病人数患病率数陶庄矿2 6 6 56 2 02 331 2 5 240 3山自淋矿1 5 7 21 6 91 088 9 7甘霖矿1 4 3 44 43l5 8 6刮村矿1 9 0 31 2 86 71 2 7 0坊子矿2 2 1 36 5 62 9 ，61 7 0 430 2合计9 7 8 71 6 1 71 65 25 9 0 97o 1 2矽尘与尘肺病的关系粉尘中游离二氧化硅的含量的多少一直是评价粉尘的主要标志，国内外学者认为，粉尘中游离二氧化硅的含量越高，越容易导致矽肺病的发生。反之就弱。如表l j 所示。太原理工大学硕士学位论文表l - 5 粉尘中游离二氧化硅含量与尘怖病关系游离s i 0 _ 食l j ( )尘肺患病情况病死率尘肺病率病期构成发病死亡百分比单位样本数范围值均值接尘病人发病ii i1 1 1工龄人数( y )数数盎1 7 4 92 7 54 lo i陶庄矿3 22 7 3 8 l5 6 44 1 1 76 2 41 5 1 64 8 2 42 5 32 6 4 4l o 9 22 91 7 0 6山家林1 02 2 5 24 9 72 4 6 91 6 968 44 97 02 7 2 22 30 8甘霖矿2 33 56 1 92 9 62 0 2 04 42 2 08 4 0 91 5 9 11 69 ll22 71 8 7 72 62 0 3 l孙村矿7 90 6 _ 3 8 31 8 33 1 7 31 2 84 0 38 0 4 71 7 1 92 3 4坊于矿1 3 12 5 45 l3 2 93 9 1 76 5 91 6 8 26 0 5 53 2 9 76 5 31 66 61 7 4 81 1 2粉尘粒度和尘肺病的关系我国工矿企业从卫生角度出发，把粉尘分为四个计量粒级范围，即：i 为小于2 , u m ；i i 为2 5 u n ；i i l 为5 1 0 a o n ；i v 为大于1 0 z m 。在矿尘分散度的各级组成中，小颗粒占的百分比数大，即表示分散度高，对人体危害性也大。我国目前的粉尘浓度虽然有较大幅度下降，但分散度仍比较高。资料表明，粒度在5 删以下的粉尘最容易被人呼吸进入肺部。针对上述五个矿井采掘工作面，进行了粉尘分散度的测定，同时利用实验动物，对其肺内粉尘分散度进行了测定。测定结果表明，在采掘过程中，粒度在5 p m 以下的粉尘占到了较大的比例，是对尘肺病患者起决定性作用的因素。因此在采掘工作面进行喷雾降尘，特别是对粒度在j 删以下的粉尘沉降有着十分重要的意义。呼吸性粉尘的沉降率是考察喷雾系统工作效果的重要指标。为此，煤炭安全规程第4 6 4 条s太原理工大学硕士学位论文中规定，井下有人工作地点和人行道的空气粉尘浓度，应该符合表卜8 的要求。表l 一6 煤矿井下采掘工作面粉尘分散度测定结果( )岩尘( 单位删)煤尘( 单位朋)单位样本数 1 0样本数 1 0陶庄矿2 67 2 02 0 o1 07 066 61 81 0 06 0山家林1 66 6 o1 8 o9 46 685 92 89 52 9净霖矿2 25 l _ 02 4 9l o 63 365 43 28 75 ，3捌村矿3 26 6 42 0 19 3 48 2 64 76 02 4 5l l3 6坊子矿7 46 0 42 9 17 1 l3 4 04 55 6 82 5 61 4 53 1表卜72 例尘肺病人尺检肺内粉尘分散度粉尘粒度( p m ) - 。j分散度( )5 4 92 6 o1 1 37 8l表卜8粉尘的种类最高允许浓度，r n g m 2含游离粉尘s i o ： l0 9 6 的粉尘2含游离粉尘s i o 二 1 0 9 6 的水泥粉尘6含游离粉尘s i q , l o 的粉尘1 0在2 0 0 2 年4 月山西煤矿安全监察局颁布的煤矿粉尘防治监察工作办法中要求粉尘( 矿井有人工作的地点和八行道的空气中总粉尘、呼吸性粉尘) 浓度要符合表l 一9 要求：太原理工大学硕士学位论文表l 一9粉尘中游离s i 0 2最高允许浓度( m g m )含量( )总粉尘呼吸性粉尘 l o1 03 51 0 5 0215 0 1 0 u m矿井采样地点重量百数量百重量百数量百重量百数量百重量百数量百分e 分 慨分比分b 匕 b分比分e 卧分比分比b 矿2 0 层机采面o 0 93 7o o4 4 94 5 5 08 2 595 08 7l i8o o 矿2 0 层机采面1 4 54 9 o o4 5 8 74 5 5 05 2 6 65 5 00 0 0o o o 矿2 0 层机采面o o o3 5 0 0o 7 43 6 0 01 8 81 5 0 09 73 61 4 o ob 矿3 1 6 1 层机采面04 22 90 07o l3 65 03 97 82 4 o o5 2 8 68 5 0b 矿3 1 8 1 层机采面o 2 33 5 5 33 0 03 8 8 4l o 0 71 7 3 58 6 6 78 2 6c 矿3 5 3 4 层机采面o o o3 8 5 89 8 84 5 5 02 n5 41 2 0 0鹋7 64 0 0c 矿3 5 3 7 层机采面o 7 54 3 0 09 6 03 4 5 02 6 3 81 6 5 06 33 36 0 0id 矿3 2 0 1 层机采面38 i5 6 3 87 8 8 84 2 8 51 7 3 00 8 40 0 000 0e 矿回采机组割煤0 1 64 6o ol _ 0 51 3 5 01 1 3 l2 6 0 08 7 4 71 45 0平均力个面2 3 个3 3 75 0 8 71 6 5 83 2 4 32 4 8 81 1 9 25 5 3 34 9 6测量值提高呼吸尘的沉降率并不意味着放弃大颗粒粉尘的沉降，相反，根据降尘机理，由于适合于沉降呼吸尘的雾粒在含尘空间的分布更密集，分布更均匀，水分更多，会使大颗粒粉尘的凝集和喷性碰撞几率更高降尘效果更好。概括地说，针对现场呼吸尘分散度，合理匹配、确定喷雾系统参数，设计雾化效果更好的喷嘴来提高呼吸尘及全尘的降尘率，使粉尘浓度降低到要求值，对各种调定参数下的雾化效果进行模拟，是本课题的中心任务。太原理工大学硕士学位论文第二章喷雾及喷雾降尘机理第一节喷雾雾流形成具有一定压力的水，经过喷嘴：在喷嘴内部喷芯作用下使水流运动方向发生改变，喷芯搅动水流，使之运动方向呈发散状态，经过喷嘴出水孔，水流保持发散状态，在流出喷口后发散的水流与空气相作用，由于比较大的相对速度，使水流的液滴不断破裂，形成微细的水滴，水滴在一定的空间内分布。水滴细微，粒数很多，液液密集分布，形成水雾。从能量角度来看即是，具有较大的压力能的水，经过管路和喷嘴，在喷嘴( 有喷芯或无喷芯) 的作用下，水流形成发散的雾流喷射而出，雾流具有较大的速度即水流的压力能转化为水雾的动能。喷雾的结构和形式在喷雾水雾流从喷嘴出v i 后分为两个区：第一个区为有效作用区。在该区，雾粒以很大的速度喷出。重力对它没产生影响。第二个区为衰减区，在衰减区，雾粒的运动速度开始减慢并开始沉降。低压喷雾时，最初的雾流是紧密的，后来由于空气的阻力就分散成雾粒。这些雾粒沿着平行于射流轴的方向运动。当雾粒离开喷嘴一定距离而处于衰减区时，运动速度减慢，并开始慢慢降落，如图2 1 的状态。而较高压力的喷雾则不同，从喷嘴中喷出的高速水流，在很短的距离上就分散成雾粒，并在雾粒之后形成一股气流，射流中雾粒的继续高速运动，不仅是由太原理工大学硕士学位论文攀叶-图2 1 低压喷雾卷吸区于水压的作用，而且也是由于气流的作用。试验表明，压力达6 m p a ，就有较强的含尘气流被卷入雾区，压力超过1 0 m p a ，由于水速度的进一步增加，周围! 敲被大量带走，水雾与边界层负压值越高。附近空气加尉补充形成强烈的卷吸作用。甚至发出吱吱的尖叫声。雾流在射流全长e 的运动速度均超过沉降速度。不出现低压时明显的衰减沉降区。见图2 2水流变成雾粒的长度由水的压力决定，压力低时，初射出的水流是密集的，当达到一定的距离时由于水压不足，速度衰减或逐渐降落，可称为还没有达到17太原理工大学硕士学位论文有效射程的射流衰减区。衰减区的水雾捕尘效率最低，此时雾粒处于自重下沉状态，己没有足够的能量与粉尘碰撞凝结。压力越大，密集水流段的长度越小，涡流段的长度越长，全部射流长度上发生沉降水的地点也会延长。第二节雾流2 2 1 高效喷雾雾流的形式及参数低压喷雾时，最初水流紧密，之后由于空气的阻力就分散成雾粒。这些雾粒沿着平行与雾流轴的方向运动。当雾粒距喷嘴一定距离而处于衰减区时，运动速度就减慢并开始沉降。而当压力较高时，喷出的雾流则与之不同，从高压喷嘴中喷出的高速水流，在很短的距离上就分散成雾粒，并在雾粒后形成一股气流。雾流中雾粒的继续运动不仅是由于压力的作用，而且是由于气流的作用。没有低压喷雾明显的雾流衰减区。水流变成雾粒的长度由喷雾压力定。压力越大，紧密水流段的长度越小，涡流段的长度越大。喷雾雾流的形式在很大程度上取决于喷雾压力。以螺旋槽芯的喷嘴为例，压力在2 j 3 5 m p a 时，雾流的形式为实心圆锥形。随着压力增加，可以明显地看到雾流圆锥形部分的长度缩短，雾流变成圆柱形，并伴随有强烈的涡流运动。并且提高喷雾压力会增加圆柱段长度。压力从2 5 m p a 增加到8 m p a ，其圆锥形、过渡形、圆柱段长度变化分别为：4 4 m 2 4 f f i ，1 9 3 1 m ，和1 4 3 5 m 。由于粉尘在雾流内通过的路程长，而提高了降尘效果。雾流直径对降尘效果也有很大影响，直径大，雾粒覆盖面积大，提高了降尘效果。2 2 2 雾流中水的分布lr太原理工大学硕士学位论文喷雾降尘效果高的一个主要条件是水在整个雾流长度上都均匀分布。低压喷雾时，雾流不能保证水在整个雾流上都均匀分布。而高压喷雾则由于其水流一出喷嘴就变成雾粒。而后在水压力和气流扰动力的共同作用下，继续向前喷射，在距喷嘴不同距距离上的水分分布就较均匀。而且有实验表明，随着压力从2 5 m p a 增加到1 2 5 m p a 在距喷嘴6 m 处的雾流含水量从0 5 9 m 增加到，t 5 9 m 1 是逐步增加的。2 2 3 雾流中的雾粒粒度分布如上所述，雾流中的雾粒粒度是影响喷雾降尘效果的一个重要因素，为此我们进行了实验室测试( 利用m a l v e r n 距光粒度分布测定仪) ，表2 一l 表示了在不同压力下，距喷嘴不同距离上的雾粒粒度值及雾粒个数。从表中数据可以看出，水压对雾粒粒度有很大的影响，喷嘴为0 8 m m 时，2 5 m p a 压力的最大雾粒粒度为3 0 2 u m 。1 0 m p a 时约为5 2 u m ，1 2 5 m p a 时为4 3 u m 。同时可以看出，喷嘴赢径为l m m 的比0 8 m m 的在同样压力下雾粒粒度要大些。详见下表2 一l 。2 2 4 雾粒在雾流中的平均速度通过在距喷嘴不同距离上安装传感器，测得对于0 8 m 喷嘴，据喷嘴不同距离上的雾粒运动速度见图2 3 所示。此外，高压水在通过高压喷嘴时，由于高压水与喷嘴的摩擦等作用，使喷出的雾粒带有一定的电荷。通过对0 8 m 和l m 的直径的喷嘴喷雾雾粒的测试，得出如表2 - 2 所示的雾粒荷电值( 喷雾四分钟，距喷嘴5 m 处) 。9太原理工大学硕士学位论文表2 一l雾粒测定值喷雾压喷嘴直径0 8 m喷嘴直径l m m力( 舰)雾粒数量雾粒直径雾粒直径雾粒数量( 个)( u m )( l l i i i )( 个)距喷嘴2 52 4 83 0 24 2 04 4 05 5 m 雾5 o5 5 01 5 05 7 32 0 0流中心7 54 8 07 56 5 09 31 0 0鸸o5 27 0 07 51 2 56 0 04 36 9 05 81 5 o+ 5 7 53 85 踟4 4距喷嘴2 52 】o】l o5 8 01 2 85 5 m 距5 04 0 08 56 9 01 0 0雾流中7 56 7 06 06 1 07 5心线1 0 o5 1 04 87 3 05 51 2 m1 2 55 8 03 58 鹋1 21 5 o4 3 02 57 3 03 1在测定了喷嘴直径和各种喷雾压力= f 的雾粒粒度得出了如下计算雾粒粒径的关系式：d 。= k 0 7 9 ) , 一1 ) ( d 女p 12 6 ) ，j m式中：d p 雾粒直径：朋：女一比例系数，k = 6 2 8 x 1 0 52 0( 2 1 )太原理工大学硕士学位论文至费晦f 蹴1 s a 啊眄冁2 脱目髓：3 压力臣珊陋：4 压了丁7 目如日五压力1 0 例阻图2 3表2 - 2 雾粒电荷平均值与水压的关系喷嘴直径水压雾粒电荷的平均值( 坷) a )带正电带负电0 8 m2 51 6 0 09 0 05 o2 3 0 01 9 0 07 54 6 0 02 9 0 01 0 o7 5 0 04 2 0 01 2 51 3 8 0 05 4 0 0l m m2 51 9 0 02 2 0 01 0 o8 4 0 08 1 0 01 2 51 2 3 0 01 1 5 0 0d 。喷嘴直径，帆：p 喷雾压力，m p a 2太原理工大学硕士学位论文喷雾流量与喷雾压力的关系视为q 。= kh + 躐( 2 2 )疋一比咧常数，取决于喷嘴结构；甩指数通过以上分析可知，高压喷雾由比普通喷雾雾粒细( 接近粉尘粒径) ，雾粒分布均匀、雾流涡流强度大、荷电雾粒多等优点，因此，高压喷雾比普通喷雾降尘效果好得多。2 2 5 高效喷雾降尘应用中的主要参数目前，煤矿井下采掘工作面大多以传统的喷雾降尘为主( 水压在2 5 m p a以下，普通喷嘴) ，降尘效果尤其是对呼吸性尘的降尘效果不理想，根据上一章对降尘原理的分析可知高效喷雾会取得较好的喷雾效果。高压喷雾除尘过程可看作是一个液体雾粒与固态粉尘的凝结过程。高压喷雾除尘在很大程度上表现为惰性凝结、静电凝结和涡流凝结。惰性除尘的实质是水雾碰撞上悬浮粉尘并捕捉它们。惰性除尘的效果可以用捕捉系数来评定。并且，雾粒的粒度越接近粉尘的粒度，其效果就越高。计算粉尘粒对于雾粒的轨迹可以从理论上确定出捕捉系数。在计算粉尘粒对于雾粒的轨迹方程式的基础上，可确定出粉尘的最小粒度：d m =厣i 砥7v 万百：式中，7 空气的粘度系数；p 粉尘粒的密度；( 删)d 雾粒的直径；k 。一系数u 。气流速度。( 2 3 )太原理工大学硕士学位论文在使用静电凝结时，两个带电区( 雾粒和粉尘粒) 的相互作用力，由电荷的符号，大小及雾粒和粉尘的粒度以及它们之间的距离所决定。带不同电荷粉尘粒比不带电荷的粉尘粒容易凝结，而带同一电荷的粉尘粒比不带电荷的粉尘粒更难凝结同时，在使用自然的静电凝结时，粉尘粒之间的所有接触都应当有一定的效应。且应当是，雾粒和粉尘粒的电荷越多，这种凝结法的效果和高压喷雾除尘的效果就越显著由于煤岩在被破碎时，许多粉尘带有正电或负电荷，因此也要求高压喷雾的雾粒带有不同的电荷，才能使粉尘与雾粒较好的凝并，取得较好的降尘效果。不同粒度和密度的粉尘，在不同的风流中运动并相互碰撞。随着粉尘的波动速度及其浓度的增加，碰撞的次数亦增加，单位立方厘米的所有雾粒和所有粉尘粒，在单位时间内所发生的碰撞总数等于：啪s s 砜扩”v ”州bc 2 嵋一刈2 ) 陇a ，式中”。单位体积内的粉尘平均量i 。单位体积内的雾粒平均量_ 涡流运动的皴；s = p 华：v 咏的粘度系数：一雾粒密度；月雾粒半径；p ：粉尘的密度；r 粉尘的颗粒半径。由上式可知，增加涡流强度就能提高高压喷雾的降尘效果。从以上分析可知，惰性凝结、静电凝结和涡流凝结的强度及喷雾效果取决于一系列的因素，这些因素是：粉尘和雾粒的电荷大小，雾流( 雾粒) 的涡流强度等，除此之外，降尘效果在很大程度上还取决于雾粒的形式和参数。而以上因素又是由喷雾的太原理工大学硕士学位论文压力和喷嘴的结构等决定的。2 2 6 压力对喷雾效果影响的试验研究表2 - 3 单喷嘴的压力有效射程悟水压( m p a )45678圆锥段长( m )1 7 5222 2 52圆柱段长( m )1 52 52 7 52 2 53 5扩散角( 度)6 06 06 06 06 0卜耗水量( 1 m i n )8 8 99 9 4l o 8 91 1 7 71 2 5 8速度( m s )2 0 9 72 3 4 52 5 72 7 82 9 7用实验的方法对直径为1 5 哪的单喷嘴在各个特定压力下的有效射程、扩散角进行测量。在试验中观察到，开泵调压在o 4m p a 过程中水流是紧密的，雾化效果不好，水量小。在压力上升到4 l l p a 以后，观察每增加1 m p a 时的雾化扩散角，同时进行录像和拍照可再次用于参考。根据式d 1 瓜而酉( c m )( 2 j )计算出流量q 根据式q ：0 2 5 n - d2 v ，( 2 6 )计算出v 。雾粒的直径与喷嘴直径和喷雾压力有个对应关系，是一个经验公式。d 。= x ( 1 9 7 p 一) ( d p 2 6 )( 2 7 )2 4太原理工大学硕士学位论文式中，d 旷需粒直径，i jm ；k 比例系数，3 4 5 3 0 ；d _ 喷嘴直径，m m ；p 一水压，k g c m 3 。由测量值和计算值可见，随压力增加流速变大，雾化效果越好。在实验时使用了外壳，由于喷嘴装在外壳内部的一定位置，雾流以一定扩散角射出时与外壳的边缘相切在喷出处形成密封，而雾流向前运动带走原来的空气，形成负压，所以，在外壳的尾部，有气流进 ，给喷嘴周围带来正向的风流，有利于进一步雾化，提高流速。有外壳的单喷嘴的试验数据如下表所示。表2 - 4水压( m p a )456781 5圆锥段长( m )1 7 5222 2 52m圆柱段长( m )1 52 2 52 52 2 52有扩散角( 度)6 06 06 06 06 0壳耗水量( 1 m i n )9 o ll o 2 51 1 8 81 2 4 81 3 0 5速度( m s )2 1 1 42 6 6 82 5 52 7 93 0 1 4用叩表示雾化效果，v 表示体积，v 表示流速，k ，表示环境影响系数。l 表示有效的雾化长度。r 表示有效雾化圆柱段的半径。，表示有效射程。a 表示扩散角。在假定雾流速度对喷雾粒与尘粒的碰撞几率的影响是线性的，可得下式：7 7 = k ，v = k ，7 吼( 2 8 )忽略环境影响取k ，= l ；因r = ，s i n ( a 2 ) ；分别对上表中的五组数据进行计算：太原理工大学硕士学位论文计算结果如下表及下图所示表25_p ( l p a )40678v ( m )4 8 l9 4 2l o 51 1 98 3 8v ( m s )2 1 1 42 3 6 82 5 52 7 93 0 2( u m )1 0 96 5 64 3 43 0 72 2 7l d-，二多弋尹，、。k l、赛体体积。荐流速度 雾较直径图2 - 4 压力雾体体积塞度粒度曲线在压力为7 至8 m p a 之间可获得最好的雾体体积和雾流速度。2 2 7 总结系统设计的依据影响水滴捕尘的主要因素是水雾粒的直径，雾粒直径在2 0 至5 0 u m 为最佳。其次是相对速度，速度在3 0 至4 0 m s 最好。本文还考虑到雾体形状对雾化作用的影响，综合考虑了雾化效果和节省水电资源，得出对于某种结构形式的喷嘴，在喷嘴直径为i m a 或1 5 m m ，压力为7 5 m p a 时，可获得最佳降尘效果。太原理工大学硕士学位沦文第三节喷雾降尘机理常规喷雾降尘的机理为：惯性碰撞、重力沉降、拦截捕尘与扩散捕集。喷雾喷出的液体雾粒与固态尘粒的惰性凝结过程使尘粒湿润，自重增加且沉降，这叫做重力沉降。其次，由于流线不能突然折转，当风流携带尘粒向水雾粒运动并离开雾粒不远时就要开始绕流水雾运动。风流中质量较大，颗粒较粗的尘粒因惯l 生的作用会脱离流线而保持向雾滴方向运动。如不考虑尘粒的质量，则尘粒将和风流同步，因尘粒有体积，粉尘粒质心所在流线与水雾粒的距离小于2 5 喷雾降尘机理说明图尘粒半径时，尘粒便会与水雾滴接触被拦截下来，使尘粒附着于水雾上，这就是拦截捕尘作用。对细微粉尘，特别是直径小于o 5 的粉尘，由于布郎扩散作用，可能被水雾粒捕集，这叫扩散捕集。上述综合作用，就是喷雾降尘机理。如图2 - 5 所示。2 3 1 扩散捕尘的机理当含尘气流中的尘粒半径小于o 1 埘? 时，这些颗粒在随气流运动时就不2 7太原理工大学硕士学位论文再沿气体流线绕流捕集物，因此不再遵循l 贯性碰撞或拦截的机理被捕集物分离，这就是扩散作用。这种扩散作用所起的捕集时间非常短暂，所以扩散作用捕尘在流线附近发生并且紧贴于捕集物附近处。2 3 2 碰撞与截留综合效应分析研究惯性和截留，在数学上讲，在于解出给定流场中尘粒的运动方程，故应对绕水滴运动流场进行较深入的分析。假定水滴为坚硬的球体，故绕水滴的运动即为绕球体的运动。l ，煤尘绕水滴的运动分析如图2 7 所示，设水滴在气流中缓慢运动，其雷诺数r e 较小，则得到球坐标表示的粘性绕球运动s t o k e s 解满足如下条件：流函数：矽= 1 _ v o a 2s i n 2 8 ( a r 一3 r a + 2 r 2 a2 )2 9艘黼：v ，= 志警- = v oc o s o s i l l( 1 + 等2 r 一3 刍2 r，咖= j 一等= v 0s i n 8 v o - r 2s i n o - rv os i n 0 ( - 1 + 等一s 争z 邶2 面矿叫石厶v d 一来i 7 ；激，a 为球体半径，r 为径向距离，在舾上流儡：速度h = v 口= o 。当雷诺数r e 较大时，球体周围的流场将为两个区。紧贴球体的一薄层，称为边界层。在此层内，粘性力和惯性力为同阶量。边界层的厚度6 沿流程增加，在边界层之外为理想势流层。，尘粒在水滴附近的运动图2 6 为煤尘颗粒在水滴附近的运动示意图。其极限流线的路程为1 ，2 ，3 点，若粉尘的比重大于气体的比重，则煤尘颗粒在2 点处即偏离2 黻，当煤尘与液滴在4 点接触时，煤尘即被捕截，此时煤尘由2 点至4 点作变速运动，太原理工大学硕士学位论文现将煤尘的运动作如下的分析。图2 6 尘粒在水滴附近的运动首先讨论粘性绕球运动中尘粒的运动，将3 点坐标代入( 2 9 ) 式，得流函数为：妒= 扣岛一掣+ 掣：由于y 3 a 略去3 阶微小量，即有妒= 3 v o j y 3 2 4 ，故l ，2 ，3 点流线方程为s i n 2 0 ( a 3 r 一3 r a + 2 r 2 、= 3 y 3 22 - 1 2设煤尘颗粒在2 点处于气流速度相同，并设为速度v o ，在3 点处，煤尘速度近似等于零，由2 点至4 点在水平方向的平均速度为 d o 2 ，煤尘由2 点至4 点处的水平距离为r 2 c o s02 ，垂直距离为a + d 2 - y 2 ，则由2 点至4 点所需时间，一& c o s 口22r 2c o s 0 2 ，2 0 1 3j = 一zl ju ，v o设垂直方向上，煤尘作为加速运动，则在垂直方向上有加速度n + d盯，：一- - - y 一2 ：生! 羔簿2 - 1 4r 二2 r , c o s 2 良太原理工大学硕士学位论文设煤尘粒子在垂直方向上的运动由流体动力学理论知，最终速度为”= p o d ! 口。c ( 1 8 , u )2 - 1 5式中，c 为肯宁汉修正系数，d 为煤尘颗粒直径，po 为煤尘密度，当流体在垂直方向由3 点运动至4 点时，可列出下列关系式：y 3 = 出2 u | = 出2 p o 如a c 1 8 “)2 - 1 6j 、= i d + q 忙i d + 风d 。c v 0 2 ( 口一渺( 1 8 肫c o s 2 0 2 )2 1 7上式反映了y 2 与y 3 间的几何关系，另外，若从流函出发，则导出其另外的关系，首先，将2 点的坐标h r 2 ，02 ) 代入流线方程( 2 1 2 ) ，则有s i n2 0 2 ( a 3 吒一3 如日+ 2 吒2 ) = 3 儿22 - 1 8设y 2 可用水滴直径的部分表示，即y 2 = a d ，其中a ( 0 ，0 0 5 ) 。则由图2 - 6知，有等式s i n 0 2 = a d r z ，将其代入流线方程式( 2 - 1 8 ) ，经化简得吾一詈亿筹z 舶在粘性流体中，球体对气流的扰动距离远比理想中大得多，即r 炉d ，可将上式中的三次项略去，因此堑：2 一墼2 - 2 0a 。d 2进一步化简，得_ = 3 a 2 ( 2 3 y 32 a 2 d 2 ) s i n 馥：昙【2 3 y 3 - ( a 1 - d ：) c 。s 幺= l 一引0 22 3 乃2 他：。2 ) 】! 砖2 2 1太原理工大学硕士学位论文将上述公式4 2 a s - x ( 2 1 7 ) 并化简，略去高阶小量，则有y一+堡!竺二型3d2 - 2 22口一d c ,其中，= p o d2 c v 0 ( 1 8 , u d ) ；c i = 2 2 3 y 3 ( a2 d 2 ) 】2 - 2 3公式( 2 - 2 2 ) 即为煤尘截留机理中煤尘在流场中变速运动的近似描述。l ，水滴对煤尘沉降效率影响的分析为计算水滴对煤尘的截留和惯性沉降效率n ，首先应计算图2 - - 6 中y l与y 3 间相互关系，由连续性方程可知秽? = 2 n - j 7 ( 1 一口3 1 4 ( 口+ ) ，) 】3 一“【4 ( 订+ y ) 】( 口+ y ) 砂2 - 2 4积分上式，并化简得y i = 露+ d y 3 4 + d 3 1 6 ( y 3 + d 2 一d 2 82 - 2 5在研究水滴的惯性相截的效应时，根据流体动力学理论，通常假设喷性捕获时，尘粒只有质量而无大小，截留捕获时，尘粒只有大小而无质量。面对于实际的降尘问题，煤尘中既有质量又有大小，惯性和截留效应同时并存。作为机理研究，煤尘的捕集效率可以表示为刁2 磊刮盯z 拍其中，o 为接触系数，它表示煤尘与水滴接触后被水滴捕获的概率，般在0 5 到1 之间。通常取0 7 y l 为极限流线至中心线的距离，将( 2 - 2 5 ) 代入( 2 - 2 6 ) ，可以得：恻盯盼n 盖 4 丽矗卸z 之，太原理工大学硕士学位论文从上述有关公式可以看出，水滴越小，水流速度越大，煤尘密度越大，水滴的捕集效率则越高。但是，水滴的粒度不能太小，因为水滴大小还受到其本身蒸发时间的限制，在相对湿度为9 0 的务d e f 下，l o 2 m 的水滴的蒸发时间约为4 s ，5 0 p m 的水滴的蒸发时间为2 0 s ，水滴越小，蒸发时间就越短。因此，过小的水滴即便能捕捉到粉尘，在其沉降过程中也会由于水滴本身的蒸发而散失降尘作用。2 3 3 喷雾捕捉浮尘机制将水雾化成微细小滴，喷射于空气中与浮尘碰撞接触尘粒被水捕捉而附于水滴上或者湿润的尘粒互相凝集成大颗粒从而自1 1 速其沉降使之尽快变为落尘。影响水滴捕尘效果的主要因素是水滴粒度。水滴小，在空气中分布密度就大，与矿尘接触机会就越多，捕尘效果就越好。但如果水滴太小对降尘效果会有所影响，因为过小的水滴湿润尘粒后，其重量增加不大，难以空气中沉降下来，同时水分也易被风流带走和蒸发，不利于捕尘，并且恶化了环境。根据测定，水雾的粒度一般在2 0 5 0um 之间为最佳。其次是水滴与尘粒的相对速度，它决定着粉尘与水滴的接触效果，水滴速度高则动能大，与尘粒碰撞时有利于克服水的表面张力，将尘粒湿润捕捉。此外，矿尘浓度、粒径，带电陛对捕尘效果也存在影响。2 3 4 水滴对煤尘沉降效率分析为计算水滴对煤尘的截留和惯性沉降效率，7 ，首先应计算图2 _ 6 中y l 与) j 2 间相互关系，由连续性方程可知协一i = 2 z rc ( 1 一n 1 ) 【4 0 + y 圩。3 “【4 0 + l ) x 口+ r k o d y2 - 2 8积分上式，并化简得1 ，太原理工大学硕士学位论文y ? = y i + p y 3 4 + d 3 【1 6 ( e + z ) ) 2 1 一d ：82 - 2 9在研究水滴的惯性相截的效应时，根据流体动力学理论，通常假设惯性捕获时，尘粒只有质量而无大小，截留捕获时，尘粒只有大小而无质量。对于实际的降尘问题，煤尘中既有质量又有大小，惯性和截留的效应同时并存。作为机理研究，煤尘的捕集效率可以表示为：r = 4 c r , t y 肋2 = 4 0 y ? d 22 3 0其中，盯为接触系数，它表示煤尘与水滴接触系数，它表示煤尘与水滴接触后被水滴捕获的概率，一般在0 5 到l 之间。通常取o 7 y l 为极限流线至中心线的距离，将前式代入e 式可得：r = 2 盯乜y ；d 2 + y 3 2 d + ( d + l - - 2 y 3 ) 1 2 y 3 12 - 3 1可以看出，水滴越小，水流速度越大，水滴的捕集效率越高。第四节总结设计依据由上述的水雾降尘性能参数：雾粒分散度、雾粒运动速度、雾流几何形状与压力的关系，可知压力与雾体的降尘性能有很大的关系，压力越大雾粒越小，速度越快，雾流体积越大。最佳喷雾压力在7 5 m p a 至1 0 m p a 之间。根据截获的降尘机理和凝集扩散及其他机理得出粉尘直径和雾粒直径之间最佳的对应关系可依据下式：d o = d p v ( 18 q t )2 - 3 2式中d 为现场占比例最大的粉尘的直径，p 为粉尘密度，v 是气流速度，叩表示空气粘度系数，表示水的粘度。玩为最佳的雾粒直径。粉尘呈对数正态分布，雾滴直径呈正态分布。如果测量出现场的粉尘直径，及粉尘密度，可由此公式确定最佳的雾粒喜径。由降尘机理知雾粒直径是影响降尘效果的主要因素，水滴小在空气中分布1 1太原理工大学硕士学位论文的密度就大，与矿尘的接触机会就多，捕尘效果越好。但如果水滴直径太小，与尘粒接触，尘粒的重量增加不大，难以在空气中沉降下来，同时水分也被风流带走和蒸发- 不利捕尘。根据相关的专家经验及测定，初步确定最佳雾粒的直径在2 0 5 0 u m 之间这样用上式对应关系确定的雾流会有最好的降尘效果。再由压力，喷嘴直径、雾粒直径之间的关系式：吐，= k ( 1 7 1 1 ：l2 丛旦p i2 6 ) ，2 - 3 3d = v o 0 1 6 q p22 - 3 4选取较小的喷嘴直径，使雾流速度增加，初步确定喷嘴的直径和系统压力。第三章雾化的两相流分析由气固、液固或液固气所组成的多相流体，在运动过程中将产生相对运动。由于各相的粘度及密度上的差异，在不同的运动状态下会发生不同的作用。喷雾降尘过程中，水雾是典型的液相，风流是气相。第一节水雾的形成过程下面对液相水雾的形成过程进行分析。3 1 1 雾滴的形成液体悬浮在气体中的状况在许多方面都与气泡悬浮在液体中的状况相类似。因为在一个孔口形成准静止液滴与形成气泡是相反的问题。所以液滴的半径r ，由类似于孔口处气泡形成的公式得出，即r 广l i 舷o r 训0j ；( 3 1 )式中，下标1 指的是连续相、下标2 指的是非连续相。在某些情况下，气太原理工大学硕士学位论文泡可由气体或蒸汽的膜层此膜层覆盖在多孔或受热的表面e 中分离开来而形成。虽然这些气泡的连续不断的形成，与在较稠密的流体下面流动的流体的“泰勒不稳定性”的经典情况不同，但是，气泡的尺寸可用相同的无量纲参数估算。因此，液滴的半径也可以估算为n 。a l i 她g r 一。制 ；( 。z )当流经孔口的液体速度增加时，会很快超过得出的l 临界速度，因为液体的密度比较大，所以使合成的液体射流破碎而形成了小液滴。瑞利( r a y l e i g h )曾经研究过这个经典课题。他证明了，这类射流总是不稳定的；如果液体射流周围的气体密度可以忽略，其不稳定的最大波长约为射流的4 5 倍。当射流以这种方式破碎时，液滴半径的近似式为r d 。i 9 r o( 3 3 )式中r 。为孔口半径。射流速度进一步