关于新型雾化喷嘴的液滴分布与除尘效率之间关联性的实验研究

本研究开发了一种新型空气-水雾化喷嘴，用于提高煤矿巷道粉尘抑制性能。通过高速摄像机和激光颗粒检测技术分析雾滴分布特性，发现该喷嘴在相同压力下雾滴粒径分布更窄，平均粒径更小，且除尘效率达91.37%。结果表明，雾滴粒径与粉尘粒径越接近，除尘效果越好，优化喷嘴出孔直径（2.5mm）可显著提升性能。

　　

黄子轩|李晓川|魏涛|王鹏飞

中国西安交通大学多相流工程国家重点实验室，西安，710049

摘要

本研究开发了一种新型空气-水雾化喷嘴，以提高褐煤开采现场的降尘效果。通过使用高速摄像机和激光气溶胶检测技术，研究了影响液滴分布的因素，分析了雾化区域内的液滴相互作用，并揭示了液滴分布与降尘效率之间的关系。研究结果表明，在相同压力下，该喷嘴的液滴尺寸分布更窄，具有特征性的液滴尺寸和更小的平均直径，优于传统喷嘴。这种配置显示出更高的液滴体积浓度和覆盖范围。在矿井隧道中安装该喷嘴后，测量直径小于75微米的褐煤粉尘颗粒浓度平均下降了91.37%。研究还表明，降尘效果与液滴尺寸与粉尘颗粒尺寸的接近程度成正比。结果表明，这种新型空气-水雾化喷嘴在矿井隧道中能够实现高效的降尘效果。当液滴的特征尺寸和平均直径接近粉尘颗粒尺寸范围的最大值时，有利于提高除尘效率。研究揭示了雾化场内液滴之间的相互作用，并分析了这些相互作用对除尘效率的影响。

引言

隧道施工过程中不可避免会产生粉尘，高粉尘浓度一直是阻碍隧道高效运行的一个持续性问题[5,35,36]。地下空间中悬浮颗粒物浓度的升高对施工人员的健康和安全、施工机械的效率、机械的使用寿命以及大气环境都构成了严重威胁。此外，长期暴露在高浓度颗粒物环境中会导致隧道工人出现严重的职业健康问题[5,13,39,44]。吸入粉尘可能引发过敏性鼻炎和咽炎等呼吸道感染，还可能导致不可逆的肺部损伤，如肺炎、肺气肿和尘肺病。

施工活动和隧道挖掘过程中产生粉尘是不可避免的。随着制造过程日益机械化和集约化，粉尘对现场人员和周围环境的潜在风险也在增加[15,22]。当粉尘浓度过高时，可能发生粉尘爆炸，从而导致人员伤亡和财产损失[37]。在石油化工（挥发性气体和有机聚合物）、涂料（溶剂和颜料）、采矿（甲烷和煤炭）、谷物储存（发酵气体和谷物）以及制药（溶剂和辅料）等多个行业中，都可能产生易燃气体和可燃粉尘。此外，这些物质还涉及从粉末染料中提取易燃溶剂以及聚合物材料的制造和进一步加工等过程[10]。粉尘污染对人类健康、资产和环境有着严重影响[1]。城市地区的空气污染，由于大气中的特定气体以及液体和固体颗粒的存在，对环境和公共健康造成了诸多负面影响。此外，这还带来了巨大的经济成本[18]。

化石燃料满足了世界各国不断增长的能源需求[19,23]。在中国，煤炭通常采用路堑式或连续采煤机械进行开采[3]。然而，由煤炭粉尘引起的污染问题也显著增加[7,47]。煤矿中高浓度的煤炭粉尘不仅对工作环境的质量造成严重影响，也对矿工的健康和福祉构成威胁。这些高浓度的煤炭粉尘会导致一系列有害后果，包括严重的、往往是不可逆的生理损伤。长期暴露于煤炭粉尘中会使矿工面临各种健康风险，影响他们的身体状况和生活质量。解决这些问题对于确保煤矿行业从业者的工作安全性和更好的健康结果至关重要[4,21,33]。研究表明，煤矿行业中使用的机械是粉尘产生的主要来源。这些粉尘对现场工人的健康和福祉构成了重大风险。煤矿作业与粉尘产生之间的关系凸显了采取有效措施减少暴露和提高职业安全性的必要性。鉴于潜在的健康影响，解决这一问题对于保护参与煤矿活动的工作人员至关重要[20]。在本研究中，我们探讨了目前用于预防和控制粉尘污染的方法，包括但不限于使用喷雾除尘技术和气液旋风除尘器[29,31]。在粉尘控制领域，喷雾技术已被广泛采用，因其成本低廉且安装方便而具有优势[32,42,45]。

国内外许多研究人员对内部混合喷嘴进行了实验研究。其中一些研究人员开发了具有两种不同旋流角度（0°和90°）和三种孔径尺寸（0.5毫米、1毫米和1.5毫米）的双流体雾化喷嘴，并进行了实验分析。他们测量了沿中心轴和径向的液滴速度、湍流强度以及Sauter平均直径（SMD）的分布。研究结果表明，随着旋流角度的增加，SMD分布逐渐减小[38]。许多研究人员对空气-水雾化喷嘴产生的两相流进行了数值模拟。他们的模拟基于适用于可压缩介质的非稳态流动微分方程，并结合了空气向液滴的质量传递方程。结果包括喷雾场内液滴速度、空气速度和空气杂质浓度的轴向和径向分布[24]。一组研究人员在保持一致操作条件的情况下测试了四种不同的空气-液两相流喷嘴。他们的发现表明，在空气-液体比例较低的情况下，喷雾形成过程主要受喷嘴内部设计的影响[41]。一些研究人员研究了具有内部混合功能的空气雾化喷嘴的内部流动特性，发现内部流动显著影响外部雾化效果。此外，他们还确定喷嘴内部混合室的设计对雾化效果有重要影响[17]。该研究考察了不同结构参数下内部混合空气雾化喷嘴的雾化特性和降尘效果。结果表明，当水注入孔径设置为1.5毫米且喷嘴开口数量为四个时，喷嘴的降尘效率得到提高，同时保持了相对较低的水和空气消耗量[29]。一些研究人员通过数值模拟共轴双流体喷嘴，研究了中心液体注入口与环形气流之间的角度对主要雾化过程的影响。他们的发现表明，当角度为30°时，雾化效果有所改善[43]。一些研究人员利用数学模型预测了影响喷嘴产生的液滴尺寸的因素，发现轴向距离是主要因素，其次是供水压力[30]。研究人员根据粉尘颗粒的大小和密度确定了其沉积和逸出模式[40]。此外，研究人员在中高气流条件下优化了粉尘和气体控制，提高了采矿安全性[9]。

文献综述表明，大多数关于粉尘去除技术的研究集中在单个因素或压力条件对雾化喷嘴效果及其降尘效率的影响上。相比之下，对于内部混合喷嘴的雾化性能受多种因素共同影响的研究较少。目前仍缺乏专注于开发创新内部混合喷嘴并提高雾化性能和降尘效率的研究[11,48]。此外，传统的内部混合喷嘴无法生成足够小的液滴或实现较大的液滴的广泛覆盖范围，这可能导致资源浪费。因此，在本研究中，我们自主研发了一种新型空气-水雾化喷嘴用于煤炭粉尘的抑制。目前，关于液滴分布与除尘效率之间关联的研究仍然有限。通过实验研究液滴间的相互作用，我们可以探讨液滴尺寸的变化如何影响除尘效率，从而指导喷嘴设计的优化。

部分摘录

喷嘴出口处的射流破碎雾化

射流断裂稳定理论表明，非液体界面的稳定性强度与液滴形成过程密切相关。在液体射流过程中，液体分裂的主要原因是液体与周围气体之间的速度差异。Riley的研究表明，表面张力是唯一能够阻止液体射流雾化的力。Weber后续的研究进一步探讨了这一现象

喷嘴的内部雾化机制

图1展示了实验中使用的新型空气-水雾化喷嘴及其内部结构。液体通过液相流通道进入三通结构，然后被分流到两个通道中。这些通道通过环形缝隙进入旋风环，在负压和泵的作用下，液体不断通过旋风环，形成旋转的前向水流。最终，液体进入混合室。同时，气体也进入

出口直径对喷嘴性能和液滴分布的影响

P_A表示空气压力，P_L表示水压力，测试温度为室温。根据图3，不同条件下的流动模式存在差异。喷嘴等效孔径对射流出口处离心力的影响显著，不容忽视。随着等效孔径的逐渐扩大，喷嘴出口处的内部压力显著降低

液滴分布与除尘效率关系的实验验证

初步实验结果表明，供水压力的确定仍存在争议，需要通过进一步的风尘抑制测试来评估。表1和表2显示，空气供应压力始终保持在0.65 MPa。通过比较分析两种不同条件下的喷嘴降尘效果（分别为3 MPa和3.5 MPa的供水压力），可以明显看出最佳降尘效果

结论

• 实验研究了自开发内部混合喷嘴的出口直径对液滴尺寸的影响。实验结果表明，出口直径为2.5毫米的喷嘴在实现更好的雾化效果方面特别有效。这种雾化的提升归功于喷嘴的优化设计，使得液体分散更加均匀。总体而言，结果凸显了使用2.5毫米直径喷嘴的优势

未引用的参考文献

[6,28]

CRediT作者贡献声明

黄子轩：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，数据整理。李晓川：撰写 – 审稿与编辑，资源获取，项目管理，资金筹措。魏涛：方法论，研究，数据分析，概念化。王鹏飞：可视化，验证，监督，软件开发。