低阻文丘里管内精细雾化喷嘴的喷雾特性实验研究

陈祖云 邹 明 程健维 蓝善海

（1.江西理工大学资源与环境工程学院,江西 赣州 341000；2.中铜东南铜业有限公司,福建 宁德 352106；3.中国矿业大学安全工程学院,江苏 徐州 221008；4.江西漂塘钨业有限公司,江西 大余 341500）

低阻文丘里耦合振弦栅除尘器在文丘里喉管段喷雾，低风速作用下将粉尘凝聚成大颗粒，然后振弦栅拦截捕集，最后在水膜除尘的旋转离心力作用下除尘。传统文丘里水膜除尘器的喉管风速极大，对于亚微米粒度的尘粒，喉管风速一般为90～120 m/s，阻力高。低阻文丘里耦合振弦栅除尘器采用低风速，较传统文丘里水膜除尘器阻力低，使用寿命长、除尘效果好等优点被广泛应用在工业除尘领域，但是其能耗大、运行成本高慢慢被淘汰。本文利用文丘里除尘机理，改进喷嘴方式和提高雾化水平，在文丘里管增设了振弦栅，在低风速条件下很好地提高了除尘效率，同时为矿山的喷雾降尘研究提供一定的理论和技术支持。

1 低阻文丘里管结构

1.1 低阻文丘里管参数

低阻文丘里耦合振弦栅除尘器烟气处理量设计为850 m3/h，文丘里喉管风速的确定要综合考虑尘粒粒径、气体成分、振弦栅的拦截效率、水膜除尘的旋转离心力、文丘里管的除尘效率及阻力影响等因素[1-2]。文丘里阻力值越小越好，初步确定喉管风速为30 m/s[3-4]。低阻文丘里管的主要结构参数包括收缩管、喉管及扩散管的长度和直径[5-6]。

1.2 低阻文丘里管喷嘴布置方式

喉管风速设计值较低，需要通过预雾化而提高雾化程度，达到提高除尘效果的目的[7]。喷雾方式包括径向外喷和轴向喷雾。径向外喷是在收缩管或喉管的周围垂直均布安装4个精细雾化喷嘴，水雾从喉部管道周围的4个喷嘴向喉部管道中心位置喷出，水流经过高压喷嘴雾化形成雾粒，与喉管气流形成气雾混合物。当含尘气流经过收缩管时流速加快[8]，含尘气流与水雾在收缩管尾部或喉部前端进一步发生碰撞凝并，在扩散管部位持续碰撞凝聚形成更大含尘雾粒被振弦栅拦截捕集。轴向喷雾是在收缩管截面中心轴线位置布置喷嘴，喷雾方向与含尘气流方向相同，可以减少文丘里管的阻力，水雾区间覆盖整个喉部[9]，水流经过高压喷嘴雾化在收缩管中心轴线形成雾粒，在喉管气流的共同作用下形成气雾混合物。由于轴向射流的影响，在射流喷雾后方形成负压场。气雾混合物与含尘气流经收缩管道时气雾速度加快，在负压场作用下含尘气流被吸入喷雾场，在喉管处气流速度达到最大，随后在扩散管处管径增大，使气雾混合物与含尘气流充分混合[10]。在喉部和扩散管继续碰撞及凝并形成含尘雾粒，最终被振弦栅拦截捕集。

1.3 确定低阻文丘里管喷嘴结构

低阻文丘里耦合振弦栅除尘采用不锈钢实心锥形喷嘴。原因是实心喷嘴结构紧凑，在增压泵压力作用下水由实心喷嘴喷出形成圆锥形雾粒，雾化均匀。圆锥形雾粒角度约为44°～82°，气雾效果良好。实心锥形喷嘴结构合理，过滤器防止喷嘴堵塞。分配器把水量分散雾化，切线计量槽减少雾粒运动阻力，旋转形成旋转离心力作用，将在有增压水泵作用下水由实心锥形喷嘴口喷出的过程中形成更细雾粒。

2 实验参数测定方法简介

2.1 喷雾水量

低阻文丘里采用喷嘴雾化来提高雾化水平，进而提升其除尘效果。比较喷嘴喷雾水量的雾化效果实验时，先调节流量开关，观察压力表，待喷雾稳定时，用杯子收集喷雾水量。与此同时，用秒表计时，把采集到喷雾水量的杯子置于电子天秤称重，并做好记录。为减少测量误差，在相同喷雾压力等条件下多次测量求得平均值，作为该压力条件下的喷雾量。

2.2 喷嘴喷雾角度

喷嘴在压力作用下喷水雾射流与未净化含尘气流混合均匀，喷水雾射流形成扇形面。为了比较喷雾效果和喷嘴喷雾角度，沿着喷嘴射喷出口所形成的扇形面两边绘制切线，两边绘制的切线所形成的角度近似地认为喷嘴喷雾角度。垂直于喷嘴射喷的某位置设置一张适当大的白纸，为防止测试之前白纸湿润，白纸放置阻挡物。测试时，先让射流运行稳定，然后在某时瞬间抽去阻挡物，白纸被喷嘴射喷湿润，及时测定湿润面积的长度及宽度，通过平均值求取雾化角度。

2.3 平均喷雾粒径

测定喷嘴射喷中心轴线不同地点截面处的雾化粒径分布，分别测定距离喷嘴60 mm、100 mm和140 mm对应平面H1、H2和H3的水雾化粒径。采用索特平均粒径法分析，索特平均粒径法采用雾粒群的总体积与总表面积之比值，其值小表示总体水雾粒粒径小，雾化效果好。水雾滴粒径和分布情况采用浸入法测定，通过显微镜观察，连接到电脑显示如图1所示。

3 喷雾特性的测定结果

3.1 喷嘴喷雾水量

采用容积法测定喷嘴在不同供水压力作用下的喷雾水量，得到如图2所示。喷雾量随着供水压力的增大，先迅速增大后趋于稳定。原因是喷嘴供水压力的增加导致喷嘴喷射速度增加，造成喷雾水量增多。当喷嘴供水压力升高到某值时，由于喷嘴结构参数的制约，喷雾量先是增加较快，然后增加幅度变缓并趋于稳定。由图2可知，喷嘴喷雾流量随孔径增大而增加，若进一步增大喷嘴流量，应增大喷嘴孔径才能达到。

图1 显微镜下的水雾颗粒

图2 不同喷嘴孔径不同压力下的流量曲线

3.2 雾化角

文丘里除尘依靠水雾与含尘气流的碰撞凝并形成更大含尘雾粒，喷嘴喷雾雾化角度大小是否覆盖文丘里管道影响其降尘效果。测定两种喷射孔径在不同水泵供水压力情况下喷嘴雾化角，如图3所示。水泵供水压力小时，雾化角较小；水泵供水压力大时，雾化角较大。原因是液体表面张力和粘力，与水所施加的能量对比。当在水泵供水压力为0.6 MPa时，受喷嘴结构的限制，最终喷嘴喷雾雾化角增加缓慢而趋于稳定。依据图3，喷嘴孔径为1.8 mm的雾化角在压力初期变化比喷嘴孔径为1 mm更快，两者的雾化角度都趋于80°。

3.3 喷嘴喷雾雾化直径

喷嘴喷雾粒径的主要受水泵供水压力和喷嘴的自身结构的影响及制约。雾化区的雾粒粒径大小不均，水雾粒大小及均匀程度对凝聚捕集细微粉尘有重要影响。实验结果如图4所示。两种不同孔径的喷嘴在不同压力下的变化情况比较相似，喷嘴喷雾形成的水雾粒径分别为90～145μm及200～265μm。随着水泵供水压力的增加，喷嘴喷雾的平均雾化粒径先是减小，然后趋于稳定。当喷嘴喷雾的供水压力为0.6 MPa时，受到喷嘴结构制约，喷雾射流变化较小，然后大体保持稳定，平均雾化粒径变化很小。原因是喷嘴的供水压力增加，射流作用比气流作用明显，气流作用导致液滴不断破裂成许多微小雾滴。

图3 不同孔径喷嘴不同压力下的雾化角曲线

图4 不同孔径喷嘴雾化粒径与供水压力的曲线

3.4 喷嘴参数综合分析

由于两种孔径喷嘴是属于同一类型喷嘴，两种孔径喷嘴参数情况类似，表现形式相似，仅以喷嘴孔径是1 mm的为例。喷嘴喷雾水量及雾化角度随着喷嘴供水压力的增加而增大，表示喷嘴雾化程度越高。当喷嘴供水压力增至0.6 MPa时雾化角度达到70°，未达到最大值80°；当喷嘴供水压力增至0.6～1 MPa时，雾化流量逐渐增大然后趋于稳定，喷嘴喷雾雾化角度趋于最大值80°，此时水雾对文丘里的收缩管及喉管截面都形成良好的封闭效果。当喷嘴供水压力为0.6～1.0 MPa时，雾化粒径随供水压力增加而逐渐减小；在该压力范围内，孔径为1 mm和1.8 mm，喷嘴的雾粒初速度范围分别为15～20 m/s和18～24 m/s。因此，不考虑喷雾初速度的影响，喷嘴供水压力的最佳值为0.6～1.0 MPa。

3.5 供水方式对比

低阻文丘里耦合振弦栅除尘器进行径向外喷和轴向喷雾下的配置，喉管气速24 m/s，振弦栅数2块，纤维丝间隙 0.8 mm，喷雾量2.4 L/min。在低阻文丘里耦合振弦栅除尘器配置的条件下，测定了6组该除尘器的除尘效率，如图5所示，可以看出径向外喷和轴向喷雾的除尘效率的波动区间分别在100%以内。径向外喷的除尘效率大于轴向喷雾的除尘效率，因此，低阻文丘里耦合振弦栅除尘器最佳供水方式为径向外喷。

图5 低阻文丘里耦合振弦栅除尘器的除尘效率

4 结论

本文进行了低阻文丘里耦合振弦栅除尘器的喷雾各参数的实验研究，得出了喷嘴喷雾最佳供水压力区间为0.6～1.0 MPa，并得到以下结论。

（1）测得1 mm和1.8 mm孔径喷嘴的喷雾雾化粒径范围分别为90～145 μm和200～265 μm，平均水雾粒径随着喷嘴供水压力和喷雾距离的增大而减小。

（2）理想条件下孔径为1 mm和1.8 mm喷嘴喷雾粒的初速度分别随供水压力增大而增加，增大幅度由大到小最终趋于平缓。

（3）在相同参数下对低阻文丘里耦合振弦栅除尘器的效率和系统阻力进行测定，得到除尘效率为径向外喷优于轴向喷雾，系统阻力为径向外喷小于轴向喷雾，最佳供水方式为径向外喷。