张天超音速汲水虹吸气动雾化降尘技术

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　　创新点
　　（1）本文在对可压缩气体管内跨音速流动流场特性规律的前期研究基础上、结合超音速横向射流雾化理论，提出了超音速汲水虹吸式气动雾化技术，研发了相应的雾化装置。
　　（2）本文采用实验和数值模拟方法研究得到了不同开口锥度超音速汲水虹吸式气动雾化装置在不同气动压力下的雾化和喷雾降尘特性，揭示了其喷雾降尘机理。
　　（3）本文依据超音速汲水虹吸式气动雾化装置的雾化和喷雾降尘特性，在煤矿井下回风巷构建了全断面超音速汲水虹吸雾幕降尘系统，应用后降尘效果良好。
　　超音速汲水虹吸气动雾化降尘技术
　　作者：张天1,2，荆德吉1,2，葛少成3，王继仁1,2，任帅帅1,2，孟祥曦1,2
　　单位：1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院；2.矿山热动力灾害与防治教育部重点试验室；3.太原理工大学 安全与应急管理工程学院
　　背 景
　　粉尘污染是煤矿行业的重要灾害之一，空气动力学粒径在7.07μm以下的呼吸性粉尘可经呼吸作用进入人体，严重危害矿山工作人员的健康。目前，微米级喷雾降尘方式是控制此类粉尘最有效且成本低廉的方法，但由于雾滴与粉尘的尺寸越接近，二者碰撞概率越大，往往需要喷雾降尘技术达到更高的雾化效率。
　　目前国内外对提高雾化降尘效率的研究很多，但对超音速雾化降尘技术的研究很少，尤其是根据管内超音速流动特性对液相离散方式、结构参数的改进和优化研究仍为空白。为此，提出超音速汲水虹吸气动雾化降尘技术，优化设计装置并研究其雾化控尘和现场适用特性。
　　摘 要
　　长期以来，煤炭行业受到高质量浓度呼吸性粉尘危害严重，常规湿式除尘方法针对性不足、捕集效率低、能耗高、可靠性差。为解决该问题，提出超音速汲水虹吸式气动喷雾降尘技术，并采用夫琅禾费衍射原理，测定其外雾场粒径分布；采用计算流体力学有限元方法，利用COMSOL软件Spalart-Allmaras与液滴破碎雾化粒子追踪模块模拟研究了试验手段无法获得的喷管出口0 30 cm处的近场雾滴粒径、雾场速度分布特性。
　　通过与超声波干雾抑尘技术的控尘对比试验，得出该技术的控尘特性、控尘机理；通过试验研究得到了不同工况参数、喷嘴出口锥度对雾化能耗和降尘速率的影响规律，研究结果表明：
　　所设计雾化降尘装置，在低至0.2 MPa的气动压力下，达到负压汲水虹吸的微米级、高动力雾化效果。在气动压力为0.6 MPa时，雾场粒径分布范围为1.00 21.87 μm，喷嘴近场区域雾滴粒径10 μm以下的数量浓度占百微米以下的90%，5 μm以下的占80%；雾滴速度快、射程远，雾滴速度160m/s以上的数量浓度占50%，50 m/s以上的占99%。
　　耗气量与耗水量低，不同工况、开口锥度时，均随气动压力的增加而增大；喷雾角在60 95 内，随喷嘴锥角的增大先增大后减小。降尘速率为超声波干雾抑尘方式的1.5倍，并随雾滴数量浓度、速度的增大而增加，瞬时效率提高了2% 26%；相同降尘效率时，采样滤膜上PM10以下粉尘占比减小24%；隔尘效果提高了10%。在敏东一矿06回风巷应用后，受到中心风速为0.86 m/s的风流扰动，依旧能将之穿透并覆盖全断面，对呼吸性粉尘的降尘效率达到了88.8%以上，证明该雾化系统可达到低湿、节水和高效的控尘效果。
　　图 片
　　超音速流场横向射流雾化机理
　　拉瓦尔喷管内跨音速流动原理
　　拉瓦尔喷管内部流动特性分布
　　超音速汲水虹吸气动雾化装置结构与雾化机理
　　超音速汲水虹吸气动雾化效果
　　雾滴粒径V50测试结果
　　网格划分与轴向网格细化
　　近场雾滴速度大小三维分布
　　雾滴速度与数量浓度关系统计
　　百微米下雾滴粒径分布数量浓度统计
　　汲水防堵稳定性试验流程
　　控尘试验平台
　　不同出口锥度喷头的雾化角
　　2种喷头总能耗对比折线示意
　　超音速汲水虹吸雾化降尘机理
　　全断面超音速汲水虹吸雾幕效果
　　作者简介
　　张天，男，1992年8月26日生，辽宁阜新人，工学博士，硕士生副导师，辽宁工程技术大学安全科学与工程学院讲师，辽宁工程技术大学首批＂双一流＂学科建设创新团队成员，中国职业安全健康协会通风安全与健康专业委员会青年委员，国家卫生健康委职业卫生研究中心工程防护实训基地研究员。参与国家自然科学基金、辽宁省自然科学基金、辽宁省教育厅基金等纵向课题研究7项，参与企业委托横向项目7项。发表学术论文10余篇，其中SCI、EI检索6篇，授权发明专利3项。
　　研究方向
　　职业安全与健康工程、矿井通风与粉尘防治
　　主要成果
　　致力于超音速同轴气动雾化喷雾、气动旋射流喷雾、螺旋气动喷雾、水雾感应荷电、负压卷吸雾幕、磁化及化学等技术及其控降尘机理与应用的研究。提出了超音速汲水虹吸气动雾化、超音速同轴气动雾化、超音速气旋动射流、超音速气动螺旋、水雾感应荷电等喷雾降尘技术，研发了相应的雾化装置、构建了相应的喷雾降尘系统，在煤矿井下、选煤厂应用效果良好。
　　来源：
　　张天，荆德吉，葛少成，等．超音速汲水虹吸气动雾化降尘技术[J]．煤炭学报，2021，46(12)：3912-3921.
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