4 喷雾除尘系统设计
图4-1 喷雾除尘机理示意图
4.1.2 喷雾形成机理
喷雾形成机理[1]：具有一定压力的水进过喷嘴时，在喷嘴内部喷芯作用下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，在流出喷嘴后发散的水流与空气相作用，由于比较大的相对速度，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，液滴密集分布，形成水雾。喷嘴出口雾化示意图如图4-2所示。
图4-2 喷嘴雾化示意图
4.1.3 喷雾除尘系统
设计喷雾除尘流程图如图4-3所示。
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4 喷雾除尘系统设计
管道
蓄水池 水泵
开关
管 道
管 道
废水池
管 道
管道
管道
废水回收
喷头
粉尘回收
图4-3 喷雾除尘系统流程图
4.2 喷头的设计和选型
4.2.1 喷头介绍
喷嘴的形式多种多样，但液体的雾化过程在物理本质上都是基本相同的。要使液体雾化必须首先将其扩展成很薄的液膜或很细的液流，然后使其在运动中受空气动力的作用，呈现不稳定性，薄膜或射流碎裂成丝条和大的雾滴，最后破碎成小雾滴。喷嘴喷射过程的功能无非是：第一，得到液体与周围介质气体之间的相对运动；第二，让液体通过特定设计的流路展成膜或细射流，流路可以是窄缝、槽或小孔，或通过旋流使液体在喷嘴内表面延展变薄，或由旋杯做高速旋转运动带动液体展成薄膜。通常认为实现液体雾化的最有效途径是提高液体与周围空气之间的相对速度。
一般情况下，相对速度越高，雾滴的平均直径越小。为了获得大的相对速度，一类喷嘴是将液体以较高的速度喷入低速运动或静止的介质中，如压力喷嘴、旋转喷嘴；另一类则是将低速运动的液体置于相对高速运动的气体介质中，如气动雾化喷嘴。下面对目前常用的各型式喷嘴做简单介绍[2]：
（1）压力喷嘴
压力喷嘴将压力转换为流体动能，以形成高速运动的液柱射流或液膜射流，与周围低速的气体介质相遇，液柱或液膜在破碎力与反破碎力作用下破碎，最后完成雾化。各行业所用喷嘴大多属于这种型式，压力喷嘴主要包括有直射喷嘴和离心喷嘴。
直射喷嘴在压差作用下，液体经喷口喷出，在流体动力和表面张力的作用下进行雾化。直射喷嘴喷口直径一般为2~4mm，直径太小易堵塞，过大雾化较差。直射喷嘴的喷射锥角一般在5°～150°之间。雾滴主要分布在喷嘴轴线附近很窄的范围内。直射喷嘴主要用于
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4 喷雾除尘系统设计
柴油发动机，冲压喷气式发动机，喷气发动机的加力燃烧室中。
离心式喷嘴有典型的两种。一种是具有切向进口的离心式喷嘴，液体经过喷嘴壳体上的切向孔进入离心室，然后由孔口喷出。一种是具有旋涡器的离心喷嘴，液体进入螺旋槽，一边旋转一边向下作螺旋线运动，离开喷嘴出口后，液体微团不再受到内壁的约束，因而沿着轴向及切向运动，形成一个锥形薄膜，即所谓喷射锥。喷射锥角一般为60°—120°，此锥形薄膜中心是定的，离开喷嘴愈远，则液膜愈薄，最后分裂成小雾滴。喷嘴压降越大，喷射锥角越大，雾化效果越好。
（2）旋转喷嘴
旋转喷嘴的工作原理是将液体注入一个高速旋转的表面上，借助于离心力将液体均匀地甩出去，液膜破碎，完成雾化。旋转喷嘴雾化效果受粘度的影响不大，有利于粘度大的流体，所以这种系统在重质燃油燃烧的应用上很有潜力。目前，旋转喷嘴主要应用于化工、食品工业的喷雾干燥，喷淋冷却等。
（3）气动喷嘴
气动喷嘴包括空气辅助雾化喷嘴和压气雾化喷嘴，两者的共同工作原理是借助于流动的气体的动能将液柱或液膜吹散，破碎成雾滴。它们的主要差别是所需的空气的来源和速度不同。主要应用于工业锅炉，工业燃气轮机中和一些要求较细雾滴的场合。在气动雾化喷嘴中，当空气以较大的速度和流量喷出，和液体流束相遇时，气体便与液体表面产生冲击和摩擦，使液体表面受到外力的作用。这种外力大于液体的内力(表面张力及粘性力)时，液体流束便会破碎成分散的小雾滴。只要外力大于液体的内力，液体的雾化过程就将继续下去，直到作用在液体表面上的内力和外力达到平衡之后，雾滴将不再破碎，雾化过程便到此结束。气动喷嘴的具体型式有很多，比较典型的有Y型、T型、对冲型等。另外，还有一些喷嘴把这几种型式组合起来，但仍属于气动喷嘴，较典型的有浙江大学热能工程研究所开发的撞击式喷嘴。
（4）气泡雾化喷嘴 在气泡雾化喷嘴中，使用空气作为雾化剂，所采用的方法就是在喷嘴出口前安装一气流管道，管的头部有一定数量的小孔。气体在很低的压力下以很低的速度喷进液体流场中，气液压差仅使液体不回流入气管。液体流过喷口时被气泡挤压成薄膜或小碎片。小气泡从喷口出来之后爆裂，这种爆裂相当于给液膜增加了扰动，促使液膜破碎成更小的雾滴。
（5）静电雾化喷嘴
在静电雾化时，雾滴处于电场中，带有电荷，电荷之间的斥力使得液膜表面积扩大，而液体的表面张力又趋向于使表面积缩小，当电荷间斥力大于液体表面张力时，液膜破碎成小雾滴。静电雾化喷嘴雾化效果非常好，但喷射流量小，只适合用于喷涂，印刷等行业。
4.2.2 扬尘区域和扬尘量
在2.4粉尘浓度特征章节已经说明。由于实际的情况比较复杂，所以假设粉尘扬尘区域为4×4m区域，粉尘污染高度2m。扬尘量为1100mg/s。
4.2.3 喷雾面积和喷雾有效距离计算
虽然粉尘污染区域会比较大，大多粉尘是由于扩散作用，从扬尘区域扩散到污染区域，造成污染区域扩大。由粉尘扬尘区域分析，只需要控制扬尘区域粉尘，扬尘区域的粉尘得到控制，同时粉尘也就无法向外扩散污染。
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4 喷雾除尘系统设计
喷雾区域面积S可以确定为：S?4?4m?16m
喷头设置在卸料口周围距矿料卸落点2.5m，那么喷雾的有效距离应该达到2~2.5m。
224.2.4 喷头选型和个数计算
本设计选用简式旋流喷头[3]，该喷头结构简单、可靠性高、雾化质量好、需要的功率小，目前应用非常广泛。其结构及参数示意图如图4-3所示。
图4-3 旋流喷嘴示意图
在文献[4]中，对喷头的原理、参数、结构、影响因素等有详细的说明。对于一定的大小雾粒其捕集粉尘的最小粒度公式为：
dmin?18??D?? （4-1）
???式中： σ——空气的黏度系数；
D——雾粒的直径； μ——水的粘度； ν——相对速度； ρ——粉尘密度；
资料表明，一般情况下最佳降尘效果的水滴的直径是100μm。一般情况下喷嘴直径、喷雾压力与雾粒直径有一个对应关系，这个关系是一个经验公式：
K1.97?P?1 D? （4-2） 1.26d0?P式中：D——雾粒的直径，μm； K——比例系数，等于34530；
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??4 喷雾除尘系统设计
d0——喷嘴直径，mm； P——水压，kg/cm2；
取喷嘴直径d0=1mm，压力P=7.5Mpa，利用上述经验公式计算可得雾粒直径：
K1.97?P?1D??86.9?m
d0?P1.26在喷嘴直径d0=1mm，压力P=7.5Mpa的情况下，喷射角为80°，喷射距离为5m，喷射有效面积为10m2[4]。实际扬尘面积为16m2，选取喷头个数n=4。
烟尘点粉尘的速度范围比较大，速度大的在10ms左右，甚至更大，雾滴喷出是也具有一定的速度，考虑选取适中值，取雾滴与粉尘的相对速度为：??20m/s。查相关手册，可得在压强为101.325kPa，温度为20℃的条件下时，??17.9?10Pa?s，
?6????1.01?10?3Pa?s，又知ρ=4.8g/cm3，代入公式4-2，可得除尘的最小粒径为：
dmin?18??D???0.02?m
???故理论计算可捕集的最小粉尘颗粒为0.02μm。
4.3 系统排水量的计算
总流量计算公式[5]：
Q?n?q?f （4-3） 式中：Q——喷雾降尘所需要的供水量，m3/h；
n——喷雾个数；
f——喷嘴同时供水的系数，一般取0.6~0.7； q为单个喷嘴的耗水量，m3/h；
取f=0.7，q=15 m3/h[4]，代入公式4-3中，得：
Q?n?q?f?4?0.7?15m3/h?42m3/h
4.4 管道的选择设计
4.4.1 水管道管径的确定
输水管径的大小直接影响管路系统的压头损失。相同流量下，管径小则流速大，压头损失也大；管径大则流速小，压头损失也较小。输水管径计算公式：
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