赵乾坤，任万兴，2，石晶泰(.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 226；2.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州 226)

氮气阻化细水雾雾化特性研究

赵乾坤1，任万兴1，2，石晶泰1
(1.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州 221116)

汽雾阻化是使阻化液雾化后进入采空区阻止煤氧化、防止采空区煤炭自然发火的技术。针对现有雾化技术喷嘴易堵塞、动力不足及雾化量有限的缺点和不足，构建新型雾化实验系统，通过理论和实验分析，对雾化参数进行研究。结果表明：①气体流量和气体压力，水流量和水压基本为线性关系，且不同初始设定压力下变化趋势相似；②不同初始压力下，细水雾的粒径随气体流量的增大而减小，细水雾的粒径随气体压力、水流量和水压的增大而增大；③在初始压力P一定条件下，雾化装置存在雾化的临界气压和水压，当水流量水压很小时，水压不足以克服喉管处气体压力进入雾化装置雾化，细水雾产雾量为0的压力值并非其临界压力，氮气阻化细水雾临界水压要高于正常产雾情况下的最低水压。本文研究成果将丰富细水雾防灭火方面的理论和实验研究，推动氮气阻化细水雾在煤矿防灭火领域的应用。

汽雾阻化；雾化特性；粒度

汽雾阻化是把阻化液雾化后在漏风风流的作用下进入采空区阻止煤氧化进而防治采空区煤炭自然发火的一种技术。阻化汽雾的作用主要体现在：一是增加漏风风流中的水分，降低采空区和煤体的温度；二是气雾附着在煤体上，会在其表面形成阻化液膜，增加了煤体的外在水分，抑制煤的氧化[1-4]。虽然该技术已得到广泛的应用，但是仍然存在一些缺点。一是该技术通常利用微孔喷嘴在高压驱动的条件下产雾，由于井下水质较差且阻化液容易腐蚀管路或阻化液箱，造成喷嘴容易堵塞；二是汽雾仅靠漏风带入采空区，动力不足，水雾扩散范围有限；三是雾化量有限，针对火势发展迅速或者已封闭的火区，该技术提供的汽雾量难以满足灭火降温的要求[5-8]。

针对以上不足，本文开展了氮气阻化细水雾雾化特性研究。首先在实验室构建了由水泵、空压机、流量计等设备组成的氮气细水雾的制备与实验系统，然后通过理论和实验分析，进行雾化参数等实验研究，本文研究对丰富氮气阻化细水雾技术在煤矿防灭火领域的理论和实验研究，提高矿井内外因防灭火效果，扩大细水雾的应用领域都具有重要的意义。

1 氮气阻化细水雾实验系统设计

氮气阻化细水雾雾化特性关键参数为细水雾的粒度分布，为了实现对细水雾粒度的实时测量，本文研究建立了细水雾雾化特性研究实验系统，氮气阻化细水雾动力主要来源于高压氮气，由于空气中78%为氮气，为了实验系统更加简洁方便，直接采用高压空气作为氮气阻化细水雾的动力，研究氮气阻化细水雾雾化特性。

实验系统由空气压(氮气)缩机、气体流量计、气体压力表、细水雾发生装置，储水罐、水泵、水压表以及液体流量计等部件组成，制备系统如图1所示。

图1 氮气阻化细水雾实验系统

实验区氮气阻化细水雾测试部分采用分体式激光粒度分析仪实时在线测量系统产生细水雾的粒度分布。

2 氮气阻化细水雾粒度分布的实验研究

本实验旨在研究氮气阻化细水雾雾化程度在水和气各种参数变化下的规律，实验选取雾化粒度分布作为主要雾化特征参数，研究入口气体压力和流量以及水流量和水压对氮气阻化细水雾的影响规律。为了研究氮气阻化细水雾雾化粒度分布这一关键参数，根据图2所示实验设备布置，采用控制变量的方式分别测得气、液特征参数的变化以及细水雾在喷嘴出口处1 m处的粒度分布。

图2 实验设备布置图

使用inne318c激光粒度分析仪对所得数据进行分析，由于winner328c仪器测量精度较高，实验用气压表、水压表以及流量计等测量仪器精度有限，为了试验数据的记录和后期处理的方便，在实验精度允许条件下粒径精度精确到个位数。

2.1 雾化粒径以及气、水特征参数之间的相互关系

2.1.1 气、水特征参数之间的关系

从图3和图4可以看出，气体流量和气体压力，水流量和水压基本为线性关系，且不同初始设定压力下变化趋势相似。气体流量升高气体压力有规律的下降，水流量升高水压有规律下降。这是由于在初始压力不变条件下(调压阀阀门不变)，水流量和水压增大导致雾化装置喉管处气体压力与水压的压差减小，相应的气体流量减小，气体流量减小情况下在初始调压阀阀门不变情况下气压就会上升。由于雾化装置以及实验管路尺寸并没有变化，所以流量的变化带来的是相应断面处流体流速的变化，所以变化关系基本呈线性变化。

2.1.2 不同初始气压对细水雾雾化粒径的影响

初始压力越高，相同流量条件下细水雾的粒径越小，这是由于初始压力较大喉管处气体气体压力就较大，雾化效果越充分。从图5中可以看出，压力增大到一定程度时，细水雾粒径的变化幅度越来愈小，所以气体初始压力越大细水雾粒径越小，但是并不是初始压力越大越好，压力增大到0.1 MPa以上时细水雾粒径变化非常小。

这说明一定流量的液体雾化需要一定能量，当雾化装置内压缩空气的流量足够提供一定流量的液柱雾化所需能量时雾化后粒径基本差别不大，含有大量雾化剩余能量的压缩空气通过喷头喷射到外界空气中用于水雾的二次和三次雾化以及水雾动能的增加。所以，根据实验结果，本实验装置雾化所需初始气体压力大于0.1 MPa即可，水流量不超过600 L/h时其雾化效果非常好。

图3 气体流量与气体压力的关系

图4 水流量与水压的关系

2.1.3 不同初始气压下细水雾雾化粒径与气体流量之间的关系

不同初始压力下，细水雾的粒径随气体流量的增大而减小，由于氮气阻化细水雾其雾化机理是利用高压气体撞击液柱产生细水雾，因此在装置管路尺寸不变的条件下气体流量越大其雾化效果越好，通过图6中也可以看出，当气体流量在0.2～0.4 m3/min之间变化时细水雾粒径变化不大，当气体流量低于0.2 m3/min时，细水雾粒径变化趋势非常大，基本属于一个突然增大的趋势，通过V50和V99的值可以看出得当气体流量低0.2 m3/min时，两者差值变大，水雾雾化不均匀。这是由于气体流量接近或者低于临界流量时，雾化装置喉管处气体所具有的动能并不能充分雾化水柱，大量未雾化的液柱通过喷头喷出，所以其雾化粒径非常不均匀。从图中可以看出，本实验雾化装置随着初始气压增大，其雾化零界流量也会增大，当初始气压取0.1 MPa时，气体流量取0.04 m3/min其雾化效果最好。

图5 进水流量为200 L/h时不同初始压力下细水雾的粒径

图6 细水雾粒径与气体流量的关系

2.1.4 不同初始气压下细水雾雾化粒径与气体压力之间的关系

不同初始压力下，细水雾的粒径随气体压力的增大而增大，气体压力对细水雾粒径的影响关系与气体流量相反，在初始压力一定条件下，流量的减小压力就会增大，见图7。不同初始压力条件下细水雾粒径的变化趋势基本相同。

图7 细水雾粒径与气体压力的关系

2.1.5 不同初始气压下细水雾雾化粒径与水的流量之间的关系

不同初始压力下，细水雾的粒径随水流量的增大而增大，水流量增大情况下，其雾化所需能量就越大，需要的气体流量也就越大，所以当气体流量不增大的情况下水流量的增大必然会导致雾化后水雾粒径的增加，从图8中可以看出，当水流量超过500 L/h以后，这种变化幅度急剧升高。

2.1.6 不同初始气压下细水雾雾化粒径与水压之间的关系

不同初始压力下，细水雾的粒径随水压的增大而增大，水压的影响规律与水流量相似，因为水流量增大，管径尺寸不变情况下水压也会变大，通过图9中可以发现，存在一个临界水压，当压力大于临界水压时才会产生细水雾。

2.1.7 雾化装置最佳工作工况参数

由前面的分析可知，本实验的雾化装置在在不同初始压力下其雾化特性与进水特征参数的变化规律基本相同，初始进气压力在超过0.13 MPa以后雾化的最小粒径随气压增大变化很小，所以雾化装置的进气压力在0.1～0.13 MPa之间，进水流量在300～550 L/min之间均能产生粒度分布均匀，粒径较小，扩散性能较好的细水雾，所以实验雾化装置的最佳工作工况参数为进气压力在0.1～0.13 MPa之间，进水流量在300～550 L/min区间内。

2.2 雾化粒径沿喷射轴线上的分布规律

为了揭示氮气阻化细水雾在水雾轴向上的分布规律，研究选取初始压力0.1 MPa下，水流量为300 L/m3的条件下产生的细水雾，研究水雾距离喷嘴不同距离处的粒径分布情况。实验结果如图10所示。

从图10中可以看出，细水雾在离开雾化装置喷嘴后，其V99和V50的值均随距喷嘴距离的增加而减小，并且达到一定距离以后粒径大小几乎不变，通过前面的射流理论可知，距离喷嘴较近的地方处于射流初始段，该段中轴向速度比较大，紊掺作用较弱，所以除了射流中心线附近的水雾得到较好的雾化外，射流边缘处的水雾雾化并不好，当距离超过在5～20 cm之间时，V99值急剧减小，这是由于此时处于混合区，纵向的紊掺运动使射流外边缘水雾得到二次雾化，当距离超过50 cm以后，二次雾化基本完成，水雾粒径变化幅度减小。喷嘴出口处的水雾粒径大多数在100 μm左右，通过对比V99和V50可以看出，两者初始阶段差值很大，说明此时水雾雾化不均匀，水雾中有大量粒径很大的颗粒，随着水雾距离喷嘴越来越远，在据喷嘴20 cm以后，这种差值急剧减小，水雾粒径分布变的均匀，而随着水雾距离喷嘴进一步变远，两者差值不断减小且慢慢固定不变。所以，氮气阻化细水雾雾化装置内部只是雾化了部分液柱，这也解释了实验中水雾的二次雾化出现的鳞状波纹现象。

图8 细水雾粒径与水流量的关系

图9 细水雾粒径与水压的关系

2.3 雾化临界条件

由图3可知，在初始压力P一定条件下，气压和气体流量，水压和水流量之间存在线性关系，当水流量水压很小时，水压不足以克服喉管处气体压力进入雾化装置雾化。同样，当水压过高时，由于初始气压P一定，水压过高，气体气压不足以进入雾化装置使雾化装置内液柱雾化。根据细水雾的定义，在最小的喷头设计工作压力情况下，在距离水雾碰头出口处1m的横向断面上，细水雾在该断面的雾滴直径DV0.99不大于1 000 μm[9]。实验中，当V99大于1 000 μm时，则认为雾化装置产生的不是细水雾。试验中发现，氮气阻化细水雾产雾量为0的压力并非其临界压力，如当初始气压P=0.05 MPa时，当水压增加到0.05 MPa时并没有细水雾产生，当压力稍微增加一点，此时就会产生细水雾，保持进水阀门不动时水压会有一个简短的下降，最终稳定在0.04 MPa，并且此时能够稳定产生细水雾。说明氮气阻化细水雾临界水压要高于正常产雾情况下的最低水压。图11是实验实测的实验装置的产雾临界压力。

所以，进气和进水压力落在两条临界线之间就可以产生细水雾。

图10 细水雾粒径与距喷嘴距离关系

图11 雾化装置临界压力

关于气体流量对细水雾雾化的影响，实验中发现由前面的理论章节知识可知，假设气体为不可压缩流体，那么喉管处气体流速V可用下式表示。

实验所用的雾化装置喉管处直径为10 mm，所以喉管处气体流速可以表示为：V=12732.77Q2。

实验中，当气体流量小于0.045 m3/min时，喷头处基本没有水雾产生，这个流量带入上式可以得到V=34 m/s，这与理论部分计算的临界速度26 m/s差别不大。

3 结 论

本文研究了细水雾的雾化特性以及水雾粒度与气体流量、压力以及水压和流量之间的关系，分析了细水雾沿喷嘴轴向的粒径分布规律，得到如下研究结论。

1)气体流量和气体压力，水流量和水压基本为线性关系，且不同初始设定压力下变化趋势相似。气体流量升高气体压力有规律的下降，水流量升高水压有规律下降。初始压力越高，相同流量条件下细水雾的粒径越小，气体初始压力越大细水雾粒径越小，但是并不是初始压力越大越好，压力增大到0.1 MPa以上时细水雾粒径变化非常小。

2)不同初始压力下，细水雾的粒径随气体流量的增大而减小，细水雾的粒径随气体压力、水流量和水压的增大而增大，气体流量取0.04 m3/min时雾化效果最好，当水流量超过500 L/h后，细水雾粒径迅速变大。细水雾在喷嘴轴向上，其V99和V50的值均随距喷嘴距离的变源而减小，当距离超过50 cm以后，二次雾化基本完成，水雾粒径变化幅度减小。实验雾化装置最佳工作工况参数为进气压力在0.1～0.13 MPa之间，进水流量在300～550 L/min区间内。

3)在初始压力P一定条件下，雾化装置存在雾化的临界气压和水压，当水流量水压很小时，水压不足以克服喉管处气体压力进入雾化装置雾化，细水雾产雾量为0的压力值并非临界压力，氮气阻化细水雾临界水压要高于正常产雾情况下的最低水压。实验拟合了产雾临界气压和临界水压曲线。

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Experimental study on atomization parameter of inhibited water mist with nitrogen

ZHAO Qiankun1，REN Wanxing1，2，SHI Jingtai1
(1.Faculty of Safety Engineering，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China；2.Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China)

The technology of mist retarder preventing is used extensively for the prevention of coal self-ignition with the inhibited water mist with nitrogen passes into coal mined-out area.Aiming to the easily blocking of atomizing nozzles，underpowered and limited atomization quantity，a new experimental system of inhibited water mist with nitrogen is built to study atomization parameters through theoretical and experimental analysis.The results show that：①the flow and pressure of gas have linear relationship，which is same to the fluid，and the change trend at different initial setting pressure is similar；② under different initial pressure，the water mist particle size decreases with the increase of gas flow and increase with the increase of gas pressure，water flow and water pressure；③the critical pressure and water gage of atomization device exists when the initial pressure P under certain conditions，the fluid won’t atomised for the water pressure is not enough to overcome the gas pressure of the throat when the water pressure is very small，the pressure value is not the critical pressure when the fog saturation of water mist is 0，the critical pressure of inhibited water mist with nitrogen is higher than the minimum water pressure under normal atomization.The research results will provide a new technical means for mine fire control，and promote the development and application of inhibited water mist with nitrogen in the fire prevention and control technology.

mist retarder；atomization characteristics；particle size

2017-03-05 责任编辑：宋菲

国家自然科学基金项目资助(编号：51374202)

赵乾坤(1993-)，男，硕士研究生，主要从事矿井通风与防灭火研究，E-mail：18337161618@163.com。

任万兴(1980-)，男，河南封丘人，副教授，博士生导师，E-mail：rwxcom@163.com。

TD75+2.1

A

1004-4051(2017)08-0154-06