司馬煤業(yè)有限公司掘進(jìn)機(jī)外噴霧噴嘴霧化特性及降塵性能研究

雒晨輝，黃靖龍，孫世彪，王鵬飛

(1.潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司， 山西 潞安市 046102；2.湖南科技大學(xué) 機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)治市 411201；3.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院， 湖南 湘潭市 411201)

0 引言

我國(guó)95%的煤礦開采是地下開采[1]，隨著采深增加和采掘機(jī)械化水平的不斷提高，礦井生產(chǎn)自然災(zāi)害問題也愈發(fā)突出，尤其是井下作業(yè)區(qū)域粉塵危害嚴(yán)重威脅了礦井的安全生產(chǎn)和礦工身心健康[2]。噴霧降塵是工礦場(chǎng)所最受歡迎的一種粉塵治理技術(shù)[3]，液體由噴嘴噴射到空氣中后，經(jīng)過外部干擾力和水壓力的共同作用，液體破碎成霧滴的過程稱之為霧化[4]。霧化后的液態(tài)霧粒通過碰撞、截留、重力、靜電力、渦流凝結(jié)等綜合作用捕集空氣中的粉塵，從而加重霧滴質(zhì)量加速沉降，以達(dá)到降塵的目的[5]。本文以山西潞安司馬煤礦某綜掘工作面掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，具體研究掘進(jìn)機(jī)外噴霧噴嘴的霧化特性及降塵效率，并確定其最佳工況參數(shù)，為提高綜掘工作面掘進(jìn)機(jī)外噴霧的降塵效率提供科學(xué)指導(dǎo)。

司馬煤礦位于山西省東南部，長(zhǎng)治以南14 km，行政區(qū)劃隸屬長(zhǎng)治市，地形總體呈西南高、北低的趨勢(shì)，相對(duì)高差最大62.26 m。井田面積約為30 km2，可采儲(chǔ)量96.56 Mt。井田開拓采用主立井、副立井和中央回風(fēng)立井，3 個(gè)井筒中央并列式開拓方式。礦井通風(fēng)容易時(shí)期等積孔均大于2 m2，屬于通風(fēng)容易礦井。本文所研究的綜掘工作面寬5.2 m，高3.3 m，采用壓入式通風(fēng)。掘進(jìn)時(shí)使用EBZ160 掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)機(jī)外噴霧為單孔壓力噴嘴。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本文所選用的掘進(jìn)機(jī)外噴霧噴嘴如圖1 所示。該噴嘴霧流形狀為實(shí)心圓錐，噴嘴類型為單孔壓力噴嘴。圖2 為自行開發(fā)設(shè)計(jì)的噴霧降塵試驗(yàn)平臺(tái)布置圖，是一個(gè)包含了可仿真煤礦井下采掘作業(yè)場(chǎng)所產(chǎn)塵、噴霧、通風(fēng)等狀態(tài)的噴霧降塵試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了矩形巷道模型、系統(tǒng)控制柜、儲(chǔ)水箱、輸水管道線路、可調(diào)節(jié)式高壓水泵、馬爾文激光粒度衍射分析儀、氣溶膠發(fā)塵器、數(shù)控風(fēng)機(jī)、開合閥門以及相關(guān)的檢測(cè)儀器。為了方便在巷道內(nèi)部安裝噴嘴、煤塵采樣器的放置以及馬爾文霧滴粒度分析儀與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，巷道測(cè)量段和噴霧段由可自由拆卸的透明有機(jī)玻璃制作，為了保證巷道的密封性，巷道縫隙處均黏附軟體密封塑膠[6]。

圖1 掘進(jìn)機(jī)外噴霧噴嘴示意

圖2 噴嘴降塵性能試驗(yàn)系統(tǒng)示意

1.2 試驗(yàn)方案

對(duì)于該單孔壓力噴嘴，其噴嘴霧化特性與降塵效率的主要影響因素為上游供水壓力。研究表明，噴霧降塵效率與噴嘴霧化特性參數(shù)密切相關(guān)。本次試驗(yàn)分為兩組，一組研究供水壓力對(duì)噴嘴霧化特性的影響，所包括的霧化特性有噴嘴水流量Q、霧化角θ、射程L和霧滴粒徑D[32]。另一組研究不同工況下噴嘴的全塵降塵效率和呼塵降塵效率。根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)考察和實(shí)測(cè)，綜合考慮控塵效果、耗水量及現(xiàn)場(chǎng)條件，共設(shè)置了4 種不同供水壓力P，分別是P=0.5，1.0，1.5，2.0 MPa。

在開展噴嘴霧化特性試驗(yàn)時(shí)，分別采用YY-LED15K4C 型電磁流量計(jì)和DX-801XB00150型數(shù)字式壓力表測(cè)量噴嘴水流量和供水壓力。采用馬爾文霧滴粒度分析儀測(cè)量霧滴粒徑，選擇噴口前方50 cm 中心作為數(shù)據(jù)采集區(qū)域，并以索太爾平均直徑(D[32])作為霧滴粒徑的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

開展噴霧降塵效率試驗(yàn)時(shí)，使用德國(guó)AG420氣溶膠發(fā)塵器發(fā)塵，并用空氣壓縮機(jī)提供的壓縮空氣作為輸送動(dòng)力，輸送氣壓為0.2 MPa。將粉塵由巷道入口送入，模擬煤礦采掘作業(yè)場(chǎng)所產(chǎn)塵，氣溶膠發(fā)塵器的發(fā)塵量設(shè)置為15 g/min，通過對(duì)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，將試驗(yàn)巷道模型內(nèi)風(fēng)速穩(wěn)定為1.0 m/s。在模型巷道噴霧前測(cè)量段與噴霧后測(cè)量段內(nèi)分別布置FCC-25 型防爆粉塵采樣器各1 臺(tái)，對(duì)不同工況條件下的兩區(qū)域的粉塵進(jìn)行采樣，粉塵采樣器的單次采樣時(shí)間為2 min，吸入空氣流量為15 L/min。為保證試驗(yàn)誤差最小，兩測(cè)塵點(diǎn)在同一時(shí)間采樣，每個(gè)供水壓力連續(xù)采樣4 次并對(duì)采樣結(jié)果取平均值。煤塵采集結(jié)束后使用電子分析天平對(duì)采樣前后粉塵濾膜稱重，從而計(jì)算出全塵效率和呼塵效率。降塵試驗(yàn)選用從綜掘工作面現(xiàn)場(chǎng)所采集的煤塊，將煤塊破碎后使用150 目的工業(yè)篩網(wǎng)通過機(jī)械振動(dòng)篩出粒徑小于106 μm 的煤粉，粉塵粒徑分布見圖3，從圖3 的累計(jì)體積分?jǐn)?shù)曲線可以看出，試驗(yàn)所采用的煤粉呼吸性粉塵占比約為23%。

圖3 作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)粉塵粒徑分布

2 噴嘴霧化特性分析

2.1 噴嘴水流量

為了直觀地觀察出噴嘴水流量隨供水壓力的變化規(guī)律，不同供水壓力的水流量與供水壓力關(guān)系如圖4 所示。由圖4 可知，在該噴嘴出口直徑及結(jié)構(gòu)一定的情況下，噴嘴的水流量隨著供水壓力的增大而增大，當(dāng)供水壓力增大時(shí)，提高了液體的湍流強(qiáng)度及液體流速，有利于增大噴嘴出水流量。而且供水壓力為0.5～1.0 MPa 時(shí)，水流量變化較大；而供水壓力為1.0～1.5 MPa 時(shí)，水流量變化最小；為1.5～2.0 MPa 時(shí)，水流量變化最小。

圖4 噴嘴水流量與供水壓力關(guān)系

2.2 噴嘴霧化角

霧化角是指通過高壓泵將噴射液加壓至一定壓力值，從而使液體從噴嘴噴出而形成近似圓錐形的霧場(chǎng)，霧化角大小是評(píng)價(jià)霧化質(zhì)量的參數(shù)之一。本研究中噴霧霧化角測(cè)量采用德國(guó)高速攝像儀分別間隔3 s 對(duì)其進(jìn)行拍照，為了保證測(cè)量結(jié)果真實(shí)可用，在同一個(gè)供水壓力下，拍攝3 張樣本照片，然后用專業(yè)圖像處理分析軟件Image-Pro Plus 6.0得到噴嘴霧化角，并取3 個(gè)霧化角中的平均值。試驗(yàn)測(cè)得不同供水壓力的噴嘴霧化角，為了展示不同壓力的實(shí)測(cè)霧化角照片，供水壓力P為0.5～2.0 MPa 時(shí)的霧化角照片如圖5 所示。噴嘴效果圖表明噴霧為實(shí)心圓錐形放射狀噴射，霧化角較大。

圖5 噴嘴霧化角示意

為了更直觀地觀察出噴嘴霧化角隨噴嘴直徑和供水壓力的變化規(guī)律，繪制出不同供水壓力的霧化角圖如圖6 所示。由圖6 可知，噴嘴的霧化角隨著供水壓力的增大而增大，當(dāng)供水壓力增大時(shí)，噴嘴流量不斷增大，提高了液體的湍流強(qiáng)度，有利于增大噴嘴出口霧化角。當(dāng)供水壓力從0.5 MPa 增長(zhǎng)至1.0 MPa 時(shí)，霧化角變化較為明顯，增幅為3.7°；當(dāng)供水壓力在1.0～2.0 MPa 之間變化時(shí)，噴嘴霧化角增長(zhǎng)較為平緩，平均增幅約為0.23°。

圖6 霧化角與水壓關(guān)系

2.3 噴嘴射程

噴霧是將液體在壓力沖擊作用下，使其破碎成微細(xì)液滴并散布于空氣中的過程，其作用范圍如圖7 所示。根據(jù)壓力噴嘴霧場(chǎng)特性，可將水平噴射霧流分為擴(kuò)散段S1、直射段S2和衰減段S3。從圖7中可以看出，噴嘴出口附近區(qū)域霧滴濃度高且霧滴變化劇烈，衰減段內(nèi)霧流形狀不規(guī)則，霧滴分布受重力影響嚴(yán)重。

圖7 水平噴射霧流

噴霧降塵過程中，噴霧射程是影響降塵效率的重要因素，噴霧射程越大，作用范圍更廣，增加了粉塵與霧滴的碰撞接觸概率，更有利于提高降塵效率。根據(jù)試驗(yàn)方案，開展噴嘴霧化特性試驗(yàn)，測(cè)量出噴嘴射程，圖8 為噴嘴射程試驗(yàn)結(jié)果。由圖8 可知，噴嘴射程隨供水壓力的增大表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，其增長(zhǎng)幅度逐漸減小。隨著進(jìn)水壓力的增大，噴嘴內(nèi)部流速也不斷增加，且于噴嘴內(nèi)部及出口橫截面積不變，水流量也會(huì)持續(xù)增大，使噴嘴射程不斷增加。

圖8 噴嘴射程與水壓關(guān)系

2.4 噴嘴霧滴粒徑

本次試驗(yàn)采用的測(cè)量?jī)x器為馬爾文激光粒度衍射分析儀，根據(jù)試驗(yàn)方案，設(shè)置水壓為0.5～2.0 MPa，測(cè)出4 個(gè)水壓下噴霧霧滴粒徑參數(shù)，圖9 為霧滴粒徑分布實(shí)測(cè)結(jié)果。從圖9 可知，隨著供水壓力提高，粒徑較大的霧滴在逐漸減小，表明供水壓力增大促進(jìn)了噴霧的霧化效果。當(dāng)供水壓力P為0.5 MPa 時(shí)，大多數(shù)霧滴的粒徑均在1000 μm 左右。利用粒徑分析儀的統(tǒng)計(jì)功能可知，此時(shí)D[90]=716.5 μm，表明該壓力下有90%以上的霧滴粒徑在716.5 μm 以上。隨著供水壓力P逐漸增大，其粒徑分布變化較大。當(dāng)供水壓力P為1.0 MPa 時(shí)，其D[90]和D[50]分別為701.6 μm 和634.4 μm；當(dāng)供水壓力繼續(xù)增大到1.5 MPa 時(shí)，其D[50]前兩種工況下降約6 倍，具體數(shù)值為107.1 μm，該工況下的霧化效果大大提高；當(dāng)供水壓力P為2.0 MPa 時(shí)，可知其D[50]=108.8 μm，此時(shí)粒徑和霧化效果幾乎沒有變化。

圖9 不同供水壓力下的霧滴粒徑分布

霧滴粒徑是評(píng)價(jià)霧化質(zhì)量的重要指標(biāo)，由于破碎后的液滴形狀大小并不均一，一般采用霧滴整體的平均直徑表示噴霧霧滴粒徑大小。目前，有多種液滴平均粒徑的計(jì)算方法，常用的是質(zhì)量中間直徑（D50）和索太爾平均直徑（D[32]），本文采用D[32]作為霧滴細(xì)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖9 表明，在供水壓力逐漸增大的情況下，霧滴粒徑D[32]在不斷減小。其中，在供水壓力在0.5～1.5 MPa 變化時(shí)，霧滴減小幅度最大，此時(shí)供水壓力對(duì)霧滴粒徑的影響顯著；隨著供水壓力繼續(xù)增大，霧滴粒徑減小的幅度在降低，表明此時(shí)供水壓力不是影響霧滴粒徑大小的主要因素，而是噴嘴的本身結(jié)構(gòu)限制了霧滴粒徑減小。

2.5 噴嘴降塵效率

通過改變噴嘴的供水壓力，研究其對(duì)噴嘴降塵效率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1 中可以發(fā)現(xiàn)，由于巷道入口的發(fā)塵量和巷道內(nèi)風(fēng)速不變，不同供水壓力下噴霧段前粉塵濃度較為穩(wěn)定，且所采集粉塵樣本中呼塵量約占全塵的23%左右。噴嘴降塵效率隨供水壓力增加呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)楣┧畨毫υ黾訒?huì)導(dǎo)致噴嘴霧化特性發(fā)生改變：水流量增大使得噴霧濃度高，有利于提高粉塵與霧滴的碰撞概率，增加了粉塵的濕潤(rùn)程度有利于粉塵的重力沉降；霧化角增大了粉塵與霧滴的碰撞概率和噴霧覆蓋巷道截面的面積；噴霧射程大增加了噴霧的作用距離；霧滴粒徑小更有利于粉塵與霧滴碰撞結(jié)合，促進(jìn)噴嘴降塵效率增大。當(dāng)供水壓力為0.5～1.5 MPa 遞增時(shí)，全塵降塵效率提高較大；當(dāng)供水壓力在1.5～2.0 MPa 之間變化時(shí)，全塵降塵效率變化并不明顯，這與噴嘴霧化特性的變化規(guī)律相一致。呼塵的降塵效率變化與全塵大致相同，其不同點(diǎn)在于當(dāng)供水壓力由1.5 MPa 上升到2.0 MPa 時(shí)，噴嘴的呼塵效率反而下降了2.78 個(gè)百分點(diǎn)。這表示從呼塵防控角度考慮，在實(shí)際應(yīng)用中噴嘴的供水壓力不應(yīng)大于1.5 MPa。

表1 不同供水壓力下測(cè)量段內(nèi)粉塵濃度與噴嘴降塵效率

3 結(jié)論

本研究通過自主設(shè)計(jì)的噴霧降塵試驗(yàn)平臺(tái)，研究了供水壓力對(duì)山西潞安司馬煤礦綜掘工作面掘進(jìn)機(jī)外噴霧噴嘴的霧化特性及其降塵效率的影響，并得出以下結(jié)論。

（1）測(cè)試噴嘴的水流量和霧化角均隨著供水壓力的增大而增大，且不同壓力范圍內(nèi)水流量變化幅度不同。供水壓力為0.5～1.0 MPa 時(shí)，水流量和霧化角增速較大；當(dāng)供水壓力逐漸增加到1.5 MPa時(shí)水流量和霧化角變化幅度逐漸放緩，繼續(xù)增加供水壓力，二者幾乎不變。供水壓力每增加0.5 MPa，水流量和霧化角最大增幅分別為7.98 L/min 和0.4°。噴嘴射程隨供水壓力的增大表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，其增長(zhǎng)幅度逐漸減小。供水壓力增大時(shí)，噴嘴內(nèi)部液體流速也不斷增加，由于噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)及出口橫截面積不變，使得噴嘴射程不斷增加。

（2）隨著供水壓力的增大，霧滴粒徑逐漸減小，霧滴粒徑大小約100 μm，且一直存在較多接近1000 μm 的霧滴。在供水壓力0.5～1.5 MPa 變化時(shí)，霧滴減小幅度最大，此時(shí)供水壓力對(duì)霧滴粒徑的影響顯著；隨著供水壓力繼續(xù)增大至2.0 MPa，霧滴粒徑減小的幅度在降低，表明此時(shí)供水壓力不是影響霧滴粒徑大小的主要因素，而是噴嘴的本身結(jié)構(gòu)限制了霧滴粒徑減小。

（3）噴嘴降塵效率隨供水壓力增加表現(xiàn)出逐漸增大的規(guī)律，這與其霧化特性的變化規(guī)律相匹配。當(dāng)供水壓力在0.5～1.5 MPa 范圍內(nèi)變化時(shí)，噴嘴全塵和呼塵的降塵效率顯著增加；隨著供水壓力繼續(xù)增大至2.0 MPa，此時(shí)全塵效率幾乎不變，呼塵效率降低2.78 個(gè)百分點(diǎn)。

（4）綜合考慮噴嘴的降塵效率及礦井經(jīng)濟(jì)效益等因素，對(duì)于山西潞安司馬煤礦綜掘工作面當(dāng)前采用的掘進(jìn)機(jī)外噴霧噴嘴，其供水壓力控制在1.5 MPa 時(shí)較為合理。此時(shí)既能最大程度降低水泵耗能，又能達(dá)到較高的降塵效率。