煤礦井下噴霧降塵噴嘴直徑對除塵效果的影響實驗分析

張 靜

（晉能控股煤業(yè)集團四臺礦，山西 大同 037001）

引言

煤礦的開采過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，特別是現(xiàn)代機械化開采作業(yè)的應(yīng)用，使得工作面的粉塵濃度較大，對煤礦的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重的隱患，且容易對井下作業(yè)人員的生命健康造成威脅。粉塵不利于開采工作的持續(xù)進行，采用一定的除塵措施是進行煤礦生產(chǎn)必需的作業(yè)內(nèi)容。通過向開采工作面噴射霧滴的形式進行噴霧除塵[1]，是除塵效果較好的物理除塵方式，且在其他多種施工中也具有廣泛的應(yīng)用。對于噴霧降塵的理論研究相對不足，特別是對噴嘴的直徑對除塵效果產(chǎn)生的影響[2]，也缺少相應(yīng)的理論分析，采用實驗測試的形式對噴嘴直徑對除塵產(chǎn)生的效果進行分析[3]，從而為煤礦的除塵設(shè)計應(yīng)用提供參考，降低工作面的粉塵濃度，提高煤礦的安全性。

1 噴霧降塵實驗測試系統(tǒng)的構(gòu)建

噴霧降塵是通過向工作面含塵空氣中噴灑霧滴，使噴出的霧滴與粉塵發(fā)生碰撞、截留、靜電等作用，從而實現(xiàn)降塵的目的。對噴嘴的直徑所引起的降塵效果的不同進行實驗分析，首先進行實驗測試系統(tǒng)的構(gòu)建[4]。依據(jù)噴霧降塵的原理及巷道工作面的除塵布置，建立降塵實驗測試系統(tǒng)如圖1 所示。系統(tǒng)中采用干粉氣溶膠擴散器作為發(fā)塵器，并由粒度分析儀、粉塵濃度測定儀、采樣器及噴霧系統(tǒng)等組成，通過噴霧高壓泵外接自來水形成除塵噴霧。采用煤粉作為粉塵介質(zhì)[5]，氣溶膠擴散器向系統(tǒng)中輸送煤粉形成氣溶膠顆粒進行除塵測試。發(fā)塵器在一定范圍內(nèi)可以進行輸出范圍的調(diào)節(jié)，從而可以控制粉塵的濃度[6]。

圖1 噴霧降塵實驗測試系統(tǒng)示意圖

對霧化除塵的效果進行評價，采用粉塵濃度測定儀進行數(shù)據(jù)的測量，測定儀采用中央處理器進行現(xiàn)場粉塵濃度的檢測及數(shù)據(jù)的直接讀取，實現(xiàn)恒流量的取樣測試，測試的濃度值準(zhǔn)確可靠。測定儀對粉塵濃度的測量范圍為0～1 g/m3，測量的誤差值小于10%，可對呼吸性粉塵及全塵進行采樣測量[7]，采樣的流量為2 L/min。

對噴嘴直徑不同產(chǎn)生的除塵效果，分別對呼吸性粉塵及全塵進行采樣測量，分析其不同的影響作用。進行呼吸性粉塵采樣時設(shè)定采樣流量為20 L/min，全塵采樣時設(shè)定采樣流量為10～25 L/min。實驗測試中采用螺旋形噴嘴[8]，選擇噴嘴的直徑分別為1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm、1.8 mm 及2.0 mm。噴霧除塵過程中，供水壓力及流量的不同會對除塵的效果產(chǎn)生不同的影響，因此，對供水壓力及流量的條件分別進行測試，分析噴嘴直徑的影響作用。

2 噴霧降塵實驗測試效果的分析

2.1 供水壓力一定時降塵效果實驗分析

在實驗測試中，設(shè)定巷道的風(fēng)速為1 m/s，擴散器的發(fā)塵量為380 mg/m3，在一定的供水壓力下選擇不同直徑的噴嘴進行降塵實驗。為進一步分析煤礦應(yīng)用中應(yīng)選用的噴嘴直徑，調(diào)整供水的壓力進行多輪次實驗，對系統(tǒng)的全塵降塵效率進行統(tǒng)計計算，得到不同直徑的噴嘴降塵效率如圖2 所示。

圖2 不同噴嘴直徑的全塵降塵效率分布曲線

從圖2 中可以看出，不同直徑的噴嘴結(jié)構(gòu)對工作面全塵的除塵效率隨著供水壓力的增加呈現(xiàn)一致的分布曲線，隨著供水壓力的增加，除塵率均呈上升的趨勢；在不同的噴嘴直徑中，隨著噴嘴直徑的增加，全塵的除塵率也逐漸增加。同時可以看到，噴嘴直徑增加所引起的全塵除塵率的增加量逐漸減小，這是由于在噴嘴直徑增加的過程中，對單位時間內(nèi)形成的霧化水的密度增加，噴霧霧化角增大[9]，使得霧滴與粉塵相互碰撞的概率增多，從而使得除塵率增加，同時隨著噴嘴直徑的逐步增加，形成的霧化顆粒的粒度較大，而減小了噴霧的射程，從而使得除塵率的增加量有所減小[10]。

采用同樣的條件對呼吸性粉塵的除塵率進行實驗測試，得到不同直徑的噴嘴降塵效率如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在噴嘴直徑增加的過程中，對呼吸性粉塵的降塵率呈先增加后減小的規(guī)律，噴嘴的直徑在1.0～1.5 mm 時，降塵率隨噴嘴直徑的增加而增加，當(dāng)噴嘴的直徑進一步增加時，產(chǎn)生的降塵率則隨之下降，且產(chǎn)生較大的波動。在相同的供水壓力下，隨著噴嘴直徑的增加，單位空間內(nèi)形成的霧化水量增加，有利于對呼吸性粉塵的捕獲，當(dāng)噴嘴直徑大于1.5 mm 時，隨著噴嘴直徑增加產(chǎn)生的霧滴的粒徑增加較大，對噴霧形成的霧化角有所下降，降低了對呼吸性粉塵的捕獲效果[11]，從而造成除塵率的下降。在不同的供水壓力分布下，不同直徑的噴嘴產(chǎn)生的除塵率變化曲線基本一致，隨壓力的增加而有所增加，以1.5 mm 直徑的噴嘴產(chǎn)生的除塵效果最好，最大除塵率可達(dá)70%。

圖3 不同噴嘴直徑的呼吸性粉塵降塵效率分布曲線

2.2 供水流量一定時降塵效果實驗分析

在實驗測試中，設(shè)定巷道的風(fēng)速為1 m/s，擴散器的發(fā)塵量為380 mg/m3，在一定的供水流量下選擇不同直徑的噴嘴進行降塵實驗。選擇供水流量為1 m3/h進行實驗，對系統(tǒng)的全塵及呼吸性粉塵的降塵效率進行統(tǒng)計計算，得到不同直徑的噴嘴降塵效率如圖4 所示。

圖4 不同直徑噴嘴的降塵效率分布曲線

從圖4 中可以看出，在供水流量一致的情況下，不同直徑噴嘴對全塵及呼吸性粉塵除塵效果隨著直徑的增加而減小，且呼吸性粉塵除塵濾下降較多，全塵的除塵率下降較小。在噴嘴直徑小于1.5 mm 時全塵的除塵率變化不大，增加至最大2.0 mm 直徑時僅下降了8%，呼吸性粉塵的除塵率增加至2.0 mm 時下降了30%。在相同的供水流量下，不同直徑的噴嘴所產(chǎn)生的的霧化水量一致，則噴嘴直徑的增加使得水霧的壓力下降[12]，從而造成霧滴粒徑的增加及射程的減小，對呼吸性粉塵的除塵效果產(chǎn)生較大影響。

通過上述的分析可知，在供水量相同的情況下，應(yīng)盡量選擇較小的噴嘴保證良好的除塵效果，由于在實際的應(yīng)用過程中，水質(zhì)中常含有各種雜質(zhì)，較小的噴嘴容易造成堵塞，不利于系統(tǒng)使用的穩(wěn)定可靠性，因此在供水量受限的工況下優(yōu)先選擇1.5 mm 直徑的噴嘴進行除塵作業(yè)。

3 結(jié)論

1）在供水壓力相同的工況下，噴嘴直徑的增加導(dǎo)致對全塵的除塵率上升，對呼吸性粉塵的除塵率先增加后減小，噴嘴直徑為1.5 mm 時的效果最佳；

2）在供水流量相同的工況下，噴嘴直徑的增加導(dǎo)致全塵及呼吸性粉塵的除塵率均下降，且呼吸性粉塵的除塵率下降較大。