高壓噴霧濕式振動纖維柵除塵技術研究

李迎超，張英華，熊珊珊

(1. 冀中能源股份公司 東龐礦，河北 邢臺 054200；2. 北京科技大學 土木與環境工程學院，北京 100083)

引言

礦井粉塵嚴重危害井下工人的健康，在煤礦井下工作面，國外普遍采用除塵器除塵，而國內的防降塵技術則以噴霧降塵為主[1-2]。本文對高壓噴霧降塵機理和濕式纖維柵過濾除塵機理進行了分析研究，經過改進完善，設計了一套高壓噴霧濕式振動纖維柵全斷面除塵工藝。在東龐礦2219綜采工作面對影響系統除塵效率的各因素進行了現場試驗研究，旨在獲得適宜的高壓噴霧濕式纖維柵全斷面除塵工藝運行參數。

1 除塵機理

1.1 高壓噴霧降塵機理

噴霧降塵機理是多種機理的聯合作用，主要包括重力沉降、慣性碰撞、截留、靜電、擴散和凝集等機理作用[3]。影響噴霧降塵效率的因素主要有粉塵與液體捕集體的相對速度、液滴粒徑、粉塵的潤濕性、耗水量、液體黏度及粉塵密度、噴霧作用范圍與質量、噴霧器安裝位置和空氣參與霧化作用的量、供水壓力和噴嘴形式及水質等[4]。

高壓噴霧是在高壓水射流技術的基礎上發展起來的非淹沒連續型水射流，由于采用相對高壓水流作為介質，通過參數的調整，將其攜帶的高能量用于水滴的破碎，從而可以獲得優良的霧化效果。高壓噴霧形成的霧滴速度大，噴霧質量好，粒徑小且均勻，可使液滴荷電，使其對粉塵的捕集作用大大增強[5]。同時高壓噴霧造成渦旋氣流，粉塵運動的波動速度和幅度增加，與液滴的碰撞次數也增加，大大提高了噴霧降塵效率。

1.2 濕式纖維柵除塵機理

通過纖維柵的粉塵一部分是通過與水滴粒子接觸而被捕集[6]；另一部分是被纖維捕集[7]。水與含塵氣流的接觸方式有兩種：通過水滴和通過水膜。當含塵氣流通過噴霧段和纖維柵層時，附有水膜的纖維能使粉塵潤濕或凝并或滯留。同時，纖維柵的每根纖維在風流旋渦的影響下產生100 Hz左右的振動，強化了水霧霧粒、附有水膜的纖維柵與含塵氣流中的粉塵之間碰撞和粉塵的凝并作用，提高了對微細粉塵的捕獲率。這樣，一部分塵粒或塵團被纖維柵捕獲，吸附在纖維上的水滴，因自重而下降，形成下降水流，能清洗被纖維柵捕集的粉塵。含塵氣流通過水霧和振動纖維柵的共同作用而被凈化。

2 纖維柵的研制

纖維柵網的制作分為絲線的制作和柵網的制作兩部分。絲線的制作采用熔體紡絲法，就是將紡絲熔體經螺桿擠壓機由紡絲泵定量壓出噴絲孔，使其呈細流狀射入空氣中，并在紡絲通道中冷卻成絲。噴絲板的孔徑一般在0.2～0.4 mm。將纖維絲線在織機上按要求間距紡織，間隔0.5 m編織0.05 m橫向纖維用于固定和保持纖維間距。纖維網寬度為1 m。將織好的纖維網裁剪成要求長度2.5 m，兩端采用粘接方式固定。粘接用材料為雙面涂塑布，采用氧化性PVC膠水，保證粘接強度。粘接寬度為0.05 m的涂塑布，厚度約為0.3 mm，粘接成型的單層纖維柵，兩端固定部位的厚度為1 mm。這樣，兩單層纖維柵的層間距最小為1 mm。為達到試驗要求的層間厚度，裁剪了長1 m、寬0.05 m、厚度不同的鐵片，鐵片上小孔用于固定夾緊纖維柵片。

本次試驗的纖維柵參數如下：1)纖維柵材料：尼龍絲；2)纖維直徑：0.22 mm、0.25 mm、0.29 mm；3)纖維橫向間距：1倍纖維直徑、1.5倍纖維直徑、2倍纖維直徑；4)纖維柵層數：2層、4層、6層、8層；5)纖維柵層間距：2 mm、4 mm、 6 mm、8 mm、10 mm。

3 高壓噴霧濕式振動纖維柵全斷面除塵工藝效率研究

本次試驗地點選在東龐礦2219回風巷道距工作面后50～100 m處進行。試驗內容主要有：未張掛纖維柵，高壓噴霧降塵的試驗研究；高壓噴霧濕式纖維柵除塵系統參數選擇試驗研究。

3.1 高壓噴霧試驗

在進行濕式纖維柵系統除塵試驗之前，對噴霧系統的除塵效率進行了試驗。選用1.5 mm 孔徑的噴嘴，個數為6 個、8 個、10 個、12 個，在靜壓(0.4 MPa)和額定壓力4 MPa 下測量了噴霧除塵的除塵效率，噴霧方向與巷道風流方向相反。同時研究了不同壓力對除塵效率的影響。試驗結果如圖1、圖2所示。

圖1 噴嘴個數對除塵效率的影響

圖2 除塵效率隨噴霧壓力的變化

由圖1、圖2可知：

1)在噴霧壓力為0.4 MPa 時除塵效率隨噴嘴個數增加而提高的幅度較噴霧壓力為4 MPa 時明顯。這是因為：壓力小時，霧化效果差，液滴數量是影響除塵效率的主要因素，隨噴嘴個數增多，相同空間內液滴數量的增多導致除塵效率提高；而在噴霧壓力高時，液滴數目已足夠多，液滴數量對除塵效率的提高作用已不明顯。

2)噴霧除塵對全塵的捕集效率高于對呼吸性粉塵的捕集效率，說明噴霧對顆粒較大的粉塵具有較高的捕集效率。

3)無論是呼吸性粉塵還是全塵的去除效率都隨噴霧壓力的增大而增大。全塵去除率曲線上凸，呼吸性粉塵去除率曲線下凸，是由于隨噴霧壓力增大，液滴直徑變小，速率增大，對小顆粒粉塵的捕集能力提高所致，在壓力0.4 MPa 和12 MPa 時液滴平均直徑D0、初速度u0分別為6 460 μm、10 m/s 和89 μm、49 m/s?？梢?，粒徑小、速度高的液滴對粉塵具有較高的捕集效率。

3.2 纖維直徑及橫向間距對除塵效率的影響

選用不同直徑和橫向間距的纖維柵，層數為6層，在各層間距為6 mm時進行對比試驗，噴霧壓力為4MPa，噴霧方向逆向風流。試驗研究了纖維直徑相同、間距不同時除塵效率的變化規律；還研究了纖維間距相同、直徑不同條件下除塵效率的變化規律，結果見圖3和圖4。

圖3 相同間距/直徑比下呼塵去除效率與纖維直徑的關系

圖4 相同間距/直徑比下全塵去除效率與纖維直徑關系

從圖中可以看出，全塵和呼塵大致具有相似的變化規律，即在纖維直徑從0.22 mm增大到0.29 mm過程中，除塵效率先增大后減小。由于0.22 mm直徑的纖維柵網粘連現象嚴重，在后面的試驗中，不再對其進行試驗研究。

3.3 噴霧方向對除塵效率的影響

考慮風流對霧滴運動速度的影響，將噴霧方向改為順風向、垂直于風流方向，噴霧壓力為4 MPa，選取纖維直徑為0.25 mm，橫向間距為1.5倍纖維直徑、層間距6 mm的6層柵體進行了降塵效果的測定。除塵效率與噴霧方向與氣流方向夾角的關系曲線如圖5。由圖5可以看出，噴霧方向對高壓噴霧濕式纖維柵降塵效率的影響大致呈拋物線形，在噴霧方向近乎垂直風向時，除塵效率較高。這是因為，垂直風向位置更有利于噴霧形成的液滴最大效率的在纖維柵網上停留，這樣各層纖維柵網上形成水膜，增大了粉塵被捕集的概率。噴霧方向與風流方向角度過大或過小都不利于水霧穿透多層的纖維柵網。由于柵體結構頂端固定裝置的存在，在實際操作中，噴霧方向與風流方向夾角是略大于90°的，即在纖維柵下風側上方。

圖5 除塵效率與噴霧方向與氣流方向夾角的關系

3.4 纖維層數對除塵效率的影響

選擇纖維直徑為0.25 mm、橫向間距為1.5倍直徑和纖維直徑為0.29 mm、橫向間距為1倍直徑的兩種纖維柵網，在層間距為6 mm時，分別制成2層、4層、6層、8層的柵體。在壓力4 MPa、垂直風向噴霧條件下，測量了各柵體的除塵效率。兩種纖維柵除塵效率隨層數增加的變化規律見圖6。由圖中可知，兩種直徑的纖維制成的纖維柵除塵效率隨著層數的增加而增加，但層數達到一定程度后，增加幅度變得緩慢。

圖6 兩種不同直徑纖維柵除塵效率隨層數的變化規律

3.5 纖維層間距對除塵效率的影響

改變纖維柵網層間距離，得到兩種纖維柵降塵效率與層間距的關系，分別見圖7。由圖7可看出：直徑0.25 mm的纖維柵除塵效率較直徑0.29 mm的纖維柵高。在變化趨勢上，兩種纖維柵對全塵和呼吸性粉塵的去除效率基本上一致。隨著纖維柵層間距的增大，整個纖維柵體的厚度增大：一方面間距的增大，減小了層與層間水膜的形成概率；另一方面也增大了水霧穿透柵體的難度，尤其是直徑0.25 mm的纖維柵體。由圖7中可看出，隨層間距離的增大，0.25 mm直徑纖維柵除塵效率的下降速度較0.29 mm直徑纖維柵快，在10層時，兩種纖維柵的除塵效率已相差不多。

圖7 纖維柵層間距對除塵效率的影響

4 結論

1)高壓噴霧濕式纖維柵除塵系統綜合了高壓噴霧除塵和濕式振動纖維柵除塵的除塵機理。高壓噴霧形成的細小液滴對粉塵進行充分的潤濕預捕集，在通過纖維柵過濾體時，在纖維柵各層水膜和層間水膜的影響下，風流變得復雜混亂，延長了粉塵通過纖維柵體的時間，在不變的空間體積內，實現了對粉塵的高效捕集。

2)通過現場試驗對影響高壓噴霧纖維柵除塵系統的影響因素進行篩選確定，確定了在綜采面回風巷使用時系統的最佳參數為：高壓噴霧壓力4 MPa，噴嘴個數6個，噴霧位置為纖維柵下風側上方；纖維柵體參數為：纖維直徑0.25 mm，間距1.5倍直徑，纖維柵層數6層，層間距6 mm。連續運行除塵效率在95%以上。

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[5] 張安明. 高壓噴霧技術在及其在煤礦粉塵防治中的應用[J]. 重慶環境科學, 1994, 16(6)： 32-36.

[6] 盧鑒章. 我國煤礦粉塵防治技術的新進展[J]. 煤炭科學技術, 1996, 24(7)： 1-5.

[7] 張永紅,趙紅兵,李繼春. 高壓噴霧降塵機理分析[J]. 煤, 2003,12(3)： 38-39.