選煤廠高壓細水噴霧除塵系統研究與應用

劉宇

(西山煤電(集團)有限公司 屯蘭煤礦， 山西 太原 030200)

0 引言

煤炭是我國重要的能源，我國的經濟快速發展離不開煤炭能源的大量消耗。在煤炭巨大的市場需求環境下，煤炭的開采、加工產量大幅提升[1]。盡管選煤廠的洗選能力滿足了市場的需求，但與之配套的安保條件未能得到有效提高，其中粉塵污染問題最為嚴重。據現場測量數據，機尾落料管與機尾處是主要產塵點，其附近的粉塵濃度最高可達到120 mg/m3，遠超我國《中華人民共和國職業病防治法》中規定的環境煤塵濃度最高為6 mg/m3。工人長期在高濃度煤塵環境中工作極易引發呼吸性疾病，同時還會降低工作場所的可見度，導致工人出現操作失誤，嚴重威脅工人的人身安全[2]。

目前選煤廠常用的除塵方式分為干式除塵與濕式除塵兩種。濕式除塵相較于干式除塵，其前期投資少、適用性強,且除塵效率高而被廣泛地用于選煤廠的粉塵治理。但目前普通的濕式除塵措施只可對大顆粒的煤塵進行沉降，對于呼吸性粉塵(空氣動力學直徑<7.07 μm)降塵效果不佳，而呼吸性粉塵對人體的危害遠超大顆粒粉塵[3]。根據空氣動力學原理和云物理學原理，高壓細水霧對呼吸性粉塵的捕捉效率較高。鑒于此，本文了開發一種高壓細水霧除塵系統,以治理選煤廠呼吸性粉塵的污染問題。

1 細水霧除塵在選煤廠的適用性

根據空氣動力學原理，在含塵風流經過液滴附近時，如果液滴的直徑過大，粉塵顆粒會繞過液滴而不被液滴捕捉，而如果液滴與粉塵粒徑相近，粉塵就會與液滴發生碰撞而被濕潤。在云物理學中，當液滴粒徑為微米時，如果此時存在晶核(粉塵顆粒)，就聚集在一起形成大水珠迅速沉降。基于此原理，研發新型高壓細水霧除塵系統，本系統對比傳統濕式除塵具有較好的適用性,主要優勢為：

1) 系統通過高壓產生的直徑極小的細水霧實現呼吸性粉塵的捕捉沉降，除塵機理簡單環保。

2) 細水霧的霧化效率更高，霧滴粒徑可達微米級，大小粒徑的粉塵均可被濕潤沉降。

3) 由于采用的噴嘴口徑更小，故系統整體耗水量小，節約了大量的水資源，綠色環保。

2 高壓細水噴霧除塵系統設計

高壓細水噴霧除塵系統工程原理如圖1所示。

圖1 微霧除塵系統工程原理

1) 除塵水過濾及軟化系統。為實現噴霧粒徑微米化，采用的噴嘴十分精密。如果除塵水中含有較多雜質就會導致噴嘴阻塞，影響噴霧量。過濾器選用40寸的5芯前置凈水器。為避免長期使用過濾器后部的管路及噴嘴,由于水中含有的鈣鎂離子與鐵質材料發生電化學反應而銹蝕，故在過濾器的后部安裝一個軟水機,以清除水中的活性金屬離子實現水的軟化。

2) 儲水箱。為避免廠區停水以及水量充足，并綜合考慮防腐蝕性和經濟性，其儲水箱采用不銹鋼材質,規格為1.5 m×1.5 m×1.5 m。在水箱上預留一個防凍液添加口，可避免氣溫過低時儲水箱內的水出現結冰，導致除塵用水無法流動。

3) 電控箱。主要作用是實現除塵系統與生產裝置的聯鎖控制，即當生產設備運轉時，高壓細水霧除塵系統立即開始工作，以實現粉塵的及時控制，避免粉塵擴散。電控箱可同時對過濾器、軟水器、儲水箱和自動噴霧系統進行控制,考慮到煤塵的可爆性，須對于電控箱及控制線路進行防爆和防護性能設計，如箱體密封并保護接地接零,同時在防爆箱內設置報警器，當粉塵濃度檢測器檢測到濃度即將到達爆炸極限時，立即發出警報，并增大噴霧除塵系統的除塵功率。

4) 增壓泵。為保證噴霧的粒徑足夠小，必須提供足夠的噴霧水壓。由于柱栓泵相較于離心泵可以實現更高的增壓，故采用3WZ-180型三缸柱塞泵。該泵的工作原理為：以一個柱塞為例進行介紹，即在一個柱塞泵上存在兩個方向相反的單向閥，當柱塞向一個方向運動時,缸內產生負壓，此時，其中一個單向閥打開,水被吸入，隨后柱塞向相反方向進行運動，水被壓縮后,另一個單向閥被打開，吸入缸內的水被排出。如此往復地運動,便可連續提供高壓水。該泵的性能參數見表1。

表1 3WZ-180型三缸柱塞泵的性能參數

5) 電動機。電動機的功率不但應與增壓泵的功率相匹配，而且要考慮到使用場所中存在具有爆炸性的煤塵，故選用隔爆型電動機。由于選煤廠的生產任務繁重，輸煤與落煤持續時間長，故又要求電動機具有持續工作的能力。綜合以上因素,采用進口的SIMOTICS XP 1MB1011-1AB42-2AA5型電動機，該電動機性能參數為：IEC 籠型轉子，自冷，IP65 熱量級，功率為2.2 kW(50 Hz) 2.55 kW(60 Hz)。

3 高壓細水噴霧除塵系統的關鍵技術參數設計

水壓、噴嘴孔徑和流量的選擇與設計直接決定高壓細水霧除塵系統的噴霧粒徑與粉塵處理能力，這是高壓細水霧除塵系統的關鍵技術參數,經分析研究,采用了油池法測定霧滴參數來選擇合適的水壓、噴嘴孔徑和流量。

3.1 霧滴參數檢測方法

油池法測定霧滴參數的步驟為：

1) 于載玻片上粘上邊長1 cm的方格，隨后在方格的周圍涂上蠟油，以保證紙片不會脫離載玻片。

2) 向方格內滴入100#機油。

3) 將載玻片樹立以來進行微霧流采樣。

4) 待取樣完成后，再向方格上滴一次油。

5) 將載玻片置于顯微鏡下觀察計數。為了避免霧滴被迅速蒸發，實驗選擇天氣須注意在濕度較大時進行。

圖2為高壓細水霧除塵系統的噴嘴設點。將噴嘴均勻地安裝在弓形導料槽上,導料槽的截面寬度為1.6 m，高度為1 m，導料槽長為10 m。在測定噴霧效果時，應以噴嘴為球心的半徑為0.5 m的半球形區域作為霧粒比例測定空間,而對現場噴霧除塵效果測定時，則在導料槽兩端的擋塵簾附近設置粉塵濃度檢測點。

1-機尾罩;2-落料管;3-導料槽;4,5,6-噴嘴。

3.2 降塵水壓的設計

水壓是噴霧大關鍵因素之一，若水壓過低，則噴霧可能因粒徑過大而無法捕捉呼吸性粉塵，甚至出現射流的情況;而若水壓過高，雖然霧滴粒徑達到降塵要求，但對管路的承壓結構要求較高，導致資源的浪費。因此,選擇合適的水壓,既要滿足降塵要求，又不會造成不必要的損失。高壓細水噴霧除塵系統主要由高壓栓泵和組合實現,即系統水壓為高壓，其管路系統的所有連接口處必須保證密封良好,同時在噴霧過程中必須做到保證水霧不會噴到電動機上，一旦出現漏電的可能,應及時切斷電源，并擦干積水。

實驗的環境溫度為20 ℃，空氣濕度為75%。采用的噴嘴口徑為0.2 mm，每個噴頭水流量0.65 L/min。選定0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、2.5 MPa、3 MPa、3.5 MPa和4 MPa八種水壓進行實驗。小于10 μm的霧滴粒徑與水壓的關系曲線見圖3。

由圖3可知，在水壓≤2 MPa時，水壓對粒徑的影響十分顯著。但當水壓超過2 MPa時，粒徑在10 μm內的霧滴比例無顯著變化。隨著提供的水壓升高，柱塞泵產生的噪聲顯著增大。因此，將塵水壓控制在2 MPa。

圖3 粒徑在10 μm內的霧滴比例與水壓的關系

3.3 噴嘴孔徑口徑的選擇

噴嘴口徑也是影響噴霧效果的關鍵影響因素之一。通常，口徑越小,噴出霧滴粒徑越小，霧化效果越好。但如果霧滴粒徑過于小，其噴霧容易受風流氣流影響，即還未到達塵源處就被風流吹散。因此，噴嘴孔徑口徑必須通過現場實驗,按除塵效果來選擇合適的噴嘴口徑。

實驗的環境溫度為23 ℃，空氣濕度為70%。采用的噴嘴口徑水壓為2 MPa，每個噴頭水流量為0.65 L/min。選定0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm 5種口徑進行試驗。小于10 μm的霧滴粒徑與噴嘴口徑的關系曲線如圖4所示。

圖4 粒徑在10 μm內的霧滴比例與噴嘴口徑的關系

由圖4可知，噴嘴口徑越小，產生的霧滴粒徑在10 μm內的比例越大，同時對水壓和流量的要求較高。通過結合不同口徑噴嘴的現場除塵效果，最終決定采用口徑為0.2 mm的噴嘴。

3.4 流量的設計

水流量會直接影響噴霧的處理能力，主要表現在除塵過程中，噴霧量與除塵的持續時間和除塵強度由直接聯系。實驗的環境溫度為23 ℃，空氣濕度為70%。采用的噴嘴口徑水壓為2 MPa，每個噴嘴口徑均為0.2 mm。選定0.2 L/min、0.4 L/min、0.6 L/min、0.8 L/min 、1 L/min和1.5 L/min 6種流量進行實驗。小于10 μm的霧滴粒徑與流量的關系曲線如圖5所示。

由圖5可知，當水流量小于0.6 L/min式，流量對噴霧的霧化效果的顯著，當其超過0.6 L/min后影響明顯減弱。水流量過大一方面要求較高質量的水路系統，另一方面會造成水資源的浪費，導致工作場所積水。因此，將流量控制在0.6 L/min左右最佳。

圖5 粒徑在10 μm內的霧滴比例與流量的關系

4 現場應用情況分析

該選煤廠在機尾落料管與機尾處安裝高壓細水霧除塵系統后，所有噴嘴采用0.2 mm口徑的噴嘴，水壓與流量分別控制在2 MPa和0.6 L/min左右。采用標準《作業場所空氣中粉塵測定方法》GB 5748—1985中規定的濾膜法對機尾處的粉塵濃度進行檢測，檢測結果如表2所示。由表2可知，采用高壓細水噴霧除塵系統，將原濕式除塵全塵降塵率85.4%和呼塵降塵率67.2%，分別提高至96%和94.8%，其中呼吸性粉塵降塵率提高了27.6%。

表2 粉塵濃度檢測結果 (mg·m-3)

5 結論

設計了一種由除塵水過濾及軟化系統、儲水箱、電控箱、增壓泵和電動機組成的高壓細水噴霧除塵系統，通過實驗確定,當水壓為2 MPa、噴嘴口徑為0.2 mm、流量為0.6 L/min時,可獲得最佳的除塵效果。根據工業應用試驗表明，采用高壓細水噴霧除塵系統后，選煤廠機尾落料管與機尾處的粉塵，尤其是呼吸性粉塵得到了有效的治理，為選煤廠工人的人身安全提供了保障。