高壓細水霧噴嘴對巷道煤塵的噴霧降塵試驗研究

王 晉

(邵陽學院城鄉建設學院， 湖南 邵陽 422000)

隨著煤礦開采機械化的迅猛發展，粉塵污染問題帶來了一系列的危害。粉塵污染,特別是微細粉塵,不僅會導致作業人員患塵肺病，而且還具有爆炸隱患，嚴重威脅著煤礦的正常安全生產和礦工的身體健康[1]。截至2018年底，我國累計報告有職業病例97.5萬例，其中職業性塵肺病病例為87.3萬例，約占報告職業病病例總數的90%[2]，其主要分布在采礦業，患者呈現年輕化趨勢。塵肺病一旦被染上，患者終身不易治愈，給患者本人及家屬都會帶來極大的痛苦。據統計，我國塵肺病死亡率高達22.04%，煤礦塵肺病死亡人數遠大于煤礦生產安全事故死亡人數[3]。粉塵污染，主要是指其濃度超標，須從源頭做好預防治理，只有將作業場所的粉塵濃度降到標準限值內，才能將塵肺病發生的概率控制為零，達到預防的目的。我國提出的健康中國戰略，就是要徹底改變這種“上半生拿命換錢，下半生拿錢續命”的發展模式，強調以人為本，發展的最終目標是為了人的發展，不應該以犧牲生命和健康為代價。因此，必須從源頭上控制和消除粉塵危害，控制職業病的高發頻發。

針對粉塵污染的控制，目前主要采用的是水霧捕塵技術[4]，許多學者對其開展了大量的研究。在高壓噴嘴霧化特性方面，范明豪[5]、周華等[6]研究了純水液壓高壓旋芯噴嘴的霧化特性及噴霧情況；陳懷民等[7]研制了旋芯高壓細水霧噴嘴并進行了性能測試。在噴霧降塵除塵方面，薛軍[8]開展了基于旋轉水霧的降塵除塵研究；宋穩亞[9]提出了降塵細水霧調制方法；吳瓊[10]對煤礦井下噴霧降塵機理與噴嘴結構性能進行了相關研究。但上述研究均未考慮利用已有的高水勢能靜水壓力來進行降塵除塵研究。為此，本文設計了一種帶內旋芯的直射式高壓噴嘴，通過噴霧降塵試驗研究了不同內部結構噴嘴的霧化特性，并對比分析了不同出口直徑的同型號噴嘴對巷道煤塵的噴霧降塵效果。本試驗研究的理論依據是利用深井開采過程中由地面與采掘工作面之間的自然落差勢能產生高壓靜水壓力,將該高壓水通過高壓細水霧噴嘴形成高壓細水霧,實現對采掘工作面上產塵區域的降塵作業。

1 高壓細水霧噴霧降塵試驗

1. 1 試驗儀器和設備

本試驗設計的高壓細水霧噴霧降塵試驗系統如圖1所示。整個系統所需的儀器及設備有：九柱塞泵(德國生產，見圖2)、高壓供水管路、水箱、過濾器、壓力調節閥、控制系統、噴霧架和高壓噴嘴、通風動力系統、照相機、粉塵濃度采樣儀、過氯乙烯纖維濾膜、濾膜夾、樣品盒、鑷子、尺子、分析天平、秒表等。

圖1 高壓細水霧噴霧降塵試驗系統Fig.1 Test system of high-pressure water mist spraying dust reduction1.壓力傳感器；2.流量計；3.壓力數顯儀表；4.流量數顯儀表；5.A/D板；6.微機；7.轉換接頭；8.截止閥；9.溫度數顯儀表；10.溫度傳感器；11.噴嘴；12.粉塵采樣器；13.加熱箱；14.風機；15.空壓機；16.粉塵發生器；17.試驗巷道；18.通風機

圖2 德國生產的Grundfos九柱塞泵Fig.2 Grundfos nine-piston pump made in Germany

1. 2 試驗巷道

在已有試驗巷道內(寬2.0 m×高2.2 m)，架設噴嘴、粉塵發生器，由九柱塞泵提供足夠的壓力和流量。該噴霧降塵試驗系統巷道長度為100 m，一端堵塞并留有風機口，根據需要進行通風；另一端安裝密閉門，在門上設有觀察窗。在試驗巷道內合適的地方設有沉淀池，以沉積粉塵、水及污物,并定期進行人工清理。

1. 3 煤塵塵樣

本試驗所用的巷道煤塵塵樣為湖南株洲某煤礦無煙煤，煤塵粒徑的范圍為：煤塵粒徑小于 2 μm 的比例占全塵的52.64%；煤塵粒徑在2～5 μm之間的比例占全塵的 28.16%；煤塵粒徑在5～10 μm之間的比例占全塵的 5.61%；煤塵粒徑大于 10 μm 的比例占全塵的13.59%。

2 噴嘴的設計

根據試驗需要，設計了不同收縮角(α)、不同出口圓柱段長度與噴嘴出口直徑比值(l/d)的帶內旋芯的直射式高壓細水霧噴嘴，其內部幾何參數見圖3，設計噴嘴的入口直徑取定值為4.2 mm，噴嘴的出口直徑確定為1.2 mm、1.5 mm兩種。此類直射式高壓細水霧噴嘴加工簡單、價格便宜。

圖3 直射式高壓細水霧噴嘴內部幾何參數圖Fig.3 Internal geometric parameters of the direct injection high-pressure water mist nozzle注：D為噴嘴的入口直徑(mm)；α為收縮角(°)；ρ1為入口倒角曲率半徑(mm)；ρ2為出口倒角曲率半徑(mm)；d為噴嘴的出口直徑(mm)；L為收縮段長度(mm)；l為出口圓柱段長度(mm)

3 試驗結果與分析

3. 1 噴嘴霧化特性

根據設計的噴嘴，對其霧流參數進行了測定，針對所測得的試驗數據，分析了不同收縮角情況下噴嘴噴霧壓力與噴霧射程和充分霧化距離的關系。

當噴嘴的出口直徑為1.2 mm、收縮角α分別為30°和60°時，噴嘴噴霧壓力與噴霧射程的關系曲線，見圖4和圖5。

圖4 收縮角α為30°時噴嘴噴霧壓力與噴霧射程的 關系曲線Fig.4 Relationship between nozzle spray pressure and range at a contraction angle α of 30 °

圖5 收縮角α為60°時噴嘴噴霧壓力與噴霧射程的 關系曲線Fig.5 Relationship between nozzle spray pressure and range at a contraction angle α of 60 °

由圖4和圖5可見，同一出口直徑(d=1.2 mm)的噴嘴，在不同的收縮角情況下，隨著出口噴霧壓力的升高，其噴霧射程逐漸變遠；當收縮角α=30°時,其噴霧射程比α=60°時要大；在同一收縮角情況下，l/d值越小，其噴霧射程越大；在相同出口噴霧壓力下，l/d值越小，其噴霧射程越大；當α=30°、出口噴霧壓力小于8 MPa時，l/d=2的噴嘴，其噴霧射程曲線的變化較大，出口噴霧壓力達到8 MPa以后，其噴霧射程曲線趨向于平緩，出口噴霧壓力大于10 MPa后，其噴霧射程曲線的變化不大。

當噴嘴的出口直徑為1.2 mm、收縮角α分別為30°和60°時，噴嘴噴霧壓力與充分霧化距離的關系曲線，見圖6和圖7。

圖6 收縮角α為30°時噴嘴噴霧壓力與充分霧化 距離的關系曲線Fig.6 Relationship between nozzle spray pressure and sufficient atomization distance at a contraction angle α of 30°

圖7 收縮角α為60°時噴嘴噴霧壓力與充分霧化 距離的關系曲線Fig.7 Relationship between nozzle spray pressure and sufficient atomization distance at a contraction angle α of 60°

由圖6和圖7可見，同一出口直徑(d=1.2 mm)的噴嘴，在不同的收縮角情況下，隨著出口噴霧壓力的升高，其充分霧化距離變小；當收縮角α=30°時，其充分霧化距離比α=60°時要大；在相同出口噴霧壓力下，l/d值越小，其充分霧化距離越大;當α=30°、出口噴霧壓力小于8 MPa時，l/d=2的噴嘴，其充分霧化距離比其他兩種情況偏小，達到8 MPa以后，其充分霧化距離比其他兩種情況要大，總體基本穩定在4.3～4.4 m左右；當α=60°時、出口噴霧壓力小于8 MPa時，其充分霧化距離曲線的變化不大，出口噴霧壓力大于8 MPa后，其充分霧化距離曲線的變化較大。

綜合考慮噴嘴噴霧射程和充分霧化距離的要求，通過測量的數據可知，噴嘴內部結構以α=30°、l/d=2時的霧化效果為佳。

3.2 不同出口直徑噴嘴對巷道煤塵的噴霧降塵效果

根據確定的噴嘴內部結構形式，設計了兩種不同出口直徑的噴嘴，依托噴霧降塵試驗系統，運用這兩種不同出口直徑的噴嘴在相同噴霧時間情況下對巷道煤塵進行了噴霧降塵試驗，得到兩種出口直徑噴嘴在不同噴霧壓力下對巷道煤塵的除塵率，見圖8和圖9。

圖8 出口直徑為1.2 mm噴嘴對巷道煤塵的 除塵率Fig.8 Dust reduction rate of nozzle with outlet diameter of 1.2 mm

圖9 出口直徑為1.5 mm噴嘴對巷道煤塵的 除塵率Fig.9 Dust reduction rate of nozzle with outlet diameter of 1.5 mm

由圖8和圖9可見，這兩種出口直徑的噴嘴對巷道煤塵的除塵率都是隨著噴霧壓力的增大而提高，當噴霧壓力為8～9 MPa時，其對巷道煤塵的降塵效果較好，當噴霧壓力超過10 MPa后，隨著噴霧壓力的升高，其對巷道煤塵的降塵效果并沒有得到明顯的提高，甚至除塵率還有所下降。故在利用噴霧降塵的過程中，沒有必要一味地追求較高的噴霧壓力。

噴嘴流量的大小主要取決于噴嘴的出口直徑[8]。通過對比兩種出口直徑噴嘴對巷道煤塵的噴霧除塵效果可知，出口直徑為1.2 mm的噴嘴的降塵效果比出口直徑為1.5 mm的噴嘴要好，其流量也較小，不會浪費太多的水資源。

4 結論與展望

(1) 本試驗設計了一種加工簡單、價格便宜的帶內旋芯的直射式高壓細水霧噴嘴，通過對其霧流參數進行測定，針對所測得的試驗數據，分析了不同內部結構噴嘴的霧流參數。試驗結果表明：噴嘴內部結構以α=30°、l/d=2時的霧化效果為佳;隨著出口噴霧壓力的升高，噴嘴的射程逐漸變遠，其充分霧化距離變短，且在出口噴霧壓力為8～9 MPa時，噴嘴的噴霧射程一般穩定在9.0 m左右，此時其充分霧化距離穩定在4.3～4.4 m左右。

(2) 相同噴霧時間下，同型號噴嘴在噴霧壓力較小時(≤3 MPa)，其對巷道煤塵的降塵效果較差；隨著噴霧壓力的升高，其對巷道煤塵的降塵效果得到較明顯的改善，當噴霧壓力為8～9 MPa時，其對巷道煤塵的降塵效果較好，當噴霧壓力超過10 MPa后，隨著噴霧壓力的升高，其對巷道煤塵的降塵效果并沒有得到明顯的提高。

(3) 通過對比出口直徑分別為1.2 mm和1.5 mm兩種型號的噴嘴對巷道煤塵的噴霧降塵效果可知，出口直徑為1.2 mm的噴嘴對巷道煤塵的降塵效果更好，其流量也較小，對水資源的浪費較少，排水也快捷、方便。

(4) 本試驗研究并設計的高壓細水霧噴嘴既簡單又實用， 可為同類煤礦提供一種可供借鑒的高壓

噴霧降塵方法。高壓噴霧降塵是一種行之有效的預防粉塵污染的方法，它可以大幅度地降低現場作業面的粉塵，達到控制粉塵濃度的目的，可為實現健康中國戰略提供技術支撐。另外，該方法也為在深井開采過程中利用從地面與采掘工作面之間的自然落差勢能產生高壓靜水壓力,將該高壓水通過高壓細水霧噴嘴形成高壓細水霧,對采掘工作面上的產塵區域實現降塵作業提供了試驗基礎，同時也為現場實際應用打下了堅實的基礎。