淺談氣動霧化在帶式輸送機(jī)粉塵治理中的應(yīng)用

王旭廷

(潞安化工集團(tuán) 王莊煤礦，山西 長治 046031)

帶式輸送機(jī)因其運(yùn)輸能力大、運(yùn)輸效率高等獨(dú)有優(yōu)勢，以及較強(qiáng)的機(jī)械化礦井適應(yīng)能力，在礦井運(yùn)輸中被廣泛應(yīng)用，但在礦井運(yùn)輸過程中會產(chǎn)生較大粉塵，危害作業(yè)人員的身體健康，尤其在輸送機(jī)連接處、卸載點(diǎn)、礦井運(yùn)輸需要拐彎的地點(diǎn)，污染更為嚴(yán)重，主要是由于礦井通風(fēng)系統(tǒng)形成的風(fēng)流在這些地點(diǎn)極易發(fā)生方向改變形成渦流，從而將粉塵擴(kuò)散到巷道空氣中，造成粉塵濃度超限。如果粉塵顆粒較小，在風(fēng)流作用下擴(kuò)散距離更遠(yuǎn)，造成的粉塵危害會更為嚴(yán)重。

隨著礦井產(chǎn)量的不斷增加，礦井生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的粉塵量也不斷增加，而其中顆粒小的粉塵量占比越來越大。為了保證作業(yè)人員自身安全和礦井安全，國家對粉塵治理的管控和要求也越來越嚴(yán)格，這種環(huán)境也不斷促進(jìn)了降塵技術(shù)的發(fā)展[1-2]。目前，降塵技術(shù)主要分為濕式及干式兩種，但由于礦井粉塵產(chǎn)生的源頭較為開放，不容易對粉塵源頭進(jìn)行封閉處理，所以干式降塵技術(shù)在礦井粉塵治理中應(yīng)用較少。而考慮到礦井的節(jié)能增效，從粉塵治理的效率和礦井自身經(jīng)濟(jì)條件綜合考慮，氣動噴霧在礦井應(yīng)用范圍較為廣泛、操作簡單、使用時(shí)間較長，霧化產(chǎn)生的液滴較適應(yīng)目前礦井粉塵治理需求，能夠在較大程度上降低小顆粒粉塵對作業(yè)人員造成的危害。

1 王莊煤礦粉塵污染狀況分析

王莊煤礦井田范圍內(nèi)共有4個(gè)回風(fēng)井、7個(gè)進(jìn)風(fēng)井，每個(gè)風(fēng)井裝有兩臺同等能力的主要通風(fēng)機(jī)，一用一備，礦井通風(fēng)方式為混合式，礦井總進(jìn)風(fēng)量為50 640 m3/min，總回風(fēng)量為51 740 m3/min。主扇排風(fēng)量52 510 m3/min，礦井有效風(fēng)量46 290 m3/min，全礦井有效風(fēng)量率為91.4%。王莊煤礦礦井防塵系統(tǒng)采用防塵灑水與消防用水共用系統(tǒng)，礦井主要進(jìn)、回風(fēng)巷和采區(qū)進(jìn)回風(fēng)巷靜壓水管直徑均為159 mm，采掘工作面靜壓水管直徑為108 mm。管路每50 m安設(shè)1個(gè)三通并配備25 m長的消防軟管，能滿足全礦井防塵、消防等需要。通過對礦井主井膠帶巷、采區(qū)運(yùn)輸大巷、綜采工作面等地點(diǎn)進(jìn)行粉塵測試，粉塵總濃度為60～523 mg/m3，呼吸性粉塵濃度在4.2～32.5 mg/m3，小于20 μm的細(xì)微粉塵占粉塵總量的89%～98%，這部分細(xì)微粉塵用噴霧或?yàn)V袋除塵效果最佳。

2 氣動噴霧降塵技術(shù)原理

濕式除塵又叫水霧捕塵，是霧滴顆粒捕捉區(qū)域環(huán)境中粉塵顆粒的過程，兩者在發(fā)生慣性碰撞、截留、重力、擴(kuò)散、靜電力等多種機(jī)理作用下完成降塵[3]。對于濕式除塵，多種機(jī)理不是在同一時(shí)間發(fā)生作用，而是根據(jù)選擇的降塵方式和降塵設(shè)備的不同，在不同時(shí)間發(fā)生作用。而礦井空氣中漂浮的粉塵顆粒大小、粉塵密度以及霧滴尺寸和類型、風(fēng)流流速和形成的流場形式、環(huán)境內(nèi)是否存在電場等多種因素，綜合決定各種機(jī)理在粉塵治理中的作用效果。氣動噴霧除塵技術(shù)是基于負(fù)壓誘導(dǎo)式氣水混合噴霧降塵原理，通過壓縮空氣與水在風(fēng)水噴頭混合相互作用形成高壓水霧，從而起到降塵的作用。液滴的霧化機(jī)理按照氣動過程中噴發(fā)空氣、水等液體兩者之間的相對速度形成三種不同狀態(tài)的分裂。在相對速度較低的情況下，噴氣對液滴的破壞程度較弱，液滴僅發(fā)生滴狀分裂；兩者相對速度逐漸增大，兩者之間會產(chǎn)生足夠大的摩擦力，將液滴形狀進(jìn)行擠壓，且破壞液滴結(jié)構(gòu)平衡，形成細(xì)小的霧滴，速度越大，液滴形成霧滴的速度也越快，且霧滴的顆粒大小越小，即為絲狀分裂，若是氣流的速度非常高，則產(chǎn)生膜狀分裂。

3 氣動噴霧降塵系統(tǒng)參數(shù)選擇

3.1 噴嘴孔徑的選擇

噴嘴孔徑的大小是決定噴霧效果的重要參數(shù)，水霧顆粒的大小與噴嘴孔徑成反比，而在氣流擾動下，霧粒太小會影響到除塵效果。為了選擇合理的噴嘴孔徑，分別選取噴嘴孔徑為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm等5種不同孔徑的噴嘴進(jìn)行孔徑選擇實(shí)驗(yàn)，其他條件一致，模擬礦井環(huán)境溫度23 ℃、濕度73%、氣壓0.4 MPa、流量0. 8 L/min，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪制相應(yīng)的<10 um霧滴比例與孔徑變化之間的曲線圖，見圖1。

圖1 <10μm霧滴比例隨噴嘴孔徑的變化

從圖1中可以看出，<10 μm霧滴比例在0～2 mm孔徑范圍內(nèi)的變化較小，而隨著孔徑從2 mm變化至5 mm，<10 μm霧滴比例下降趨勢明顯。綜合考慮霧化效果，選擇噴嘴孔徑為2 mm。

3.2 流量的選擇

流量限制了除塵強(qiáng)度以及可持續(xù)除塵的時(shí)間。在噴嘴孔徑2 mm、其他影響因素條件不變的情況下，對不同流量條件的<10 μm霧滴比例的變化情況進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見圖2。水流量在0.15～0.6 L/min范圍內(nèi)，隨著水流量強(qiáng)度的不斷增大，<10 μm霧滴比例不斷增加，而水流量在0.6～1 L/min范圍內(nèi)，水流量強(qiáng)度對<10 μm霧滴比例的影響較小，曲線較為平緩。而在實(shí)際應(yīng)用中，為了提升水流量的壓力就必須提升機(jī)械設(shè)備的承壓能力，所以，綜合考慮，選擇水流量為0.6 L/min。

圖2 <10 μm霧滴比例隨流量的變化

3.3 氣流速度的選擇

以噴嘴孔徑2 mm為研究對象，構(gòu)建規(guī)格為高500 mm×半徑50 mm的圓柱體噴霧流場幾何模型，見圖3。噴霧過程中，邊界條件設(shè)定為入口是速度入口，出口為自由流動，將氣體流場視為連續(xù)相，并且氣相為不可壓縮非穩(wěn)態(tài)湍流流動，液體水視為離散相，采用湍流模型、泰勒比破碎模型、碰撞模型和蒸發(fā)模型，氣液間無能量交換，進(jìn)行相間耦合計(jì)算，直到迭代收斂。通過對同一噴嘴采用不同的空氣速度：10 m/s、15 m/s、20 m/s和25 m/s進(jìn)行模擬，比較其霧化效果，噴嘴空氣速度在10～25 m/s范圍內(nèi)變化，小顆粒霧滴比例隨著空氣速度的增加不斷提高，液滴的均勻程度也不斷提升，最終選擇氣流速度為25 m/s的氣動噴霧。

4 氣動噴霧粉塵治理效果分析

為了避免噴霧量過大導(dǎo)致膠帶打滑跑偏，每套噴霧系統(tǒng)設(shè)置7個(gè)噴嘴，2個(gè)噴嘴噴射機(jī)頭處導(dǎo)料槽入口，4個(gè)噴嘴噴射導(dǎo)料槽出口，1個(gè)噴嘴噴射機(jī)尾，在受料系統(tǒng)安裝噴霧除塵裝置。安裝地點(diǎn)及數(shù)量：導(dǎo)料槽下方與膠帶轉(zhuǎn)載點(diǎn)1臺、導(dǎo)料槽上方2臺、導(dǎo)料槽下方出口處4臺，除塵方式為空氣輔助噴霧，工作水速25 m/s，工作氣壓為0.5～0.7 MPa，分別在導(dǎo)料槽出口、機(jī)尾處、機(jī)頭處使用粉塵濃度測量儀在治理后200 s內(nèi)分別測量8次粉塵濃度，見表1。根據(jù)表中數(shù)據(jù)得出，導(dǎo)料槽出口、機(jī)尾及機(jī)頭在噴霧前粉塵質(zhì)量濃度在99.6～518.3 mg/m3，而噴霧后粉塵質(zhì)量濃度降至7.3～46.6 mg/m3，降塵率均達(dá)到了90%以上。

圖3 氣動噴霧網(wǎng)格劃分

5 結(jié) 語

通過氣動噴霧降塵試驗(yàn)，選擇了適合王莊煤礦小顆粒粉塵降塵的氣動噴霧參數(shù)。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，降塵率達(dá)到了90%以上，有效地降低了作業(yè)場所小顆粒粉塵的質(zhì)量濃度。但由于氣動噴霧降塵對較大顆粒的粉塵降塵效果較差，為了對膠帶輸送機(jī)粉塵有效治理，還應(yīng)當(dāng)綜合防塵灑水等降塵手段，有效降低較大顆粒的粉塵質(zhì)量濃度，從而真正起到膠帶輸送機(jī)工作區(qū)域粉塵治理作用。

表1 導(dǎo)料槽出口/機(jī)尾/機(jī)頭除塵率