煤礦井下氣水噴霧霧化效果實驗研究及應用

馬 威

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

煤炭作為我國能源的重要重要組成部分，為我國的工業和國民經濟發展做出了巨大的貢獻。近年來，隨著機械工業以及煤礦開采技術的快速發展，我國煤炭開采已經逐步過渡到智能化開采。智能化開采的發展給煤礦粉塵治理技術及裝備的創新研發提出了更高的要求，雖然近年來我國在煤礦粉塵治理技術及裝備的發展取得了明顯的進步，但總的來說，與智能化開采的要求之間仍存在著較大的差距[1-3]。

目前煤礦采掘面防塵技術仍以煤層注水、通風防塵、噴霧降塵、除塵器除塵等措施為主[4-5]。由于噴霧降塵技術簡單可靠，經濟實用等優點，被廣泛應用。目前煤礦井下常采用一般的壓力型噴嘴，由于壓力的限制，導致其霧化效果較差，根長期煤礦井下調研發現，一般的壓力型噴霧降塵效率在50%以下，并且該類型噴嘴耗水量大，對工作面視線造成一定影響[6-7]。氣水噴霧是以壓力水和壓縮空氣作為雙動力的一種新型噴霧方式，相對于常規噴霧方式，其具有耗水量小、霧化效果好、降塵效果好等優點。目前氣水噴霧應用較多的主要是在能源、化工方面[8-9]。近年來，相關學者將其引入到煤礦防塵領域，并取得了一定的研究成果。如：侯騰彥等基于旋轉式霧化器和碰撞理論開發了一種霧化器，通過詳細分析霧化器工作時的液滴破碎過程，及液滴破碎機理，提出影響降塵效率和水流損失的原因，通過不同供水壓力下的試驗研究，驗證了霧化器改進的合理性及降塵效果[10]；蔣仲安等為提高氣水噴嘴在煤礦井下高濃度粉塵作業場所的噴霧降塵效率,通過實驗研究了氣水噴嘴的霧化特性參數, 得出了霧滴平均直徑與氣、水流量的變化規律，并且推導出了氣水噴嘴降塵效率的關系式[11]；王鵬飛等基于空氣動力學、多相流、氣溶膠等相關理論,建立了氣水噴霧降塵效率的理論計算數學模型, 并采用模型實驗考察了供水壓力、供氣壓力、出口直徑等工況參數對氣水噴霧特性及降塵效率的影響[12-13]。但是，以上研究僅考慮單一參數對噴嘴霧化效果和降塵性能的影響，而多參數融合下的噴嘴結構優化及降塵性能研究則鮮見報道。因此，通過實驗室實驗方法分析多參數結構對氣水噴嘴霧化效果的影響[14-15]，同時確定出最佳參數結構的噴嘴，并進行煤礦井下現場降塵效果測試試驗。

1 實驗系統及方案

1.1 實驗方案

內混式噴嘴為煤礦井下氣水噴霧降塵常用噴嘴，本次實驗選取了6 種氣道直徑、水道直徑以及空氣帽直徑各不同的噴嘴，選用噴嘴的具體參數見表1，內混式氣水噴嘴結構示意圖如圖1。

表1 噴嘴參數Table 1 Nozzle parameters

圖1 內混式氣水噴嘴結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of internal mixing gas-water nozzle structure

本次實驗共設計3 組實驗。第1 組實驗，利用氣壓流量計測試噴嘴在不同氣壓下的耗氣量；第2 組實驗，利用相機拍攝不同氣壓下的穩定的噴射狀態，然后通過圖像處理得出不同氣壓下不同參數噴嘴的射程；第3 組實實驗，通過自行搭建試驗平臺，利用中煤科工集團重慶研究院有限公司承擔的國家發展和改革委員會、國家安全生產監督管理總局“煤礦職業病危害分析鑒定實驗室”中組成設備相位多普勒激光測速儀來分析不同參數噴嘴的霧化效果。

1.2 實驗系統

氣水噴嘴霧化特性參數測試系統圖如圖2。該系統主要由多普勒激光測速儀，噴霧巷道，空壓機，泵站，水箱，流量閥等組成。噴霧巷道由入口段，測量段，噴霧段，風機段，出流段組成。高壓泵將水箱內的水加壓到一定壓力后輸送至巷道模型噴霧段內部的噴嘴形成噴霧場，由多普勒粒度分析儀分析噴霧場的粒徑分布情況。

圖2 氣水噴嘴霧化特性參數測試系統圖Fig.2 Test system diagram of atomization characteristic parameters of gas-water nozzle

2 實驗結果

2.1 不同氣壓下的噴嘴耗氣量

通過實驗室實驗，得出不同結構參數噴嘴在水壓為0.4 MPa，氣壓在0.1～1.1 MPa 范圍變化時噴嘴耗氣量的變化，不同氣壓下不同結構參數噴嘴的耗氣量變化曲線如圖3。

圖3 不同氣壓下不同結構參數噴嘴的耗氣量變化曲線Fig.3 Variation curves of air consumption of nozzles with different structural parameters under different air pressures

從圖3 可以看出，在水壓一定時，隨著氣壓升高，噴嘴的耗氣量逐漸增加。氣壓與噴嘴耗氣量成線性正比關系。對比噴嘴1、噴嘴2、噴嘴3 發現，噴嘴氣道直徑和水道直徑一定時，空氣帽直徑與耗氣量成正比。對比噴嘴1 和噴嘴4，可以得出，噴嘴空氣帽直徑一定時，氣道直徑和水道直徑越大，耗氣量越大。由于煤礦井下供氣壓力有限，故應該合理控制噴嘴的參數，以期在較小供氣壓力下，獲得較好的霧化效果。

2.2 不同氣壓下的噴霧射程

通過實驗室實驗，得出不同結構參數噴嘴在水壓為0.4 MPa，氣壓在0.1～1.1 MPa 范圍變化時噴嘴射程的變化，不同氣壓下不同結構參數噴嘴的射程變化曲線如圖4。

圖4 不同氣壓下不同結構參數噴嘴的射程變化曲線Fig.4 Range variation curves of nozzles with different structural parameters under different air pressures

從圖4 可以看出，在水壓一定時，隨著氣壓升高，噴嘴的射程逐漸增加，氣壓與噴嘴射程成線性正比關系。對比噴嘴1、噴嘴2、噴嘴3 發現，噴嘴氣道直徑和水道直徑一定時，空氣帽直徑與射程成正比，當氣壓為1.1 MPa 時，噴嘴6 的射程能達到11 m。故井下在使用雅琪噴霧使，應盡量提高供氣壓力，以提高噴霧影響范圍。

2.3 霧化效果

噴嘴噴霧形成的霧場是由大小不等的霧滴群顆粒組成，為描述和評價霧滴群的霧化質量和表示其霧化特性，需采用液滴尺寸分布表達式來衡量顆粒直徑大小或者不同直徑顆粒的數量或質量。評價液滴粒徑的表示方法很多，選取具有代表行的參數D10、D30、D32、D43進行表述。其中D10為數量平均直徑，表示將所有霧滴的粒徑之和除以霧滴總數所得的平均粒徑；D30為體積平均直徑，表示具有此直徑的霧滴，其體積恰好等于所有霧滴的體積平均值；D32為Sauter 平均直徑，表示具有此直徑的霧滴，其比表面（單位體積顆粒的表面積）恰好等于所有霧滴的比表面平均值；D43為現有的激光粒徑分析系統上經常用到的平均直徑[16-17]。不同參數結構噴霧化特性參數見表2。不同結構參數噴嘴在相同實驗條件下的霧滴粒徑分布情況如圖5。

圖5 不同結構參數噴嘴的霧滴粒徑Fig.5 Droplet size of nozzles with different structural parameters

表2 不同參數結構噴霧化特性參數Table 2 Spraying characteristic parameters of different parameter structures

由于試驗過程中測試數量較多，僅對實驗條件中氣壓為0.4 MPa，水壓1 MPa，流量為21.6 L/min時，噴嘴出口中心軸線方向距離噴嘴出口1～1.4 m范圍的粒徑進行分析。從表2 可知，在相同水壓、氣壓、流量情況下，噴嘴的結構參數對其霧化特性影響較大。分別對比噴嘴1、噴嘴2、噴嘴3 與噴嘴4、噴嘴5、噴嘴6 可以發現，隨著噴嘴空氣帽直徑增加，D10、D30、D32、D43逐漸增大，并且對應噴嘴的噴霧霧滴尺寸發散度相應增加，說明噴霧顆粒尺度范圍變大，說明此類壓氣噴嘴的霧化效果與噴嘴空氣帽直徑成反比。對比噴嘴1 和噴嘴4 發現，在噴嘴空氣帽直徑一定時，適當增加噴嘴氣道和水道直徑，噴霧霧化特性參數明顯下降，噴霧霧化效果明顯改善。

從圖5 可以看出，噴嘴4、噴嘴5、噴嘴6 的霧滴粒徑分布范圍較噴嘴1、噴嘴2、噴嘴3 明顯集中，并且霧滴粒徑分布在0～200 μm 范圍占比較大，與煤礦井下粉塵尺寸更為接近，更有利于使粉塵沉降，同時對比噴嘴4、噴嘴5、噴嘴6 霧滴粒徑分布，發現噴嘴4 霧化后小顆粒霧滴占比更多，40～60 μm 霧滴占比超過16%，60～80 μm 霧滴占比超過14.5%，霧化效果更好。綜合以上分析結果，得出在實驗的6 個噴嘴中噴嘴4 的結構尺寸最優。

3 現場試驗

為了驗證通過實驗選出的氣水噴嘴的具體降塵效果，在神東補連塔煤礦12513 綜采工作面開展現場試驗。將噴嘴安裝在液壓支架頂梁上，在支架四連桿位置固定氣水聯動控制閥，連接供水管路和供氣管路，其中預濕頂板噴霧向兩支架架間縫隙頂板上，遠射程噴霧朝向采煤機滾筒，本次共安裝12 臺支架。

在采煤機正常割煤、工作面無其它控降塵措施且，其上風側無降柱移架時，開啟了8 組氣水噴霧，采煤機上下風側滾筒各4 組，采用CCZ20 型呼吸性粉塵采樣器測試采煤機下風側司機處和采煤機下風側15～20 m 人行道處的呼吸性粉塵濃度。本次試驗條件氣壓0.4 MPa，水壓1 MPa，耗水量21 L/min，與實驗室條件基本保持一致。在無降柱移架產塵影響的情況下，表現出較好降塵效果。氣水噴霧降塵效率如下：

1）順風割煤時，下風側司機處與采煤機下風側15～20 m 處原始呼吸性粉塵濃度為52.4、63.8 mg/m3，采取措施后呼吸性粉塵濃度為20.6、24.5 mg/m3；降塵效率分別為61%和62%。

2）逆風割煤時，下風側司機處與采煤機下風側15～20 m 處原始呼吸性粉塵濃度為61.4、71.2 mg/m3，采取措施后呼吸性粉塵濃度為23.2、26.2 mg/m3；降塵效率分別為62%和63%。

由于此次現場試驗只安裝了12 臺支架，如果安裝數量增加，并且配合其他控降塵措施，對整個工作面環境的改善會起到極大的促進作用。

4 結 語

利用實驗室實驗方法分析了內混式氣水噴嘴結構參數對其霧化特性的影響規律，通過實驗得出其最佳霧化效果的噴嘴結構參數，并進行現場應用。

1）在水壓一定時，隨著供氣壓力的增加，噴嘴的關鍵內部結構參數尺寸與耗氣量、射程成正比。另外由于煤礦井下供氣壓力普遍較低，為了得到較好的霧化效果，應該匹配合理的內部結構參數噴嘴。

2）壓氣噴嘴空氣帽直徑與噴嘴的霧化效果成反比，即空氣帽直徑越大，噴霧霧化后粒徑尺寸越大，粒徑分布范圍越廣，小尺寸粒徑占比越小。并且發現，在空氣帽直徑一定時，適當增加氣道和水道直徑能優化霧化效果。通過實驗得出噴嘴4 霧化效果最好。

3）通過將噴嘴4 進行煤礦井下現場試驗，得出在順逆風割煤時，下風側司機處與采煤機下風側15～20 m 處降塵效率分別為61%、62%、62%、63%，表現出較好的降塵效果。