不同噴嘴結構對煤礦高壓除塵效果的影響分析

許 潔

（山西焦煤集團投資有限公司，山西 太原 030021）

引言

煤礦開采過程中會產生大量的粉塵，特別是在長距離的巷道中，通風降塵較難實現。粉塵的存在不僅會對井下作業人員產生危害，還存在著發生爆炸的危險，嚴重威脅煤礦的安全。在煤礦工作面，噴霧降塵是一種新型的除塵方式，其通過向含有粉塵的空間噴射高壓霧滴的方式[1]，將煤礦工作面的粉塵與霧滴凝聚，從而降低粉塵的濃度。噴霧降塵針對粒徑在5 μm 以內的粉塵沉降具有較好的效果[2]，可有效降低引起塵肺病的粉塵濃度，是現在煤礦進行除塵作業常用的方法。噴嘴是噴霧除塵系統的關鍵零部件[3]，噴嘴結構的不同對形成的水霧的直徑及粒徑具有重要的影響，從而影響礦井除塵的效果。針對不同結構噴嘴的除塵效果進行實驗分析，從而選擇合理的噴嘴結構，提高煤礦高壓除塵的效果。

1 噴嘴霧化效果測試系統的搭建

對不同噴嘴結構的霧化效果進行分析，采用模擬巷道除塵裝置的實驗平臺進行實驗。測試系統的組成如圖1 所示[4]，巷道的模型由混合段、整流段、測量段、噴霧降塵段、除塵風機段及出流段等組成，對噴霧段采用透明的有機玻璃進行包覆，便于對實驗過程進行觀察，其他部分采用不銹鋼進行包覆[5]。

圖1 噴嘴霧化測試系統示意圖

實驗過程采用自來水為工質，噴霧系統的高壓泵將自來水升高到設定壓力后通過噴嘴進行噴霧，調節通風機的頻率，模擬巷道內的風速，在距離噴嘴一定距離的位置處采用馬爾文粒徑分析儀進行霧化粒徑的測量[6]。采用1 200 hs 高速攝像系統進行供水壓力機風速條件的測定，并對實驗噴嘴的霧化角進行測量，可以調節不同的壓力機風速，更換不同的噴嘴進行實驗[7]。

在煤礦進行采煤作業的過程中，采煤機進行噴霧供水的壓力不得小于2 MPa，外部的供水壓力不得小于4 MPa，在進行放炮作業時，外部的供水壓力不得小于8 MPa。供水壓力小于2.5 MPa 時屬于低壓噴霧[8]，當壓力大于6 MPa 時，就會有較強的粉塵進入噴霧區；壓力大于10 MPa 時，霧滴的速度較高，會卷吸巷道內的粉塵氣體。采用高壓噴霧進行除塵時，高壓噴嘴的壓力設定為8～12.5 MPa[9]，實驗過程中對噴嘴結構的霧化效果進行分析，設定供水壓力為10 MPa。

對于噴嘴的霧化效果的描述，采用霧化粒徑的分布及霧化角進行描述。霧滴粒徑分布用來描述霧化的均勻程度，霧化的均勻度較差時，大粒徑的霧滴較多，霧滴粒徑的大小與噴嘴的結構及工作條件等相關[10]。霧化錐角采用工程上常用的條件霧化角進行描述，即以噴嘴的噴口為中心，在距離噴嘴的端面一定距離處與霧化曲面交點形成夾角[11]，選取的距離與霧化的流量相關，實驗過程采用條件霧化角進行分析，選取距離為40 mm。

2 不同噴嘴結構的霧化除塵效果實驗分析

噴嘴對系統供水進行霧化，并以一定的擴散角將霧滴進行噴射，噴嘴的結構對其性能具有直接的影響。在煤礦的井下除塵中主要采用壓力式的噴嘴，將供水壓力轉化為動能，形成霧化水射流。常用的噴嘴結構形式主要有切向單式離心噴嘴、螺旋式噴嘴及含旋流葉片霧化噴嘴，采用這三種形式的噴嘴作為實驗噴嘴進行實驗分析。

2.1 不同噴嘴結構霧化粒徑的分析

對三種噴嘴結構的霧化粒徑進行分析，選取1.2 mm 孔徑的三種噴嘴在距離噴嘴出口500 mm 的斷面上，對噴嘴形成的霧化粒徑進行測量。霧化粒徑的大小采用平均粒徑D[3，2]、D[4，3]表示，對于特征粒徑采用D10、D50、D90 進行表示[12]。對三種噴嘴的霧化粒徑進行實驗并記錄，得到霧化粒徑的大小如圖2所示。

從圖2 中可以看出，在相同的壓力條件下，三種不同的噴嘴結構對噴霧粒徑的描述中，霧化粒徑的大小整體分布相差不大，在三種結構的噴嘴中，平均粒徑的大小以含旋流葉片霧化噴嘴的較大，切向單式離心噴嘴的平均粒徑較小。

圖2 相同壓力不同噴嘴結構霧化粒徑的變化

噴嘴進行噴霧的壓力與流量之間具有相關的關系，進一步對相同流量下噴嘴的霧化效果進行分析，設定噴霧的流量在0.6 m3/h，對噴嘴霧滴的粒徑進行分析，得到三種噴嘴結構粒徑分布的變化如圖3所示。

圖3 相同流量不同噴嘴結構霧化粒徑的變化

從圖3 中可以看出，在相同流量的條件下，三種不同的噴嘴結構中，切向單式離心噴嘴形成的霧化顆粒較小，相對其他兩種形式的噴嘴，在平均粒徑及特征粒徑上均有一定的差值；而其他兩種形式的噴嘴在霧化顆粒的粒徑上相差不大，均大于切向單式離心噴嘴形成的霧化顆粒。

2.2 不同噴嘴結構霧化角的分析

對三種噴嘴結構的霧化角進行分析，選取1.2 mm 孔徑的三種噴嘴在不同的供水壓力下形成的霧化角進行測量。對三種噴嘴的霧化角進行實驗并記錄，得到霧化角的大小如圖4 所示。

從圖4 中可以看出，三種噴嘴結構形成霧化角中，以切向單式離心噴嘴的霧化角最大，其次為螺旋式噴嘴，含旋流葉片霧化噴嘴的霧化角最小。在進行高壓噴霧的過程中，隨著供水壓力的增加，噴嘴形成的霧化角逐漸減小，三種噴嘴結構霧化角的變化趨勢一致，其中含旋流葉片霧化噴嘴變化的幅度最大，供水壓力由2 MPa 增加至10 MPa 的過程中，含旋流葉片霧化噴嘴形成的霧化角下降34.2%，螺旋式噴嘴下降22.2%，切向單式離心噴嘴下降17.4%。隨著供水壓力的增加，噴嘴噴出霧滴的速度增加，形成的卷吸空氣的動量增大，在霧流的重心位置形成一定的負壓，使得霧化顆粒的受到負壓的作用向內收縮，從而造成霧化角的縮小。

圖4 不同壓力下噴嘴結構霧化角的變化

3 結語

煤礦開采過程中形成的粉塵會對煤礦的安全造成嚴重的威脅，且對作業人員的健康造成一定的影響。采用高壓噴霧的形式除塵是煤礦除塵作業中常用的方法。噴嘴作為高壓噴霧系統的關鍵零部件，其結構形式的不同對噴霧除塵的效果具有直接的影響。針對切向單式離心噴嘴、螺旋式噴嘴及含旋流葉片霧化噴嘴三種結構形式的噴嘴，搭建了噴霧效果的測試系統，對其霧化粒徑及霧化角進行實驗分析。結果表明，在相同的壓力及相同的流量條件下形成的霧化粒徑中，以切向單式離心噴嘴的平均粒徑及特征粒徑最小；在三種結構的噴嘴中，切向單式離心噴嘴形成的霧化角最大，隨著供水壓力的增加，霧化角的下降值最大為34.2%。對煤礦進行噴霧除塵的過程中，切向單式離心噴嘴結構的除塵效果更好，有利于降低礦井的粉塵度，提高煤礦的安全性。