煤礦井下噴霧降塵噴嘴直徑對除塵效果的影響實驗分析

張 靜

（晉能控股煤業集團四臺礦，山西 大同 037001）

引言

煤礦的開采過程中會產生大量的粉塵，特別是現代機械化開采作業的應用，使得工作面的粉塵濃度較大，對煤礦的安全生產造成嚴重的隱患，且容易對井下作業人員的生命健康造成威脅。粉塵不利于開采工作的持續進行，采用一定的除塵措施是進行煤礦生產必需的作業內容。通過向開采工作面噴射霧滴的形式進行噴霧除塵[1]，是除塵效果較好的物理除塵方式，且在其他多種施工中也具有廣泛的應用。對于噴霧降塵的理論研究相對不足，特別是對噴嘴的直徑對除塵效果產生的影響[2]，也缺少相應的理論分析，采用實驗測試的形式對噴嘴直徑對除塵產生的效果進行分析[3]，從而為煤礦的除塵設計應用提供參考，降低工作面的粉塵濃度，提高煤礦的安全性。

1 噴霧降塵實驗測試系統的構建

噴霧降塵是通過向工作面含塵空氣中噴灑霧滴，使噴出的霧滴與粉塵發生碰撞、截留、靜電等作用，從而實現降塵的目的。對噴嘴的直徑所引起的降塵效果的不同進行實驗分析，首先進行實驗測試系統的構建[4]。依據噴霧降塵的原理及巷道工作面的除塵布置，建立降塵實驗測試系統如圖1 所示。系統中采用干粉氣溶膠擴散器作為發塵器，并由粒度分析儀、粉塵濃度測定儀、采樣器及噴霧系統等組成，通過噴霧高壓泵外接自來水形成除塵噴霧。采用煤粉作為粉塵介質[5]，氣溶膠擴散器向系統中輸送煤粉形成氣溶膠顆粒進行除塵測試。發塵器在一定范圍內可以進行輸出范圍的調節，從而可以控制粉塵的濃度[6]。

圖1 噴霧降塵實驗測試系統示意圖

對霧化除塵的效果進行評價，采用粉塵濃度測定儀進行數據的測量，測定儀采用中央處理器進行現場粉塵濃度的檢測及數據的直接讀取，實現恒流量的取樣測試，測試的濃度值準確可靠。測定儀對粉塵濃度的測量范圍為0～1 g/m3，測量的誤差值小于10%，可對呼吸性粉塵及全塵進行采樣測量[7]，采樣的流量為2 L/min。

對噴嘴直徑不同產生的除塵效果，分別對呼吸性粉塵及全塵進行采樣測量，分析其不同的影響作用。進行呼吸性粉塵采樣時設定采樣流量為20 L/min，全塵采樣時設定采樣流量為10～25 L/min。實驗測試中采用螺旋形噴嘴[8]，選擇噴嘴的直徑分別為1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm、1.8 mm 及2.0 mm。噴霧除塵過程中，供水壓力及流量的不同會對除塵的效果產生不同的影響，因此，對供水壓力及流量的條件分別進行測試，分析噴嘴直徑的影響作用。

2 噴霧降塵實驗測試效果的分析

2.1 供水壓力一定時降塵效果實驗分析

在實驗測試中，設定巷道的風速為1 m/s，擴散器的發塵量為380 mg/m3，在一定的供水壓力下選擇不同直徑的噴嘴進行降塵實驗。為進一步分析煤礦應用中應選用的噴嘴直徑，調整供水的壓力進行多輪次實驗，對系統的全塵降塵效率進行統計計算，得到不同直徑的噴嘴降塵效率如圖2 所示。

圖2 不同噴嘴直徑的全塵降塵效率分布曲線

從圖2 中可以看出，不同直徑的噴嘴結構對工作面全塵的除塵效率隨著供水壓力的增加呈現一致的分布曲線，隨著供水壓力的增加，除塵率均呈上升的趨勢；在不同的噴嘴直徑中，隨著噴嘴直徑的增加，全塵的除塵率也逐漸增加。同時可以看到，噴嘴直徑增加所引起的全塵除塵率的增加量逐漸減小，這是由于在噴嘴直徑增加的過程中，對單位時間內形成的霧化水的密度增加，噴霧霧化角增大[9]，使得霧滴與粉塵相互碰撞的概率增多，從而使得除塵率增加，同時隨著噴嘴直徑的逐步增加，形成的霧化顆粒的粒度較大，而減小了噴霧的射程，從而使得除塵率的增加量有所減小[10]。

采用同樣的條件對呼吸性粉塵的除塵率進行實驗測試，得到不同直徑的噴嘴降塵效率如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在噴嘴直徑增加的過程中，對呼吸性粉塵的降塵率呈先增加后減小的規律，噴嘴的直徑在1.0～1.5 mm 時，降塵率隨噴嘴直徑的增加而增加，當噴嘴的直徑進一步增加時，產生的降塵率則隨之下降，且產生較大的波動。在相同的供水壓力下，隨著噴嘴直徑的增加，單位空間內形成的霧化水量增加，有利于對呼吸性粉塵的捕獲，當噴嘴直徑大于1.5 mm 時，隨著噴嘴直徑增加產生的霧滴的粒徑增加較大，對噴霧形成的霧化角有所下降，降低了對呼吸性粉塵的捕獲效果[11]，從而造成除塵率的下降。在不同的供水壓力分布下，不同直徑的噴嘴產生的除塵率變化曲線基本一致，隨壓力的增加而有所增加，以1.5 mm 直徑的噴嘴產生的除塵效果最好，最大除塵率可達70%。

圖3 不同噴嘴直徑的呼吸性粉塵降塵效率分布曲線

2.2 供水流量一定時降塵效果實驗分析

在實驗測試中，設定巷道的風速為1 m/s，擴散器的發塵量為380 mg/m3，在一定的供水流量下選擇不同直徑的噴嘴進行降塵實驗。選擇供水流量為1 m3/h進行實驗，對系統的全塵及呼吸性粉塵的降塵效率進行統計計算，得到不同直徑的噴嘴降塵效率如圖4 所示。

圖4 不同直徑噴嘴的降塵效率分布曲線

從圖4 中可以看出，在供水流量一致的情況下，不同直徑噴嘴對全塵及呼吸性粉塵除塵效果隨著直徑的增加而減小，且呼吸性粉塵除塵濾下降較多，全塵的除塵率下降較小。在噴嘴直徑小于1.5 mm 時全塵的除塵率變化不大，增加至最大2.0 mm 直徑時僅下降了8%，呼吸性粉塵的除塵率增加至2.0 mm 時下降了30%。在相同的供水流量下，不同直徑的噴嘴所產生的的霧化水量一致，則噴嘴直徑的增加使得水霧的壓力下降[12]，從而造成霧滴粒徑的增加及射程的減小，對呼吸性粉塵的除塵效果產生較大影響。

通過上述的分析可知，在供水量相同的情況下，應盡量選擇較小的噴嘴保證良好的除塵效果，由于在實際的應用過程中，水質中常含有各種雜質，較小的噴嘴容易造成堵塞，不利于系統使用的穩定可靠性，因此在供水量受限的工況下優先選擇1.5 mm 直徑的噴嘴進行除塵作業。

3 結論

1）在供水壓力相同的工況下，噴嘴直徑的增加導致對全塵的除塵率上升，對呼吸性粉塵的除塵率先增加后減小，噴嘴直徑為1.5 mm 時的效果最佳；

2）在供水流量相同的工況下，噴嘴直徑的增加導致全塵及呼吸性粉塵的除塵率均下降，且呼吸性粉塵的除塵率下降較大。