淺談氣動霧化在帶式輸送機粉塵治理中的應用

王旭廷

(潞安化工集團 王莊煤礦，山西 長治 046031)

帶式輸送機因其運輸能力大、運輸效率高等獨有優勢，以及較強的機械化礦井適應能力，在礦井運輸中被廣泛應用，但在礦井運輸過程中會產生較大粉塵，危害作業人員的身體健康，尤其在輸送機連接處、卸載點、礦井運輸需要拐彎的地點，污染更為嚴重，主要是由于礦井通風系統形成的風流在這些地點極易發生方向改變形成渦流，從而將粉塵擴散到巷道空氣中，造成粉塵濃度超限。如果粉塵顆粒較小，在風流作用下擴散距離更遠，造成的粉塵危害會更為嚴重。

隨著礦井產量的不斷增加，礦井生產和運輸過程中產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格，這種環境也不斷促進了降塵技術的發展[1-2]。目前，降塵技術主要分為濕式及干式兩種，但由于礦井粉塵產生的源頭較為開放，不容易對粉塵源頭進行封閉處理，所以干式降塵技術在礦井粉塵治理中應用較少。而考慮到礦井的節能增效，從粉塵治理的效率和礦井自身經濟條件綜合考慮，氣動噴霧在礦井應用范圍較為廣泛、操作簡單、使用時間較長，霧化產生的液滴較適應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共有4個回風井、7個進風井，每個風井裝有兩臺同等能力的主要通風機，一用一備，礦井通風方式為混合式，礦井總進風量為50 640 m3/min，總回風量為51 740 m3/min。主扇排風量52 510 m3/min，礦井有效風量46 290 m3/min，全礦井有效風量率為91.4%。王莊煤礦礦井防塵系統采用防塵灑水與消防用水共用系統，礦井主要進、回風巷和采區進回風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1個三通并配備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、采區運輸大巷、綜采工作面等地點進行粉塵測試，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的細微粉塵占粉塵總量的89%～98%，這部分細微粉塵用噴霧或濾袋除塵效果最佳。

2 氣動噴霧降塵技術原理

濕式除塵又叫水霧捕塵，是霧滴顆粒捕捉區域環境中粉塵顆粒的過程，兩者在發生慣性碰撞、截留、重力、擴散、靜電力等多種機理作用下完成降塵[3]。對于濕式除塵，多種機理不是在同一時間發生作用，而是根據選擇的降塵方式和降塵設備的不同，在不同時間發生作用。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、風流流速和形成的流場形式、環境內是否存在電場等多種因素，綜合決定各種機理在粉塵治理中的作用效果。氣動噴霧除塵技術是基于負壓誘導式氣水混合噴霧降塵原理，通過壓縮空氣與水在風水噴頭混合相互作用形成高壓水霧，從而起到降塵的作用。液滴的霧化機理按照氣動過程中噴發空氣、水等液體兩者之間的相對速度形成三種不同狀態的分裂。在相對速度較低的情況下，噴氣對液滴的破壞程度較弱，液滴僅發生滴狀分裂；兩者相對速度逐漸增大，兩者之間會產生足夠大的摩擦力，將液滴形狀進行擠壓，且破壞液滴結構平衡，形成細小的霧滴，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，則產生膜狀分裂。

3 氣動噴霧降塵系統參數選擇

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，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行孔徑選擇實驗，其他條件一致，模擬礦井環境溫度23 ℃、濕度73%、氣壓0.4 MPa、流量0. 8 L/min，根據實驗結果，繪制相應的<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

流量限制了除塵強度以及可持續除塵的時間。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行試驗，結果見圖2。水流量在0.15～0.6 L/min范圍內，隨著水流量強度的不斷增大，<10 μm霧滴比例不斷增加，而水流量在0.6～1 L/min范圍內，水流量強度對<10 μm霧滴比例的影響較小，曲線較為平緩。而在實際應用中，為了提升水流量的壓力就必須提升機械設備的承壓能力，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，構建規格為高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相，并且氣相為不可壓縮非穩態湍流流動，液體水視為離散相，采用湍流模型、泰勒比破碎模型、碰撞模型和蒸發模型，氣液間無能量交換，進行相間耦合計算，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進行模擬，比較其霧化效果，噴嘴空氣速度在10～25 m/s范圍內變化，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致膠帶打滑跑偏，每套噴霧系統設置7個噴嘴，2個噴嘴噴射機頭處導料槽入口，4個噴嘴噴射導料槽出口，1個噴嘴噴射機尾，在受料系統安裝噴霧除塵裝置。安裝地點及數量：導料槽下方與膠帶轉載點1臺、導料槽上方2臺、導料槽下方出口處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，分別在導料槽出口、機尾處、機頭處使用粉塵濃度測量儀在治理后200 s內分別測量8次粉塵濃度，見表1。根據表中數據得出，導料槽出口、機尾及機頭在噴霧前粉塵質量濃度在99.6～518.3 mg/m3，而噴霧后粉塵質量濃度降至7.3～46.6 mg/m3，降塵率均達到了90%以上。

圖3 氣動噴霧網格劃分

5 結 語

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

表1 導料槽出口/機尾/機頭除塵率