煤礦井下噴霧降塵裝置霧化特性和降塵效果的研究

張云龍

（山西寧武大運華盛南溝煤業有限公司，山西 寧武 036700）

引言

隨著科技的進步和煤礦井下綜采作業機械化水平的不斷提高，對煤炭的開采強度和開采效率迅速提升，造成井下綜采工作面粉塵含量劇增，不僅影響作業人員在綜采作業面的工作視線，帶來嚴重的安全隱患，而且還極大地增加了作業人員罹患塵肺病等疾病的概率，因此如何有效降低煤礦井下作業面的粉塵含量是需要不斷研究的課題[1]。

噴霧降塵裝置作為一種有效的降塵裝置，自發明以來便憑借其結構簡單、可靠性好的特點，在煤礦井下得到了廣泛的應用，在實際工作中，當采煤機等設備連續、大負荷運行導致粉塵量劇增時，人們通常采用增加噴霧壓力的方式進行降塵，但盲目提升工作壓力不僅對系統工作的可靠性造成了巨大的影響，而且使降塵時的耗水量大幅增加，造成了水資源的巨大浪費，也增加了企業噴霧降塵的成本。本文針對噴霧降塵裝置在不同工作壓力下的霧化特性和降塵效果進行研究，目的是獲得相應的降塵效率與工作壓力的關聯曲線，為煤礦實際生產時的降塵作業提供理論和技術支持，提升降塵作業效率和噴霧降塵裝置的工作可靠性。

1 試驗系統設計及試驗方案

為準確模擬煤礦井下的產塵環境，并對高壓噴霧裝置的霧化特性和降塵效果進行研究，本文采用干粉擴撒器、高速霧滴粒度分析儀、高壓泵、粉塵濃度測試儀等組成的試驗平臺進行驗證[2]。在工作時，利用高壓泵輸出不同的工作壓力，將水從噴嘴噴出，通過高速霧滴粒度分析儀對形成的霧場情況進行分析，利用可調速風機模擬巷道內的氣流流動情況，通過粉塵擴散器模擬不同濃度下的巷道環境，對噴霧前空間內的粉塵濃度和噴霧后空間內的粉塵濃度進行統計，便可得出在不同噴霧壓力下對粉塵的沉降效果，噴霧降塵裝置噴霧降塵效果模擬試驗系統如圖1所示。

圖1 噴霧降塵試驗平臺（單位：mm）

2 霧化特性試驗結果分析

高壓噴霧裝置霧化特性的優劣，通常采用單位空間為霧滴的尺寸分布進行表示，在該評價體系中，用D[3，2]表示液滴的索泰爾平均直徑，用D50表示中位徑，用D[4，3]表示液滴的加權平均直徑[3-4]。不同噴霧壓力下的霧滴的霧化參數如表1所示。

表1 不同噴霧壓力下的霧化特征參數

由表1可知，隨著噴霧降塵裝置工作壓力的升高，噴霧時的霧化錐角由2 MPa工況下的57.82°逐漸減少到10 MPa下的33.65°，因此隨著噴霧降塵壓力的逐漸增加，其霧化錐角則隨之降低，造成噴霧降塵裝置在噴霧時的有效降塵面積不斷降低，影響了對粉塵的沉降效果，噴霧錐角的變化如下頁圖2所示。

圖2 不同噴霧壓力下的霧化錐角

表征噴霧裝置霧化參數的索泰爾平均直徑、加權平均直徑及顆粒中位徑均隨著噴霧降塵壓力的增加而減小，說明其工作壓力越高對水滴的霧化效果越好，但當工作壓力大于8 MPa后其水滴的霧化效果提高并不顯著。

噴霧降塵裝置在不同噴霧壓力下對粉塵的沉降效果如表2所示。

表2 不同噴霧壓力下的粉塵濃度變化

由表2可知，隨著噴霧壓力的增加，粉塵濃度呈現逐漸降低的趨勢，對全塵和呼塵的沉降效果改善顯著，全塵的沉降由2 MPa時的122.89 mg/m3逐漸降低到10 MPa時的60.19 mg/m3，呼塵的沉降由2 MPa時的47.67 mg/m3逐漸降低到10 MPa時的22.97 mg/m3。

3 粉塵沉降試驗結果分析

不同噴霧壓力下噴霧降塵裝置對呼塵和全塵[4]的沉降效率變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，當在各工作參數固定的情況下，噴霧降塵效率隨著噴霧壓力的增加而逐漸增大，并且呼塵的沉降的效率變化幅度要大于全塵隨壓力的變化幅度，造成這種現象的主要原因是噴霧降塵裝置的工作壓力越高，對水滴的霧化效果越好，其霧化顆粒的外徑就越小，在運動過程中霧滴的速度也相對較高，是霧滴顆粒與空氣中的粉塵顆粒的結合成功率更高。當噴霧降塵裝置的工作壓力為2~6 MPa時全塵的沉降效率基本與壓力變化趨勢呈線性關系，當工作壓力大于8 MPa后全塵的沉降效率的變化情況要遠低于工作壓力的變化情況，當噴霧壓力從8 MPa增加到10 MPa時，壓力增加的幅度達到了25%，但噴霧降塵效率僅增加了約2.34%。結合表1不同壓力情況下粉塵的霧化特征參數，在10 MPa情況下液滴的索泰爾平均直徑僅比8 MPa情況下的液滴的索泰爾平均直徑降低了3.47 μm，其霧化錐角降低了3.82°，極大地限制了其噴霧降塵的效果。

圖3 挖掘機動臂升降控制系統現場試驗圖片

噴霧降塵裝置在不同壓力情況下對呼塵的沉降效率也是隨著工作壓力的增加呈逐漸上升的趨勢，當工作壓力低于8 MPa時其對呼吸塵的沉降效率增加較為明顯，當超過8 MPa時沉降效果的增幅并不顯著。

綜合分析可知，在煤礦井下的粉塵中，其對水滴具有一定的排異性，單純通過增加排水量來達到增加粉塵沉降效率的手段具有較大的局限性。當噴霧降塵裝置的工作壓力在8 MPa情況下，對呼塵和全塵均表現出了較高的沉降效果和霧化特性，當超過8 MPa時對粉塵的沉降效率增幅將迅速降低，且會對噴霧降塵裝置的系統結構和使用壽命產生較大的影響，因此在進行噴霧降塵作業時，選擇8 MPa的工作壓力最為合理。

4 結論

通過建立噴霧降塵裝置模擬試驗臺，對某型噴霧降塵裝置在不同工作壓力下的霧化特性進行研究，結果表明隨著工作壓力的升高，液滴的霧化效果越好，其霧滴直徑逐漸降低，當工作壓力超過8 MPa時霧滴直徑隨壓力變化的幅度將大幅下降。噴霧降塵裝置對全塵和呼吸塵的沉降效率均隨著壓力的增加而逐漸增大，當壓力超過8 MPa時對粉塵的沉降效率的增加幅度將迅速降低，因此噴霧降塵裝置的工作壓力為8 MPa時具有最佳的噴霧降塵效果和霧化特性。