帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)氣水噴霧降塵效果試驗(yàn)研究

薛文濤，侯茂森，霍中剛，凡永鵬，郝晉偉，楊偉東，宋 鑫，涂 琦

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

帶式輸送機(jī)作為現(xiàn)代化煤礦的重要運(yùn)輸工具，極大的解決了礦井煤炭運(yùn)送問題。由于帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)位置存在下落高度，煤體下落過程中附著在上面的粉塵在空氣阻力和風(fēng)流的作用下懸浮在空氣中，從而造成轉(zhuǎn)載點(diǎn)附近的粉塵濃度大大提高[1]。相關(guān)科研單位曾對(duì)選煤廠帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)位置附近的粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明其最高粉塵濃度可達(dá)2 260 mg/m3，可呼吸性粉塵濃度也遠(yuǎn)超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)22 mg/m3[2]。如何有效降低帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵濃度已經(jīng)成為解決煤礦安全生產(chǎn)和維護(hù)礦工生命健康的一項(xiàng)關(guān)鍵問題。噴霧降塵作為主要的防塵措施之一，被廣泛運(yùn)用于各類具有防塵需求的場(chǎng)合中，但傳統(tǒng)的壓力型噴霧方式存在水壓要求高、耗水量大、對(duì)呼吸性粉塵捕集效果較差等不足[3-6]。氣水噴霧作為一種新型噴霧方式，具有霧化效果好、耗水量少、對(duì)水壓要求較低且降塵效率高等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)氣水噴霧降塵進(jìn)行了大量理論和試驗(yàn)研究。Dariusz Prostanski[7]測(cè)試了氣水噴霧在礦山掘進(jìn)中的降塵效果，結(jié)果表明使用氣水噴霧系統(tǒng)后降塵效率較使用前提高了約80%；Raj Mohan B[8]對(duì)氣水噴霧系統(tǒng)在洗滌塔內(nèi)的降塵效果進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究；吉曉莉等[9]、艾吉文等[10]對(duì)氣水噴霧噴嘴的霧化特性進(jìn)行了理論和數(shù)值模擬研究；蔣仲安等[11]對(duì)自行開發(fā)的氣水噴霧降塵系統(tǒng)的噴霧霧化特征和降塵效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究；王鵬飛等[12-14]研究了供水壓力、供氣壓力對(duì)氣水噴霧噴嘴流量、霧化特性參數(shù)、降塵效率的影響。基于上述研究成果，利用模擬轉(zhuǎn)載點(diǎn)試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行了一系列氣水噴霧降塵試驗(yàn)，探究了噴嘴相關(guān)參數(shù)以及噴嘴布置位置對(duì)降塵效果的影響，并通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了選取參數(shù)的可靠性與適用性。

1 試驗(yàn)平臺(tái)

為模擬轉(zhuǎn)載點(diǎn)工況，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，模擬轉(zhuǎn)載點(diǎn)試驗(yàn)平臺(tái)如圖1。平臺(tái)設(shè)計(jì)最大給料量8 t/h，最小給料量2.5 t/h，帶式輸送機(jī)長(zhǎng)2.4 m，帶面寬0.4 m，距離地面高度為0.35 m，最快運(yùn)行速度為0.79 m/s，最慢運(yùn)行速度為0.31 m/s。

圖1 模擬轉(zhuǎn)載點(diǎn)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experimental platform of simulated transfer point

給料器包括儲(chǔ)煤斗和電磁振動(dòng)器2 部分，可通過調(diào)節(jié)電流使煤料連續(xù)均勻下落。由于儲(chǔ)煤斗距輸送帶較高，塊狀煤直接跌落到運(yùn)行的帶式輸送機(jī)的輸送帶上，會(huì)對(duì)輸送帶造成一定損傷并向周圍飛濺，因此在儲(chǔ)煤斗和帶式輸送機(jī)之間安裝1 段導(dǎo)料槽起緩沖作用。距給料機(jī)近的一端稱為輸送帶頭，較遠(yuǎn)的一端稱為輸送帶尾，在輸送帶尾部有1 個(gè)收料箱，方便回接落煤，收料箱尺寸為1.1 m×0.9 m×0.4 m。

風(fēng)洞相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果[15]表明：風(fēng)流風(fēng)速對(duì)帶式輸送機(jī)周圍的粉塵濃度分布有較大影響，為避免風(fēng)速對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析造成較大影響，設(shè)計(jì)室內(nèi)風(fēng)速為自然通風(fēng)條件下的風(fēng)速，使用熱球式風(fēng)速儀測(cè)定試驗(yàn)過程中室內(nèi)風(fēng)速為0.2 m/s。

煤料均取自煤礦井下采掘工作面，試驗(yàn)前將粗煤料篩分去煤渣煤矸后混合形成粒度相對(duì)比較均勻的煤料作為試驗(yàn)材料。此外還對(duì)煤料進(jìn)行晾曬干燥，使煤料具有一定的產(chǎn)塵能力，以滿足試驗(yàn)需求。

2 轉(zhuǎn)載區(qū)域粉塵分布規(guī)律試驗(yàn)

首先模擬不使用氣水噴霧條件下轉(zhuǎn)載區(qū)域的工作情況，從而研究轉(zhuǎn)載區(qū)域粉塵分布規(guī)律。沿輸送帶均勻布置6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)距地面0.5 m，測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖2，測(cè)點(diǎn)編號(hào)和實(shí)際位置對(duì)照表見表1。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Measuring points distribution

表1 測(cè)點(diǎn)編號(hào)和實(shí)際位置對(duì)照表Table 1 Corresponding table of test point number and actual position

沿輸送帶布置6 臺(tái)CCD-500FB 防爆測(cè)塵儀測(cè)定全塵和呼吸性粉塵濃度，自給料器向帶式輸送機(jī)給煤料開始記錄數(shù)據(jù)，設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔為1 s，至煤料全部落入收料箱停止記錄。為保證試驗(yàn)效果，設(shè)定給料器給料速度為8 t/h，帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度為0.31 m/s。

各測(cè)點(diǎn)粉塵測(cè)定結(jié)果如圖3。試驗(yàn)結(jié)果表明：轉(zhuǎn)載區(qū)域?qū)Я喜鄢隹谇胺剑y(cè)點(diǎn)2）粉塵濃度最大，導(dǎo)料槽出口后方（測(cè)點(diǎn)1）粉塵濃度小于出口前方濃度，沿帶式輸送機(jī)運(yùn)行方向粉塵濃度逐漸下降，在收料箱上方處（測(cè)點(diǎn)6）粉塵濃度再次上升，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果[16]類似。根據(jù)轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵產(chǎn)生機(jī)理[17]，煤體在下落過程會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流，跌落至剛性平面時(shí)產(chǎn)生剪切氣流，在2 種氣流的作用下附著在煤體上的粉塵大量逸散到空氣中，因此導(dǎo)料槽出口附近和收料箱上方的粉塵濃度較大。

圖3 各測(cè)點(diǎn)粉塵測(cè)定結(jié)果Fig.3 Determination results at each measuring point

不同測(cè)點(diǎn)PM5粉塵占全塵比例如圖4。由圖4 可知，粒徑5 μm 以下的呼吸性粉塵占全塵比例的變化趨勢(shì)與粉塵濃度的變化趨勢(shì)一致，同樣呈“S”狀，其中導(dǎo)料槽口和收料箱上方PM5粉塵占全塵的比例最高，約為70%，而其余測(cè)點(diǎn)測(cè)得呼吸性粉塵比例也超過了50%，試驗(yàn)結(jié)果與井下實(shí)際測(cè)定結(jié)果[18]接近。試驗(yàn)結(jié)果表明轉(zhuǎn)載區(qū)域PM5粉塵比例較大，當(dāng)粉塵粒徑小于5 μm 后，很難依靠粉塵自身的重力沉降降塵，需要采取有效措施對(duì)粉塵進(jìn)行防治。

圖4 不同測(cè)點(diǎn)PM5 粉塵占全塵比例Fig.4 Proportion of respirable dust in total dust at different measuring points

不同測(cè)點(diǎn)粉塵濃度隨時(shí)間的變化如圖5。測(cè)點(diǎn)2處的粉塵濃度隨著煤料下落到帶式輸送機(jī)輸送帶上迅速增大至峰值，隨后逐漸下降并趨于穩(wěn)定；處于輸送帶中部位置的測(cè)點(diǎn)4 處的粉塵濃度隨帶式輸送機(jī)運(yùn)行經(jīng)過1 個(gè)先增大后緩慢下降的過程；測(cè)點(diǎn)6 處的粉塵濃度逐漸增大并在煤料下落至收料箱后迅速增大。試驗(yàn)過程中觀察發(fā)現(xiàn)煤料從導(dǎo)料槽下落至帶式輸送機(jī)輸送帶上后，導(dǎo)料槽出口處迅速產(chǎn)生大量粉塵并逐漸擴(kuò)散至整個(gè)輸送帶面，煤料下落至收料箱時(shí)又有新的粉塵產(chǎn)生。結(jié)合3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度變化過程，分析認(rèn)為雖然在帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中氣流受輸送機(jī)牽引作用也會(huì)導(dǎo)致部分粉塵逸出，但主要產(chǎn)塵原因還是由于煤料從高處下落造成的。為此，將導(dǎo)料槽出口前方命名為塵源點(diǎn)1，收料箱上方的輸送帶尾部命名為為塵源點(diǎn)2。

圖5 不同測(cè)點(diǎn)粉塵濃度隨時(shí)間的變化Fig.5 Variation of dust mass concentration with time of different measuring points

3 噴霧降塵效率試驗(yàn)

3.1 氣水噴霧參數(shù)

進(jìn)行氣水噴霧降塵試驗(yàn)前首先對(duì)氣水噴霧的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行選擇，包括氣壓、流量、噴嘴類型、噴嘴孔徑等，學(xué)者們已經(jīng)進(jìn)行了大量相關(guān)理論和試驗(yàn)研究探討這些參數(shù)對(duì)于降塵效果的影響，因此重點(diǎn)討論噴嘴位置對(duì)降塵效果的影響，不再對(duì)噴霧參數(shù)進(jìn)行細(xì)致研究，僅根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)以及相關(guān)試驗(yàn)選擇合適的噴霧參數(shù)。

水滴顆粒對(duì)粉塵顆粒捕集效率η 計(jì)算公式[19]：

式中：σ 為粉塵與顆粒接觸系數(shù)；y 為塵粒距霧滴顆粒距離；D 為霧滴直徑。

無噴霧試驗(yàn)測(cè)得轉(zhuǎn)載區(qū)域PM5顆粒濃度占全塵濃度約為70%，根據(jù)式（1）計(jì)算噴霧水滴的顆粒直徑在15～35 μm 時(shí)降塵效率最高。氣水噴霧噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)噴霧粒徑有較大影響，常見的噴嘴結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)霧滴粒徑見表2[20]。由表2 可知噴嘴類型選擇可調(diào)廣角型較為合適，為避免噴嘴被粉塵阻塞，噴嘴口徑選擇1.5 mm，氣水噴霧噴嘴實(shí)物如圖6。

圖6 氣水噴霧噴嘴實(shí)物Fig.6 Physical images of nozzle for air-water spray

表2 常見噴嘴結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)霧滴粒徑Table 2 Types of nozzle structure and corresponding droplet size

結(jié)果表明，氣水噴霧霧滴粒徑隨氣壓增大而減小，增大氣壓雖然能夠增大霧滴破碎程度，但粒徑過小時(shí)霧滴在空氣中容易蒸發(fā)。保持供水壓力不變，進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定水壓為0.55 MPa 時(shí)不同氣壓的噴霧降塵效率，從而確定合適的供氣壓力，不同氣壓噴霧降塵效率如圖7。由圖7 可知，氣壓過大時(shí)雖然會(huì)提高對(duì)PM5顆粒的降塵率，但全塵顆粒的降塵率反而下降，當(dāng)噴霧氣壓為0.6 MPa 時(shí)全塵顆粒和PM5的降塵效率均達(dá)到94%，因此選擇供氣壓力為0.6 MPa。

圖7 不同氣壓噴霧降塵效率Fig.7 Dust removal efficiency of spray under different pressure conditions

文獻(xiàn)［13］指出為保證降塵效率，應(yīng)選擇接近且略高于供氣壓力的供水壓力，試驗(yàn)水壓滿足這一要求。除氣壓水壓外，供水流量對(duì)降塵效率也有影響，供水流量過小導(dǎo)致單位空間中霧滴數(shù)量不足，進(jìn)而影響降塵效率，供水流量過大則會(huì)影響正常生產(chǎn)工作。通過旋轉(zhuǎn)噴嘴液體帽調(diào)節(jié)供水流量，進(jìn)行不同供水流量條件下噴霧降塵效果測(cè)試試驗(yàn)，不同供水流量條件下降塵效率見表3。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，供水流量達(dá)到0.25 L/min 后降塵效率上升已不再明顯，因此選擇供水流量為0.25 L/min。

表3 不同供水流量條件下降塵效率Table 3 Dust reduction efficiency under different water supply flow conditions

選擇噴嘴孔徑為1.5 mm 的可調(diào)廣角型噴嘴，供氣壓力0.6 MPa，供水壓力0.55 MPa，供水流量0.25 L/min，測(cè)得該條件下最大噴霧距離約為1.6 m，利用圖像法對(duì)噴嘴產(chǎn)生的霧化角進(jìn)行測(cè)定，約為65°。

3.2 噴嘴布置位置對(duì)噴霧效率影響

將噴嘴布置在輸送帶上方不同位置，測(cè)定各測(cè)塵點(diǎn)處的粉塵濃度并計(jì)算噴霧降塵效率，噴嘴距地面高度1.0 m。降塵效率與噴嘴沿輸送帶安裝位置關(guān)系如圖8。

圖8 降塵效率與噴嘴沿輸送帶安裝位置關(guān)系Fig.8 The relationship between dust removal efficiency and nozzle installation position along the conveyer

由圖8 可知，當(dāng)噴嘴位于測(cè)點(diǎn)2 上方時(shí)，所有測(cè)點(diǎn)測(cè)得的降塵效率都能達(dá)到70%以上，當(dāng)噴嘴布置在其余測(cè)點(diǎn)上方時(shí)，雖然對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置降塵效率能夠達(dá)到90%以上，但遠(yuǎn)離噴霧覆蓋范圍的降塵效率大幅下降，即粉塵濃度并沒有明顯下降。分析認(rèn)為測(cè)點(diǎn)2 作為主要塵源點(diǎn)，當(dāng)噴嘴位于測(cè)點(diǎn)2 上方時(shí)，在煤料掉落至輸送帶產(chǎn)生粉塵后就能夠捕集大多數(shù)粉塵，避免了粉塵向空間中進(jìn)一步擴(kuò)散，因此應(yīng)該將噴嘴布置在主要產(chǎn)塵點(diǎn)上方。

降塵效率還與噴嘴安裝高度有關(guān)，噴嘴距離輸送帶帶面高度過低時(shí)，噴霧的有效作用范圍主要集中在出口處，在這個(gè)范圍內(nèi)液滴顆粒較大，不能有效捕集呼吸性粉塵，因此降塵效果并不是很好；噴嘴安裝過高，噴霧有效作用范圍在噴霧末端，霧滴顆粒太小，不能有效捕集粉塵，降塵效果也會(huì)降低。因此進(jìn)行試驗(yàn)探究合適的噴嘴安裝高度，降塵效率與噴嘴距離地面高度的關(guān)系如圖9。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)噴嘴距離地面約1.2 m 時(shí)降塵效率最高，因此選擇安裝噴嘴距輸送帶帶面高為0.85 m。

圖9 降塵效率與噴嘴距離地面高度的關(guān)系Fig.9 The relationship between dust removal efficiency and the height of nozzle from ground

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

以某礦綜采工作面轉(zhuǎn)載機(jī)頭與進(jìn)風(fēng)巷帶式輸送機(jī)之間的轉(zhuǎn)載點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)。自轉(zhuǎn)載點(diǎn)起沿輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)方向每隔20 m 布置1 臺(tái)CCD-1000FB 防爆測(cè)塵儀，共布置6 臺(tái)測(cè)塵儀。不采用降塵手段時(shí)測(cè)得全塵顆粒濃度范圍在290～540 mg/m3之間，PM5顆粒濃度在190～310 mg/m3之間，呼吸性粉塵占比最高可達(dá)60%。

試驗(yàn)前將噴嘴水流量調(diào)至0.25 L/min，試驗(yàn)時(shí)在距輸送帶帶面上方0.85 m 處布置氣水噴霧噴頭，為能夠完全覆蓋輸送帶面寬度，沿輸送帶寬方向布置2 個(gè)噴嘴。從進(jìn)風(fēng)巷中的壓風(fēng)管和進(jìn)水管引出管路，管路與噴嘴兩端的進(jìn)氣口和進(jìn)水口連接，通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)供氣壓力和供水壓分別為0.6、0.55 MPa。使用氣水噴霧降塵后，測(cè)得全塵濃度在26～44 mg/m3之間，PM5顆粒濃度在14～18 mg/m3之間，降塵效率可達(dá)90%以上，降塵效果明顯。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）試驗(yàn)結(jié)果表明，不受風(fēng)流風(fēng)速影響時(shí)轉(zhuǎn)載區(qū)域全塵和呼吸性粉塵的濃度變化趨勢(shì)基本一致，主要塵源點(diǎn)為煤料下落位置，在塵源點(diǎn)處呼吸性粉塵占比可達(dá)70%，隨著粉塵擴(kuò)散產(chǎn)塵點(diǎn)粉塵濃度有所下降，其余位置的粉塵濃度則開始上升。

2）計(jì)算結(jié)果表明，霧滴直徑在15～35 μm 時(shí)能夠有效降低轉(zhuǎn)載點(diǎn)呼吸性粉塵。選擇噴嘴口徑1.5 mm 的可調(diào)廣角氣水噴嘴，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)供水壓力為0.55 MPa、供氣壓力壓力為0.6 MPa、供水流量為0.25 L/min 時(shí)噴霧降塵效果較好。噴嘴布置位置試驗(yàn)結(jié)果表明將噴嘴布置在距塵源點(diǎn)上方0.85 m處時(shí)降塵效果最好。

3）綜采工作面轉(zhuǎn)載點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)粉塵測(cè)試試驗(yàn)表明，全塵和呼吸性粉塵濃度均明顯降低，基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的氣水噴霧降塵系統(tǒng)對(duì)于帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)降塵有很好的適用性。