高壓霧化除塵系統失效深層次分析★

程紅林，郭建珠

（1.山西華陽集團新能股份有限公司二礦,山西 陽泉 045000；2.太原理工大學，山西 太原 030002）

1 問題的提出

隨著我國煤礦井下機械化開采技術的不斷提高，粉塵產生量明顯增加，井下粉塵45%～80%由回采工作面產生，掘進工作面生產產塵量占20%～38%，井下作業環境極其惡劣，危害勞動者健康，導致煤礦工人出現塵肺病。中國職業衛生與中毒控制所的統計數據顯示，2013 年全國共診斷出約23 000 例塵肺病例，其中約14 000 例（約60%）來自煤礦行業。2018 年我國衛生健康事業發展統計公報指出：截至2018 年底，全國共報告各類職業病新病例23 497 例，職業性塵肺病及其他呼吸系統疾病19 524 例（其中職業性塵肺病19 468 例）。當前煤礦職業健康形勢依舊嚴峻，煤工塵肺和矽肺病人數長期占全國塵肺病人數1/2 以上。隨著社會經濟發展和人民生活水平的不斷提高，職業健康逐漸成為社會關注的焦點。煤礦井下生產過程中，主要采取煤層注水、干式除塵、噴霧降塵、泡沫除塵等技術措施降低煤塵污染程度。煤層注水所需投入費用高、周期長，孔隙率低于4%時會很難將水注入煤層。干式除塵方法主要通過對含塵風流進行移運、過濾，一方面設備體積大，井下有限空間內限制因素過多，另一方面因現有除塵技術無法做到從產塵源頭進行治理，不僅對處理風量以外的污風沒有有效治理手段，而且這一“先污后治”模式在一定程度上使得治理過程更趨于復雜化，無疑會加大治理成本和放大治理難度。噴霧降塵技術主要通過水霧霧滴與粉塵顆粒碰撞降塵，耗水量大且易在地面積水，惡化井下作業環境，同時水霧噴頭對水質要求極高，設備可靠性差，在井下作業環境中使用壽命極低，其最大硬傷是除塵效率相對較低。而泡沫除塵技術，其除塵效率高于噴霧降塵技術，但是泡沫除塵機理決定了泡沫運行過程路徑有效才能滿足其除塵，當現場任何擾動使吹出的泡沫大都未到迎頭便被回風流吹回折返時，除塵易失效，總體看泡沫除塵技術效果不佳，且成本較高。

我國煤礦主要防塵措施是噴霧降塵,而噴嘴作為噴霧降塵最基本的元件，其霧化能力(霧流形狀和霧粒大小)直接決定了噴霧降塵的效果[1]。高壓霧化除塵系統使用范圍廣，配套設備多，承擔的任務重，既是重要的環保監察節點，也是重要的生產安全節點[2]，些許失誤即可形成大面積的環保事故和生產安全責任事故。

2 高壓霧化除塵系統組成和工作原理

高壓霧化除塵系統由水過濾器，水箱、高壓泵、高壓水管、噴頭、控制器等組成，如圖1 所示為高壓霧化除塵系統組成框圖；其工作原理是高壓泵將高壓水經高壓管路輸送到噴頭器件，噴頭器件裝置將高壓水轉化為高速射流，高速射流將水滴撞擊、分裂、破碎霧化，形成高壓霧化除塵流體。

圖1 高壓霧化除塵系統組成框圖

3 高壓霧化除塵系統失效分析核心對象的確立

噴嘴首先將流體高速化，隨后將流體分裂破碎化，噴嘴作為核心器件具有不可替代性，故障率高占維護工作量的70%以上，維修費用的35%左右；高壓泵是系統的動力來源，其維修費用占到50%以上，故障率占比為15%，也是失效頻發部件，高壓泵在系統中應作為次核心部件。

噴嘴典型失效形式是磨損導致的變形，如下頁圖2 所示為噴嘴失效實物圖，其結果是工作性能不能滿足霧化能力的需要；高壓泵故障主要是過濾精度下降導致磨損量加大造成壓力等級下降，其疊加噴嘴磨損可導致霧化能力不足，通過改善密封和耐壓等級等形式可解決恢復，其體現在保障能力下降，從失效根源分析可以列為次核心部件。通過以上分析，高壓泵故障原則上與深層次失效原因無關，但是業界一直認為霧粒大小與壓力關系極大，高壓泵應是核心器件，根本原因在于故障溯源思想和責任均分思想，還因為一些技術人員認為更高壓力下除塵效率和能力會更強的技術思路，使得高壓泵故障是不可忽略的技術要點思路更加根深地固。這一系列認識指導混淆了真正的矛盾所在，使得井下工作面除塵現狀沒有大的進步，成為制約煤礦安全生產的重大瓶頸之一。

圖2 噴嘴失效實物圖

4 基于數據的高壓霧化除塵系統失效深層次分析

如圖3 所示為系統動力器件與霧化器件能量轉換過程邏輯圖，由該圖知道高壓泵代表動力源，噴嘴代表霧化器件，二者本質關系就是能量轉換的提供者和轉換者，噴嘴決定霧化能量的能力，因此高壓泵不需要決定霧化能力，也不能決定霧化能力，高壓和霧化之間不一定有本質關聯。

圖3 系統動力器件與霧化器件能量轉換過程邏輯圖

高壓霧化除塵系統一般基于兩條技術管理路線對故障進行判斷，一條是系統性能，即負載支撐能力變化率；另一條就是設備壽命費用指標。這兩條技術管理路線又可分別細化為許多分指標，如噴嘴霧化率指標、最小破碎率指標、用水量指標、單位產量成本指標、霧流形狀、霧粒大小等；因為數據過于碎片化或者分散化，真正矛盾卻視而不見。

實測數據顯示，高壓泵波動10%對霧化能力沒有必然影響，霧化能力與噴嘴結構特征本質關聯。實驗數據還顯示，噴嘴性能改變時，從負載支撐能力變化影響指標角度分析，性能下降的相關度為90%；實測噴嘴實際使用壽命一般使用壽命為一周內（對呼吸性粉塵治理效果差的噴嘴而言），實測噴嘴實際使用壽命一般使用壽命為半個班次內（對呼吸性粉塵治理效果好的噴嘴），按照對性能影響壽命指標值：噴嘴變形變動量為3%～5%時，也就是按最小影響率條件分析，性能指數影響已經達到噴嘴使用壽命紅線上限，嚴格意義講已達到設備壽命費用指標更換標準。

進一步分析，噴嘴實際使用過程中對整個系統的容錯性極差，劣化率幾乎是沿45°大傾角向下快速變化。

在工程實踐中對于噴嘴的選擇，以噴嘴負載支撐能力和容錯性指標為基礎性指標，以此為出發點，使得噴嘴負載支撐能力變化指標的影響幾乎為零，而且使得噴嘴的壽命達10 000 h 以上。如圖4 所示為高壓水霧與氣水霧化兩種噴嘴效果對比圖：由實驗數據可知，高壓水霧噴嘴對壓力變化波動不明顯，但是壓力變化超過15%，有明顯變化，但是噴嘴的容錯率低，系統波動對其他噴嘴影響率高；氣水霧化噴嘴容錯率高，3 個噴嘴互不影響工作效果，如圖4-2 所示1 個噴嘴工作狀態不影響其他工作狀態，對壓力變化3 個噴嘴噴霧效果均不產生明顯變化。高壓水霧與氣水霧化兩種噴嘴效果對比效果可知，氣水霧化噴嘴大大優于高壓水霧噴嘴效果。

圖4 高壓水霧與氣水霧化兩種噴嘴效果對比圖

5 結語

噴嘴作為核心器件簡單套用壽命周期費用法進行評估有失公允；以霧化率、碰碎能力、加工精度等剛性功能性指標為核心考核指標加強和提高了對噴嘴的管理，不考慮噴嘴對負載性能變化的影響是霧化除塵管理中存在的重要漏洞，這一指標是基礎性指標，只有在這一指標前提下談論其他指標才有現實意義，否則只能導致數據的碎片化。筆者認為負載支撐能力這一指標可以直接評價噴嘴的可靠性；另外考慮霧化除塵工作環境復雜性必須增加容錯性這一指標，這是由流體的復雜性決定的，沒有容錯性這一關鍵指標保駕護航，噴嘴的負載支撐能力這一基礎權重指標將徹底弱化?；谝陨险J識和實踐認為，以噴嘴的負載支撐能力和容錯性指標為基礎，建立的霧化除塵系統分析評價體系才能滿足井下噴霧除塵系統的工作需要。