噴霧除塵機理及除塵效果影響因素分析★

劉慧敏，張 彬

（1.晉能控股煤業集團永定莊煤業公司，山西 大同 037024；2.太原理工大學原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024）

1 粉塵來源及危害

1.1 礦井生產粉塵來源

煤礦開采產生大量的粉塵，了解粉塵來源可以從根本上抑塵、除塵，以降低礦井粉塵濃度。采煤工作面的產塵量占整個生產過程中產塵量的60%以上，采煤工序中產生的粉塵逸散至工作空間并隨風流擴散至較遠距離。尤其是放頂煤工作面開采時，支架前方割煤產生的粉塵和支架后方頂煤垮落、相互碰撞、破碎時大量的粉塵隨煤塊內部彈性能的釋放而逸散至工作空間，使得粉塵濃度遠大于綜采工作面。雖然煤體預注水等防塵措施雖能起到一定作用，但水在煤這種多孔介質中擴散范圍有限，采煤工作面工作空間的粉塵濃度仍很大，需要采取綜合防塵措施以降低粉塵濃度[1]。

掘進工作是為形成回采工作面生產系統的準備工作，掘進與采煤相輔相成，貫穿于煤礦的整個生產過程。掘進作業包括探煤、截割煤巖、爆破作業，尤其是巖巷掘進會產生對作業人員呼吸系統危害極大的二氧化硅粉塵，并且由于掘進巷道為獨頭工作面，巷道兼具進風與回風，作業空間較狹小，無法形成完備的降塵系統，因此掘進巷道也是礦井生產粉塵的主要來源，需對掘進工作面的產塵源進行控制[2]。除采煤和掘進工作面外，煤炭運輸環節中會因振動產生大量的煤塵，尤其是在轉載機處因煤炭的碰撞、跌落會產生大量高濃度粉塵，巷道錨噴、擴幫等作業也會產生粉塵。營造安全、良好的作業環境需要從源頭上對各產塵點進行有效控制[3]。

1.2 礦井粉塵危害

煤礦機械化生產在提高生產效率的同時，也使工作空間內粉塵濃度大大提升，由于井工開采環境的特殊性，煤體被截割、破碎形成小塊煤和煤塵，增加了其表面自由能，加速了煤的氧化，煤氧化過程中放出的熱量增加了煤自燃的概率，當煤塊或高濃度煤塵氧化放熱升溫至300 ℃時，煤氧化會生成可燃性氣體，在高溫和有氧環境下，這些可燃氣體會燃燒，促使煤生成更多的可燃氣體，最終引發煤塵爆炸。我國約80%以上的煤層均有爆炸性，相較于瓦斯爆炸，煤塵爆炸的范圍和強度更大，將給礦井造成經濟損失并危害工作人員的生命安全。

礦井生產中產生的粉塵，一部分被各種除塵手段捕集，而很多難以用肉眼觀察的，直徑小于5 μm 的呼吸性粉塵仍漂浮在工作空間內，作業人員長時間的工作將導致大量的呼吸性粉塵被吸入肺中，數十年所吸入的粉塵在肺葉上的積聚將使工作人員患上塵肺病，煤礦從業人員塵肺病確診病例居各行業之首[4]，嚴重危害煤礦從業人員身心健康。

煤礦采掘空間內的高濃度粉塵將會嚴重阻礙作業人員的視野，影響作業人員的操作和判斷，從而導致安全事故的發生，并且大量細微粉塵會擴散至儀器設備內部，造成儀器設備精度下降、壽命降低。

2 噴霧除塵機理分析

除礦井通風外，目前我國煤礦井下的除塵、降塵技術主要包括煤體預先注水、噴霧除塵、泡沫除塵、空氣幕和水幕隔塵、個體防護措施等。噴霧除塵技術因其快速拆裝、應用面廣，適配程度高等優點被廣泛應用于井下大巷、采煤機、綜掘機、液壓支架、破碎機、轉載機、膠帶運輸機等主要產塵點以抑制粉塵的擴散。

2.1 噴霧技術

噴霧技術包括常壓噴霧、低壓噴霧和高壓噴霧。低壓噴霧流體入射壓力低，經噴嘴轉化為霧滴的射流有一定范圍的有效作用區，但霧滴集中且易受空氣阻力和重力影響而降低速度，進入霧滴擴散和沉降的射流衰減階段，低壓噴霧因壓力較低而無法保證水霧均勻分布，有效作用范圍有限且水霧顆粒較大，霧化后的水霧顆粒與粉塵結合效率低，捕塵效果一般。常壓噴霧流體經噴嘴轉化為水霧后同樣劃分為有效作用區與衰減區，由于其射流速度大，受重力影響小的有效作用段較低壓噴霧長，然后轉為以擴散和沉降為主的霧流衰減段。液態水在高壓泵作用下被加壓，高壓水流的壓力能經過噴嘴轉化為動能，形成高速的細小霧粒的過程即為高壓噴霧技術，該技術經噴嘴轉化的射流動能大、速度高、霧化效果好且在噴霧圓錐段后段會形成卷吸區，經過圓錐段后，霧化顆粒在氣流與壓力作用下將持續向前運動即噴霧的圓柱段且沒有明顯的衰減區。低壓、高壓噴霧作用分區圖，如圖1 所示。現場資料表明，7.5～15MPa 的噴霧壓力除塵效果高達80%～95%，是低壓、常壓噴霧除塵效率的2 倍左右，因此高壓噴霧技術是礦井除塵采用的主要技術。

圖1 低壓、高壓噴霧作用分區圖

2.2 高壓噴霧除塵機理分析

懸浮在空氣中的粉塵和高壓噴霧所產生的霧滴之間發生慣性碰撞、攔截捕集、重力沉降、靜電作用和布朗擴散等實現降塵的目的[5]。慣性碰撞捕集是指質量較大的粉塵具有較大的運動慣性，在遇到霧滴時將與霧滴發生碰撞而被捕集，而運動慣性較小的粉塵將繞過霧滴向前運動，粉塵粒徑的增加和霧滴運動速度的增加將提升慣性碰撞捕集效率，慣性碰撞捕集的多為大粒徑粉塵。長期懸浮于氣流中的小質量粉塵會在其與霧滴之間的范德華力作用下被攔截捕集，攔截捕集效率與粉塵、霧滴粒徑有關。氣流中的大質量粉塵將在自身重力作用下沉降，這將大大增加被霧滴捕集的概率，這個過程即為重力沉降捕集，重力沉降捕集效率主要受到粉塵質量、空氣流速影響下的重力沉降效率有關，粉塵重力沉降越明顯，重力沉降捕集效率越高。空氣中粉塵之間、高壓水流與噴嘴之間的相互摩擦、碰撞均會使霧滴和粉塵帶上電荷，當粉塵與霧滴所帶電荷相反時，二者結合概率將在靜電作用下顯著增加。粉塵的布朗擴散捕集是指粒徑小于1 μm 的粉塵途徑霧滴時不沿氣流方向移動而是在布朗擴散作用下直接被霧滴所捕獲的現象，布朗擴散捕集一般發生在霧滴的氣流流線周圍且瞬時性較強。高壓噴霧的除塵機理匯總，如圖2 所示。

圖2 高壓噴霧除塵機理

3 噴霧除塵效果的影響因素分析

高壓噴霧是礦井除塵的必要抑塵措施，系統分析高壓噴霧除塵效率的影響因素有利于提升高壓噴霧除塵效率。

3.1 水的性質對除塵效果的影響

礦井高壓噴霧用水一般不做凈化處理，僅經過簡單的沉淀、過濾和消毒，當噴霧用水中含有雜質時，雜質將在高壓水流作用下破碎并影響噴嘴的精密結構，嚴重時將堵塞噴嘴，從而影響高壓噴霧的除塵效果；噴霧用水的pH 值偏大或偏小時，均會長期腐蝕高壓噴霧系統的管路及噴嘴的結構，影響噴霧系統的使用壽命及噴霧除塵效果；高壓噴霧用水的成分也將影響噴霧除塵效果，霧滴與空氣的界面存在具有表面張力的薄膜，表面張力的大小將影響其潤濕煤塵的能力，當液體的表面張力較大時，粉塵較難被潤濕，當液體的表面張力較小時，水潤濕粉塵的能力將被顯著提升，因此，在噴霧用水中加入適量潤濕劑可以提升噴霧除塵效果。

3.2 噴霧參數對除塵效果的影響

噴霧的壓力和流量是影響霧化效果的兩個重要參數。高壓噴霧系統的噴霧壓力由泵站提供，當噴霧壓力小于1 MPa 時，噴霧霧滴的粒徑無明顯變化，噴霧有效作用范圍較小，當噴霧壓力大于1 MPa 時，霧滴粒徑、噴霧的速度將隨壓力的增加而增加，霧滴速度越快、粒徑越小，捕塵效率就越高，但是當噴霧壓力過大時不僅會早晨水、電成本的增加，還會導致噴霧系統在長期高壓荷載運行下而增大磨損、降低使用壽命；噴霧流量是指固定噴霧壓力時單位時間流經噴嘴的水量，噴霧流量越大，噴霧形成霧滴的數量越多且除塵效率越高，但是過大的噴霧流量會導致噴霧空間水分含量較高，造成地面濕滑的同時會影響煤內部的水分含量，因此在具體噴霧除塵工況下需要調試合理的噴霧參數達到較好的噴霧除塵效果。

3.3 噴嘴結構對除塵效果的影響

噴嘴的布置及選型是影響噴霧除塵效果的重要因素。高壓噴霧除塵系統中噴嘴的布置位置和數量是影響除塵效果的主要因素，采煤機所布置噴嘴形成的噴霧應覆蓋截割頭，液壓支架所布置的噴嘴應從豎直方向阻斷粉塵的擴散，轉載機破碎機等定點噴嘴的噴霧應針對產塵源進行布置，大巷所布置噴嘴形成的噴霧應覆蓋巷道橫截面積以實現高效除塵；目前，直射噴嘴、螺旋噴嘴、十字導水芯式噴嘴及平射噴嘴是礦井除塵常用的壓力霧化噴嘴，不同類型噴嘴將影響噴嘴出口霧滴圓柱段的長度及霧滴粒徑、均勻度、速度等參數，從而影響噴霧除塵的效率，具體的噴嘴選型應根據高壓噴霧系統安裝位置處的粉塵顆粒直徑、產塵特點等進行調整，以達到最優除塵效果。

4 結論

闡述煤礦井工開采粉塵的主要來源及危害，并對高壓噴霧、低壓噴霧及常壓噴霧技術的區別進行敘述，將高壓噴霧除塵機理概括為慣性碰撞捕集、重力沉降捕集、攔截捕集、靜電作用捕集及布朗擴撒捕集。進一步從噴霧用水的性質、噴霧壓力和噴霧流量、噴嘴結構三個方面分析高壓噴霧除塵效果的主要影響因素，為礦井噴霧除塵作業、噴霧除塵系統設計提供了理論基礎和參考。