范鵬偉

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引言

隨著采煤技術(shù)及綜采設(shè)備自動(dòng)化水平的不斷提升，巷道內(nèi)的粉塵、煤塵濃度越來(lái)越大，不僅影響工作人員的身體健康，而且制約煤礦生產(chǎn)的安全性。針對(duì)煤礦粉塵治理，傳統(tǒng)思路僅將其局限于對(duì)綜采和掘進(jìn)工作面粉塵、煤塵的治理，往往忽略了對(duì)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)煤塵、粉塵的治理。目前，對(duì)于帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)煤塵污染的治理存在自動(dòng)化水平低、作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大的弊端[1]。為此，本文將基于霧化理論和噴霧降塵機(jī)理實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵、煤塵的治理。

1 噴霧降塵原理研究

噴霧降塵裝置目前已被應(yīng)用于綜采工作面采煤機(jī)處和掘進(jìn)工作面掘進(jìn)機(jī)處粉塵、煤塵的治理工作。其核心是將乳化油與水混合的乳化液霧化處理后噴灑至需治理的位置，最終達(dá)到降塵處理的目的。為保證轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧降塵效果對(duì)霧化液滴的直徑、霧化角度、霧化空間等參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)[2]。

根據(jù)理論研究可知，對(duì)于不同降塵場(chǎng)所對(duì)應(yīng)霧化乳化液的顆粒直徑和噴霧的流量有一定的差別。其中，對(duì)于掘進(jìn)工作面而言，由于其巖塵較多，一般選用霧化乳化液顆粒直徑為25～50μm，并采用高壓的方式進(jìn)行噴灑；對(duì)于轉(zhuǎn)載點(diǎn)而言，此處以煤塵為主且由于煤塵的顆粒較大一般選用霧化乳化液顆粒的直徑為150μm左右，且采用大流量的噴嘴進(jìn)行噴灑并保證將噴灑速度控制在20～30 m/s。

除此之外，在控制好霧化乳化液顆粒直徑和噴灑速度的主要參數(shù)外，還需控制不同尺寸霧滴在所有霧滴中所占的比例，由于該比例與噴射壓力以及乳化液本身屬性相關(guān)，即為霧滴尺寸分布指數(shù)。一般的，霧滴尺寸分布指數(shù)越大表示霧滴尺寸分布越均勻。針對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)降塵所采用離心噴嘴，其對(duì)應(yīng)的最佳霧滴尺寸分布指數(shù)應(yīng)控制在3左右[3]。

2 噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)

噴嘴是影響乳化液霧化效果的關(guān)鍵部件，最終直接影響工作面的降塵效果。目前，可采用的噴嘴形式多種多樣，主要包括有壓力噴嘴、旋轉(zhuǎn)噴嘴、氣動(dòng)噴嘴、氣泡霧化噴嘴、靜電霧化噴嘴和離心式噴嘴等。鑒于煤礦綜采工作面生產(chǎn)環(huán)節(jié)的惡劣性，對(duì)于噴嘴結(jié)構(gòu)而言在考慮其霧化效果的同時(shí)，還需綜合考慮噴嘴的防堵塞和清理的便捷性[4]。結(jié)合上述需求，設(shè)計(jì)如圖1所示的噴嘴結(jié)構(gòu)。

圖1 離心式噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中：r為離心式噴嘴口的半徑；lp為離心式噴嘴的厚度；β為離心式噴嘴的旋流室錐角。

2.1 離心式噴嘴口半徑的確定

經(jīng)對(duì)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)實(shí)際情況進(jìn)行分析，現(xiàn)場(chǎng)以顆粒較大的煤塵為主。因此，將噴嘴的流量控制在2～3 kg/min，并保證霧化角度不大于80°；根據(jù)工作面乳化液的壓力一般在0.3～2 MPa，因此將霧化角度控制在90°為最佳。結(jié)合相關(guān)理論計(jì)算，取乳化液壓力為0.5 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的噴嘴的理論流量為2.4 kg/min，通過(guò)式（1）計(jì)算得出噴嘴的半徑：

式中：Q為乳化液的流量，取Q=2.4 kg/min；μ為離心式噴嘴的流量系數(shù)，μ=0.36；r為離心式噴嘴口的半徑；p0為離心式噴嘴入口處的壓力值，p0=5×105Pa；ρ為乳化液的密度，ρ=1.03×103kg/m3。經(jīng)計(jì)算可得，對(duì)應(yīng)離心式噴嘴口的半徑r=1.05 mm。

2.2 離心式噴嘴厚度的確定

噴嘴厚度和旋流室錐角參數(shù)無(wú)法通過(guò)理論計(jì)算確定，僅能通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)確定。為此，設(shè)計(jì)霧化試驗(yàn)裝置完成相關(guān)的霧化特性研究。所設(shè)計(jì)的霧化試驗(yàn)如圖2所示。

圖2 霧化試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

保證噴嘴口半徑為1.05 mm不變，對(duì)不同噴嘴厚度下對(duì)應(yīng)的流量和霧滴直徑進(jìn)行研究，所研究噴嘴厚度為0.5 mm、0.8 mm、1.1 mm以及1.4 mm。經(jīng)試驗(yàn)得出如表1所示數(shù)據(jù)。

表1 不同噴嘴厚度對(duì)應(yīng)的霧滴流量和直徑數(shù)據(jù)

如表1所示，隨著噴嘴厚度的增加霧滴流量減小，對(duì)應(yīng)霧滴直徑不斷增大。經(jīng)前期理論研究，對(duì)于轉(zhuǎn)載點(diǎn)煤塵特性最佳霧滴直徑大小應(yīng)控制在150 μm左右。因此，將噴嘴厚度初步確定為0.5 mm和0.8 mm。但是，當(dāng)噴嘴厚度過(guò)小時(shí)會(huì)導(dǎo)致噴嘴容易磨損，導(dǎo)致離心式噴嘴的可靠性降低[5]。因此，最終確定噴嘴厚度值為0.8 mm。

2.3 離心式噴嘴旋流室錐角的確定

同樣，基于如圖2所示的霧化試驗(yàn)裝置對(duì)不同旋流式錐角對(duì)應(yīng)的霧化效果進(jìn)行試驗(yàn)研究，所研究的旋流室錐角數(shù)值為80°、110°、130°以及150°。通過(guò)試驗(yàn)得出，不同旋流室錐角對(duì)應(yīng)的霧滴流量和霧滴直徑大小如表2所示。

表2 不同旋流室錐角對(duì)應(yīng)的霧滴流量和直徑數(shù)據(jù)

同樣，根據(jù)轉(zhuǎn)載點(diǎn)煤塵特性最佳霧滴直徑大小應(yīng)控制在150μm左右。因此，將離心式噴嘴對(duì)應(yīng)的最佳旋流室錐角為110°。

2.4 噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的最終確定

綜上所述，針對(duì)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)煤塵治理對(duì)應(yīng)最佳噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：噴嘴口半徑為1.05 mm，噴嘴厚度為0.8 mm，噴嘴旋流室錐角為110°。

3 離心式噴嘴降塵效果試驗(yàn)

基于上述所設(shè)計(jì)的離心式噴嘴為其配置電感式噴霧控制裝置，并根據(jù)需求建立轉(zhuǎn)載點(diǎn)降塵系統(tǒng)，并對(duì)其降塵效果進(jìn)行試驗(yàn)研究。

帶式輸送機(jī)所處巷道空氣流動(dòng)速度為2 m/s，帶式輸送機(jī)的運(yùn)送速度為3.5 m/s，輸送帶寬度為1.4 m，輸送機(jī)在轉(zhuǎn)載點(diǎn)的落差為0.48 m。根據(jù)轉(zhuǎn)載點(diǎn)實(shí)際情況為其配置3個(gè)離心式噴嘴，保證其能夠覆蓋整個(gè)轉(zhuǎn)載點(diǎn)的降塵處理，并采用GH100E粉塵濃度測(cè)量?jī)x對(duì)降塵處理前后距離轉(zhuǎn)載點(diǎn)不同位置處煤塵濃度進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 離心式噴嘴降塵效果試驗(yàn)研究

如表3所示，對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)位置煤塵進(jìn)行降塵處理后，降塵效率可達(dá)79%以上。而且，距離轉(zhuǎn)載點(diǎn)4 m的位置后粉塵質(zhì)量濃度為8.34 mg/m3，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的低于10 mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

基于離心式噴嘴為核心實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)裝載點(diǎn)粉塵、煤塵進(jìn)行治理。經(jīng)理論計(jì)算和霧化試驗(yàn)確定噴嘴口直徑為1.05 mm，噴嘴厚度為0.8 mm，旋流室錐角為110°，并經(jīng)實(shí)踐可得上述噴嘴能夠保證轉(zhuǎn)載點(diǎn)降塵效率達(dá)79%以上，且治理后粉塵濃度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。