馬 威

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

煤炭作為我國能源的重要重要組成部分，為我國的工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。近年來，隨著機(jī)械工業(yè)以及煤礦開采技術(shù)的快速發(fā)展，我國煤炭開采已經(jīng)逐步過渡到智能化開采。智能化開采的發(fā)展給煤礦粉塵治理技術(shù)及裝備的創(chuàng)新研發(fā)提出了更高的要求，雖然近年來我國在煤礦粉塵治理技術(shù)及裝備的發(fā)展取得了明顯的進(jìn)步，但總的來說，與智能化開采的要求之間仍存在著較大的差距[1-3]。

目前煤礦采掘面防塵技術(shù)仍以煤層注水、通風(fēng)防塵、噴霧降塵、除塵器除塵等措施為主[4-5]。由于噴霧降塵技術(shù)簡單可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。目前煤礦井下常采用一般的壓力型噴嘴，由于壓力的限制，導(dǎo)致其霧化效果較差，根長期煤礦井下調(diào)研發(fā)現(xiàn)，一般的壓力型噴霧降塵效率在50%以下，并且該類型噴嘴耗水量大，對工作面視線造成一定影響[6-7]。氣水噴霧是以壓力水和壓縮空氣作為雙動力的一種新型噴霧方式，相對于常規(guī)噴霧方式，其具有耗水量小、霧化效果好、降塵效果好等優(yōu)點(diǎn)。目前氣水噴霧應(yīng)用較多的主要是在能源、化工方面[8-9]。近年來，相關(guān)學(xué)者將其引入到煤礦防塵領(lǐng)域，并取得了一定的研究成果。如：侯騰彥等基于旋轉(zhuǎn)式霧化器和碰撞理論開發(fā)了一種霧化器，通過詳細(xì)分析霧化器工作時(shí)的液滴破碎過程，及液滴破碎機(jī)理，提出影響降塵效率和水流損失的原因，通過不同供水壓力下的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了霧化器改進(jìn)的合理性及降塵效果[10]；蔣仲安等為提高氣水噴嘴在煤礦井下高濃度粉塵作業(yè)場所的噴霧降塵效率,通過實(shí)驗(yàn)研究了氣水噴嘴的霧化特性參數(shù), 得出了霧滴平均直徑與氣、水流量的變化規(guī)律，并且推導(dǎo)出了氣水噴嘴降塵效率的關(guān)系式[11]；王鵬飛等基于空氣動力學(xué)、多相流、氣溶膠等相關(guān)理論,建立了氣水噴霧降塵效率的理論計(jì)算數(shù)學(xué)模型, 并采用模型實(shí)驗(yàn)考察了供水壓力、供氣壓力、出口直徑等工況參數(shù)對氣水噴霧特性及降塵效率的影響[12-13]。但是，以上研究僅考慮單一參數(shù)對噴嘴霧化效果和降塵性能的影響，而多參數(shù)融合下的噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化及降塵性能研究則鮮見報(bào)道。因此，通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)方法分析多參數(shù)結(jié)構(gòu)對氣水噴嘴霧化效果的影響[14-15]，同時(shí)確定出最佳參數(shù)結(jié)構(gòu)的噴嘴，并進(jìn)行煤礦井下現(xiàn)場降塵效果測試試驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

內(nèi)混式噴嘴為煤礦井下氣水噴霧降塵常用噴嘴，本次實(shí)驗(yàn)選取了6 種氣道直徑、水道直徑以及空氣帽直徑各不同的噴嘴，選用噴嘴的具體參數(shù)見表1，內(nèi)混式氣水噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

表1 噴嘴參數(shù)Table 1 Nozzle parameters

圖1 內(nèi)混式氣水噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of internal mixing gas-water nozzle structure

本次實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)3 組實(shí)驗(yàn)。第1 組實(shí)驗(yàn)，利用氣壓流量計(jì)測試噴嘴在不同氣壓下的耗氣量；第2 組實(shí)驗(yàn)，利用相機(jī)拍攝不同氣壓下的穩(wěn)定的噴射狀態(tài)，然后通過圖像處理得出不同氣壓下不同參數(shù)噴嘴的射程；第3 組實(shí)實(shí)驗(yàn)，通過自行搭建試驗(yàn)平臺，利用中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司承擔(dān)的國家發(fā)展和改革委員會、國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局“煤礦職業(yè)病危害分析鑒定實(shí)驗(yàn)室”中組成設(shè)備相位多普勒激光測速儀來分析不同參數(shù)噴嘴的霧化效果。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

氣水噴嘴霧化特性參數(shù)測試系統(tǒng)圖如圖2。該系統(tǒng)主要由多普勒激光測速儀，噴霧巷道，空壓機(jī)，泵站，水箱，流量閥等組成。噴霧巷道由入口段，測量段，噴霧段，風(fēng)機(jī)段，出流段組成。高壓泵將水箱內(nèi)的水加壓到一定壓力后輸送至巷道模型噴霧段內(nèi)部的噴嘴形成噴霧場，由多普勒粒度分析儀分析噴霧場的粒徑分布情況。

圖2 氣水噴嘴霧化特性參數(shù)測試系統(tǒng)圖Fig.2 Test system diagram of atomization characteristic parameters of gas-water nozzle

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同氣壓下的噴嘴耗氣量

通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，得出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)噴嘴在水壓為0.4 MPa，氣壓在0.1～1.1 MPa 范圍變化時(shí)噴嘴耗氣量的變化，不同氣壓下不同結(jié)構(gòu)參數(shù)噴嘴的耗氣量變化曲線如圖3。

圖3 不同氣壓下不同結(jié)構(gòu)參數(shù)噴嘴的耗氣量變化曲線Fig.3 Variation curves of air consumption of nozzles with different structural parameters under different air pressures

從圖3 可以看出，在水壓一定時(shí)，隨著氣壓升高，噴嘴的耗氣量逐漸增加。氣壓與噴嘴耗氣量成線性正比關(guān)系。對比噴嘴1、噴嘴2、噴嘴3 發(fā)現(xiàn)，噴嘴氣道直徑和水道直徑一定時(shí)，空氣帽直徑與耗氣量成正比。對比噴嘴1 和噴嘴4，可以得出，噴嘴空氣帽直徑一定時(shí)，氣道直徑和水道直徑越大，耗氣量越大。由于煤礦井下供氣壓力有限，故應(yīng)該合理控制噴嘴的參數(shù)，以期在較小供氣壓力下，獲得較好的霧化效果。

2.2 不同氣壓下的噴霧射程

通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，得出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)噴嘴在水壓為0.4 MPa，氣壓在0.1～1.1 MPa 范圍變化時(shí)噴嘴射程的變化，不同氣壓下不同結(jié)構(gòu)參數(shù)噴嘴的射程變化曲線如圖4。

圖4 不同氣壓下不同結(jié)構(gòu)參數(shù)噴嘴的射程變化曲線Fig.4 Range variation curves of nozzles with different structural parameters under different air pressures

從圖4 可以看出，在水壓一定時(shí)，隨著氣壓升高，噴嘴的射程逐漸增加，氣壓與噴嘴射程成線性正比關(guān)系。對比噴嘴1、噴嘴2、噴嘴3 發(fā)現(xiàn)，噴嘴氣道直徑和水道直徑一定時(shí)，空氣帽直徑與射程成正比，當(dāng)氣壓為1.1 MPa 時(shí)，噴嘴6 的射程能達(dá)到11 m。故井下在使用雅琪噴霧使，應(yīng)盡量提高供氣壓力，以提高噴霧影響范圍。

2.3 霧化效果

噴嘴噴霧形成的霧場是由大小不等的霧滴群顆粒組成，為描述和評價(jià)霧滴群的霧化質(zhì)量和表示其霧化特性，需采用液滴尺寸分布表達(dá)式來衡量顆粒直徑大小或者不同直徑顆粒的數(shù)量或質(zhì)量。評價(jià)液滴粒徑的表示方法很多，選取具有代表行的參數(shù)D10、D30、D32、D43進(jìn)行表述。其中D10為數(shù)量平均直徑，表示將所有霧滴的粒徑之和除以霧滴總數(shù)所得的平均粒徑；D30為體積平均直徑，表示具有此直徑的霧滴，其體積恰好等于所有霧滴的體積平均值；D32為Sauter 平均直徑，表示具有此直徑的霧滴，其比表面（單位體積顆粒的表面積）恰好等于所有霧滴的比表面平均值；D43為現(xiàn)有的激光粒徑分析系統(tǒng)上經(jīng)常用到的平均直徑[16-17]。不同參數(shù)結(jié)構(gòu)噴霧化特性參數(shù)見表2。不同結(jié)構(gòu)參數(shù)噴嘴在相同實(shí)驗(yàn)條件下的霧滴粒徑分布情況如圖5。

圖5 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)噴嘴的霧滴粒徑Fig.5 Droplet size of nozzles with different structural parameters

表2 不同參數(shù)結(jié)構(gòu)噴霧化特性參數(shù)Table 2 Spraying characteristic parameters of different parameter structures

由于試驗(yàn)過程中測試數(shù)量較多，僅對實(shí)驗(yàn)條件中氣壓為0.4 MPa，水壓1 MPa，流量為21.6 L/min時(shí)，噴嘴出口中心軸線方向距離噴嘴出口1～1.4 m范圍的粒徑進(jìn)行分析。從表2 可知，在相同水壓、氣壓、流量情況下，噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其霧化特性影響較大。分別對比噴嘴1、噴嘴2、噴嘴3 與噴嘴4、噴嘴5、噴嘴6 可以發(fā)現(xiàn)，隨著噴嘴空氣帽直徑增加，D10、D30、D32、D43逐漸增大，并且對應(yīng)噴嘴的噴霧霧滴尺寸發(fā)散度相應(yīng)增加，說明噴霧顆粒尺度范圍變大，說明此類壓氣噴嘴的霧化效果與噴嘴空氣帽直徑成反比。對比噴嘴1 和噴嘴4 發(fā)現(xiàn)，在噴嘴空氣帽直徑一定時(shí)，適當(dāng)增加噴嘴氣道和水道直徑，噴霧霧化特性參數(shù)明顯下降，噴霧霧化效果明顯改善。

從圖5 可以看出，噴嘴4、噴嘴5、噴嘴6 的霧滴粒徑分布范圍較噴嘴1、噴嘴2、噴嘴3 明顯集中，并且霧滴粒徑分布在0～200 μm 范圍占比較大，與煤礦井下粉塵尺寸更為接近，更有利于使粉塵沉降，同時(shí)對比噴嘴4、噴嘴5、噴嘴6 霧滴粒徑分布，發(fā)現(xiàn)噴嘴4 霧化后小顆粒霧滴占比更多，40～60 μm 霧滴占比超過16%，60～80 μm 霧滴占比超過14.5%，霧化效果更好。綜合以上分析結(jié)果，得出在實(shí)驗(yàn)的6 個(gè)噴嘴中噴嘴4 的結(jié)構(gòu)尺寸最優(yōu)。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

為了驗(yàn)證通過實(shí)驗(yàn)選出的氣水噴嘴的具體降塵效果，在神東補(bǔ)連塔煤礦12513 綜采工作面開展現(xiàn)場試驗(yàn)。將噴嘴安裝在液壓支架頂梁上，在支架四連桿位置固定氣水聯(lián)動控制閥，連接供水管路和供氣管路，其中預(yù)濕頂板噴霧向兩支架架間縫隙頂板上，遠(yuǎn)射程噴霧朝向采煤機(jī)滾筒，本次共安裝12 臺支架。

在采煤機(jī)正常割煤、工作面無其它控降塵措施且，其上風(fēng)側(cè)無降柱移架時(shí)，開啟了8 組氣水噴霧，采煤機(jī)上下風(fēng)側(cè)滾筒各4 組，采用CCZ20 型呼吸性粉塵采樣器測試采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)司機(jī)處和采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)15～20 m 人行道處的呼吸性粉塵濃度。本次試驗(yàn)條件氣壓0.4 MPa，水壓1 MPa，耗水量21 L/min，與實(shí)驗(yàn)室條件基本保持一致。在無降柱移架產(chǎn)塵影響的情況下，表現(xiàn)出較好降塵效果。氣水噴霧降塵效率如下：

1）順風(fēng)割煤時(shí)，下風(fēng)側(cè)司機(jī)處與采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)15～20 m 處原始呼吸性粉塵濃度為52.4、63.8 mg/m3，采取措施后呼吸性粉塵濃度為20.6、24.5 mg/m3；降塵效率分別為61%和62%。

2）逆風(fēng)割煤時(shí)，下風(fēng)側(cè)司機(jī)處與采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)15～20 m 處原始呼吸性粉塵濃度為61.4、71.2 mg/m3，采取措施后呼吸性粉塵濃度為23.2、26.2 mg/m3；降塵效率分別為62%和63%。

由于此次現(xiàn)場試驗(yàn)只安裝了12 臺支架，如果安裝數(shù)量增加，并且配合其他控降塵措施，對整個(gè)工作面環(huán)境的改善會起到極大的促進(jìn)作用。

4 結(jié) 語

利用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)方法分析了內(nèi)混式氣水噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對其霧化特性的影響規(guī)律，通過實(shí)驗(yàn)得出其最佳霧化效果的噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。

1）在水壓一定時(shí)，隨著供氣壓力的增加，噴嘴的關(guān)鍵內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸與耗氣量、射程成正比。另外由于煤礦井下供氣壓力普遍較低，為了得到較好的霧化效果，應(yīng)該匹配合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)噴嘴。

2）壓氣噴嘴空氣帽直徑與噴嘴的霧化效果成反比，即空氣帽直徑越大，噴霧霧化后粒徑尺寸越大，粒徑分布范圍越廣，小尺寸粒徑占比越小。并且發(fā)現(xiàn)，在空氣帽直徑一定時(shí)，適當(dāng)增加氣道和水道直徑能優(yōu)化霧化效果。通過實(shí)驗(yàn)得出噴嘴4 霧化效果最好。

3）通過將噴嘴4 進(jìn)行煤礦井下現(xiàn)場試驗(yàn)，得出在順逆風(fēng)割煤時(shí)，下風(fēng)側(cè)司機(jī)處與采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)15～20 m 處降塵效率分別為61%、62%、62%、63%，表現(xiàn)出較好的降塵效果。