許 潔

（山西焦煤集團(tuán)投資有限公司，山西 太原 030021）

引言

煤礦開采過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，特別是在長距離的巷道中，通風(fēng)降塵較難實(shí)現(xiàn)。粉塵的存在不僅會對井下作業(yè)人員產(chǎn)生危害，還存在著發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅煤礦的安全。在煤礦工作面，噴霧降塵是一種新型的除塵方式，其通過向含有粉塵的空間噴射高壓霧滴的方式[1]，將煤礦工作面的粉塵與霧滴凝聚，從而降低粉塵的濃度。噴霧降塵針對粒徑在5 μm 以內(nèi)的粉塵沉降具有較好的效果[2]，可有效降低引起塵肺病的粉塵濃度，是現(xiàn)在煤礦進(jìn)行除塵作業(yè)常用的方法。噴嘴是噴霧除塵系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件[3]，噴嘴結(jié)構(gòu)的不同對形成的水霧的直徑及粒徑具有重要的影響，從而影響礦井除塵的效果。針對不同結(jié)構(gòu)噴嘴的除塵效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，從而選擇合理的噴嘴結(jié)構(gòu)，提高煤礦高壓除塵的效果。

1 噴嘴霧化效果測試系統(tǒng)的搭建

對不同噴嘴結(jié)構(gòu)的霧化效果進(jìn)行分析，采用模擬巷道除塵裝置的實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測試系統(tǒng)的組成如圖1 所示[4]，巷道的模型由混合段、整流段、測量段、噴霧降塵段、除塵風(fēng)機(jī)段及出流段等組成，對噴霧段采用透明的有機(jī)玻璃進(jìn)行包覆，便于對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行觀察，其他部分采用不銹鋼進(jìn)行包覆[5]。

圖1 噴嘴霧化測試系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)過程采用自來水為工質(zhì)，噴霧系統(tǒng)的高壓泵將自來水升高到設(shè)定壓力后通過噴嘴進(jìn)行噴霧，調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)的頻率，模擬巷道內(nèi)的風(fēng)速，在距離噴嘴一定距離的位置處采用馬爾文粒徑分析儀進(jìn)行霧化粒徑的測量[6]。采用1 200 hs 高速攝像系統(tǒng)進(jìn)行供水壓力機(jī)風(fēng)速條件的測定，并對實(shí)驗(yàn)噴嘴的霧化角進(jìn)行測量，可以調(diào)節(jié)不同的壓力機(jī)風(fēng)速，更換不同的噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[7]。

在煤礦進(jìn)行采煤作業(yè)的過程中，采煤機(jī)進(jìn)行噴霧供水的壓力不得小于2 MPa，外部的供水壓力不得小于4 MPa，在進(jìn)行放炮作業(yè)時(shí)，外部的供水壓力不得小于8 MPa。供水壓力小于2.5 MPa 時(shí)屬于低壓噴霧[8]，當(dāng)壓力大于6 MPa 時(shí)，就會有較強(qiáng)的粉塵進(jìn)入噴霧區(qū)；壓力大于10 MPa 時(shí)，霧滴的速度較高，會卷吸巷道內(nèi)的粉塵氣體。采用高壓噴霧進(jìn)行除塵時(shí)，高壓噴嘴的壓力設(shè)定為8～12.5 MPa[9]，實(shí)驗(yàn)過程中對噴嘴結(jié)構(gòu)的霧化效果進(jìn)行分析，設(shè)定供水壓力為10 MPa。

對于噴嘴的霧化效果的描述，采用霧化粒徑的分布及霧化角進(jìn)行描述。霧滴粒徑分布用來描述霧化的均勻程度，霧化的均勻度較差時(shí)，大粒徑的霧滴較多，霧滴粒徑的大小與噴嘴的結(jié)構(gòu)及工作條件等相關(guān)[10]。霧化錐角采用工程上常用的條件霧化角進(jìn)行描述，即以噴嘴的噴口為中心，在距離噴嘴的端面一定距離處與霧化曲面交點(diǎn)形成夾角[11]，選取的距離與霧化的流量相關(guān)，實(shí)驗(yàn)過程采用條件霧化角進(jìn)行分析，選取距離為40 mm。

2 不同噴嘴結(jié)構(gòu)的霧化除塵效果實(shí)驗(yàn)分析

噴嘴對系統(tǒng)供水進(jìn)行霧化，并以一定的擴(kuò)散角將霧滴進(jìn)行噴射，噴嘴的結(jié)構(gòu)對其性能具有直接的影響。在煤礦的井下除塵中主要采用壓力式的噴嘴，將供水壓力轉(zhuǎn)化為動能，形成霧化水射流。常用的噴嘴結(jié)構(gòu)形式主要有切向單式離心噴嘴、螺旋式噴嘴及含旋流葉片霧化噴嘴，采用這三種形式的噴嘴作為實(shí)驗(yàn)噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

2.1 不同噴嘴結(jié)構(gòu)霧化粒徑的分析

對三種噴嘴結(jié)構(gòu)的霧化粒徑進(jìn)行分析，選取1.2 mm 孔徑的三種噴嘴在距離噴嘴出口500 mm 的斷面上，對噴嘴形成的霧化粒徑進(jìn)行測量。霧化粒徑的大小采用平均粒徑D[3，2]、D[4，3]表示，對于特征粒徑采用D10、D50、D90 進(jìn)行表示[12]。對三種噴嘴的霧化粒徑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄，得到霧化粒徑的大小如圖2所示。

從圖2 中可以看出，在相同的壓力條件下，三種不同的噴嘴結(jié)構(gòu)對噴霧粒徑的描述中，霧化粒徑的大小整體分布相差不大，在三種結(jié)構(gòu)的噴嘴中，平均粒徑的大小以含旋流葉片霧化噴嘴的較大，切向單式離心噴嘴的平均粒徑較小。

圖2 相同壓力不同噴嘴結(jié)構(gòu)霧化粒徑的變化

噴嘴進(jìn)行噴霧的壓力與流量之間具有相關(guān)的關(guān)系，進(jìn)一步對相同流量下噴嘴的霧化效果進(jìn)行分析，設(shè)定噴霧的流量在0.6 m3/h，對噴嘴霧滴的粒徑進(jìn)行分析，得到三種噴嘴結(jié)構(gòu)粒徑分布的變化如圖3所示。

圖3 相同流量不同噴嘴結(jié)構(gòu)霧化粒徑的變化

從圖3 中可以看出，在相同流量的條件下，三種不同的噴嘴結(jié)構(gòu)中，切向單式離心噴嘴形成的霧化顆粒較小，相對其他兩種形式的噴嘴，在平均粒徑及特征粒徑上均有一定的差值；而其他兩種形式的噴嘴在霧化顆粒的粒徑上相差不大，均大于切向單式離心噴嘴形成的霧化顆粒。

2.2 不同噴嘴結(jié)構(gòu)霧化角的分析

對三種噴嘴結(jié)構(gòu)的霧化角進(jìn)行分析，選取1.2 mm 孔徑的三種噴嘴在不同的供水壓力下形成的霧化角進(jìn)行測量。對三種噴嘴的霧化角進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄，得到霧化角的大小如圖4 所示。

從圖4 中可以看出，三種噴嘴結(jié)構(gòu)形成霧化角中，以切向單式離心噴嘴的霧化角最大，其次為螺旋式噴嘴，含旋流葉片霧化噴嘴的霧化角最小。在進(jìn)行高壓噴霧的過程中，隨著供水壓力的增加，噴嘴形成的霧化角逐漸減小，三種噴嘴結(jié)構(gòu)霧化角的變化趨勢一致，其中含旋流葉片霧化噴嘴變化的幅度最大，供水壓力由2 MPa 增加至10 MPa 的過程中，含旋流葉片霧化噴嘴形成的霧化角下降34.2%，螺旋式噴嘴下降22.2%，切向單式離心噴嘴下降17.4%。隨著供水壓力的增加，噴嘴噴出霧滴的速度增加，形成的卷吸空氣的動量增大，在霧流的重心位置形成一定的負(fù)壓，使得霧化顆粒的受到負(fù)壓的作用向內(nèi)收縮，從而造成霧化角的縮小。

圖4 不同壓力下噴嘴結(jié)構(gòu)霧化角的變化

3 結(jié)語

煤礦開采過程中形成的粉塵會對煤礦的安全造成嚴(yán)重的威脅，且對作業(yè)人員的健康造成一定的影響。采用高壓噴霧的形式除塵是煤礦除塵作業(yè)中常用的方法。噴嘴作為高壓噴霧系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，其結(jié)構(gòu)形式的不同對噴霧除塵的效果具有直接的影響。針對切向單式離心噴嘴、螺旋式噴嘴及含旋流葉片霧化噴嘴三種結(jié)構(gòu)形式的噴嘴，搭建了噴霧效果的測試系統(tǒng)，對其霧化粒徑及霧化角進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，在相同的壓力及相同的流量條件下形成的霧化粒徑中，以切向單式離心噴嘴的平均粒徑及特征粒徑最??；在三種結(jié)構(gòu)的噴嘴中，切向單式離心噴嘴形成的霧化角最大，隨著供水壓力的增加，霧化角的下降值最大為34.2%。對煤礦進(jìn)行噴霧除塵的過程中，切向單式離心噴嘴結(jié)構(gòu)的除塵效果更好，有利于降低礦井的粉塵度，提高煤礦的安全性。