选煤厂高压细水喷雾除尘系统研究与应用

刘宇

(西山煤电(集团)有限公司 屯兰煤矿， 山西 太原 030200)

0 引言

煤炭是我国重要的能源，我国的经济快速发展离不开煤炭能源的大量消耗。在煤炭巨大的市场需求环境下，煤炭的开采、加工产量大幅提升[1]。尽管选煤厂的洗选能力满足了市场的需求，但与之配套的安保条件未能得到有效提高，其中粉尘污染问题最为严重。据现场测量数据，机尾落料管与机尾处是主要产尘点，其附近的粉尘浓度最高可达到120 mg/m3，远超我国《中华人民共和国职业病防治法》中规定的环境煤尘浓度最高为6 mg/m3。工人长期在高浓度煤尘环境中工作极易引发呼吸性疾病，同时还会降低工作场所的可见度，导致工人出现操作失误，严重威胁工人的人身安全[2]。

目前选煤厂常用的除尘方式分为干式除尘与湿式除尘两种。湿式除尘相较于干式除尘，其前期投资少、适用性强,且除尘效率高而被广泛地用于选煤厂的粉尘治理。但目前普通的湿式除尘措施只可对大颗粒的煤尘进行沉降，对于呼吸性粉尘(空气动力学直径<7.07 μm)降尘效果不佳，而呼吸性粉尘对人体的危害远超大颗粒粉尘[3]。根据空气动力学原理和云物理学原理，高压细水雾对呼吸性粉尘的捕捉效率较高。鉴于此，本文了开发一种高压细水雾除尘系统,以治理选煤厂呼吸性粉尘的污染问题。

1 细水雾除尘在选煤厂的适用性

根据空气动力学原理，在含尘风流经过液滴附近时，如果液滴的直径过大，粉尘颗粒会绕过液滴而不被液滴捕捉，而如果液滴与粉尘粒径相近，粉尘就会与液滴发生碰撞而被湿润。在云物理学中，当液滴粒径为微米时，如果此时存在晶核(粉尘颗粒)，就聚集在一起形成大水珠迅速沉降。基于此原理，研发新型高压细水雾除尘系统，本系统对比传统湿式除尘具有较好的适用性,主要优势为：

1) 系统通过高压产生的直径极小的细水雾实现呼吸性粉尘的捕捉沉降，除尘机理简单环保。

2) 细水雾的雾化效率更高，雾滴粒径可达微米级，大小粒径的粉尘均可被湿润沉降。

3) 由于采用的喷嘴口径更小，故系统整体耗水量小，节约了大量的水资源，绿色环保。

2 高压细水喷雾除尘系统设计

高压细水喷雾除尘系统工程原理如图1所示。

图1 微雾除尘系统工程原理

1) 除尘水过滤及软化系统。为实现喷雾粒径微米化，采用的喷嘴十分精密。如果除尘水中含有较多杂质就会导致喷嘴阻塞，影响喷雾量。过滤器选用40寸的5芯前置净水器。为避免长期使用过滤器后部的管路及喷嘴,由于水中含有的钙镁离子与铁质材料发生电化学反应而锈蚀，故在过滤器的后部安装一个软水机,以清除水中的活性金属离子实现水的软化。

2) 储水箱。为避免厂区停水以及水量充足，并综合考虑防腐蚀性和经济性，其储水箱采用不锈钢材质,规格为1.5 m×1.5 m×1.5 m。在水箱上预留一个防冻液添加口，可避免气温过低时储水箱内的水出现结冰，导致除尘用水无法流动。

3) 电控箱。主要作用是实现除尘系统与生产装置的联锁控制，即当生产设备运转时，高压细水雾除尘系统立即开始工作，以实现粉尘的及时控制，避免粉尘扩散。电控箱可同时对过滤器、软水器、储水箱和自动喷雾系统进行控制,考虑到煤尘的可爆性，须对于电控箱及控制线路进行防爆和防护性能设计，如箱体密封并保护接地接零,同时在防爆箱内设置报警器，当粉尘浓度检测器检测到浓度即将到达爆炸极限时，立即发出警报，并增大喷雾除尘系统的除尘功率。

4) 增压泵。为保证喷雾的粒径足够小，必须提供足够的喷雾水压。由于柱栓泵相较于离心泵可以实现更高的增压，故采用3WZ-180型三缸柱塞泵。该泵的工作原理为：以一个柱塞为例进行介绍，即在一个柱塞泵上存在两个方向相反的单向阀，当柱塞向一个方向运动时,缸内产生负压，此时，其中一个单向阀打开,水被吸入，随后柱塞向相反方向进行运动，水被压缩后,另一个单向阀被打开，吸入缸内的水被排出。如此往复地运动,便可连续提供高压水。该泵的性能参数见表1。

表1 3WZ-180型三缸柱塞泵的性能参数

5) 电动机。电动机的功率不但应与增压泵的功率相匹配，而且要考虑到使用场所中存在具有爆炸性的煤尘，故选用隔爆型电动机。由于选煤厂的生产任务繁重，输煤与落煤持续时间长，故又要求电动机具有持续工作的能力。综合以上因素,采用进口的SIMOTICS XP 1MB1011-1AB42-2AA5型电动机，该电动机性能参数为：IEC 笼型转子，自冷，IP65 热量级，功率为2.2 kW(50 Hz) 2.55 kW(60 Hz)。

3 高压细水喷雾除尘系统的关键技术参数设计

水压、喷嘴孔径和流量的选择与设计直接决定高压细水雾除尘系统的喷雾粒径与粉尘处理能力，这是高压细水雾除尘系统的关键技术参数,经分析研究,采用了油池法测定雾滴参数来选择合适的水压、喷嘴孔径和流量。

3.1 雾滴参数检测方法

油池法测定雾滴参数的步骤为：

1) 于载玻片上粘上边长1 cm的方格，随后在方格的周围涂上蜡油，以保证纸片不会脱离载玻片。

2) 向方格内滴入100#机油。

3) 将载玻片树立以来进行微雾流采样。

4) 待取样完成后，再向方格上滴一次油。

5) 将载玻片置于显微镜下观察计数。为了避免雾滴被迅速蒸发，实验选择天气须注意在湿度较大时进行。

图2为高压细水雾除尘系统的喷嘴设点。将喷嘴均匀地安装在弓形导料槽上,导料槽的截面宽度为1.6 m，高度为1 m，导料槽长为10 m。在测定喷雾效果时，应以喷嘴为球心的半径为0.5 m的半球形区域作为雾粒比例测定空间,而对现场喷雾除尘效果测定时，则在导料槽两端的挡尘帘附近设置粉尘浓度检测点。

1-机尾罩;2-落料管;3-导料槽;4,5,6-喷嘴。

3.2 降尘水压的设计

水压是喷雾大关键因素之一，若水压过低，则喷雾可能因粒径过大而无法捕捉呼吸性粉尘，甚至出现射流的情况;而若水压过高，虽然雾滴粒径达到降尘要求，但对管路的承压结构要求较高，导致资源的浪费。因此,选择合适的水压,既要满足降尘要求，又不会造成不必要的损失。高压细水喷雾除尘系统主要由高压栓泵和组合实现,即系统水压为高压，其管路系统的所有连接口处必须保证密封良好,同时在喷雾过程中必须做到保证水雾不会喷到电动机上，一旦出现漏电的可能,应及时切断电源，并擦干积水。

实验的环境温度为20 ℃，空气湿度为75%。采用的喷嘴口径为0.2 mm，每个喷头水流量0.65 L/min。选定0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、2.5 MPa、3 MPa、3.5 MPa和4 MPa八种水压进行实验。小于10 μm的雾滴粒径与水压的关系曲线见图3。

由图3可知，在水压≤2 MPa时，水压对粒径的影响十分显著。但当水压超过2 MPa时，粒径在10 μm内的雾滴比例无显著变化。随着提供的水压升高，柱塞泵产生的噪声显著增大。因此，将尘水压控制在2 MPa。

图3 粒径在10 μm内的雾滴比例与水压的关系

3.3 喷嘴孔径口径的选择

喷嘴口径也是影响喷雾效果的关键影响因素之一。通常，口径越小,喷出雾滴粒径越小，雾化效果越好。但如果雾滴粒径过于小，其喷雾容易受风流气流影响，即还未到达尘源处就被风流吹散。因此，喷嘴孔径口径必须通过现场实验,按除尘效果来选择合适的喷嘴口径。

实验的环境温度为23 ℃，空气湿度为70%。采用的喷嘴口径水压为2 MPa，每个喷头水流量为0.65 L/min。选定0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm 5种口径进行试验。小于10 μm的雾滴粒径与喷嘴口径的关系曲线如图4所示。

图4 粒径在10 μm内的雾滴比例与喷嘴口径的关系

由图4可知，喷嘴口径越小，产生的雾滴粒径在10 μm内的比例越大，同时对水压和流量的要求较高。通过结合不同口径喷嘴的现场除尘效果，最终决定采用口径为0.2 mm的喷嘴。

3.4 流量的设计

水流量会直接影响喷雾的处理能力，主要表现在除尘过程中，喷雾量与除尘的持续时间和除尘强度由直接联系。实验的环境温度为23 ℃，空气湿度为70%。采用的喷嘴口径水压为2 MPa，每个喷嘴口径均为0.2 mm。选定0.2 L/min、0.4 L/min、0.6 L/min、0.8 L/min 、1 L/min和1.5 L/min 6种流量进行实验。小于10 μm的雾滴粒径与流量的关系曲线如图5所示。

由图5可知，当水流量小于0.6 L/min式，流量对喷雾的雾化效果的显著，当其超过0.6 L/min后影响明显减弱。水流量过大一方面要求较高质量的水路系统，另一方面会造成水资源的浪费，导致工作场所积水。因此，将流量控制在0.6 L/min左右最佳。

图5 粒径在10 μm内的雾滴比例与流量的关系

4 现场应用情况分析

该选煤厂在机尾落料管与机尾处安装高压细水雾除尘系统后，所有喷嘴采用0.2 mm口径的喷嘴，水压与流量分别控制在2 MPa和0.6 L/min左右。采用标准《作业场所空气中粉尘测定方法》GB 5748—1985中规定的滤膜法对机尾处的粉尘浓度进行检测，检测结果如表2所示。由表2可知，采用高压细水喷雾除尘系统，将原湿式除尘全尘降尘率85.4%和呼尘降尘率67.2%，分别提高至96%和94.8%，其中呼吸性粉尘降尘率提高了27.6%。

表2 粉尘浓度检测结果 (mg·m-3)

5 结论

设计了一种由除尘水过滤及软化系统、储水箱、电控箱、增压泵和电动机组成的高压细水喷雾除尘系统，通过实验确定,当水压为2 MPa、喷嘴口径为0.2 mm、流量为0.6 L/min时,可获得最佳的除尘效果。根据工业应用试验表明，采用高压细水喷雾除尘系统后，选煤厂机尾落料管与机尾处的粉尘，尤其是呼吸性粉尘得到了有效的治理，为选煤厂工人的人身安全提供了保障。