浅谈气动雾化在带式输送机粉尘治理中的应用

王旭廷

(潞安化工集团 王庄煤矿，山西 长治 046031)

带式输送机因其运输能力大、运输效率高等独有优势，以及较强的机械化矿井适应能力，在矿井运输中被广泛应用，但在矿井运输过程中会产生较大粉尘，危害作业人员的身体健康，尤其在输送机连接处、卸载点、矿井运输需要拐弯的地点，污染更为严重，主要是由于矿井通风系统形成的风流在这些地点极易发生方向改变形成涡流，从而将粉尘扩散到巷道空气中，造成粉尘浓度超限。如果粉尘颗粒较小，在风流作用下扩散距离更远，造成的粉尘危害会更为严重。

随着矿井产量的不断增加，矿井生产和运输过程中产生的粉尘量也不断增加，而其中颗粒小的粉尘量占比越来越大。为了保证作业人员自身安全和矿井安全，国家对粉尘治理的管控和要求也越来越严格，这种环境也不断促进了降尘技术的发展[1-2]。目前，降尘技术主要分为湿式及干式两种，但由于矿井粉尘产生的源头较为开放，不容易对粉尘源头进行封闭处理，所以干式降尘技术在矿井粉尘治理中应用较少。而考虑到矿井的节能增效，从粉尘治理的效率和矿井自身经济条件综合考虑，气动喷雾在矿井应用范围较为广泛、操作简单、使用时间较长，雾化产生的液滴较适应目前矿井粉尘治理需求，能够在较大程度上降低小颗粒粉尘对作业人员造成的危害。

1 王庄煤矿粉尘污染状况分析

王庄煤矿井田范围内共有4个回风井、7个进风井，每个风井装有两台同等能力的主要通风机，一用一备，矿井通风方式为混合式，矿井总进风量为50 640 m3/min，总回风量为51 740 m3/min。主扇排风量52 510 m3/min，矿井有效风量46 290 m3/min，全矿井有效风量率为91.4%。王庄煤矿矿井防尘系统采用防尘洒水与消防用水共用系统，矿井主要进、回风巷和采区进回风巷静压水管直径均为159 mm，采掘工作面静压水管直径为108 mm。管路每50 m安设1个三通并配备25 m长的消防软管，能满足全矿井防尘、消防等需要。通过对矿井主井胶带巷、采区运输大巷、综采工作面等地点进行粉尘测试，粉尘总浓度为60～523 mg/m3，呼吸性粉尘浓度在4.2～32.5 mg/m3，小于20 μm的细微粉尘占粉尘总量的89%～98%，这部分细微粉尘用喷雾或滤袋除尘效果最佳。

2 气动喷雾降尘技术原理

湿式除尘又叫水雾捕尘，是雾滴颗粒捕捉区域环境中粉尘颗粒的过程，两者在发生惯性碰撞、截留、重力、扩散、静电力等多种机理作用下完成降尘[3]。对于湿式除尘，多种机理不是在同一时间发生作用，而是根据选择的降尘方式和降尘设备的不同，在不同时间发生作用。而矿井空气中漂浮的粉尘颗粒大小、粉尘密度以及雾滴尺寸和类型、风流流速和形成的流场形式、环境内是否存在电场等多种因素，综合决定各种机理在粉尘治理中的作用效果。气动喷雾除尘技术是基于负压诱导式气水混合喷雾降尘原理，通过压缩空气与水在风水喷头混合相互作用形成高压水雾，从而起到降尘的作用。液滴的雾化机理按照气动过程中喷发空气、水等液体两者之间的相对速度形成三种不同状态的分裂。在相对速度较低的情况下，喷气对液滴的破坏程度较弱，液滴仅发生滴状分裂；两者相对速度逐渐增大，两者之间会产生足够大的摩擦力，将液滴形状进行挤压，且破坏液滴结构平衡，形成细小的雾滴，速度越大，液滴形成雾滴的速度也越快，且雾滴的颗粒大小越小，即为丝状分裂，若是气流的速度非常高，则产生膜状分裂。

3 气动喷雾降尘系统参数选择

3.1 喷嘴孔径的选择

喷嘴孔径的大小是决定喷雾效果的重要参数，水雾颗粒的大小与喷嘴孔径成反比，而在气流扰动下，雾粒太小会影响到除尘效果。为了选择合理的喷嘴孔径，分别选取喷嘴孔径为1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm等5种不同孔径的喷嘴进行孔径选择实验，其他条件一致，模拟矿井环境温度23 ℃、湿度73%、气压0.4 MPa、流量0. 8 L/min，根据实验结果，绘制相应的<10 um雾滴比例与孔径变化之间的曲线图，见图1。

图1 <10μm雾滴比例随喷嘴孔径的变化

从图1中可以看出，<10 μm雾滴比例在0～2 mm孔径范围内的变化较小，而随着孔径从2 mm变化至5 mm，<10 μm雾滴比例下降趋势明显。综合考虑雾化效果，选择喷嘴孔径为2 mm。

3.2 流量的选择

流量限制了除尘强度以及可持续除尘的时间。在喷嘴孔径2 mm、其他影响因素条件不变的情况下，对不同流量条件的<10 μm雾滴比例的变化情况进行试验，结果见图2。水流量在0.15～0.6 L/min范围内，随着水流量强度的不断增大，<10 μm雾滴比例不断增加，而水流量在0.6～1 L/min范围内，水流量强度对<10 μm雾滴比例的影响较小，曲线较为平缓。而在实际应用中，为了提升水流量的压力就必须提升机械设备的承压能力，所以，综合考虑，选择水流量为0.6 L/min。

图2 <10 μm雾滴比例随流量的变化

3.3 气流速度的选择

以喷嘴孔径2 mm为研究对象，构建规格为高500 mm×半径50 mm的圆柱体喷雾流场几何模型，见图3。喷雾过程中，边界条件设定为入口是速度入口，出口为自由流动，将气体流场视为连续相，并且气相为不可压缩非稳态湍流流动，液体水视为离散相，采用湍流模型、泰勒比破碎模型、碰撞模型和蒸发模型，气液间无能量交换，进行相间耦合计算，直到迭代收敛。通过对同一喷嘴采用不同的空气速度：10 m/s、15 m/s、20 m/s和25 m/s进行模拟，比较其雾化效果，喷嘴空气速度在10～25 m/s范围内变化，小颗粒雾滴比例随着空气速度的增加不断提高，液滴的均匀程度也不断提升，最终选择气流速度为25 m/s的气动喷雾。

4 气动喷雾粉尘治理效果分析

为了避免喷雾量过大导致胶带打滑跑偏，每套喷雾系统设置7个喷嘴，2个喷嘴喷射机头处导料槽入口，4个喷嘴喷射导料槽出口，1个喷嘴喷射机尾，在受料系统安装喷雾除尘装置。安装地点及数量：导料槽下方与胶带转载点1台、导料槽上方2台、导料槽下方出口处4台，除尘方式为空气辅助喷雾，工作水速25 m/s，工作气压为0.5～0.7 MPa，分别在导料槽出口、机尾处、机头处使用粉尘浓度测量仪在治理后200 s内分别测量8次粉尘浓度，见表1。根据表中数据得出，导料槽出口、机尾及机头在喷雾前粉尘质量浓度在99.6～518.3 mg/m3，而喷雾后粉尘质量浓度降至7.3～46.6 mg/m3，降尘率均达到了90%以上。

图3 气动喷雾网格划分

5 结 语

通过气动喷雾降尘试验，选择了适合王庄煤矿小颗粒粉尘降尘的气动喷雾参数。通过现场试验，降尘率达到了90%以上，有效地降低了作业场所小颗粒粉尘的质量浓度。但由于气动喷雾降尘对较大颗粒的粉尘降尘效果较差，为了对胶带输送机粉尘有效治理，还应当综合防尘洒水等降尘手段，有效降低较大颗粒的粉尘质量浓度，从而真正起到胶带输送机工作区域粉尘治理作用。

表1 导料槽出口/机尾/机头除尘率