气水喷雾降尘系统参数优化及应用研究

石花军

(国家能源集团国神公司 上榆泉煤矿，山西 忻州 034000)

0 引言

由于煤矿井下机械化程度的不断提高，综掘工作面掘进机割煤时产生的粉尘浓度严重超标，污染作业环境，严重威胁进行工人的身心健康[1,2]。因此，采取有效的粉尘控制措施，降低掘进工作面割煤时粉尘产生是非常有必要的[3]。综掘工作面粉尘最主要的来源是掘进机割煤，其主要的防尘措施是掘进机的内外喷雾降尘，但由于常规的喷嘴存在易堵导致的雾化效果不佳及喷雾覆盖范围小等问题，掘进机内外喷雾的降尘效果并不理想，特别是对呼吸性粉尘的降尘效率较低[4,5]。文章根据掘进机现有喷雾降尘措施存在的问题，对外喷雾喷嘴的雾滴粒径、喷射距离及雾化角等喷雾性能参数及安装方式和位置等进行研究改进，设计出了一套新型的帷幕状气水喷雾降尘装置，并通过实验研究确定了其最佳工作参数[6,7]。

1 气水喷嘴特性研究

1.1 气水喷嘴的结构及原理

如图1所示，不同于传统的压力型喷嘴，气水喷嘴具有压缩空气和压力水两股动力源，分别由进气和进水两端进入气水混合室，水流在高速气体喷射作用下破碎成包含大量微小气泡的气泡两相流，然后经喷嘴出口高速喷出，气泡两相流体积快速膨胀，同时在流体喷射诱导的作用下周围空气不断卷入，水被雾化成许多微细的雾粒[8,9]。

相比于传统的压力型喷嘴，在压缩空气动力源的作用下，气水喷嘴雾滴粒径较小，雾滴分布均匀且耗水量小可更好地的降低工作面呼吸性粉尘的浓度[10]。

图1 气水喷嘴结构示意图

1.2 气水喷嘴性能参数的研究

在现场应用过程中，影响气水喷嘴雾化效果的主要因素有气体流量、水流量以及气水喷雾结构参数等。通过设计如图2所示的气水喷雾实验装置，测定气水喷嘴在不同条件下的雾滴粒径、喷射距离及雾化角等雾化特性参数。整个装置由供水系统、供气系统、排雾装置及喷嘴实验台4部分组成。实验在常温常压下进行，采用空气和水作为工作介质，气水喷嘴出口孔径为2 mm。通过空压机提供压缩空气，压力范围为0～1.0 MP，利用QL-380A型水泵提供压力水，压力范围为0～6.0 MP。 在喷嘴进气端和进水端分别用高压管连接好压力表和流量计，通过调节阀调节气压和水压控制喷嘴的气流量、水流量。采用JL-3000型全自动喷雾激光粒度仪对喷嘴雾滴粒径分散度进行测定，测量范围为0.5～1300，雾化角和喷雾过程通过高速摄像机进行观察。实验得到气水喷嘴在不同气体流量和水流量条件下喷嘴雾滴平均粒径和喷射距离的关系曲线如图3、图4所示：

图2 实验装置图

由图3可知：(1)当气水喷嘴水流量不变时，气体流量越大雾滴平均粒径越小，但随着气流量的不断增大，雾滴粒径减小的趋势在逐渐减小，气体流量大于160×10-5m3/s时，雾滴粒径下降不明显；主要原因是当雾滴粒径降低到一定程度后，其破碎效果达到极限，同时气流越大卷吸作用越大，导致雾滴的二次团聚。(2)当喷嘴气体流量不变时，随着水流量的增大喷嘴雾滴平均粒径也越大，导致雾化效果越差。

图3 喷嘴雾滴平均粒径随气水流量的变化曲线

由图4可知：(1)当气水喷嘴水流量不变时，气体流量越大喷嘴雾滴的喷射距离越小，主要是因为气体流量越大雾滴颗粒越小，其惯性作用越小，导致喷射距离变短；(2)当喷嘴气体流量不变时，水流量越大，喷嘴喷射距离越远，其原因也是跟雾滴的粒径相关。

图4 喷嘴喷射距离随气水流量的变化曲线

通过摄像机拍摄记录水流量为3×10-5m3/s条件下，气体流量分别为(40、80、120、160、200)×10-5m3/s时不同气水流量情况下喷嘴的雾化角如图5所示。由图5可知：(1)当气水喷嘴水流量不变时，气体流量越大喷嘴雾化效果越好，同时也验证了雾滴粒径分布的实验结果。(2)当气水喷嘴水流量一定时，喷嘴的雾化角随气体流量的增加先不断变大，当气体流量增大到一定程度，雾化角变化趋势减小，雾化角变化范围保持在60°～90°之间。

图5 不同工况条件下喷嘴雾化角效果图

通过雾滴粒径分析仪测得水流量为3×10-5m3/s时， 气体流量分别为(80、120、160)×10-5m3/s情况下雾滴的粒径分布如图6(a)(b)(c)所示，可知当气水喷嘴水流量不变时，随气体流量的增大喷嘴雾滴粒径分布中小粒径雾滴所占比重不断增多，且雾滴平均粒径也在不断地变小。

图6 不同工况条件下雾滴粒径分布图

图6 不同工况条件下雾滴粒径分布图(续)

2 气水喷雾降尘系统设计

2.1 系统组成

在实际应用中，气水喷雾降尘系统的布置图如图7所示，分别在气水喷嘴的气水端接入供气和供水管路，为方便调节最佳工况点还需接入相应的压力表和流量计。由于井下水质比较差，且气水喷嘴出口较小，为了防止喷嘴堵塞，防尘用水需要在管路上安装水质过滤器，再供给喷嘴。

图7 气水喷雾降尘系统的布置图

2.2 气水喷雾装置的设计

传统的掘进机外喷雾主要采用压力型喷嘴，在炮头摇臂的端部上侧成一字布置，导致喷嘴雾化效果差，且覆盖范围较小。针对上述问题，对外喷雾降尘系统的喷嘴结构、布置方式及雾流喷射方向等进行分析，设计了新型帷幕状气水喷雾装置替代掘进机原有外喷雾，气水喷雾装置结构如图8所示。整个气水喷雾模块成半圆形，可以安装在掘进机割臂上，喷嘴整体与水平成一定夹角弧形布置，同时在掘进头方向有不同的夹角。模块喷雾时，能多角度发散式成帷幕状全范围覆盖掘进头割煤时产生的粉尘。

图8 气水喷雾装置结构设计图

2.3 喷雾模块参数的确定

根据掘进工作面粉尘的粒径分布情况和气水喷雾装置在掘进机的安装位置及现场粉尘产生的范围，确定气水喷雾的雾滴粒径和喷射距离，选择合适的气体流量和水流量。由于掘进工作粉尘平均粒径小于10 μm，要想达到理想的降尘效果，雾滴粒径越接近粉尘粒径，降尘效果越佳；根据喷雾模块的安装位置，喷射距离要求在4 m以上。通过上述对单个喷嘴雾化效果的实验分析，要满足掘进工作面雾滴粒径和喷射距离要求，要求水流量在(5～7)×10-5m3/s，气流量为(100～150)×10-5m3/s。 为使气水喷雾装置能更好地在井下应用，先在地面进行调试，通过调节水压确保水量不小于5×10-5m3/s的情况下，调节气流量范围，在达到有效的喷射范围和雾化效果前提下，使气体流量尽可能小。试验确定最佳参数为水流量为5×10-5m3/s，气体流量为120×10-5m3/s，就能达到如图9所示的雾化效果，且喷射距离大于4 m，且气压水压都在井下实际范围之内。

图9 气水喷雾装置最佳参数雾化效果图

3 气水喷雾在综掘工作面的应用

3.1 喷雾装置在掘进机上的安装

根据现场实际情况，设计的帷幕状气水喷雾装置安装在掘进机截割臂的端部，喷雾模块及固定支架围绕机体环形布置，形成对截割头的全范围覆盖，如图10所示。气水喷雾装置进气端接巷道的压风管路，进水端接入掘进机外喷雾高压水管。

图10 气水喷雾装置在掘进机上的安装图

3.2 喷雾降尘效果的分析

依据相关标准在试验工作面割煤时进行采样，粉尘浓度的测定采用滤膜称重法。为比较掘进机割煤时新型的帷幕状气水喷雾降尘装置与原有外喷雾的降尘效果，分别测定在安装气水喷雾装置前后掘进工作面人行道呼吸带高度呼吸性粉尘浓度分布如图11所示。

图11 安装气水喷雾装置前后呼尘浓度分布

由图11可知： (1)掘进机安装帷幕状气水喷雾装置后提高喷嘴的雾化效果及覆盖范围，大幅度降低了工作面粉尘浓度；(2) 安装气水喷雾后掘进工作面呼尘平均降尘效率达70%以上，气水喷雾对呼吸性粉尘有较好的沉降作用。

4 结论

(1) 在分析气水喷嘴雾化机理及喷雾降尘的主要影响因素的基础上，通过实验研究了雾滴平均粒径、喷射距离及扩散角随气水流量之间的关系；气体流量越大及水流量越小时，雾滴的平均粒径及喷射距离越小，同时喷嘴的扩散角越大。

(2) 根据掘进工作面实际情况，设计出了安装在掘进机上的气水喷雾模块，结合实验研究，确定了最佳的工作参数范围。

(3) 在掘进机上安装帷幕状气水喷雾装置，能大幅度降低掘进面割煤时粉尘的产生及呼尘的扩散。

(4) 气水喷嘴有较强的现场适用性，可以在其他尘源较集中且呼吸性粉尘比重较高的作业场所推广使用。