帶式輸送機轉載點降塵系統(tǒng)的研究與試驗

范鵬偉

（山西中招招標代理有限公司，山西 太原030053）

引言

隨著采煤技術及綜采設備自動化水平的不斷提升，巷道內的粉塵、煤塵濃度越來越大，不僅影響工作人員的身體健康，而且制約煤礦生產(chǎn)的安全性。針對煤礦粉塵治理，傳統(tǒng)思路僅將其局限于對綜采和掘進工作面粉塵、煤塵的治理，往往忽略了對帶式輸送機轉載點煤塵、粉塵的治理。目前，對于帶式輸送機轉載點煤塵污染的治理存在自動化水平低、作業(yè)人員勞動強度大的弊端[1]。為此，本文將基于霧化理論和噴霧降塵機理實現(xiàn)對帶式輸送機轉載點粉塵、煤塵的治理。

1 噴霧降塵原理研究

噴霧降塵裝置目前已被應用于綜采工作面采煤機處和掘進工作面掘進機處粉塵、煤塵的治理工作。其核心是將乳化油與水混合的乳化液霧化處理后噴灑至需治理的位置，最終達到降塵處理的目的。為保證轉載點噴霧降塵效果對霧化液滴的直徑、霧化角度、霧化空間等參數(shù)進行合理設計[2]。

根據(jù)理論研究可知，對于不同降塵場所對應霧化乳化液的顆粒直徑和噴霧的流量有一定的差別。其中，對于掘進工作面而言，由于其巖塵較多，一般選用霧化乳化液顆粒直徑為25～50μm，并采用高壓的方式進行噴灑；對于轉載點而言，此處以煤塵為主且由于煤塵的顆粒較大一般選用霧化乳化液顆粒的直徑為150μm左右，且采用大流量的噴嘴進行噴灑并保證將噴灑速度控制在20～30 m/s。

除此之外，在控制好霧化乳化液顆粒直徑和噴灑速度的主要參數(shù)外，還需控制不同尺寸霧滴在所有霧滴中所占的比例，由于該比例與噴射壓力以及乳化液本身屬性相關，即為霧滴尺寸分布指數(shù)。一般的，霧滴尺寸分布指數(shù)越大表示霧滴尺寸分布越均勻。針對轉載點降塵所采用離心噴嘴，其對應的最佳霧滴尺寸分布指數(shù)應控制在3左右[3]。

2 噴嘴結構參數(shù)的設計

噴嘴是影響乳化液霧化效果的關鍵部件，最終直接影響工作面的降塵效果。目前，可采用的噴嘴形式多種多樣，主要包括有壓力噴嘴、旋轉噴嘴、氣動噴嘴、氣泡霧化噴嘴、靜電霧化噴嘴和離心式噴嘴等。鑒于煤礦綜采工作面生產(chǎn)環(huán)節(jié)的惡劣性，對于噴嘴結構而言在考慮其霧化效果的同時，還需綜合考慮噴嘴的防堵塞和清理的便捷性[4]。結合上述需求，設計如圖1所示的噴嘴結構。

圖1 離心式噴嘴結構示意圖

圖1中：r為離心式噴嘴口的半徑；lp為離心式噴嘴的厚度；β為離心式噴嘴的旋流室錐角。

2.1 離心式噴嘴口半徑的確定

經(jīng)對帶式輸送機轉載點實際情況進行分析，現(xiàn)場以顆粒較大的煤塵為主。因此，將噴嘴的流量控制在2～3 kg/min，并保證霧化角度不大于80°；根據(jù)工作面乳化液的壓力一般在0.3～2 MPa，因此將霧化角度控制在90°為最佳。結合相關理論計算，取乳化液壓力為0.5 MPa時，對應的噴嘴的理論流量為2.4 kg/min，通過式（1）計算得出噴嘴的半徑：

式中：Q為乳化液的流量，取Q=2.4 kg/min；μ為離心式噴嘴的流量系數(shù)，μ=0.36；r為離心式噴嘴口的半徑；p0為離心式噴嘴入口處的壓力值，p0=5×105Pa；ρ為乳化液的密度，ρ=1.03×103kg/m3。經(jīng)計算可得，對應離心式噴嘴口的半徑r=1.05 mm。

2.2 離心式噴嘴厚度的確定

噴嘴厚度和旋流室錐角參數(shù)無法通過理論計算確定，僅能通過相關實驗確定。為此，設計霧化試驗裝置完成相關的霧化特性研究。所設計的霧化試驗如圖2所示。

圖2 霧化試驗裝置結構圖

保證噴嘴口半徑為1.05 mm不變，對不同噴嘴厚度下對應的流量和霧滴直徑進行研究，所研究噴嘴厚度為0.5 mm、0.8 mm、1.1 mm以及1.4 mm。經(jīng)試驗得出如表1所示數(shù)據(jù)。

表1 不同噴嘴厚度對應的霧滴流量和直徑數(shù)據(jù)

如表1所示，隨著噴嘴厚度的增加霧滴流量減小，對應霧滴直徑不斷增大。經(jīng)前期理論研究，對于轉載點煤塵特性最佳霧滴直徑大小應控制在150 μm左右。因此，將噴嘴厚度初步確定為0.5 mm和0.8 mm。但是，當噴嘴厚度過小時會導致噴嘴容易磨損，導致離心式噴嘴的可靠性降低[5]。因此，最終確定噴嘴厚度值為0.8 mm。

2.3 離心式噴嘴旋流室錐角的確定

同樣，基于如圖2所示的霧化試驗裝置對不同旋流式錐角對應的霧化效果進行試驗研究，所研究的旋流室錐角數(shù)值為80°、110°、130°以及150°。通過試驗得出，不同旋流室錐角對應的霧滴流量和霧滴直徑大小如表2所示。

表2 不同旋流室錐角對應的霧滴流量和直徑數(shù)據(jù)

同樣，根據(jù)轉載點煤塵特性最佳霧滴直徑大小應控制在150μm左右。因此，將離心式噴嘴對應的最佳旋流室錐角為110°。

2.4 噴嘴結構參數(shù)的最終確定

綜上所述，針對帶式輸送機轉載點煤塵治理對應最佳噴嘴結構參數(shù)如下：噴嘴口半徑為1.05 mm，噴嘴厚度為0.8 mm，噴嘴旋流室錐角為110°。

3 離心式噴嘴降塵效果試驗

基于上述所設計的離心式噴嘴為其配置電感式噴霧控制裝置，并根據(jù)需求建立轉載點降塵系統(tǒng)，并對其降塵效果進行試驗研究。

帶式輸送機所處巷道空氣流動速度為2 m/s，帶式輸送機的運送速度為3.5 m/s，輸送帶寬度為1.4 m，輸送機在轉載點的落差為0.48 m。根據(jù)轉載點實際情況為其配置3個離心式噴嘴，保證其能夠覆蓋整個轉載點的降塵處理，并采用GH100E粉塵濃度測量儀對降塵處理前后距離轉載點不同位置處煤塵濃度進行測量。試驗結果如表3所示。

表3 離心式噴嘴降塵效果試驗研究

如表3所示，對轉載點位置煤塵進行降塵處理后，降塵效率可達79%以上。而且，距離轉載點4 m的位置后粉塵質量濃度為8.34 mg/m3，滿足相關標準所規(guī)定的低于10 mg/m3的標準要求。

4 結論

基于離心式噴嘴為核心實現(xiàn)對帶式輸送機裝載點粉塵、煤塵進行治理。經(jīng)理論計算和霧化試驗確定噴嘴口直徑為1.05 mm，噴嘴厚度為0.8 mm，旋流室錐角為110°，并經(jīng)實踐可得上述噴嘴能夠保證轉載點降塵效率達79%以上，且治理后粉塵濃度滿足相關標準要求。