馬有營 徐榮蕭
(濱州學(xué)院化工與安全學(xué)院 山東濱州 256600)
噴霧降塵是國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的礦井降塵措施,噴霧壓力的選擇對噴霧降塵效果至關(guān)重要。國內(nèi)外相關(guān)研究一度認(rèn)為高壓噴霧比低壓噴霧降塵效果好。但現(xiàn)場應(yīng)用時發(fā)現(xiàn)采用高壓噴霧后降塵效果只取得了一定程度的改善,與理想的效果相差較大,同時噴霧壓力增大后由于耗水量增加導(dǎo)致工作現(xiàn)場環(huán)境污染嚴(yán)重[1-3]。因此,目前對采掘工作面截割區(qū)域不同位置的噴霧壓力和噴嘴的選擇主要還是憑借經(jīng)驗進(jìn)行主觀選擇,缺乏相關(guān)的理論指導(dǎo),導(dǎo)致噴霧降塵效果不是很理想。本研究認(rèn)為,噴霧壓力和噴嘴的選擇必須在結(jié)合不同截割區(qū)域粉塵特性的基礎(chǔ)上綜合考慮噴嘴霧化角、有效射程、耗水量以及霧滴粒徑等相關(guān)參數(shù)與噴霧壓力的關(guān)系,根據(jù)礦井采掘工作面截割區(qū)域不同位置的具體情況對噴霧壓力進(jìn)行分區(qū)域選擇。為此,本文通過實驗得出了礦井采掘工作面截割區(qū)域不同位置的粉塵特性和目前礦井常用6種壓力式霧化噴嘴在不同壓力時的霧化參數(shù),在此基礎(chǔ)上綜合考慮噴嘴霧化角、有效射程、耗水量以及霧滴粒徑等參數(shù)并結(jié)合礦井采掘工作面截割區(qū)域不同位置粉塵特性對采煤機和綜掘機外噴霧的噴霧壓力和噴嘴類型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,進(jìn)一步完善了噴霧降塵理論。
采用濟(jì)南微納儀器有限公司生產(chǎn)的Winner 99顯微顆粒圖像分析儀對國內(nèi)10個具有典型代表性的煤礦綜放工作面和綜掘工作面截割區(qū)域內(nèi)不同范圍的粉塵顆粒粒度大小進(jìn)行測定分析,從而得出采掘工作面截割區(qū)域的粉塵特性。
綜放工作面和綜掘工作面的粉塵采樣點均為以下3個點:距滾筒徑向距離為0.5 m、1.0 m、1.5 m處。
由于實驗樣品為某一采樣點在5 min內(nèi)被粉塵采樣器所吸入的粉塵顆粒群,該粉塵顆粒群顆粒粒徑的大小代表該采樣點粉塵顆粒粒徑的大小。因此,選取該粉塵顆粒群的表面積(加權(quán))平均粒徑代表該采樣點粉塵顆粒粒徑的大小對實驗結(jié)果進(jìn)行分析,用符號XSV表示,計算公式為
式中,di為不同粒徑值,Ni為粒徑di的顆粒數(shù)目[4-6]。
圖1為礦井綜放工作面截割區(qū)域不同位置粉塵粒度測定結(jié)果,圖2為礦井綜掘工作面截割區(qū)域不同位置粉塵粒度測定結(jié)果。
圖1 綜放工作面粉塵粒徑分布
圖2 綜掘工作面粉塵粒徑分布
通過實驗結(jié)果可知,礦井不同截割區(qū)域產(chǎn)生的粉塵粒徑大小各不相同。對礦井綜放工作面而言,截割區(qū)域粉塵粒徑大小為:距采煤機滾筒0.5 m處平均粒徑為10.18 μm、距采煤機滾筒1.0 m處平均粒徑為8.05 μm、距采煤機滾筒1.5 m處平均粒徑為4.56 μm,大小關(guān)系表現(xiàn)為:距采煤機滾筒0.5 m處>距采煤機滾筒1.0 m處>距采煤機滾筒1.5 m處;對礦井綜掘工作面而言,截割區(qū)域粉塵粒徑大小為:距綜掘機滾筒0.5 m處平均粒徑為13.40 μm、距綜掘機滾筒1.0 m處平均粒徑為10.07 μm、距綜掘機滾筒1.5 m處平均粒徑為5.65 μm,大小關(guān)系表現(xiàn)為:距綜掘機滾筒0.5 m處>距綜掘機滾筒1.0 m處>距綜掘機滾筒1.5 m處。由此可見,無論綜放工作面還是綜掘工作面,在滾筒徑向方向上,距離滾筒越遠(yuǎn)的位置,粉塵粒徑越小。
目前,壓力式霧化噴嘴是國內(nèi)外應(yīng)用最多的礦井霧化噴嘴。壓力式霧化噴嘴按霧流形狀可分為扇形噴嘴、束形噴嘴、實心圓錐噴嘴、空心圓錐噴嘴;按霧化類型可分為含螺旋槽導(dǎo)流芯混合式噴嘴、漩渦離心混合式噴嘴、切向離心混合式噴嘴、外螺旋槽式噴嘴、含X形導(dǎo)流芯混合式噴嘴和側(cè)向?qū)Я骺纂x心式噴嘴等。各類噴嘴均有其優(yōu)缺點,在不同壓力時霧化參數(shù)也各不相同。目前煤礦缺少一套合理的噴嘴使用標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)理論依據(jù),各類噴嘴使用混亂,最終導(dǎo)致降塵效果較差,因此,急需對各類噴嘴不同壓力時的霧化參數(shù)進(jìn)行研究,為礦井噴霧降塵過程中噴嘴類型和噴霧壓力的選擇提供理論指導(dǎo)。
通過實驗得出6種不同類型礦用壓力式噴嘴霧化角、有效射程、耗水量和霧滴粒徑與噴霧壓力之間的關(guān)系,全面了解壓力式噴嘴的霧化特性,從而為礦井噴霧壓力和噴嘴類型的選擇提供依據(jù)。表1為實驗用噴嘴類型分布表。
表1 實驗噴嘴參數(shù)
實驗裝置包括水箱、高壓柱塞泵及SGC型雙功能高壓水表。泵壓力可在0~28 MPa連續(xù)可調(diào),通過高壓膠管經(jīng)SGC型雙功能高壓水表輸送到噴嘴形成噴霧。SGC型雙功能高壓水表可測定的最大水壓力為16 MPa,水流量范圍為0.1~5 m3/h。
根據(jù)礦井噴霧降塵現(xiàn)場情況,選擇2、4、6、8 MPa 4個壓力進(jìn)行實驗,對實驗噴嘴包括霧化角、有效射程以及耗水量在內(nèi)的常規(guī)霧化參數(shù)進(jìn)行測定。具體實驗結(jié)果如圖3所示。
(a) 霧化角 (b) 有效射程 (c) 耗水量圖3 噴嘴常規(guī)霧化參數(shù)測定結(jié)果
由圖3可知,在同一壓力時,不同類型噴嘴的霧化角、有效射程、耗水量、霧滴粒徑等參數(shù)各不相同。對霧化角而言,總體表現(xiàn)為:切向離心混合式噴嘴>漩渦離心混合式噴嘴>側(cè)向?qū)Я骺纂x心式噴嘴>含螺旋槽導(dǎo)流芯混合式噴嘴>外螺旋槽式噴嘴>含X形導(dǎo)流芯混合式噴嘴;對有效射程和耗水量而言,在不同壓力時各噴嘴大小順序也各不相同。另外,隨著噴霧壓力增大,各類型噴嘴的霧化角逐漸減小、有效射程逐漸增加、耗水量逐漸增大。
實驗系統(tǒng)主要由高壓噴霧泵、封閉式實驗箱、風(fēng)機以及Winner 312噴霧激光粒度儀組成,如圖4所示。高壓噴霧泵的壓力可在0~28 MPa連續(xù)可調(diào),封閉式實驗箱由入風(fēng)漸擴段和長方體實驗段組成,安裝噴嘴的支架在長方體實驗段可以實現(xiàn)前后、上下自由移動以測量不同霧場位置的霧滴粒徑。風(fēng)機為FZ40/35-11/12(s)型軸流通風(fēng)機,通過無極變頻器控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速從而控制封閉式實驗箱內(nèi)的風(fēng)速。Winner312噴霧激光粒度儀由激光發(fā)射裝置和激光接收裝置兩大部分組成,由計算機對測得的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行分析并得到霧場的粒徑分布情況。
圖4 實驗裝置
實驗壓力選定為2、4、6、8 MPa,通過統(tǒng)計分析可知,綜放工作面的風(fēng)速一般為1.14 m/s左右[7-8],調(diào)節(jié)無極變頻器改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速使封閉式實驗箱模型內(nèi)平穩(wěn)段風(fēng)速與之吻合。采取固定Winner 312測試系統(tǒng)改變噴嘴位置的方法測定噴嘴所成霧化空間在不同位置處的霧滴粒徑分布情況,具體噴嘴分布位置如圖5所示,虛線為激光檢測線,過檢測線中點沿封閉式實驗箱入風(fēng)口到出風(fēng)口的方向為X方向,過檢測線中點豎直向上方向為Y方向。本文設(shè)計了7個不同噴嘴位置對霧滴粒徑進(jìn)行研究,空間坐標(biāo)分別為(0,50)、(250,650)、(0,650)、(-250,650)、(500,1 250)、(0,1 250)、(-500,1 250),單位均為mm,用A~G表示。
圖5 噴嘴位置分布
實驗結(jié)果分析如下:
(1)不同測點霧滴粒徑實驗結(jié)果分析
圖6中曲線代表的是噴霧壓力從2 MPa升至8 MPa以后各測點的霧滴粒徑減小率。
(a)1#噴嘴各測點D0.5測定結(jié)果 (b)2#噴嘴各測點D0.5測定結(jié)果 (c)3#噴嘴各測點D0.5測定結(jié)果
(d)4#噴嘴各測點D0.5測定結(jié)果 (e)5#噴嘴各測點D0.5測定結(jié)果 (f)6#噴嘴各測點D0.5測定結(jié)果圖6 1#~6#噴嘴各測點霧滴粒徑測定結(jié)果
在同一壓力時,沿噴嘴中心線的3個測點A、C、F的D0.5呈現(xiàn)出如下規(guī)律:A
隨著噴霧壓力升高,各測點的D0.5逐漸減小,但不同測點減小程度不同。當(dāng)噴霧壓力從2 MPa升至8 MPa時,由圖6中曲線可知,沿噴嘴中心線的3個測點A、C、F的D0.5減小率均呈現(xiàn)出如下規(guī)律:A
(2)不同噴嘴霧滴粒徑實驗結(jié)果分析
不同噴嘴在不同壓力時霧滴粒徑測量結(jié)果如圖7所示,此時,D0.5=(D0.5A+D0.5B+D0.5C+D0.5D+D0.5E+D0.5F+D0.5G)/7;D32=(D32A+D32B+D32C+D32D+D32E+D32F+D32G)/7;D43=(D43A+D43B+D43C+D43D+D43E+D43F+D43G)/7。
(a)1#噴嘴實驗結(jié)果 (b)2#噴嘴實驗結(jié)果 (c)3#噴嘴實驗結(jié)果
(d)4#噴嘴實驗結(jié)果 (e)5#噴嘴實驗結(jié)果 (f)6#噴嘴實驗結(jié)果圖7 不同噴嘴在不同壓力時霧滴粒徑測量結(jié)果
在同一壓力時,不同類型噴嘴霧滴粒徑大小各不相同,總體而言,漩渦離心混合式噴嘴、切向離心混合式噴嘴和側(cè)向?qū)Я骺纂x心式噴嘴霧滴粒徑較大,含螺旋槽導(dǎo)流芯混合式噴嘴、外螺旋槽式噴嘴和含X形導(dǎo)流芯混合式噴嘴的霧滴粒徑較小,礦井噴霧降塵過程中應(yīng)根據(jù)不同噴霧點粉塵粒徑分布結(jié)合塵霧耦合規(guī)律選擇合適的噴嘴。
隨著噴霧壓力增加,噴嘴霧滴粒徑逐漸減小且不同類型噴嘴減小幅度各不相同,總體表現(xiàn)為:含X形導(dǎo)流芯混合式噴嘴>外螺旋槽式噴嘴>切向離心混合式噴嘴>含螺旋槽導(dǎo)流芯混合式噴嘴>側(cè)向?qū)Я骺纂x心式噴嘴>漩渦離心混合式噴嘴。同一類型噴嘴在不同壓力段噴嘴霧滴粒徑減小幅度也不同,總體來看,從6 MPa增加到8 MPa時霧滴粒徑減小的幅度最大,從4 MPa增加到6 MPa時霧滴粒徑減小的幅度次之,從2 MPa增加到4 MPa時霧滴粒徑減小的幅度最小。
針對上述實驗結(jié)果可得出:采掘工作面外噴霧降塵時應(yīng)根據(jù)其降塵范圍選擇不同的噴霧壓力。具體為:距滾筒徑向距離0.5 m處,粉塵粒徑最大,為了防止該處粉塵擴散,需對其進(jìn)行大面積覆蓋捕捉,對噴嘴有效射程要求不高,因此,在距離滾筒0.5 m范圍內(nèi)采煤機及綜掘機外噴霧的噴霧壓力應(yīng)選擇2 MPa左右,此時,噴嘴霧滴粒徑和霧化角均較大且耗水量低,能實現(xiàn)大面積覆蓋捕捉大顆粒粉塵,同時又不會因為水量過大污染該區(qū)域的工作環(huán)境。距采煤機和綜掘機滾筒徑向距離1.0 m處的粉塵粒徑次之且該地點的粉塵主要靠外噴霧沉降,對噴嘴有效射程有一定要求,因此,該位置處采煤機及綜掘機外噴霧的噴霧壓力應(yīng)選擇4 MPa左右,此時,與2 MPa相比,噴嘴霧滴粒徑較小,有效射程較大,能實現(xiàn)對較小顆粒粉塵的有效沉降。距滾筒徑向距離1.5 m處粉塵粒徑均較小且該地點的粉塵為瞬間高濃度粉塵團(tuán),需要大流量水霧快速捕捉且該地點的粉塵粒徑距滾筒1.0 m相比更小,對噴嘴有效射程要求也較高,因此,噴霧應(yīng)選擇8 MPa左右,此時噴嘴霧滴粒徑較小,適合捕捉小粒徑粉塵,噴嘴流量和有效射程均較大,適合快速捕捉瞬間高濃度粉塵。
在興隆莊煤礦7303綜放工作面進(jìn)行應(yīng)用,該工作面采用MG200/456-AWD雙滾筒采煤機雙向割煤,現(xiàn)場應(yīng)用時對該綜放工作面各生產(chǎn)區(qū)域粉塵粒徑進(jìn)行取樣分析,得到粉塵粒徑大小分布情況,參考國內(nèi)外研究人員的研究成果(即:霧滴與其最佳捕獲粉塵粒徑之間的關(guān)系為D霧滴≈10D粉塵)[8]對噴嘴進(jìn)行優(yōu)選,優(yōu)選壓力采用本文得出的最優(yōu)噴霧壓力,具體情況如表2所示。對以下6種情況粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行了測定:原始粉塵質(zhì)量濃度;采用原有噴嘴和原定噴霧壓力進(jìn)行噴霧(措施1);采用優(yōu)選噴嘴和壓力為2 MPa進(jìn)行三級噴霧(措施2);采用優(yōu)選噴嘴和壓力為4 MPa進(jìn)行三級噴霧(措施3);采用優(yōu)選噴嘴和壓力為8 MPa進(jìn)行三級噴霧(措施4);采用優(yōu)選噴嘴和優(yōu)選壓力進(jìn)行三級噴霧(措施5)。粉塵質(zhì)量濃度測定地點選擇為采煤機司機處(1#)、采煤機下風(fēng)側(cè)10 m處(2#)、移架工處(3#)、破碎機處(4#)、轉(zhuǎn)載機處(5#)、回風(fēng)巷20 m處(6#)?,F(xiàn)場實測結(jié)果如圖8~圖9所示。
表2 7303綜放工作面各測點粉塵粒徑分布及噴嘴、噴霧壓力優(yōu)選結(jié)果
圖8 各測點平均總塵質(zhì)量濃度測定結(jié)果
圖9 各測點平均呼塵質(zhì)量濃度測定結(jié)果
通過對比措施1和措施5現(xiàn)場實測結(jié)果可知,與采用傳統(tǒng)噴霧降塵技術(shù)相比,1#~6#測點總塵降塵率分別提高了64.0%、68.2%、69.9%、69.5%、68.9%和70.2%;呼塵降塵率分別提高了63.2%、68.9%、71.4%、70.2%、73.8%和78.4%。由此可見,采用三級噴霧并對噴嘴類型和噴霧壓力進(jìn)行優(yōu)化后噴霧降塵效果顯著提高。通過對比措施2~5現(xiàn)場實測結(jié)果可知,三級噴霧均采用同一壓力時,降塵效率大小順序為8 MPa>4 MPa>2 MPa,即隨著噴霧壓力的增加噴霧降塵效率也越高。而當(dāng)三級噴霧的噴霧壓力均采用本文優(yōu)化壓力后1#~6#測點總塵、呼塵平均降塵率分別達(dá)到了89.5%、86.3%。由此可知,噴霧壓力按范圍不同進(jìn)行優(yōu)化后其降塵效率也有了一定程度的提高。
在白莊煤礦3904軌道順槽綜掘工作面進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用,該工作面采用EBZ-160TY型綜掘機進(jìn)行生產(chǎn),現(xiàn)場應(yīng)用時對該綜放工作面各生產(chǎn)區(qū)域粉塵粒徑進(jìn)行取樣分析,得到粉塵粒徑大小分布情況,參考國內(nèi)外研究人員的研究成果(即:霧滴與其最佳捕獲粉塵粒徑之間的關(guān)系為D霧滴≈10D粉塵)[8]對噴嘴進(jìn)行優(yōu)選,優(yōu)選壓力采用本文得出的最優(yōu)噴霧壓力,具體情況如表3所示。對以下6種情況粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行了測定:原始粉塵質(zhì)量濃度;采用原有噴嘴和原定噴霧壓力進(jìn)行噴霧(措施1);采用優(yōu)選噴嘴和壓力為2 MPa進(jìn)行三級噴霧(措施2);采用優(yōu)選噴嘴和壓力為4 MPa進(jìn)行三級噴霧(措施3);采用優(yōu)選噴嘴和壓力為8 MPa進(jìn)行三級噴霧(措施4);采用優(yōu)選噴嘴和優(yōu)選壓力進(jìn)行三級噴霧(措施5)。測塵地點選擇為綜掘機司機處(1#)、轉(zhuǎn)載機處(2#)、距迎頭100 m處(3#)、距迎頭200 m處(4#)?,F(xiàn)場實測結(jié)果如圖10~圖11所示。
表3 3904綜掘工作面各測點粉塵粒徑分布及噴嘴、噴霧壓力優(yōu)選結(jié)果
圖10 各測點總塵質(zhì)量濃度測定結(jié)果
圖11 各測點呼塵質(zhì)量濃度測定結(jié)果
通過對比措施1和措施5現(xiàn)場實測結(jié)果可知,與采用傳統(tǒng)噴霧降塵技術(shù)相比,1#~4#測點總塵降塵率分別提高了68.4%、70.5%、69.7%和67.0%;呼塵降塵率分別提高了69.1%、69.0%、70.6%和68.5%。由此可見,采用三級噴霧并對噴嘴類型和噴霧壓力進(jìn)行優(yōu)化后噴霧降塵效果顯著提高。通過對比措施2~5現(xiàn)場實測結(jié)果可知,三級噴霧均采用同一壓力時,降塵效率大小順序為8 MPa>4 MPa>2 MPa,即隨著噴霧壓力的增加噴霧降塵效率也越高。而當(dāng)三級噴霧的噴霧壓力均采用本文優(yōu)化壓力后,1#~4#測點總塵、呼塵平均降塵率分別達(dá)到了86.2%、83.7%。由此可知,噴霧壓力按范圍不同進(jìn)行優(yōu)化后其降塵效率也有了一定程度的提高。
通過綜放及綜掘工作面現(xiàn)場應(yīng)用可知,對采掘工作面截割區(qū)域噴霧壓力進(jìn)行分級優(yōu)化可有效提高噴霧降塵效果,根據(jù)采掘工作面截割區(qū)域粉塵特性選擇合適的噴嘴對提高噴霧降塵效果也有一定的效果,對噴霧壓力進(jìn)行分級優(yōu)化和噴嘴類型進(jìn)行優(yōu)選是提高噴霧降塵效率的有效途徑。
(1)在同一壓力時,不同類型噴嘴霧滴粒徑大小各不相同,總體而言,漩渦離心混合式噴嘴、切向離心混合式噴嘴和側(cè)向?qū)Я骺纂x心式噴嘴霧滴粒徑較大,含螺旋槽導(dǎo)流芯混合式噴嘴、外螺旋槽式噴嘴和含X形導(dǎo)流芯混合式噴嘴的霧滴粒徑較小。隨著噴霧壓力增加,噴嘴霧滴粒徑逐漸減小且不同噴嘴減小程度各不相同,總體表現(xiàn)為:含X形導(dǎo)流芯混合式噴嘴>外螺旋槽式噴嘴>切向離心混合式噴嘴>含螺旋槽導(dǎo)流芯混合式噴嘴>側(cè)向?qū)Я骺纂x心式噴嘴>漩渦離心混合式噴嘴。
(2)對于同一噴嘴而言,隨著噴霧壓力的增加,在噴嘴中心線上離孔口越遠(yuǎn)霧滴粒徑減小幅度越大,在垂直于中心線的橫截面上,離噴嘴中心線越近霧滴粒徑減小幅度越大。從6 MPa增加到8 MPa時霧滴粒徑減小的幅度最大,從4 MPa增加到6 MPa時霧滴粒徑減小的幅度次之,從2 MPa增加到4 MPa時霧滴粒徑減小的幅度最小。
(3)對于采煤工作面和綜掘工作面,距滾筒0.5 m應(yīng)選擇側(cè)向?qū)Я骺纂x心式噴嘴、霧化壓力2 MPa,此時噴嘴霧化角大、耗水量小、霧滴粒徑大,能實現(xiàn)對大顆粒粉塵的大面積覆蓋捕捉且不會污染工作環(huán)境。距滾筒1.0 m應(yīng)選擇含X形導(dǎo)流芯混合式噴嘴、霧化壓力4 MPa,與2 MPa相比,噴嘴有效射程較大、霧滴粒徑較小,能實現(xiàn)對較小粒徑粉塵的有效沉降。距滾筒1.5 m應(yīng)選擇含螺旋槽導(dǎo)流芯混合式噴嘴、霧化壓力8 MPa,此時噴嘴霧化角小、耗水量大、霧滴粒徑小,能實現(xiàn)對瞬間高濃度小粒徑粉塵的快速捕捉。
通過現(xiàn)場應(yīng)用得出,對礦井不同噴霧點的噴霧壓力進(jìn)行優(yōu)化后可有效提高噴霧降塵效果,根據(jù)礦井截割區(qū)域不同位置粉塵特性選擇合適的噴嘴對提高噴霧降塵率也具有一定的效果,在對噴霧壓力和噴嘴類型進(jìn)行優(yōu)化后,總塵和呼塵的降塵率均可達(dá)到70%以上。