带式输送机转载点降尘系统的研究与试验

范鹏伟

（山西中招招标代理有限公司，山西 太原030053）

引言

随着采煤技术及综采设备自动化水平的不断提升，巷道内的粉尘、煤尘浓度越来越大，不仅影响工作人员的身体健康，而且制约煤矿生产的安全性。针对煤矿粉尘治理，传统思路仅将其局限于对综采和掘进工作面粉尘、煤尘的治理，往往忽略了对带式输送机转载点煤尘、粉尘的治理。目前，对于带式输送机转载点煤尘污染的治理存在自动化水平低、作业人员劳动强度大的弊端[1]。为此，本文将基于雾化理论和喷雾降尘机理实现对带式输送机转载点粉尘、煤尘的治理。

1 喷雾降尘原理研究

喷雾降尘装置目前已被应用于综采工作面采煤机处和掘进工作面掘进机处粉尘、煤尘的治理工作。其核心是将乳化油与水混合的乳化液雾化处理后喷洒至需治理的位置，最终达到降尘处理的目的。为保证转载点喷雾降尘效果对雾化液滴的直径、雾化角度、雾化空间等参数进行合理设计[2]。

根据理论研究可知，对于不同降尘场所对应雾化乳化液的颗粒直径和喷雾的流量有一定的差别。其中，对于掘进工作面而言，由于其岩尘较多，一般选用雾化乳化液颗粒直径为25～50μm，并采用高压的方式进行喷洒；对于转载点而言，此处以煤尘为主且由于煤尘的颗粒较大一般选用雾化乳化液颗粒的直径为150μm左右，且采用大流量的喷嘴进行喷洒并保证将喷洒速度控制在20～30 m/s。

除此之外，在控制好雾化乳化液颗粒直径和喷洒速度的主要参数外，还需控制不同尺寸雾滴在所有雾滴中所占的比例，由于该比例与喷射压力以及乳化液本身属性相关，即为雾滴尺寸分布指数。一般的，雾滴尺寸分布指数越大表示雾滴尺寸分布越均匀。针对转载点降尘所采用离心喷嘴，其对应的最佳雾滴尺寸分布指数应控制在3左右[3]。

2 喷嘴结构参数的设计

喷嘴是影响乳化液雾化效果的关键部件，最终直接影响工作面的降尘效果。目前，可采用的喷嘴形式多种多样，主要包括有压力喷嘴、旋转喷嘴、气动喷嘴、气泡雾化喷嘴、静电雾化喷嘴和离心式喷嘴等。鉴于煤矿综采工作面生产环节的恶劣性，对于喷嘴结构而言在考虑其雾化效果的同时，还需综合考虑喷嘴的防堵塞和清理的便捷性[4]。结合上述需求，设计如图1所示的喷嘴结构。

图1 离心式喷嘴结构示意图

图1中：r为离心式喷嘴口的半径；lp为离心式喷嘴的厚度；β为离心式喷嘴的旋流室锥角。

2.1 离心式喷嘴口半径的确定

经对带式输送机转载点实际情况进行分析，现场以颗粒较大的煤尘为主。因此，将喷嘴的流量控制在2～3 kg/min，并保证雾化角度不大于80°；根据工作面乳化液的压力一般在0.3～2 MPa，因此将雾化角度控制在90°为最佳。结合相关理论计算，取乳化液压力为0.5 MPa时，对应的喷嘴的理论流量为2.4 kg/min，通过式（1）计算得出喷嘴的半径：

式中：Q为乳化液的流量，取Q=2.4 kg/min；μ为离心式喷嘴的流量系数，μ=0.36；r为离心式喷嘴口的半径；p0为离心式喷嘴入口处的压力值，p0=5×105Pa；ρ为乳化液的密度，ρ=1.03×103kg/m3。经计算可得，对应离心式喷嘴口的半径r=1.05 mm。

2.2 离心式喷嘴厚度的确定

喷嘴厚度和旋流室锥角参数无法通过理论计算确定，仅能通过相关实验确定。为此，设计雾化试验装置完成相关的雾化特性研究。所设计的雾化试验如图2所示。

图2 雾化试验装置结构图

保证喷嘴口半径为1.05 mm不变，对不同喷嘴厚度下对应的流量和雾滴直径进行研究，所研究喷嘴厚度为0.5 mm、0.8 mm、1.1 mm以及1.4 mm。经试验得出如表1所示数据。

表1 不同喷嘴厚度对应的雾滴流量和直径数据

如表1所示，随着喷嘴厚度的增加雾滴流量减小，对应雾滴直径不断增大。经前期理论研究，对于转载点煤尘特性最佳雾滴直径大小应控制在150 μm左右。因此，将喷嘴厚度初步确定为0.5 mm和0.8 mm。但是，当喷嘴厚度过小时会导致喷嘴容易磨损，导致离心式喷嘴的可靠性降低[5]。因此，最终确定喷嘴厚度值为0.8 mm。

2.3 离心式喷嘴旋流室锥角的确定

同样，基于如图2所示的雾化试验装置对不同旋流式锥角对应的雾化效果进行试验研究，所研究的旋流室锥角数值为80°、110°、130°以及150°。通过试验得出，不同旋流室锥角对应的雾滴流量和雾滴直径大小如表2所示。

表2 不同旋流室锥角对应的雾滴流量和直径数据

同样，根据转载点煤尘特性最佳雾滴直径大小应控制在150μm左右。因此，将离心式喷嘴对应的最佳旋流室锥角为110°。

2.4 喷嘴结构参数的最终确定

综上所述，针对带式输送机转载点煤尘治理对应最佳喷嘴结构参数如下：喷嘴口半径为1.05 mm，喷嘴厚度为0.8 mm，喷嘴旋流室锥角为110°。

3 离心式喷嘴降尘效果试验

基于上述所设计的离心式喷嘴为其配置电感式喷雾控制装置，并根据需求建立转载点降尘系统，并对其降尘效果进行试验研究。

带式输送机所处巷道空气流动速度为2 m/s，带式输送机的运送速度为3.5 m/s，输送带宽度为1.4 m，输送机在转载点的落差为0.48 m。根据转载点实际情况为其配置3个离心式喷嘴，保证其能够覆盖整个转载点的降尘处理，并采用GH100E粉尘浓度测量仪对降尘处理前后距离转载点不同位置处煤尘浓度进行测量。试验结果如表3所示。

表3 离心式喷嘴降尘效果试验研究

如表3所示，对转载点位置煤尘进行降尘处理后，降尘效率可达79%以上。而且，距离转载点4 m的位置后粉尘质量浓度为8.34 mg/m3，满足相关标准所规定的低于10 mg/m3的标准要求。

4 结论

基于离心式喷嘴为核心实现对带式输送机装载点粉尘、煤尘进行治理。经理论计算和雾化试验确定喷嘴口直径为1.05 mm，喷嘴厚度为0.8 mm，旋流室锥角为110°，并经实践可得上述喷嘴能够保证转载点降尘效率达79%以上，且治理后粉尘浓度满足相关标准要求。