高压细水雾喷嘴对巷道煤尘的喷雾降尘试验研究

王 晋

(邵阳学院城乡建设学院， 湖南 邵阳 422000)

随着煤矿开采机械化的迅猛发展，粉尘污染问题带来了一系列的危害。粉尘污染,特别是微细粉尘,不仅会导致作业人员患尘肺病，而且还具有爆炸隐患，严重威胁着煤矿的正常安全生产和矿工的身体健康[1]。截至2018年底，我国累计报告有职业病例97.5万例，其中职业性尘肺病病例为87.3万例，约占报告职业病病例总数的90%[2]，其主要分布在采矿业，患者呈现年轻化趋势。尘肺病一旦被染上，患者终身不易治愈，给患者本人及家属都会带来极大的痛苦。据统计，我国尘肺病死亡率高达22.04%，煤矿尘肺病死亡人数远大于煤矿生产安全事故死亡人数[3]。粉尘污染，主要是指其浓度超标，须从源头做好预防治理，只有将作业场所的粉尘浓度降到标准限值内，才能将尘肺病发生的概率控制为零，达到预防的目的。我国提出的健康中国战略，就是要彻底改变这种“上半生拿命换钱，下半生拿钱续命”的发展模式，强调以人为本，发展的最终目标是为了人的发展，不应该以牺牲生命和健康为代价。因此，必须从源头上控制和消除粉尘危害，控制职业病的高发频发。

针对粉尘污染的控制，目前主要采用的是水雾捕尘技术[4]，许多学者对其开展了大量的研究。在高压喷嘴雾化特性方面，范明豪[5]、周华等[6]研究了纯水液压高压旋芯喷嘴的雾化特性及喷雾情况；陈怀民等[7]研制了旋芯高压细水雾喷嘴并进行了性能测试。在喷雾降尘除尘方面，薛军[8]开展了基于旋转水雾的降尘除尘研究；宋稳亚[9]提出了降尘细水雾调制方法；吴琼[10]对煤矿井下喷雾降尘机理与喷嘴结构性能进行了相关研究。但上述研究均未考虑利用已有的高水势能静水压力来进行降尘除尘研究。为此，本文设计了一种带内旋芯的直射式高压喷嘴，通过喷雾降尘试验研究了不同内部结构喷嘴的雾化特性，并对比分析了不同出口直径的同型号喷嘴对巷道煤尘的喷雾降尘效果。本试验研究的理论依据是利用深井开采过程中由地面与采掘工作面之间的自然落差势能产生高压静水压力,将该高压水通过高压细水雾喷嘴形成高压细水雾,实现对采掘工作面上产尘区域的降尘作业。

1 高压细水雾喷雾降尘试验

1. 1 试验仪器和设备

本试验设计的高压细水雾喷雾降尘试验系统如图1所示。整个系统所需的仪器及设备有：九柱塞泵(德国生产，见图2)、高压供水管路、水箱、过滤器、压力调节阀、控制系统、喷雾架和高压喷嘴、通风动力系统、照相机、粉尘浓度采样仪、过氯乙烯纤维滤膜、滤膜夹、样品盒、镊子、尺子、分析天平、秒表等。

图1 高压细水雾喷雾降尘试验系统Fig.1 Test system of high-pressure water mist spraying dust reduction1.压力传感器；2.流量计；3.压力数显仪表；4.流量数显仪表；5.A/D板；6.微机；7.转换接头；8.截止阀；9.温度数显仪表；10.温度传感器；11.喷嘴；12.粉尘采样器；13.加热箱；14.风机；15.空压机；16.粉尘发生器；17.试验巷道；18.通风机

图2 德国生产的Grundfos九柱塞泵Fig.2 Grundfos nine-piston pump made in Germany

1. 2 试验巷道

在已有试验巷道内(宽2.0 m×高2.2 m)，架设喷嘴、粉尘发生器，由九柱塞泵提供足够的压力和流量。该喷雾降尘试验系统巷道长度为100 m，一端堵塞并留有风机口，根据需要进行通风；另一端安装密闭门，在门上设有观察窗。在试验巷道内合适的地方设有沉淀池，以沉积粉尘、水及污物,并定期进行人工清理。

1. 3 煤尘尘样

本试验所用的巷道煤尘尘样为湖南株洲某煤矿无烟煤，煤尘粒径的范围为：煤尘粒径小于 2 μm 的比例占全尘的52.64%；煤尘粒径在2～5 μm之间的比例占全尘的 28.16%；煤尘粒径在5～10 μm之间的比例占全尘的 5.61%；煤尘粒径大于 10 μm 的比例占全尘的13.59%。

2 喷嘴的设计

根据试验需要，设计了不同收缩角(α)、不同出口圆柱段长度与喷嘴出口直径比值(l/d)的带内旋芯的直射式高压细水雾喷嘴，其内部几何参数见图3，设计喷嘴的入口直径取定值为4.2 mm，喷嘴的出口直径确定为1.2 mm、1.5 mm两种。此类直射式高压细水雾喷嘴加工简单、价格便宜。

图3 直射式高压细水雾喷嘴内部几何参数图Fig.3 Internal geometric parameters of the direct injection high-pressure water mist nozzle注：D为喷嘴的入口直径(mm)；α为收缩角(°)；ρ1为入口倒角曲率半径(mm)；ρ2为出口倒角曲率半径(mm)；d为喷嘴的出口直径(mm)；L为收缩段长度(mm)；l为出口圆柱段长度(mm)

3 试验结果与分析

3. 1 喷嘴雾化特性

根据设计的喷嘴，对其雾流参数进行了测定，针对所测得的试验数据，分析了不同收缩角情况下喷嘴喷雾压力与喷雾射程和充分雾化距离的关系。

当喷嘴的出口直径为1.2 mm、收缩角α分别为30°和60°时，喷嘴喷雾压力与喷雾射程的关系曲线，见图4和图5。

图4 收缩角α为30°时喷嘴喷雾压力与喷雾射程的 关系曲线Fig.4 Relationship between nozzle spray pressure and range at a contraction angle α of 30 °

图5 收缩角α为60°时喷嘴喷雾压力与喷雾射程的 关系曲线Fig.5 Relationship between nozzle spray pressure and range at a contraction angle α of 60 °

由图4和图5可见，同一出口直径(d=1.2 mm)的喷嘴，在不同的收缩角情况下，随着出口喷雾压力的升高，其喷雾射程逐渐变远；当收缩角α=30°时,其喷雾射程比α=60°时要大；在同一收缩角情况下，l/d值越小，其喷雾射程越大；在相同出口喷雾压力下，l/d值越小，其喷雾射程越大；当α=30°、出口喷雾压力小于8 MPa时，l/d=2的喷嘴，其喷雾射程曲线的变化较大，出口喷雾压力达到8 MPa以后，其喷雾射程曲线趋向于平缓，出口喷雾压力大于10 MPa后，其喷雾射程曲线的变化不大。

当喷嘴的出口直径为1.2 mm、收缩角α分别为30°和60°时，喷嘴喷雾压力与充分雾化距离的关系曲线，见图6和图7。

图6 收缩角α为30°时喷嘴喷雾压力与充分雾化 距离的关系曲线Fig.6 Relationship between nozzle spray pressure and sufficient atomization distance at a contraction angle α of 30°

图7 收缩角α为60°时喷嘴喷雾压力与充分雾化 距离的关系曲线Fig.7 Relationship between nozzle spray pressure and sufficient atomization distance at a contraction angle α of 60°

由图6和图7可见，同一出口直径(d=1.2 mm)的喷嘴，在不同的收缩角情况下，随着出口喷雾压力的升高，其充分雾化距离变小；当收缩角α=30°时，其充分雾化距离比α=60°时要大；在相同出口喷雾压力下，l/d值越小，其充分雾化距离越大;当α=30°、出口喷雾压力小于8 MPa时，l/d=2的喷嘴，其充分雾化距离比其他两种情况偏小，达到8 MPa以后，其充分雾化距离比其他两种情况要大，总体基本稳定在4.3～4.4 m左右；当α=60°时、出口喷雾压力小于8 MPa时，其充分雾化距离曲线的变化不大，出口喷雾压力大于8 MPa后，其充分雾化距离曲线的变化较大。

综合考虑喷嘴喷雾射程和充分雾化距离的要求，通过测量的数据可知，喷嘴内部结构以α=30°、l/d=2时的雾化效果为佳。

3.2 不同出口直径喷嘴对巷道煤尘的喷雾降尘效果

根据确定的喷嘴内部结构形式，设计了两种不同出口直径的喷嘴，依托喷雾降尘试验系统，运用这两种不同出口直径的喷嘴在相同喷雾时间情况下对巷道煤尘进行了喷雾降尘试验，得到两种出口直径喷嘴在不同喷雾压力下对巷道煤尘的除尘率，见图8和图9。

图8 出口直径为1.2 mm喷嘴对巷道煤尘的 除尘率Fig.8 Dust reduction rate of nozzle with outlet diameter of 1.2 mm

图9 出口直径为1.5 mm喷嘴对巷道煤尘的 除尘率Fig.9 Dust reduction rate of nozzle with outlet diameter of 1.5 mm

由图8和图9可见，这两种出口直径的喷嘴对巷道煤尘的除尘率都是随着喷雾压力的增大而提高，当喷雾压力为8～9 MPa时，其对巷道煤尘的降尘效果较好，当喷雾压力超过10 MPa后，随着喷雾压力的升高，其对巷道煤尘的降尘效果并没有得到明显的提高，甚至除尘率还有所下降。故在利用喷雾降尘的过程中，没有必要一味地追求较高的喷雾压力。

喷嘴流量的大小主要取决于喷嘴的出口直径[8]。通过对比两种出口直径喷嘴对巷道煤尘的喷雾除尘效果可知，出口直径为1.2 mm的喷嘴的降尘效果比出口直径为1.5 mm的喷嘴要好，其流量也较小，不会浪费太多的水资源。

4 结论与展望

(1) 本试验设计了一种加工简单、价格便宜的带内旋芯的直射式高压细水雾喷嘴，通过对其雾流参数进行测定，针对所测得的试验数据，分析了不同内部结构喷嘴的雾流参数。试验结果表明：喷嘴内部结构以α=30°、l/d=2时的雾化效果为佳;随着出口喷雾压力的升高，喷嘴的射程逐渐变远，其充分雾化距离变短，且在出口喷雾压力为8～9 MPa时，喷嘴的喷雾射程一般稳定在9.0 m左右，此时其充分雾化距离稳定在4.3～4.4 m左右。

(2) 相同喷雾时间下，同型号喷嘴在喷雾压力较小时(≤3 MPa)，其对巷道煤尘的降尘效果较差；随着喷雾压力的升高，其对巷道煤尘的降尘效果得到较明显的改善，当喷雾压力为8～9 MPa时，其对巷道煤尘的降尘效果较好，当喷雾压力超过10 MPa后，随着喷雾压力的升高，其对巷道煤尘的降尘效果并没有得到明显的提高。

(3) 通过对比出口直径分别为1.2 mm和1.5 mm两种型号的喷嘴对巷道煤尘的喷雾降尘效果可知，出口直径为1.2 mm的喷嘴对巷道煤尘的降尘效果更好，其流量也较小，对水资源的浪费较少，排水也快捷、方便。

(4) 本试验研究并设计的高压细水雾喷嘴既简单又实用， 可为同类煤矿提供一种可供借鉴的高压

喷雾降尘方法。高压喷雾降尘是一种行之有效的预防粉尘污染的方法，它可以大幅度地降低现场作业面的粉尘，达到控制粉尘浓度的目的，可为实现健康中国战略提供技术支撑。另外，该方法也为在深井开采过程中利用从地面与采掘工作面之间的自然落差势能产生高压静水压力,将该高压水通过高压细水雾喷嘴形成高压细水雾,对采掘工作面上的产尘区域实现降尘作业提供了试验基础，同时也为现场实际应用打下了坚实的基础。