司马煤业有限公司掘进机外喷雾喷嘴雾化特性及降尘性能研究

雒晨辉，黄靖龙，孙世彪，王鹏飞

(1.潞安集团司马煤业有限公司， 山西 潞安市 046102；2.湖南科技大学 机械设备健康维护湖南省重点实验室， 湖南 长治市 411201；3.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院， 湖南 湘潭市 411201)

0 引言

我国95%的煤矿开采是地下开采[1]，随着采深增加和采掘机械化水平的不断提高，矿井生产自然灾害问题也愈发突出，尤其是井下作业区域粉尘危害严重威胁了矿井的安全生产和矿工身心健康[2]。喷雾降尘是工矿场所最受欢迎的一种粉尘治理技术[3]，液体由喷嘴喷射到空气中后，经过外部干扰力和水压力的共同作用，液体破碎成雾滴的过程称之为雾化[4]。雾化后的液态雾粒通过碰撞、截留、重力、静电力、涡流凝结等综合作用捕集空气中的粉尘，从而加重雾滴质量加速沉降，以达到降尘的目的[5]。本文以山西潞安司马煤矿某综掘工作面掘进机为研究对象，具体研究掘进机外喷雾喷嘴的雾化特性及降尘效率，并确定其最佳工况参数，为提高综掘工作面掘进机外喷雾的降尘效率提供科学指导。

司马煤矿位于山西省东南部，长治以南14 km，行政区划隶属长治市，地形总体呈西南高、北低的趋势，相对高差最大62.26 m。井田面积约为30 km2，可采储量96.56 Mt。井田开拓采用主立井、副立井和中央回风立井，3 个井筒中央并列式开拓方式。矿井通风容易时期等积孔均大于2 m2，属于通风容易矿井。本文所研究的综掘工作面宽5.2 m，高3.3 m，采用压入式通风。掘进时使用EBZ160 掘进机，掘进机外喷雾为单孔压力喷嘴。

1 试验系统及方案

1.1 试验系统

本文所选用的掘进机外喷雾喷嘴如图1 所示。该喷嘴雾流形状为实心圆锥，喷嘴类型为单孔压力喷嘴。图2 为自行开发设计的喷雾降尘试验平台布置图，是一个包含了可仿真煤矿井下采掘作业场所产尘、喷雾、通风等状态的喷雾降尘试验系统，该系统设计了矩形巷道模型、系统控制柜、储水箱、输水管道线路、可调节式高压水泵、马尔文激光粒度衍射分析仪、气溶胶发尘器、数控风机、开合阀门以及相关的检测仪器。为了方便在巷道内部安装喷嘴、煤尘采样器的放置以及马尔文雾滴粒度分析仪与系统的数据采集，巷道测量段和喷雾段由可自由拆卸的透明有机玻璃制作，为了保证巷道的密封性，巷道缝隙处均黏附软体密封塑胶[6]。

图1 掘进机外喷雾喷嘴示意

图2 喷嘴降尘性能试验系统示意

1.2 试验方案

对于该单孔压力喷嘴，其喷嘴雾化特性与降尘效率的主要影响因素为上游供水压力。研究表明，喷雾降尘效率与喷嘴雾化特性参数密切相关。本次试验分为两组，一组研究供水压力对喷嘴雾化特性的影响，所包括的雾化特性有喷嘴水流量Q、雾化角θ、射程L和雾滴粒径D[32]。另一组研究不同工况下喷嘴的全尘降尘效率和呼尘降尘效率。根据前期现场考察和实测，综合考虑控尘效果、耗水量及现场条件，共设置了4 种不同供水压力P，分别是P=0.5，1.0，1.5，2.0 MPa。

在开展喷嘴雾化特性试验时，分别采用YY-LED15K4C 型电磁流量计和DX-801XB00150型数字式压力表测量喷嘴水流量和供水压力。采用马尔文雾滴粒度分析仪测量雾滴粒径，选择喷口前方50 cm 中心作为数据采集区域，并以索太尔平均直径(D[32])作为雾滴粒径的评价指标。

开展喷雾降尘效率试验时，使用德国AG420气溶胶发尘器发尘，并用空气压缩机提供的压缩空气作为输送动力，输送气压为0.2 MPa。将粉尘由巷道入口送入，模拟煤矿采掘作业场所产尘，气溶胶发尘器的发尘量设置为15 g/min，通过对轴流风机进行变频调节，将试验巷道模型内风速稳定为1.0 m/s。在模型巷道喷雾前测量段与喷雾后测量段内分别布置FCC-25 型防爆粉尘采样器各1 台，对不同工况条件下的两区域的粉尘进行采样，粉尘采样器的单次采样时间为2 min，吸入空气流量为15 L/min。为保证试验误差最小，两测尘点在同一时间采样，每个供水压力连续采样4 次并对采样结果取平均值。煤尘采集结束后使用电子分析天平对采样前后粉尘滤膜称重，从而计算出全尘效率和呼尘效率。降尘试验选用从综掘工作面现场所采集的煤块，将煤块破碎后使用150 目的工业筛网通过机械振动筛出粒径小于106 μm 的煤粉，粉尘粒径分布见图3，从图3 的累计体积分数曲线可以看出，试验所采用的煤粉呼吸性粉尘占比约为23%。

图3 作业现场粉尘粒径分布

2 喷嘴雾化特性分析

2.1 喷嘴水流量

为了直观地观察出喷嘴水流量随供水压力的变化规律，不同供水压力的水流量与供水压力关系如图4 所示。由图4 可知，在该喷嘴出口直径及结构一定的情况下，喷嘴的水流量随着供水压力的增大而增大，当供水压力增大时，提高了液体的湍流强度及液体流速，有利于增大喷嘴出水流量。而且供水压力为0.5～1.0 MPa 时，水流量变化较大；而供水压力为1.0～1.5 MPa 时，水流量变化最小；为1.5～2.0 MPa 时，水流量变化最小。

图4 喷嘴水流量与供水压力关系

2.2 喷嘴雾化角

雾化角是指通过高压泵将喷射液加压至一定压力值，从而使液体从喷嘴喷出而形成近似圆锥形的雾场，雾化角大小是评价雾化质量的参数之一。本研究中喷雾雾化角测量采用德国高速摄像仪分别间隔3 s 对其进行拍照，为了保证测量结果真实可用，在同一个供水压力下，拍摄3 张样本照片，然后用专业图像处理分析软件Image-Pro Plus 6.0得到喷嘴雾化角，并取3 个雾化角中的平均值。试验测得不同供水压力的喷嘴雾化角，为了展示不同压力的实测雾化角照片，供水压力P为0.5～2.0 MPa 时的雾化角照片如图5 所示。喷嘴效果图表明喷雾为实心圆锥形放射状喷射，雾化角较大。

图5 喷嘴雾化角示意

为了更直观地观察出喷嘴雾化角随喷嘴直径和供水压力的变化规律，绘制出不同供水压力的雾化角图如图6 所示。由图6 可知，喷嘴的雾化角随着供水压力的增大而增大，当供水压力增大时，喷嘴流量不断增大，提高了液体的湍流强度，有利于增大喷嘴出口雾化角。当供水压力从0.5 MPa 增长至1.0 MPa 时，雾化角变化较为明显，增幅为3.7°；当供水压力在1.0～2.0 MPa 之间变化时，喷嘴雾化角增长较为平缓，平均增幅约为0.23°。

图6 雾化角与水压关系

2.3 喷嘴射程

喷雾是将液体在压力冲击作用下，使其破碎成微细液滴并散布于空气中的过程，其作用范围如图7 所示。根据压力喷嘴雾场特性，可将水平喷射雾流分为扩散段S1、直射段S2和衰减段S3。从图7中可以看出，喷嘴出口附近区域雾滴浓度高且雾滴变化剧烈，衰减段内雾流形状不规则，雾滴分布受重力影响严重。

图7 水平喷射雾流

喷雾降尘过程中，喷雾射程是影响降尘效率的重要因素，喷雾射程越大，作用范围更广，增加了粉尘与雾滴的碰撞接触概率，更有利于提高降尘效率。根据试验方案，开展喷嘴雾化特性试验，测量出喷嘴射程，图8 为喷嘴射程试验结果。由图8 可知，喷嘴射程随供水压力的增大表现出逐渐增大的趋势，其增长幅度逐渐减小。随着进水压力的增大，喷嘴内部流速也不断增加，且于喷嘴内部及出口横截面积不变，水流量也会持续增大，使喷嘴射程不断增加。

图8 喷嘴射程与水压关系

2.4 喷嘴雾滴粒径

本次试验采用的测量仪器为马尔文激光粒度衍射分析仪，根据试验方案，设置水压为0.5～2.0 MPa，测出4 个水压下喷雾雾滴粒径参数，图9 为雾滴粒径分布实测结果。从图9 可知，随着供水压力提高，粒径较大的雾滴在逐渐减小，表明供水压力增大促进了喷雾的雾化效果。当供水压力P为0.5 MPa 时，大多数雾滴的粒径均在1000 μm 左右。利用粒径分析仪的统计功能可知，此时D[90]=716.5 μm，表明该压力下有90%以上的雾滴粒径在716.5 μm 以上。随着供水压力P逐渐增大，其粒径分布变化较大。当供水压力P为1.0 MPa 时，其D[90]和D[50]分别为701.6 μm 和634.4 μm；当供水压力继续增大到1.5 MPa 时，其D[50]前两种工况下降约6 倍，具体数值为107.1 μm，该工况下的雾化效果大大提高；当供水压力P为2.0 MPa 时，可知其D[50]=108.8 μm，此时粒径和雾化效果几乎没有变化。

图9 不同供水压力下的雾滴粒径分布

雾滴粒径是评价雾化质量的重要指标，由于破碎后的液滴形状大小并不均一，一般采用雾滴整体的平均直径表示喷雾雾滴粒径大小。目前，有多种液滴平均粒径的计算方法，常用的是质量中间直径（D50）和索太尔平均直径（D[32]），本文采用D[32]作为雾滴细度的评价指标。图9 表明，在供水压力逐渐增大的情况下，雾滴粒径D[32]在不断减小。其中，在供水压力在0.5～1.5 MPa 变化时，雾滴减小幅度最大，此时供水压力对雾滴粒径的影响显著；随着供水压力继续增大，雾滴粒径减小的幅度在降低，表明此时供水压力不是影响雾滴粒径大小的主要因素，而是喷嘴的本身结构限制了雾滴粒径减小。

2.5 喷嘴降尘效率

通过改变喷嘴的供水压力，研究其对喷嘴降尘效率的影响，试验结果见表1。从表1 中可以发现，由于巷道入口的发尘量和巷道内风速不变，不同供水压力下喷雾段前粉尘浓度较为稳定，且所采集粉尘样本中呼尘量约占全尘的23%左右。喷嘴降尘效率随供水压力增加呈现出逐渐增大的趋势，这是因为供水压力增加会导致喷嘴雾化特性发生改变：水流量增大使得喷雾浓度高，有利于提高粉尘与雾滴的碰撞概率，增加了粉尘的湿润程度有利于粉尘的重力沉降；雾化角增大了粉尘与雾滴的碰撞概率和喷雾覆盖巷道截面的面积；喷雾射程大增加了喷雾的作用距离；雾滴粒径小更有利于粉尘与雾滴碰撞结合，促进喷嘴降尘效率增大。当供水压力为0.5～1.5 MPa 递增时，全尘降尘效率提高较大；当供水压力在1.5～2.0 MPa 之间变化时，全尘降尘效率变化并不明显，这与喷嘴雾化特性的变化规律相一致。呼尘的降尘效率变化与全尘大致相同，其不同点在于当供水压力由1.5 MPa 上升到2.0 MPa 时，喷嘴的呼尘效率反而下降了2.78 个百分点。这表示从呼尘防控角度考虑，在实际应用中喷嘴的供水压力不应大于1.5 MPa。

表1 不同供水压力下测量段内粉尘浓度与喷嘴降尘效率

3 结论

本研究通过自主设计的喷雾降尘试验平台，研究了供水压力对山西潞安司马煤矿综掘工作面掘进机外喷雾喷嘴的雾化特性及其降尘效率的影响，并得出以下结论。

（1）测试喷嘴的水流量和雾化角均随着供水压力的增大而增大，且不同压力范围内水流量变化幅度不同。供水压力为0.5～1.0 MPa 时，水流量和雾化角增速较大；当供水压力逐渐增加到1.5 MPa时水流量和雾化角变化幅度逐渐放缓，继续增加供水压力，二者几乎不变。供水压力每增加0.5 MPa，水流量和雾化角最大增幅分别为7.98 L/min 和0.4°。喷嘴射程随供水压力的增大表现出逐渐增大的趋势，其增长幅度逐渐减小。供水压力增大时，喷嘴内部液体流速也不断增加，由于喷嘴内部结构及出口横截面积不变，使得喷嘴射程不断增加。

（2）随着供水压力的增大，雾滴粒径逐渐减小，雾滴粒径大小约100 μm，且一直存在较多接近1000 μm 的雾滴。在供水压力0.5～1.5 MPa 变化时，雾滴减小幅度最大，此时供水压力对雾滴粒径的影响显著；随着供水压力继续增大至2.0 MPa，雾滴粒径减小的幅度在降低，表明此时供水压力不是影响雾滴粒径大小的主要因素，而是喷嘴的本身结构限制了雾滴粒径减小。

（3）喷嘴降尘效率随供水压力增加表现出逐渐增大的规律，这与其雾化特性的变化规律相匹配。当供水压力在0.5～1.5 MPa 范围内变化时，喷嘴全尘和呼尘的降尘效率显著增加；随着供水压力继续增大至2.0 MPa，此时全尘效率几乎不变，呼尘效率降低2.78 个百分点。

（4）综合考虑喷嘴的降尘效率及矿井经济效益等因素，对于山西潞安司马煤矿综掘工作面当前采用的掘进机外喷雾喷嘴，其供水压力控制在1.5 MPa 时较为合理。此时既能最大程度降低水泵耗能，又能达到较高的降尘效率。