不同喷嘴结构对煤矿高压除尘效果的影响分析

许 洁

（山西焦煤集团投资有限公司，山西 太原 030021）

引言

煤矿开采过程中会产生大量的粉尘，特别是在长距离的巷道中，通风降尘较难实现。粉尘的存在不仅会对井下作业人员产生危害，还存在着发生爆炸的危险，严重威胁煤矿的安全。在煤矿工作面，喷雾降尘是一种新型的除尘方式，其通过向含有粉尘的空间喷射高压雾滴的方式[1]，将煤矿工作面的粉尘与雾滴凝聚，从而降低粉尘的浓度。喷雾降尘针对粒径在5 μm 以内的粉尘沉降具有较好的效果[2]，可有效降低引起尘肺病的粉尘浓度，是现在煤矿进行除尘作业常用的方法。喷嘴是喷雾除尘系统的关键零部件[3]，喷嘴结构的不同对形成的水雾的直径及粒径具有重要的影响，从而影响矿井除尘的效果。针对不同结构喷嘴的除尘效果进行实验分析，从而选择合理的喷嘴结构，提高煤矿高压除尘的效果。

1 喷嘴雾化效果测试系统的搭建

对不同喷嘴结构的雾化效果进行分析，采用模拟巷道除尘装置的实验平台进行实验。测试系统的组成如图1 所示[4]，巷道的模型由混合段、整流段、测量段、喷雾降尘段、除尘风机段及出流段等组成，对喷雾段采用透明的有机玻璃进行包覆，便于对实验过程进行观察，其他部分采用不锈钢进行包覆[5]。

图1 喷嘴雾化测试系统示意图

实验过程采用自来水为工质，喷雾系统的高压泵将自来水升高到设定压力后通过喷嘴进行喷雾，调节通风机的频率，模拟巷道内的风速，在距离喷嘴一定距离的位置处采用马尔文粒径分析仪进行雾化粒径的测量[6]。采用1 200 hs 高速摄像系统进行供水压力机风速条件的测定，并对实验喷嘴的雾化角进行测量，可以调节不同的压力机风速，更换不同的喷嘴进行实验[7]。

在煤矿进行采煤作业的过程中，采煤机进行喷雾供水的压力不得小于2 MPa，外部的供水压力不得小于4 MPa，在进行放炮作业时，外部的供水压力不得小于8 MPa。供水压力小于2.5 MPa 时属于低压喷雾[8]，当压力大于6 MPa 时，就会有较强的粉尘进入喷雾区；压力大于10 MPa 时，雾滴的速度较高，会卷吸巷道内的粉尘气体。采用高压喷雾进行除尘时，高压喷嘴的压力设定为8～12.5 MPa[9]，实验过程中对喷嘴结构的雾化效果进行分析，设定供水压力为10 MPa。

对于喷嘴的雾化效果的描述，采用雾化粒径的分布及雾化角进行描述。雾滴粒径分布用来描述雾化的均匀程度，雾化的均匀度较差时，大粒径的雾滴较多，雾滴粒径的大小与喷嘴的结构及工作条件等相关[10]。雾化锥角采用工程上常用的条件雾化角进行描述，即以喷嘴的喷口为中心，在距离喷嘴的端面一定距离处与雾化曲面交点形成夹角[11]，选取的距离与雾化的流量相关，实验过程采用条件雾化角进行分析，选取距离为40 mm。

2 不同喷嘴结构的雾化除尘效果实验分析

喷嘴对系统供水进行雾化，并以一定的扩散角将雾滴进行喷射，喷嘴的结构对其性能具有直接的影响。在煤矿的井下除尘中主要采用压力式的喷嘴，将供水压力转化为动能，形成雾化水射流。常用的喷嘴结构形式主要有切向单式离心喷嘴、螺旋式喷嘴及含旋流叶片雾化喷嘴，采用这三种形式的喷嘴作为实验喷嘴进行实验分析。

2.1 不同喷嘴结构雾化粒径的分析

对三种喷嘴结构的雾化粒径进行分析，选取1.2 mm 孔径的三种喷嘴在距离喷嘴出口500 mm 的断面上，对喷嘴形成的雾化粒径进行测量。雾化粒径的大小采用平均粒径D[3，2]、D[4，3]表示，对于特征粒径采用D10、D50、D90 进行表示[12]。对三种喷嘴的雾化粒径进行实验并记录，得到雾化粒径的大小如图2所示。

从图2 中可以看出，在相同的压力条件下，三种不同的喷嘴结构对喷雾粒径的描述中，雾化粒径的大小整体分布相差不大，在三种结构的喷嘴中，平均粒径的大小以含旋流叶片雾化喷嘴的较大，切向单式离心喷嘴的平均粒径较小。

图2 相同压力不同喷嘴结构雾化粒径的变化

喷嘴进行喷雾的压力与流量之间具有相关的关系，进一步对相同流量下喷嘴的雾化效果进行分析，设定喷雾的流量在0.6 m3/h，对喷嘴雾滴的粒径进行分析，得到三种喷嘴结构粒径分布的变化如图3所示。

图3 相同流量不同喷嘴结构雾化粒径的变化

从图3 中可以看出，在相同流量的条件下，三种不同的喷嘴结构中，切向单式离心喷嘴形成的雾化颗粒较小，相对其他两种形式的喷嘴，在平均粒径及特征粒径上均有一定的差值；而其他两种形式的喷嘴在雾化颗粒的粒径上相差不大，均大于切向单式离心喷嘴形成的雾化颗粒。

2.2 不同喷嘴结构雾化角的分析

对三种喷嘴结构的雾化角进行分析，选取1.2 mm 孔径的三种喷嘴在不同的供水压力下形成的雾化角进行测量。对三种喷嘴的雾化角进行实验并记录，得到雾化角的大小如图4 所示。

从图4 中可以看出，三种喷嘴结构形成雾化角中，以切向单式离心喷嘴的雾化角最大，其次为螺旋式喷嘴，含旋流叶片雾化喷嘴的雾化角最小。在进行高压喷雾的过程中，随着供水压力的增加，喷嘴形成的雾化角逐渐减小，三种喷嘴结构雾化角的变化趋势一致，其中含旋流叶片雾化喷嘴变化的幅度最大，供水压力由2 MPa 增加至10 MPa 的过程中，含旋流叶片雾化喷嘴形成的雾化角下降34.2%，螺旋式喷嘴下降22.2%，切向单式离心喷嘴下降17.4%。随着供水压力的增加，喷嘴喷出雾滴的速度增加，形成的卷吸空气的动量增大，在雾流的重心位置形成一定的负压，使得雾化颗粒的受到负压的作用向内收缩，从而造成雾化角的缩小。

图4 不同压力下喷嘴结构雾化角的变化

3 结语

煤矿开采过程中形成的粉尘会对煤矿的安全造成严重的威胁，且对作业人员的健康造成一定的影响。采用高压喷雾的形式除尘是煤矿除尘作业中常用的方法。喷嘴作为高压喷雾系统的关键零部件，其结构形式的不同对喷雾除尘的效果具有直接的影响。针对切向单式离心喷嘴、螺旋式喷嘴及含旋流叶片雾化喷嘴三种结构形式的喷嘴，搭建了喷雾效果的测试系统，对其雾化粒径及雾化角进行实验分析。结果表明，在相同的压力及相同的流量条件下形成的雾化粒径中，以切向单式离心喷嘴的平均粒径及特征粒径最小；在三种结构的喷嘴中，切向单式离心喷嘴形成的雾化角最大，随着供水压力的增加，雾化角的下降值最大为34.2%。对煤矿进行喷雾除尘的过程中，切向单式离心喷嘴结构的除尘效果更好，有利于降低矿井的粉尘度，提高煤矿的安全性。