薛文濤，侯茂森，霍中剛，凡永鵬，郝晉偉，楊偉東，宋 鑫，涂 琦

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

帶式輸送機(jī)作為現(xiàn)代化煤礦的重要運(yùn)輸工具，極大的解決了礦井煤炭運(yùn)送問題。由于帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點位置存在下落高度，煤體下落過程中附著在上面的粉塵在空氣阻力和風(fēng)流的作用下懸浮在空氣中，從而造成轉(zhuǎn)載點附近的粉塵濃度大大提高[1]。相關(guān)科研單位曾對選煤廠帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點位置附近的粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行測試，結(jié)果表明其最高粉塵濃度可達(dá)2 260 mg/m3，可呼吸性粉塵濃度也遠(yuǎn)超國家標(biāo)準(zhǔn)22 mg/m3[2]。如何有效降低帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點粉塵濃度已經(jīng)成為解決煤礦安全生產(chǎn)和維護(hù)礦工生命健康的一項關(guān)鍵問題。噴霧降塵作為主要的防塵措施之一，被廣泛運(yùn)用于各類具有防塵需求的場合中，但傳統(tǒng)的壓力型噴霧方式存在水壓要求高、耗水量大、對呼吸性粉塵捕集效果較差等不足[3-6]。氣水噴霧作為一種新型噴霧方式，具有霧化效果好、耗水量少、對水壓要求較低且降塵效率高等優(yōu)點。國內(nèi)外學(xué)者針對氣水噴霧降塵進(jìn)行了大量理論和試驗研究。Dariusz Prostanski[7]測試了氣水噴霧在礦山掘進(jìn)中的降塵效果，結(jié)果表明使用氣水噴霧系統(tǒng)后降塵效率較使用前提高了約80%；Raj Mohan B[8]對氣水噴霧系統(tǒng)在洗滌塔內(nèi)的降塵效果進(jìn)行了理論和試驗研究；吉曉莉等[9]、艾吉文等[10]對氣水噴霧噴嘴的霧化特性進(jìn)行了理論和數(shù)值模擬研究；蔣仲安等[11]對自行開發(fā)的氣水噴霧降塵系統(tǒng)的噴霧霧化特征和降塵效果進(jìn)行了試驗研究；王鵬飛等[12-14]研究了供水壓力、供氣壓力對氣水噴霧噴嘴流量、霧化特性參數(shù)、降塵效率的影響?；谏鲜鲅芯砍晒?，利用模擬轉(zhuǎn)載點試驗平臺系統(tǒng)進(jìn)行了一系列氣水噴霧降塵試驗，探究了噴嘴相關(guān)參數(shù)以及噴嘴布置位置對降塵效果的影響，并通過現(xiàn)場應(yīng)用驗證了選取參數(shù)的可靠性與適用性。

1 試驗平臺

為模擬轉(zhuǎn)載點工況，搭建了試驗平臺，模擬轉(zhuǎn)載點試驗平臺如圖1。平臺設(shè)計最大給料量8 t/h，最小給料量2.5 t/h，帶式輸送機(jī)長2.4 m，帶面寬0.4 m，距離地面高度為0.35 m，最快運(yùn)行速度為0.79 m/s，最慢運(yùn)行速度為0.31 m/s。

圖1 模擬轉(zhuǎn)載點試驗平臺Fig.1 Experimental platform of simulated transfer point

給料器包括儲煤斗和電磁振動器2 部分，可通過調(diào)節(jié)電流使煤料連續(xù)均勻下落。由于儲煤斗距輸送帶較高，塊狀煤直接跌落到運(yùn)行的帶式輸送機(jī)的輸送帶上，會對輸送帶造成一定損傷并向周圍飛濺，因此在儲煤斗和帶式輸送機(jī)之間安裝1 段導(dǎo)料槽起緩沖作用。距給料機(jī)近的一端稱為輸送帶頭，較遠(yuǎn)的一端稱為輸送帶尾，在輸送帶尾部有1 個收料箱，方便回接落煤，收料箱尺寸為1.1 m×0.9 m×0.4 m。

風(fēng)洞相似模擬實驗結(jié)果[15]表明：風(fēng)流風(fēng)速對帶式輸送機(jī)周圍的粉塵濃度分布有較大影響，為避免風(fēng)速對試驗結(jié)果分析造成較大影響，設(shè)計室內(nèi)風(fēng)速為自然通風(fēng)條件下的風(fēng)速，使用熱球式風(fēng)速儀測定試驗過程中室內(nèi)風(fēng)速為0.2 m/s。

煤料均取自煤礦井下采掘工作面，試驗前將粗煤料篩分去煤渣煤矸后混合形成粒度相對比較均勻的煤料作為試驗材料。此外還對煤料進(jìn)行晾曬干燥，使煤料具有一定的產(chǎn)塵能力，以滿足試驗需求。

2 轉(zhuǎn)載區(qū)域粉塵分布規(guī)律試驗

首先模擬不使用氣水噴霧條件下轉(zhuǎn)載區(qū)域的工作情況，從而研究轉(zhuǎn)載區(qū)域粉塵分布規(guī)律。沿輸送帶均勻布置6 個測點，測點距地面0.5 m，測點布置示意圖如圖2，測點編號和實際位置對照表見表1。

圖2 測點布置示意圖Fig.2 Measuring points distribution

表1 測點編號和實際位置對照表Table 1 Corresponding table of test point number and actual position

沿輸送帶布置6 臺CCD-500FB 防爆測塵儀測定全塵和呼吸性粉塵濃度，自給料器向帶式輸送機(jī)給煤料開始記錄數(shù)據(jù)，設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔為1 s，至煤料全部落入收料箱停止記錄。為保證試驗效果，設(shè)定給料器給料速度為8 t/h，帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度為0.31 m/s。

各測點粉塵測定結(jié)果如圖3。試驗結(jié)果表明：轉(zhuǎn)載區(qū)域?qū)Я喜鄢隹谇胺剑y點2）粉塵濃度最大，導(dǎo)料槽出口后方（測點1）粉塵濃度小于出口前方濃度，沿帶式輸送機(jī)運(yùn)行方向粉塵濃度逐漸下降，在收料箱上方處（測點6）粉塵濃度再次上升，試驗測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果[16]類似。根據(jù)轉(zhuǎn)載點粉塵產(chǎn)生機(jī)理[17]，煤體在下落過程會產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流，跌落至剛性平面時產(chǎn)生剪切氣流，在2 種氣流的作用下附著在煤體上的粉塵大量逸散到空氣中，因此導(dǎo)料槽出口附近和收料箱上方的粉塵濃度較大。

圖3 各測點粉塵測定結(jié)果Fig.3 Determination results at each measuring point

不同測點PM5粉塵占全塵比例如圖4。由圖4 可知，粒徑5 μm 以下的呼吸性粉塵占全塵比例的變化趨勢與粉塵濃度的變化趨勢一致，同樣呈“S”狀，其中導(dǎo)料槽口和收料箱上方PM5粉塵占全塵的比例最高，約為70%，而其余測點測得呼吸性粉塵比例也超過了50%，試驗結(jié)果與井下實際測定結(jié)果[18]接近。試驗結(jié)果表明轉(zhuǎn)載區(qū)域PM5粉塵比例較大，當(dāng)粉塵粒徑小于5 μm 后，很難依靠粉塵自身的重力沉降降塵，需要采取有效措施對粉塵進(jìn)行防治。

圖4 不同測點PM5 粉塵占全塵比例Fig.4 Proportion of respirable dust in total dust at different measuring points

不同測點粉塵濃度隨時間的變化如圖5。測點2處的粉塵濃度隨著煤料下落到帶式輸送機(jī)輸送帶上迅速增大至峰值，隨后逐漸下降并趨于穩(wěn)定；處于輸送帶中部位置的測點4 處的粉塵濃度隨帶式輸送機(jī)運(yùn)行經(jīng)過1 個先增大后緩慢下降的過程；測點6 處的粉塵濃度逐漸增大并在煤料下落至收料箱后迅速增大。試驗過程中觀察發(fā)現(xiàn)煤料從導(dǎo)料槽下落至帶式輸送機(jī)輸送帶上后，導(dǎo)料槽出口處迅速產(chǎn)生大量粉塵并逐漸擴(kuò)散至整個輸送帶面，煤料下落至收料箱時又有新的粉塵產(chǎn)生。結(jié)合3 個測點的粉塵濃度變化過程，分析認(rèn)為雖然在帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中氣流受輸送機(jī)牽引作用也會導(dǎo)致部分粉塵逸出，但主要產(chǎn)塵原因還是由于煤料從高處下落造成的。為此，將導(dǎo)料槽出口前方命名為塵源點1，收料箱上方的輸送帶尾部命名為為塵源點2。

圖5 不同測點粉塵濃度隨時間的變化Fig.5 Variation of dust mass concentration with time of different measuring points

3 噴霧降塵效率試驗

3.1 氣水噴霧參數(shù)

進(jìn)行氣水噴霧降塵試驗前首先對氣水噴霧的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行選擇，包括氣壓、流量、噴嘴類型、噴嘴孔徑等，學(xué)者們已經(jīng)進(jìn)行了大量相關(guān)理論和試驗研究探討這些參數(shù)對于降塵效果的影響，因此重點討論噴嘴位置對降塵效果的影響，不再對噴霧參數(shù)進(jìn)行細(xì)致研究，僅根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)以及相關(guān)試驗選擇合適的噴霧參數(shù)。

水滴顆粒對粉塵顆粒捕集效率η 計算公式[19]：

式中：σ 為粉塵與顆粒接觸系數(shù)；y 為塵粒距霧滴顆粒距離；D 為霧滴直徑。

無噴霧試驗測得轉(zhuǎn)載區(qū)域PM5顆粒濃度占全塵濃度約為70%，根據(jù)式（1）計算噴霧水滴的顆粒直徑在15～35 μm 時降塵效率最高。氣水噴霧噴嘴結(jié)構(gòu)對噴霧粒徑有較大影響，常見的噴嘴結(jié)構(gòu)與對應(yīng)霧滴粒徑見表2[20]。由表2 可知噴嘴類型選擇可調(diào)廣角型較為合適，為避免噴嘴被粉塵阻塞，噴嘴口徑選擇1.5 mm，氣水噴霧噴嘴實物如圖6。

圖6 氣水噴霧噴嘴實物Fig.6 Physical images of nozzle for air-water spray

表2 常見噴嘴結(jié)構(gòu)與對應(yīng)霧滴粒徑Table 2 Types of nozzle structure and corresponding droplet size

結(jié)果表明，氣水噴霧霧滴粒徑隨氣壓增大而減小，增大氣壓雖然能夠增大霧滴破碎程度，但粒徑過小時霧滴在空氣中容易蒸發(fā)。保持供水壓力不變，進(jìn)行試驗測定水壓為0.55 MPa 時不同氣壓的噴霧降塵效率，從而確定合適的供氣壓力，不同氣壓噴霧降塵效率如圖7。由圖7 可知，氣壓過大時雖然會提高對PM5顆粒的降塵率，但全塵顆粒的降塵率反而下降，當(dāng)噴霧氣壓為0.6 MPa 時全塵顆粒和PM5的降塵效率均達(dá)到94%，因此選擇供氣壓力為0.6 MPa。

圖7 不同氣壓噴霧降塵效率Fig.7 Dust removal efficiency of spray under different pressure conditions

文獻(xiàn)［13］指出為保證降塵效率，應(yīng)選擇接近且略高于供氣壓力的供水壓力，試驗水壓滿足這一要求。除氣壓水壓外，供水流量對降塵效率也有影響，供水流量過小導(dǎo)致單位空間中霧滴數(shù)量不足，進(jìn)而影響降塵效率，供水流量過大則會影響正常生產(chǎn)工作。通過旋轉(zhuǎn)噴嘴液體帽調(diào)節(jié)供水流量，進(jìn)行不同供水流量條件下噴霧降塵效果測試試驗，不同供水流量條件下降塵效率見表3。根據(jù)測試結(jié)果，供水流量達(dá)到0.25 L/min 后降塵效率上升已不再明顯，因此選擇供水流量為0.25 L/min。

表3 不同供水流量條件下降塵效率Table 3 Dust reduction efficiency under different water supply flow conditions

選擇噴嘴孔徑為1.5 mm 的可調(diào)廣角型噴嘴，供氣壓力0.6 MPa，供水壓力0.55 MPa，供水流量0.25 L/min，測得該條件下最大噴霧距離約為1.6 m，利用圖像法對噴嘴產(chǎn)生的霧化角進(jìn)行測定，約為65°。

3.2 噴嘴布置位置對噴霧效率影響

將噴嘴布置在輸送帶上方不同位置，測定各測塵點處的粉塵濃度并計算噴霧降塵效率，噴嘴距地面高度1.0 m。降塵效率與噴嘴沿輸送帶安裝位置關(guān)系如圖8。

圖8 降塵效率與噴嘴沿輸送帶安裝位置關(guān)系Fig.8 The relationship between dust removal efficiency and nozzle installation position along the conveyer

由圖8 可知，當(dāng)噴嘴位于測點2 上方時，所有測點測得的降塵效率都能達(dá)到70%以上，當(dāng)噴嘴布置在其余測點上方時，雖然對應(yīng)測點位置降塵效率能夠達(dá)到90%以上，但遠(yuǎn)離噴霧覆蓋范圍的降塵效率大幅下降，即粉塵濃度并沒有明顯下降。分析認(rèn)為測點2 作為主要塵源點，當(dāng)噴嘴位于測點2 上方時，在煤料掉落至輸送帶產(chǎn)生粉塵后就能夠捕集大多數(shù)粉塵，避免了粉塵向空間中進(jìn)一步擴(kuò)散，因此應(yīng)該將噴嘴布置在主要產(chǎn)塵點上方。

降塵效率還與噴嘴安裝高度有關(guān)，噴嘴距離輸送帶帶面高度過低時，噴霧的有效作用范圍主要集中在出口處，在這個范圍內(nèi)液滴顆粒較大，不能有效捕集呼吸性粉塵，因此降塵效果并不是很好；噴嘴安裝過高，噴霧有效作用范圍在噴霧末端，霧滴顆粒太小，不能有效捕集粉塵，降塵效果也會降低。因此進(jìn)行試驗探究合適的噴嘴安裝高度，降塵效率與噴嘴距離地面高度的關(guān)系如圖9。根據(jù)試驗結(jié)果，當(dāng)噴嘴距離地面約1.2 m 時降塵效率最高，因此選擇安裝噴嘴距輸送帶帶面高為0.85 m。

圖9 降塵效率與噴嘴距離地面高度的關(guān)系Fig.9 The relationship between dust removal efficiency and the height of nozzle from ground

4 現(xiàn)場應(yīng)用

以某礦綜采工作面轉(zhuǎn)載機(jī)頭與進(jìn)風(fēng)巷帶式輸送機(jī)之間的轉(zhuǎn)載點作為測試點。自轉(zhuǎn)載點起沿輸送機(jī)運(yùn)動方向每隔20 m 布置1 臺CCD-1000FB 防爆測塵儀，共布置6 臺測塵儀。不采用降塵手段時測得全塵顆粒濃度范圍在290～540 mg/m3之間，PM5顆粒濃度在190～310 mg/m3之間，呼吸性粉塵占比最高可達(dá)60%。

試驗前將噴嘴水流量調(diào)至0.25 L/min，試驗時在距輸送帶帶面上方0.85 m 處布置氣水噴霧噴頭，為能夠完全覆蓋輸送帶面寬度，沿輸送帶寬方向布置2 個噴嘴。從進(jìn)風(fēng)巷中的壓風(fēng)管和進(jìn)水管引出管路，管路與噴嘴兩端的進(jìn)氣口和進(jìn)水口連接，通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)供氣壓力和供水壓分別為0.6、0.55 MPa。使用氣水噴霧降塵后，測得全塵濃度在26～44 mg/m3之間，PM5顆粒濃度在14～18 mg/m3之間，降塵效率可達(dá)90%以上，降塵效果明顯。

5 結(jié) 語

1）試驗結(jié)果表明，不受風(fēng)流風(fēng)速影響時轉(zhuǎn)載區(qū)域全塵和呼吸性粉塵的濃度變化趨勢基本一致，主要塵源點為煤料下落位置，在塵源點處呼吸性粉塵占比可達(dá)70%，隨著粉塵擴(kuò)散產(chǎn)塵點粉塵濃度有所下降，其余位置的粉塵濃度則開始上升。

2）計算結(jié)果表明，霧滴直徑在15～35 μm 時能夠有效降低轉(zhuǎn)載點呼吸性粉塵。選擇噴嘴口徑1.5 mm 的可調(diào)廣角氣水噴嘴，試驗結(jié)果表明當(dāng)供水壓力為0.55 MPa、供氣壓力壓力為0.6 MPa、供水流量為0.25 L/min 時噴霧降塵效果較好。噴嘴布置位置試驗結(jié)果表明將噴嘴布置在距塵源點上方0.85 m處時降塵效果最好。

3）綜采工作面轉(zhuǎn)載點現(xiàn)場粉塵測試試驗表明，全塵和呼吸性粉塵濃度均明顯降低，基于試驗設(shè)計的氣水噴霧降塵系統(tǒng)對于帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點降塵有很好的適用性。