帶式輸送機轉載點氣水噴霧降塵效果試驗研究

薛文濤，侯茂森，霍中剛，凡永鵬，郝晉偉，楊偉東，宋 鑫，涂 琦

（1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 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）有限責任公司，山西 太原 030053）

帶式輸送機作為現代化煤礦的重要運輸工具，極大的解決了礦井煤炭運送問題。由于帶式輸送機轉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流的作用下懸浮在空氣中，從而造成轉載點附近的粉塵濃度大大提高[1]。相關科研單位曾對選煤廠帶式輸送機轉載點位置附近的粉塵質量濃度進行測試，結果表明其最高粉塵濃度可達2 260 mg/m3，可呼吸性粉塵濃度也遠超國家標準22 mg/m3[2]。如何有效降低帶式輸送機轉載點粉塵濃度已經成為解決煤礦安全生產和維護礦工生命健康的一項關鍵問題。噴霧降塵作為主要的防塵措施之一，被廣泛運用于各類具有防塵需求的場合中，但傳統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點。國內外學者針對氣水噴霧降塵進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中的降塵效果，結果表明使用氣水噴霧系統后降塵效率較使用前提高了約80%；Raj Mohan B[8]對氣水噴霧系統在洗滌塔內的降塵效果進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行了理論和數值模擬研究；蔣仲安等[11]對自行開發的氣水噴霧降塵系統的噴霧霧化特征和降塵效果進行了試驗研究；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、降塵效率的影響?；谏鲜鲅芯砍晒?，利用模擬轉載點試驗平臺系統進行了一系列氣水噴霧降塵試驗，探究了噴嘴相關參數以及噴嘴布置位置對降塵效果的影響，并通過現場應用驗證了選取參數的可靠性與適用性。

1 試驗平臺

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

圖1 模擬轉載點試驗平臺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，可通過調節電流使煤料連續均勻下落。由于儲煤斗距輸送帶較高，塊狀煤直接跌落到運行的帶式輸送機的輸送帶上，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之間安裝1 段導料槽起緩沖作用。距給料機近的一端稱為輸送帶頭，較遠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。

風洞相似模擬實驗結果[15]表明：風流風速對帶式輸送機周圍的粉塵濃度分布有較大影響，為避免風速對試驗結果分析造成較大影響，設計室內風速為自然通風條件下的風速，使用熱球式風速儀測定試驗過程中室內風速為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。此外還對煤料進行晾曬干燥，使煤料具有一定的產塵能力，以滿足試驗需求。

2 轉載區域粉塵分布規律試驗

首先模擬不使用氣水噴霧條件下轉載區域的工作情況，從而研究轉載區域粉塵分布規律。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給煤料開始記錄數據，設置數據采集間隔為1 s，至煤料全部落入收料箱停止記錄。為保證試驗效果，設定給料器給料速度為8 t/h，帶式輸送機運行速度為0.31 m/s。

各測點粉塵測定結果如圖3。試驗結果表明：轉載區域導料槽出口前方（測點2）粉塵濃度最大，導料槽出口后方（測點1）粉塵濃度小于出口前方濃度，沿帶式輸送機運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，試驗測試結果與數值模擬結果[16]類似。根據轉載點粉塵產生機理[17]，煤體在下落過程會產生誘導氣流，跌落至剛性平面時產生剪切氣流，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%，試驗結果與井下實際測定結果[18]接近。試驗結果表明轉載區域PM5粉塵比例較大，當粉塵粒徑小于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輸送帶上迅速增大至峰值，隨后逐漸下降并趨于穩定；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運行經過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。試驗過程中觀察發現煤料從導料槽下落至帶式輸送機輸送帶上后，導料槽出口處迅速產生大量粉塵并逐漸擴散至整個輸送帶面，煤料下落至收料箱時又有新的粉塵產生。結合3 個測點的粉塵濃度變化過程，分析認為雖然在帶式輸送機運行過程中氣流受輸送機牽引作用也會導致部分粉塵逸出，但主要產塵原因還是由于煤料從高處下落造成的。為此，將導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

進行氣水噴霧降塵試驗前首先對氣水噴霧的相關參數進行選擇，包括氣壓、流量、噴嘴類型、噴嘴孔徑等，學者們已經進行了大量相關理論和試驗研究探討這些參數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，不再對噴霧參數進行細致研究，僅根據相關文獻以及相關試驗選擇合適的噴霧參數。

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；y 為塵粒距霧滴顆粒距離；D 為霧滴直徑。

無噴霧試驗測得轉載區域PM5顆粒濃度占全塵濃度約為70%，根據式（1）計算噴霧水滴的顆粒直徑在15～35 μm 時降塵效率最高。氣水噴霧噴嘴結構對噴霧粒徑有較大影響，常見的噴嘴結構與對應霧滴粒徑見表2[20]。由表2 可知噴嘴類型選擇可調廣角型較為合適，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 常見噴嘴結構與對應霧滴粒徑Table 2 Types of nozzle structure and corresponding droplet size

結果表明，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。保持供水壓力不變，進行試驗測定水壓為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，當噴霧氣壓為0.6 MPa 時全塵顆粒和PM5的降塵效率均達到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［13］指出為保證降塵效率，應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，供水流量過小導致單位空間中霧滴數量不足，進而影響降塵效率，供水流量過大則會影響正常生產工作。通過旋轉噴嘴液體帽調節供水流量，進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。根據測試結果，供水流量達到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生的霧化角進行測定，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系如圖8。

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

由圖8 可知，當噴嘴位于測點2 上方時，所有測點測得的降塵效率都能達到70%以上，當噴嘴布置在其余測點上方時，雖然對應測點位置降塵效率能夠達到90%以上，但遠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。分析認為測點2 作為主要塵源點，當噴嘴位于測點2 上方時，在煤料掉落至輸送帶產生粉塵后就能夠捕集大多數粉塵，避免了粉塵向空間中進一步擴散，因此應該將噴嘴布置在主要產塵點上方。

降塵效率還與噴嘴安裝高度有關，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系如圖9。根據試驗結果，當噴嘴距離地面約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系Fig.9 The relationship between dust removal efficiency and the height of nozzle from ground

4 現場應用

以某礦綜采工作面轉載機頭與進風巷帶式輸送機之間的轉載點作為測試點。自轉載點起沿輸送機運動方向每隔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60%。

試驗前將噴嘴水流量調至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。從進風巷中的壓風管和進水管引出管路，管路與噴嘴兩端的進氣口和進水口連接，通過調壓閥調節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90%以上，降塵效果明顯。

5 結 語

1）試驗結果表明，不受風流風速影響時轉載區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70%，隨著粉塵擴散產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）計算結果表明，霧滴直徑在15～35 μm 時能夠有效降低轉載點呼吸性粉塵。選擇噴嘴口徑1.5 mm 的可調廣角氣水噴嘴，試驗結果表明當供水壓力為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）綜采工作面轉載點現場粉塵測試試驗表明，全塵和呼吸性粉塵濃度均明顯降低，基于試驗設計的氣水噴霧降塵系統對于帶式輸送機轉載點降塵有很好的適用性。