煤矿井下降尘喷嘴的性能实验与分析_王晓东.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0500前言职业健康是人类社会发展过程中的焦点问题，煤矿井下空间有限，严重超标的粉尘浓度，不同程度的损害着从业人员的身心健康，甚至引发尘肺病。党中央、国务院发布的“健康中国2030”规划纲要关于实施健康中国行动的意见尘肺病防治攻坚行动等一系列政策、法规明确推进“健康中国”战略。而我国是世界上尘肺危害最严重的国家之一，没有理由让尘肺病继续威胁劳动者的生命和健康。要降低井下工人尘肺病的发病几率，必须对井*山西省高等学校科技创新项目资助（2021L330）；山西省基础研究计划项目资助（202103021224277）煤矿井下降尘喷嘴的性能实验与分析*王晓东1，郝永江2，3(1.山西华阳集团新能股份有限公司，山西 阳泉045008；2.煤矿粉尘智能监测与防控山西省重点实验室，太原030024；3.太原科技大学 安全与应急管理工程学院，太原030024)摘要：为了分析煤矿井下降尘喷嘴的性能，实验室设计了喷嘴性能实验装置，该装置可同时测试喷嘴的雾化性能、耗水量和喷雾距离。通过测试得出：高流量喷嘴的喷雾距离较长，但雾化性能差且耗水量较大。可以通过改善喷嘴内部结构，合理控制开启时间，从而有效降低呼吸性粉尘；现有压力下，欠压喷嘴的喷雾粒度较大、耗水量中等、喷雾距离稍有不足。可以通过升高水压而减小喷雾粒度并增加喷雾距离，还需合理布置喷雾器的安装位置和喷雾方向，使之有效覆盖产尘源；气水雾化喷嘴的雾化粒度较小、耗水量不高、但雾群受风流影响较大。可以将水压和气压调节至最佳配比值，并适当调节风速，或者在喷嘴周围增加防风装置，使喷雾雾滴形成雾群再与高浓度粉尘相结合，从而达到有效降尘的目的。关键词：降尘喷嘴；微环境；雾化性能；耗水量；喷雾距离中图分类号：TD714文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 248 05Performance Experiment and Analysis of Dust Removal Nozzle ofUnderground Coal MineWANG Xiaodong1，HAO Yongjiang2，3(1.Shanxi Huayang Group New Energy Co.,Ltd.,Yangquan 045008，China；2.Intelligent Monitoring and Control of CoalMine Dust Key Laboratory of Shanxi Province，Taiyuan 030024,China；3.School of Safety and Emergency ManagementEngineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024,China)Abstract:In order to analyze the performance of dust removal nozzle of underground coal mine,anexperimental device for nozzle performance was designed in the laboratory,which can test the atomizationperformance,water consumption and spray distance of the nozzle.The test results show that the spraydistance of the high-flow nozzle is longer,but the atomization performance is poor and the waterconsumption is large.By improving the internal structure of the nozzle and controlling the opening timereasonably,the respirable dust can be effectively reduced.Under the current pressure,the spray size ofthe underpressure nozzle is larger,the water consumption is medium,and the spray distance is a littleshort.The spray particle size can be reduced and the spray distance can be increased by increasing thewater pressure.The installation position and spray direction of the sprayer should be also reasonablyarranged to cover the dust source effectively.The atomization particle size of gas-water atomizingnozzle is small and the water consumption is not high,but the fog group is greatly affected by air flow,which is easy to form dispersion in the working space and affect the sight line.The water pressure andair pressure can be adjusted to the optimal ratio,and the wind speed can be adjusted appropriately,orthe windproof device can be added around the nozzle,so that the spray droplets form a fog group andthen combine with the high concentration of dust,so as to achieve the purpose of effective dust reduction.Key words:dust reduction nozzle；microenvironment；atomization performance；water consumption；spray distance248第42卷第03期Vol.42 No.03煤矿井下降尘喷嘴的性能实验与分析王晓东，等下各产尘点进行有效降尘，目前，井下最常用的方法为喷雾降尘。近年来，随着科技的发展，喷雾降尘技术、系统及装备更加具有针对性和多样性，而作为喷雾的主要执行元件即喷嘴，其性能决定了喷雾降尘的效率高低。大多数学者都从喷嘴的雾化效果研究喷嘴的性能，程卫民等利用Winner313激光粒度分析仪和喷嘴雾化测试系统，从理论、实验和现场3个方面研究了喷嘴喷雾压力与雾化粒度的关系，王鹏飞等研究了内混式空气雾化喷嘴的雾化特性及喷嘴直径对降尘效率的影响，苗懂艳、高贵军等研究了喷嘴结构对雾化性能的影响，许满贵等通过数值模拟的方法研究了矿井除尘喷嘴的雾化特性，以上研究都从喷嘴的雾化效果入手研究其性能，而在现场实际中，衡量喷嘴的性能时还应考虑耗水量和喷雾距离这2个重要因素，因为耗水量过大会对工作环境造成二次污染，同时也会影响煤的发热量及煤质，而喷雾距离较小时雾群无法到达主要产尘位置，使降尘效果大打折扣，另外，还需结合喷雾地点的产尘情况及微环境进行综合分析。因此，本文以某矿3215综采工作面为研究对象，在各喷雾地点收集降尘喷嘴，结合现场产尘特性及微环境综合分析现有喷嘴的性能，从而提出针对性的降尘措施。1降尘喷嘴的收集在某矿3215综采工作面收集降尘喷嘴，根据产尘点及微环境的不同，依次在进风巷、采煤工作面和回风巷收集喷嘴。进风和回风巷内主要采用净化水幕降尘，距工作面3050 m内安设2道净化水幕，自巷道口以里10 m起每隔300 m安设1道净化水幕；采煤工作面主要依赖采煤机外喷雾降尘，另外在转载点处安设全封闭式防尘罩，并安装转载喷雾，位置在机头上方0.3 m处，分别在这4个地点收集喷嘴并带回实验室进行实验。2实验装置及测试方法2.1实验装置本实验采用太原科技大学煤矿粉尘智能监测与防控山西省重点实验室设计的喷嘴性能实验装置，如图1所示。该装置由雾化实验箱、喷雾系统、喷雾粒度分析系统、通风系统4部分组成，雾化实验箱由有机玻璃组装而成，便于测定喷雾粒度并观察喷雾实时状况，顶部设有一个喷嘴进口，便于安装实验喷嘴；喷雾系统包括加压、调压设备，流量计和管件，加压、调压设备可分别调节水压和气压至预设压力，流量计可以测定喷嘴的耗水量和耗气量，管件包括水管和气管，终端有旋转头，便于改变喷雾角度和方向；喷雾粒度分析系统包括OMEC DP-02激光粒度分析仪和数据采集系统，可以直接得到喷雾雾滴的粒度分布；通风系统包括通风机和整流装置，用于调节实验箱内部的风速，以模拟井下通风状况及微环境。图1喷嘴性能实验装置示意图1.雾化实验箱2.喷嘴3.喷嘴进口4.加压设备5.流量计6.调压设备7.整流装置8.DP-02激光粒度分析仪2.2实验喷嘴分类现场收集的喷嘴种类和个数较多，为了便于实验，先将喷嘴进行分类，通过基础测试和观察，将现有降尘喷嘴分为3类：第1类为高流量喷嘴，此类喷嘴明显流量较大，主要用于进回风巷水幕，包括1#、3#、6#、12#、14#、15#喷嘴；第2类为欠压喷嘴，此类喷嘴在水压较低时，喷雾粒度较大，而压力升高到一定值时，雾化效果尚可，主要用于采煤机外喷雾、转载点喷雾，包括2#、4#、5#、7#、8#、10#、11#、13#喷嘴；第3类为气水雾化喷嘴，此类喷嘴为双流体喷嘴，也用于进回风巷水幕中，包括9#、16#、17#喷嘴。喷嘴分类完成后，开始实验。2.3测试方法实验时先安装好测试喷嘴，打开通风机调节好风速，调节加压、调压设备至预设的水压和气压（单流体实验只调节水压），将喷雾粒度分析系统调试至最佳状态，然后开始实验。流量计可以显示喷嘴的耗水量，通过喷雾粒度分析系统可以得到喷嘴雾化的粒度分布，利用卷尺测量喷嘴的喷雾距离。DP-02激光粒度分析仪可以测出粒度分布及曲线，还可得到D10，D50，D90，D3，2，D4，3。由于喷雾形成的雾场中，雾滴的粒度大小不一，所以常用D50和D3，2来衡量雾滴的雾化性能，本实验中主要采用D50作为描述喷嘴雾化粒径的指标参数。3测试结果及分析3.1高流量喷嘴（1）雾滴的粒径分布通过现场测试得出井下喷嘴处水压均为1 MPa左右，因此本实验水压设定为1 MPa。高流量喷嘴在实验时显见水流量较大，提高水压会大幅增加水流量，已无实际意义，所以只进行水压1 MPa时的喷雾实验。另外为了对喷嘴的雾化性能进行全面分析，12345678249分别选取距喷嘴0.5、1.0、1.5 m处测试其雾滴分布，由于篇幅所限，以6#喷嘴为例，其测试结果如图2所示，各位置D10，D50，D90，D3，2，D4，3如表1所示。（a）0.5 m处（b）1.0 m处（c）1.5 m处图2高流量喷嘴水压1 MPa下各位置粒径分布图表1水压1 MPa下各位置粒径分布由图2和表1可以看出：高流量喷嘴在喷雾的初始阶段（0.5 m处），D50，D90，D3，2，D4，3都在100 m以上，喷雾粒度较大，到1.0 m处D50为155.090 m，喷雾粒度逐渐增大；现场观测发现距喷嘴1.5 m处是进回风巷中粉尘浓度最高的地方，而此处雾滴的D50高达186.658