带式输送机转载点气水喷雾降尘效果试验研究

薛文涛，侯茂森，霍中刚，凡永鹏，郝晋伟，杨伟东，宋 鑫，涂 琦

（1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.西山煤电（集团）有限责任公司，山西 太原 030053）

带式输送机作为现代化煤矿的重要运输工具，极大的解决了矿井煤炭运送问题。由于带式输送机转载点位置存在下落高度，煤体下落过程中附着在上面的粉尘在空气阻力和风流的作用下悬浮在空气中，从而造成转载点附近的粉尘浓度大大提高[1]。相关科研单位曾对选煤厂带式输送机转载点位置附近的粉尘质量浓度进行测试，结果表明其最高粉尘浓度可达2 260 mg/m3，可呼吸性粉尘浓度也远超国家标准22 mg/m3[2]。如何有效降低带式输送机转载点粉尘浓度已经成为解决煤矿安全生产和维护矿工生命健康的一项关键问题。喷雾降尘作为主要的防尘措施之一，被广泛运用于各类具有防尘需求的场合中，但传统的压力型喷雾方式存在水压要求高、耗水量大、对呼吸性粉尘捕集效果较差等不足[3-6]。气水喷雾作为一种新型喷雾方式，具有雾化效果好、耗水量少、对水压要求较低且降尘效率高等优点。国内外学者针对气水喷雾降尘进行了大量理论和试验研究。Dariusz Prostanski[7]测试了气水喷雾在矿山掘进中的降尘效果，结果表明使用气水喷雾系统后降尘效率较使用前提高了约80%；Raj Mohan B[8]对气水喷雾系统在洗涤塔内的降尘效果进行了理论和试验研究；吉晓莉等[9]、艾吉文等[10]对气水喷雾喷嘴的雾化特性进行了理论和数值模拟研究；蒋仲安等[11]对自行开发的气水喷雾降尘系统的喷雾雾化特征和降尘效果进行了试验研究；王鹏飞等[12-14]研究了供水压力、供气压力对气水喷雾喷嘴流量、雾化特性参数、降尘效率的影响。基于上述研究成果，利用模拟转载点试验平台系统进行了一系列气水喷雾降尘试验，探究了喷嘴相关参数以及喷嘴布置位置对降尘效果的影响，并通过现场应用验证了选取参数的可靠性与适用性。

1 试验平台

为模拟转载点工况，搭建了试验平台，模拟转载点试验平台如图1。平台设计最大给料量8 t/h，最小给料量2.5 t/h，带式输送机长2.4 m，带面宽0.4 m，距离地面高度为0.35 m，最快运行速度为0.79 m/s，最慢运行速度为0.31 m/s。

图1 模拟转载点试验平台Fig.1 Experimental platform of simulated transfer point

给料器包括储煤斗和电磁振动器2 部分，可通过调节电流使煤料连续均匀下落。由于储煤斗距输送带较高，块状煤直接跌落到运行的带式输送机的输送带上，会对输送带造成一定损伤并向周围飞溅，因此在储煤斗和带式输送机之间安装1 段导料槽起缓冲作用。距给料机近的一端称为输送带头，较远的一端称为输送带尾，在输送带尾部有1 个收料箱，方便回接落煤，收料箱尺寸为1.1 m×0.9 m×0.4 m。

风洞相似模拟实验结果[15]表明：风流风速对带式输送机周围的粉尘浓度分布有较大影响，为避免风速对试验结果分析造成较大影响，设计室内风速为自然通风条件下的风速，使用热球式风速仪测定试验过程中室内风速为0.2 m/s。

煤料均取自煤矿井下采掘工作面，试验前将粗煤料筛分去煤渣煤矸后混合形成粒度相对比较均匀的煤料作为试验材料。此外还对煤料进行晾晒干燥，使煤料具有一定的产尘能力，以满足试验需求。

2 转载区域粉尘分布规律试验

首先模拟不使用气水喷雾条件下转载区域的工作情况，从而研究转载区域粉尘分布规律。沿输送带均匀布置6 个测点，测点距地面0.5 m，测点布置示意图如图2，测点编号和实际位置对照表见表1。

图2 测点布置示意图Fig.2 Measuring points distribution

表1 测点编号和实际位置对照表Table 1 Corresponding table of test point number and actual position

沿输送带布置6 台CCD-500FB 防爆测尘仪测定全尘和呼吸性粉尘浓度，自给料器向带式输送机给煤料开始记录数据，设置数据采集间隔为1 s，至煤料全部落入收料箱停止记录。为保证试验效果，设定给料器给料速度为8 t/h，带式输送机运行速度为0.31 m/s。

各测点粉尘测定结果如图3。试验结果表明：转载区域导料槽出口前方（测点2）粉尘浓度最大，导料槽出口后方（测点1）粉尘浓度小于出口前方浓度，沿带式输送机运行方向粉尘浓度逐渐下降，在收料箱上方处（测点6）粉尘浓度再次上升，试验测试结果与数值模拟结果[16]类似。根据转载点粉尘产生机理[17]，煤体在下落过程会产生诱导气流，跌落至刚性平面时产生剪切气流，在2 种气流的作用下附着在煤体上的粉尘大量逸散到空气中，因此导料槽出口附近和收料箱上方的粉尘浓度较大。

图3 各测点粉尘测定结果Fig.3 Determination results at each measuring point

不同测点PM5粉尘占全尘比例如图4。由图4 可知，粒径5 μm 以下的呼吸性粉尘占全尘比例的变化趋势与粉尘浓度的变化趋势一致，同样呈“S”状，其中导料槽口和收料箱上方PM5粉尘占全尘的比例最高，约为70%，而其余测点测得呼吸性粉尘比例也超过了50%，试验结果与井下实际测定结果[18]接近。试验结果表明转载区域PM5粉尘比例较大，当粉尘粒径小于5 μm 后，很难依靠粉尘自身的重力沉降降尘，需要采取有效措施对粉尘进行防治。

图4 不同测点PM5 粉尘占全尘比例Fig.4 Proportion of respirable dust in total dust at different measuring points

不同测点粉尘浓度随时间的变化如图5。测点2处的粉尘浓度随着煤料下落到带式输送机输送带上迅速增大至峰值，随后逐渐下降并趋于稳定；处于输送带中部位置的测点4 处的粉尘浓度随带式输送机运行经过1 个先增大后缓慢下降的过程；测点6 处的粉尘浓度逐渐增大并在煤料下落至收料箱后迅速增大。试验过程中观察发现煤料从导料槽下落至带式输送机输送带上后，导料槽出口处迅速产生大量粉尘并逐渐扩散至整个输送带面，煤料下落至收料箱时又有新的粉尘产生。结合3 个测点的粉尘浓度变化过程，分析认为虽然在带式输送机运行过程中气流受输送机牵引作用也会导致部分粉尘逸出，但主要产尘原因还是由于煤料从高处下落造成的。为此，将导料槽出口前方命名为尘源点1，收料箱上方的输送带尾部命名为为尘源点2。

图5 不同测点粉尘浓度随时间的变化Fig.5 Variation of dust mass concentration with time of different measuring points

3 喷雾降尘效率试验

3.1 气水喷雾参数

进行气水喷雾降尘试验前首先对气水喷雾的相关参数进行选择，包括气压、流量、喷嘴类型、喷嘴孔径等，学者们已经进行了大量相关理论和试验研究探讨这些参数对于降尘效果的影响，因此重点讨论喷嘴位置对降尘效果的影响，不再对喷雾参数进行细致研究，仅根据相关文献以及相关试验选择合适的喷雾参数。

水滴颗粒对粉尘颗粒捕集效率η 计算公式[19]：

式中：σ 为粉尘与颗粒接触系数；y 为尘粒距雾滴颗粒距离；D 为雾滴直径。

无喷雾试验测得转载区域PM5颗粒浓度占全尘浓度约为70%，根据式（1）计算喷雾水滴的颗粒直径在15～35 μm 时降尘效率最高。气水喷雾喷嘴结构对喷雾粒径有较大影响，常见的喷嘴结构与对应雾滴粒径见表2[20]。由表2 可知喷嘴类型选择可调广角型较为合适，为避免喷嘴被粉尘阻塞，喷嘴口径选择1.5 mm，气水喷雾喷嘴实物如图6。

图6 气水喷雾喷嘴实物Fig.6 Physical images of nozzle for air-water spray

表2 常见喷嘴结构与对应雾滴粒径Table 2 Types of nozzle structure and corresponding droplet size

结果表明，气水喷雾雾滴粒径随气压增大而减小，增大气压虽然能够增大雾滴破碎程度，但粒径过小时雾滴在空气中容易蒸发。保持供水压力不变，进行试验测定水压为0.55 MPa 时不同气压的喷雾降尘效率，从而确定合适的供气压力，不同气压喷雾降尘效率如图7。由图7 可知，气压过大时虽然会提高对PM5颗粒的降尘率，但全尘颗粒的降尘率反而下降，当喷雾气压为0.6 MPa 时全尘颗粒和PM5的降尘效率均达到94%，因此选择供气压力为0.6 MPa。

图7 不同气压喷雾降尘效率Fig.7 Dust removal efficiency of spray under different pressure conditions

文献［13］指出为保证降尘效率，应选择接近且略高于供气压力的供水压力，试验水压满足这一要求。除气压水压外，供水流量对降尘效率也有影响，供水流量过小导致单位空间中雾滴数量不足，进而影响降尘效率，供水流量过大则会影响正常生产工作。通过旋转喷嘴液体帽调节供水流量，进行不同供水流量条件下喷雾降尘效果测试试验，不同供水流量条件下降尘效率见表3。根据测试结果，供水流量达到0.25 L/min 后降尘效率上升已不再明显，因此选择供水流量为0.25 L/min。

表3 不同供水流量条件下降尘效率Table 3 Dust reduction efficiency under different water supply flow conditions

选择喷嘴孔径为1.5 mm 的可调广角型喷嘴，供气压力0.6 MPa，供水压力0.55 MPa，供水流量0.25 L/min，测得该条件下最大喷雾距离约为1.6 m，利用图像法对喷嘴产生的雾化角进行测定，约为65°。

3.2 喷嘴布置位置对喷雾效率影响

将喷嘴布置在输送带上方不同位置，测定各测尘点处的粉尘浓度并计算喷雾降尘效率，喷嘴距地面高度1.0 m。降尘效率与喷嘴沿输送带安装位置关系如图8。

图8 降尘效率与喷嘴沿输送带安装位置关系Fig.8 The relationship between dust removal efficiency and nozzle installation position along the conveyer

由图8 可知，当喷嘴位于测点2 上方时，所有测点测得的降尘效率都能达到70%以上，当喷嘴布置在其余测点上方时，虽然对应测点位置降尘效率能够达到90%以上，但远离喷雾覆盖范围的降尘效率大幅下降，即粉尘浓度并没有明显下降。分析认为测点2 作为主要尘源点，当喷嘴位于测点2 上方时，在煤料掉落至输送带产生粉尘后就能够捕集大多数粉尘，避免了粉尘向空间中进一步扩散，因此应该将喷嘴布置在主要产尘点上方。

降尘效率还与喷嘴安装高度有关，喷嘴距离输送带带面高度过低时，喷雾的有效作用范围主要集中在出口处，在这个范围内液滴颗粒较大，不能有效捕集呼吸性粉尘，因此降尘效果并不是很好；喷嘴安装过高，喷雾有效作用范围在喷雾末端，雾滴颗粒太小，不能有效捕集粉尘，降尘效果也会降低。因此进行试验探究合适的喷嘴安装高度，降尘效率与喷嘴距离地面高度的关系如图9。根据试验结果，当喷嘴距离地面约1.2 m 时降尘效率最高，因此选择安装喷嘴距输送带带面高为0.85 m。

图9 降尘效率与喷嘴距离地面高度的关系Fig.9 The relationship between dust removal efficiency and the height of nozzle from ground

4 现场应用

以某矿综采工作面转载机头与进风巷带式输送机之间的转载点作为测试点。自转载点起沿输送机运动方向每隔20 m 布置1 台CCD-1000FB 防爆测尘仪，共布置6 台测尘仪。不采用降尘手段时测得全尘颗粒浓度范围在290～540 mg/m3之间，PM5颗粒浓度在190～310 mg/m3之间，呼吸性粉尘占比最高可达60%。

试验前将喷嘴水流量调至0.25 L/min，试验时在距输送带带面上方0.85 m 处布置气水喷雾喷头，为能够完全覆盖输送带面宽度，沿输送带宽方向布置2 个喷嘴。从进风巷中的压风管和进水管引出管路，管路与喷嘴两端的进气口和进水口连接，通过调压阀调节供气压力和供水压分别为0.6、0.55 MPa。使用气水喷雾降尘后，测得全尘浓度在26～44 mg/m3之间，PM5颗粒浓度在14～18 mg/m3之间，降尘效率可达90%以上，降尘效果明显。

5 结 语

1）试验结果表明，不受风流风速影响时转载区域全尘和呼吸性粉尘的浓度变化趋势基本一致，主要尘源点为煤料下落位置，在尘源点处呼吸性粉尘占比可达70%，随着粉尘扩散产尘点粉尘浓度有所下降，其余位置的粉尘浓度则开始上升。

2）计算结果表明，雾滴直径在15～35 μm 时能够有效降低转载点呼吸性粉尘。选择喷嘴口径1.5 mm 的可调广角气水喷嘴，试验结果表明当供水压力为0.55 MPa、供气压力压力为0.6 MPa、供水流量为0.25 L/min 时喷雾降尘效果较好。喷嘴布置位置试验结果表明将喷嘴布置在距尘源点上方0.85 m处时降尘效果最好。

3）综采工作面转载点现场粉尘测试试验表明，全尘和呼吸性粉尘浓度均明显降低，基于试验设计的气水喷雾降尘系统对于带式输送机转载点降尘有很好的适用性。