气水喷雾除尘效果实验研究_张波.pdf

气水喷雾除尘效果实验研究 张波蒋仲安段志博汲银凤 1 （北京科技大学土木与资源工程学院， 北京 100083） 摘要在矿山生产中会产生大量的粉尘， 严重污染了工作面的环境， 对工作面工人的身体健康造成了极大 的威胁。在大部分的金属矿山中， 落矿点和转载点是主要的粉尘产生源， 而气水喷雾对于治理落矿点与转载点的 粉尘有着十分有效的效果。实验以紫金山铜矿为背景， 对气水喷雾的喷头型号以及口径进行了优化实验研究， 得 出了口径为1.5 mm可调广角的喷头雾化效果最好， 气雾的平均粒径基本上在15～30 μm之间， 能够有效地扑集工作 面空间飞扬的粉尘。1.5 mm口径的可调广角喷嘴在气雾的雾化角为47.5 时最佳除尘距离为270 cm， 非常适合矿 山井下的除尘系统。为验证1.5 mm口径的可调广角喷嘴的除尘效果， 选择在紫金山铜矿进行现场实验， 验证了该 喷头的除尘效果， 除尘效率在90以上， 能够极大地改善矿山工人的工作环境， 使得工人的身体健康得到保障。 关键词地下矿山落矿点转载点粉尘控制气水喷雾喷嘴选型 中图分类号TD714文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -08-173-06 DOI10.19614/ki.jsks.201908029 Study on the Dust Removal Effect of Air-water Spraying Nozzle Zhang BoJiang ZhonganDuan ZhiboJi Yinfeng2 （School of Civil and Resources Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China） AbstractIn mine production，a large amount of dust are produced，which seriously pollutes the environment of the working face and poses a great threat to the health of the workers in the working face. In most of metal mines，the drop point and the transfer point are the main sources of dust generation， and the air water spray has a very effective effect on controlling the dust of the ore falling point and the transfer point. Taking Zijinshan Copper Mine as background，the spray nozzle type and caliber of air water spray are optimized to obtain the best atomizing effect of the nozzle with a caliber of 1.5 mm adjustable wide angle. The average particle size of the aerosol is basically ranging from 15 μm to 30 μm， which can effectively comple- ment the dust flying in the working face. The 1.5 mm wide-angle adjustable nozzle has the optimum dust removal distance of 270 cm when the atomization angle of the aerosol is 47.5 degrees， which is very suitable for the dust removal system under the mine. In order to verify the dust removal effect of adjustable wide angle sprinkler with diameter of 1.5 mm，field experiments were conducted in Zijinshan Copper Mine to verify the dust removal effect of the sprinkler. The dust removal efficiency of the sprinkler is over 90， which can greatly improve the working environment of mine workers and ensure their health. KeywordsUnderground mine， Ore falling point， Transfer point, Dust control， Air-water nozzle， Selection of nozzle type 收稿日期2019-06-05 作者简介张波 （1994） ， 男， 硕士研究生。 总第 518 期 2019 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 518 August 2019 粉尘是指漂浮在空气当中的微细颗粒， 它会随 着气流的流动而四处漂浮。由于矿山生产的矿石会 经过破碎、 运输、 转载等各种工序， 这就使得矿山生 产过程中会产生大量的粉尘。对工人的日常工作以 及矿山生产的正常运转带来极大的危害 ［1-4］。为了有 效地治理井下粉尘， 选择使用气水喷雾是达到降尘 目的的措施之一。传统的外喷雾对水压力的要求较 高， 耗水量大， 水雾的扩散角度小并且效果不好 ［5-8］， 对呼吸性粉尘的捕集降尘效果普遍较差 ［9-12］。本研究 通过对不同型号的喷嘴进行实验分析， 得到最佳效 果的喷头型号， 并经过现场实验验证除尘效果。 1气水喷雾喷嘴选型试验研究 气水喷雾的喷嘴结构主要由进水口、 进气口、 气 水混合腔和喷嘴口等部分组成。具体的结构示意如 图1、 实物如图2所示。其工作原理为水流和气流在 一定压力的作用下被强压入喷嘴的腔体内部， 水流 173 ChaoXing 金属矿山2019年第8期总第518期 在高速气体的强压下被破碎为非常细小的液体小水 滴， 水流和气流在混合腔体内形成稳定的水滴气体 两相流。混合后的小液滴和气体在强大的压力作用 下， 从喷嘴口处喷出， 形成气水喷雾。 1. 1实验装置 气水喷雾实验研究主要是为更好更有效地除尘 选择最佳的除尘喷头， 喷头的型号决定了气水喷雾 的雾化效果、 最佳喷射距离以及最佳的雾化角。采 用KS型空压机为实验装置 （图3） 提供可以调控的气 压。实验室的水泵提供可调控的水压， 在水使用之 前要用过滤器对水进行过滤， 以防喷头的堵塞。利 用JL-3000型激光分析仪测试喷雾的粒径大小， 在水 管和气管上分别连接水压计、 气压计、 水流量计、 气 流量计来记录实验的数据。具体的实验连接方式如 图4所示。 1. 2实验内容 使用清水为实验的雾化介质， 选用不同喷嘴、 不 同粒径的喷头作为实验喷嘴， 调节供水压强与出水 压强的比例， 激光粒度仪放置在距喷头喷嘴50 cm 处， 激光粒度仪的中轴线要与喷头水平位置齐平。 实验时根据系统示意图连接好设备， 用激光粒度分 析仪测得喷雾的粒径， 确定喷雾的雾化效果好坏。 调节不同的气压水压， 得到最佳与最远的射程， 每组 数据多次测量取平均值。 1. 3气水喷嘴性能参数 为了研究不同喷嘴口径和扩散角与降尘效果的 关系， 本次分别测出了口径在 1.2 mm、 1.5 mm、 1.8 mm、 2.0 mm时， 喷嘴结构为可调广角、 虹吸扇形、 压 力圆形、 虹吸圆形、 压力扇形、 外混扇形情况下的喷 嘴雾滴喷射距离。喷嘴结构如图5所示。 通过测试每一种喷嘴， 得到喷嘴的具体数据 （1） 可调广角喷嘴。如图5 （a） 可调广角喷雾喷 嘴处为带孔球状， 故导致在喷射时呈圆锥形， 由于可 调广角的结构使得雾化角较大， 又因孔状结构使得 在气压和水压作用下有较远的弥散距离， 由激光粒 径分析仪测出的平均粒径基本都在15～30 μm之间， 是6种喷嘴中喷雾粒径最小的喷嘴。所以可调广角 喷嘴在最佳的雾化效果时具有最佳除尘射程较远、 174 ChaoXing 张波等 气水喷雾除尘效果实验研究2019年第8期 雾化效果好的特点。分别用4个口径的可调广角喷 嘴进行实验， 测得数据如表1所示。通过对不同口径 的广角圆形进行实验后， 根据表1得到 口径为1.5 mm喷头的最佳除尘距离最远， 最佳的除尘距离为 270 cm， 最远射程为550 cm， 最佳雾化效果状态下的 水压为 1.8 MPa， 气压为 0.38 MPa， 雾化扩散角为 47.5 。根据紫金山铜矿粉尘状况， 结合实验中喷嘴 雾化效果， 可调广角喷嘴可用于井下粉尘浓度较大 且呼吸性粉尘比重大的产尘区域。图6为口径为1.5 mm的气幕状况图。 （2） 虹吸扇形喷嘴。如图5 （b） ， 由于虹吸扇形喷 嘴的扇形结构使得雾化角较大， 并且内部虹吸结构 使得混合腔内部的气液混合的压力较大， 所以喷出 的扩散距离较大， 气雾的粒径大都分布在23～52 μm 左右。分别用4个口径的虹吸扇形喷嘴进行实验， 测 得数据如表2所示。通过对不同口径的虹吸扇形喷 嘴实验后， 根据表2分析得到 口径为1.5 mm喷头的 最佳除尘距离最远， 最佳除尘距离为260 cm， 最远射 程为 500 cm， 最佳雾化效果状态下的水压为 1.8 MPa， 气压为0.36 MPa， 雾化角度为77.5。图7为口 径为1.5 mm虹吸扇形的气幕状况图。 （3） 压力圆形喷嘴。如图5 （c） 对于压力圆形喷 嘴形状， 由于喷嘴口结构为圆形， 使喷出气雾的雾化 角相对较小。在气压水压作用下， 可产生较远喷射 距离， 雾化效果相对较差， 平均气雾粒径分布在81～ 150 μm之间。分别用4个口径的压力扇形喷嘴测得 数据如表3所示。通过不同口径的压力圆形喷嘴实 验后， 根据表3分析得到 口径为1.8 mm的喷头的最 佳的除尘距离为230 cm， 最远射程为550 cm， 最佳雾 化状态下的水压为2 MPa， 气压为0.44 MPa， 雾化角 度为21。图8为口径为1.5 mm压力圆形的气幕状 况。 （4） 虹吸圆形喷嘴。如图5 （d） 对于虹吸圆形喷 嘴结构， 由于喷嘴口结构为圆形， 喷出的雾化角很 小， 喷射的距离很远。但是雾化效果不好， 经过激光 粉尘粒径测定仪测定气雾的平均粒径大都分布在 63～141 μm。分别用4个口径的虹吸扇形喷嘴进行实 验， 测得数据如表4所示。通过对不同口径的虹吸圆 形喷嘴实验后， 根据表4分析得到 口径为2.0 mm喷 嘴的最佳除尘距离最远， 最佳的除尘距离为 190 cm， 最远射程为500 cm， 在最佳雾化效果时的水压为1.8 MPa， 气压为0.3 MPa， 雾化角度为15。图9为口径为 2.0 mm虹吸圆形的气幕状况。 175 ChaoXing 金属矿山2019年第8期总第518期 （5） 压力扇形喷嘴。如图5 （e） 对于压力扇形形 状， 由于喷嘴口为180 扇形， 在水压和气压作用下， 其雾化角非常大， 喷雾形状在喷嘴口处呈扇形。但 是与其他类型的喷嘴相比， 它的射程变得非常的 短。经过激光粉尘粒径测定仪测定气雾的平均粒径 大都分布在23～42 μm。在分别用4种口径的压力扇 形喷嘴测得数据如表5所示。通过对不同口径压力 扇形喷嘴实验后， 根据表5分析知 口径为1.8 mm的 最佳除尘距离最远， 最佳除尘距离为200 cm， 最远的 射程为 450 cm， 最佳雾化效果状态下的水压为 1.9 MPa， 气压为0.34 MPa， 雾化角度为96.5 。结合紫金 山铜矿粉尘实际状况， 为了更有效地利用气水喷雾 装置除尘， 考虑到胶带运输产尘处需要间断性除尘， 且需要覆盖胶带宽度。建议在胶带正上方焊接支架 并安装压力扇形结构的气水喷嘴。正对胶带上矿石 进行喷雾， 增加矿石表面湿润性， 抑制粉尘扩散至运 输巷内， 捕捉巷内细小颗粒粉尘。图10为口径为1.8 mm的压力扇形的气幕状况图。 （6） 外混扇形喷嘴。如图5 （f） ， 对于外混扇形喷 嘴结构， 由于喷嘴呈外扩的扇形， 在水压和气压作用 下使其喷出雾化角较大， 但是最佳的除尘射程较短， 雾化效果非常好， 测得雾化的粒径大部分分布在21～ 37 μm。分别用4个口径的外混扇形喷嘴测得数据如 表6所示。通过对不同口径外混扇形喷嘴实验， 根据 表6分析得到 口径为1.8 mm喷头的最佳除尘距离最 远， 最佳的除尘距离为170 cm， 最远射程为410 cm， 最佳雾化状态时的水压1.5 MPa， 气压为0.2 MPa， 雾 化角度为52.5。此喷嘴具有喷水颗粒较细， 喷射距 离短， 喷水分布宽， 耗水量大等特点。图11为口径为 1.8 mm外混扇形的气幕状况。 综合以上实验结果， 1.5 mm的可调广角的气水 喷雾喷头的雾化效果最好， 喷雾颗粒的粒径最小， 粒 径基本上都分布在15～30 μm， 并且具有270 cm的最 佳除尘距离， 能够很好地扑集巷道中的粉尘颗粒， 降 低工作面的粉尘浓度。 2气水喷雾除尘效果现场实验 为验证气水喷雾对粉尘的治理效果， 选择紫金 山铜矿2溜井-50 m中段的环形车场的长为100 m的 一段作为现场实验的地点。紫金山铜矿2矿石溜井 176 ChaoXing 是目前井下生产的主要矿石溜井， 溜井井底直接通 至井底破碎硐室， 现与0 m中段、 -50 m中段、 -100 m 中段共3个中段连通， 均设有溜井卸矿硐室， 该3个 中段矿石经汽车运输至2溜井卸矿硐室， 倒入溜井， 溜至井底矿仓， 经破碎机破碎。由于汽车在卸矿时 环形车场的粉尘浓度非常的大， 所以我们选择布置 实验点在-50 m中段的环形车场， 环形车场实验地点 详见图12。 2. 1气水喷雾除尘效果实验测试过程 根据相关标准规范及文献中的采样点布置方 法， 结合-50 m中段连通的空间布置情况， 在环形车 场进行测点布置， 具体测点布置如图13所示。使用 粉尘采样仪以及激光粉尘仪来测试粉尘浓度， 粉尘 采样仪测点分别在喷雾点前10 m、 喷雾点后10 m、 30 m、 50 m、 70 m、 100 m的位置。 现场实验时在巷道喷雾点沿着巷道边缘安装1 根气管、 1根水管， 气管连接KS系列移动式活塞式空 压机， 水管连接临时过滤器和水泵， 安装5个可调广 角的气水喷嘴。喷嘴安装见图14。 2. 2气水喷雾除尘效果实验结果 为保证实验的准确性， 实验时让卸矿的汽车每 10 min通过1次， 每次的卸矿量保持基本一致。首先 测试在没有开启气水喷雾时的粉尘浓度， 然后开启 气水喷雾， 再次测试粉尘浓度。如此步骤重复3次， 每个点的粉尘的浓度值取3次测试的平均值作为该 点的粉尘浓度值。结合激光粉尘浓度仪器连续性检 测得到的数据， 经过处理， 得到粉尘的浓度在气水喷 雾开启前后的对比如图15所示。由图15可知， 气水 喷雾对于粉尘治理有着十分明显的效果， 开启气水 喷雾后粉尘浓度降低幅度在90以上。 3结论 （1） 经过实验得出孔径为1.5 mm的可调广角的 气水喷嘴雾化效果最好， 粉尘粒径分布在15～30 μm 之间， 在具有270 cm的最佳除尘距离的同时雾化角 也较大。 （2） 经过在紫金山铜矿的现场实验充分说明可 调广角的喷头雾化效果对于矿山除尘极为适用， 粉 尘浓度都有大幅度的降低。所以我们所选择的气水 喷雾除尘系统对于矿山粉尘有着很好的补集效果， 完全适用于矿山除尘。 参 考 文 献 王鹏飞， 刘荣华， 王海桥， 等. 煤矿井下气水喷雾雾化特性实验 研究 ［J］ . 煤炭学报， 2017， 42 （5） 1213-1220. 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