（机械工程专业论文）高压喷雾在掘进工作面应用研究.pdf

论文题目：高压喷雾在掘进工作面应用研究 专 业：机械工程 硕 士 生：李新宏 （签名） 指导教师：周新建 （签名） 摘 要 本文对掘进工作面高压喷雾降尘机理，影响因素，降尘效率，新型喷雾除尘器及降 尘系统工作机理进行了研究。首先分析了掘进工作面二次产尘机理及目前掘进面喷雾降 尘系统存在的问题, 提出了掘进工作面高压水喷雾除尘的设想。通过对高压喷雾射流的 破碎、降尘机理、单颗水滴捕尘效率和雾流特性的理论分析和研究，得出了粉尘在水滴 附近运动方程的一种解析解，并在此基础上建立了单体雾粒捕集粉尘效率的数学模型。 该模型显示：影响雾粒捕集粉尘的两个主要因素是雾粒的粒度和雾粒相对于空气气流的 速度，这二者与水射流的压力和喷嘴结构有关。其次，研究了水的特性、喷嘴参数以及 系统参数等因素对雾化效果的影响和雾流特性对降尘效果的影响。为了更好的除却二次 粉尘，根据高压喷雾除尘理论和涡流除尘理论，设计研制了一种反吹风高压除尘器，该 型除尘器吸风量大除尘效率高。再次，在对影响喷雾降尘效果因素研究的基础上，设计 了掘进工作面机载高压喷雾除尘系统，研究表明收尘口的布置位置和角度影响除尘器的 降尘效果。最后，对掘进工作面机载高压喷雾除尘系统进行了工业试验并对试验结果进 行了分析。试验结果表明该系统设计合理，降尘效果显著，具有很高的推广价值。 关 键 词：反吹风高压除尘器；高压喷雾；掘进工作面；降尘效率 研究类型：应用研究 subject : research on high-pressure spray application in heading face specialty : mechanical engineering name : li xin-hong (signature) instructor: zhou xin-jian (signature) abstract in the paper, in the heading face high-pressure spray mechanism, influencing factors, the efficiency of dust, dust and dust suppression system working mechanism was studied. first, the dust production mechanism of secondary and the spraying system currently existing problem were analyzed in the heading face, the idea of high-pressure water spray collecting dust was given in heading face. the movement of dust particles around the water droplet has been studied, and an analytic solution to the dust particle movement equation has been given. based on the solution, the mathematical model of a single water droplet collecting dust particle rate was established. the model shows: the two main factors impacting of the dust-settling are water drop-let grain size and the droplet speed relative to the air flow, both of them related the water jet pressure and nozzle structure. secondly, the characteristics of water, nozzle parameters and system parameters on the effect of aerosol and flow characteristics on the effect of dust collecting were studied. in order to removal secondary dust better, based on spray under high pressure dust wind theory and the theory of spiral, a reverse blow high-pressure dust collector was designed, this type of dust collector has high efficiency and high volume suction. thirdly, base on the research of factors affecting the dust-collecting effect, the heading face with high pressure spray dust removal system was designed, the layout of the location and angle of dust collection port that impact the dust filter effect. finally, the high pressure spray dust control system industrial test has proved the high-pressure spray cleaning system has rational structure and notable dust-collecting effect. it is worthy popularization. keywords: dust-settling high-pressure spray heading face dust-settling rate thesis : application research 1 绪论 1 1 绪论 随着社会的不断发展和进步，人们已经逐渐意识到环境保护的重要性。我国已经制 定的走新型工业化道路政策，把环境保护放在了重要的位置。无论是从工业生产的要求 出发，还是对人员保护的角度考虑，绿色生产己经成为工业生产的趋势。污染的种类很 多，随着不同工业环境而变化。从总的工业污染来看，主要有空气污染、粉尘污染、水 流污染、辐射污染以及其他污染种类。人们对污染的控制进行研究，使得很多控制污染 的方法在现实中得到应用。对空气和水流污染的治理主要通过治理排放和净化空气和水 流等手段实现；对于粉尘污染的治理，主要通过收集或者采用特定手段降低空气中的固 体颗粒污染物含量来实现。但是，对于一些特殊环境的污染治理，由于受到环境因素的 制约，治理变得非常复杂。并且，对于特殊的环境的污染治理就更要求具有针对性。在 煤矿井下这样一个特殊的工业环境中，污染的控制主要集中于煤尘的防治。随着煤矿绿 色安全生产的提出和实现，粉尘治理日益成为防治工作的重点。 1.1 煤矿降尘的工业背景分析 由于煤矿掘进、采煤、运输等主要环节都会引起煤尘的污染，并且井下通风条件比 较差，工作空间比较小，所以井下的空气中煤尘的浓度会很高，高浓度的煤尘对人体和 煤矿的安全造成极大危害。 九十年代以来，由于随着综掘、综采技术的发展和应用，我国煤矿粉尘污染问题日 趋严重。在现有防尘技术条件下，各生产环节产生的矿尘量比例关系大致是：采煤工作 面产尘量占 45%80%， 掘进工作面产尘量占 20%38%， 锚喷作业点产尘量占 10%15%， 运输通风巷道产尘量占 5%10%，其它作业点产尘量占 2%5%。实测采煤工作面采煤 机截割时的原始总粉尘浓度高达5000-6000mg/ 3 m(采煤机司机及下风流10m人行道处)， 最高可达 5000-l0000mg/ 3 m，掘进工作面掘进机掘进时达 3000-4000 mg/ 3 m，最高达 6000mg/ 3 m 1。而且，呼吸性粉尘在煤尘中的浓度接近 20%左右1。无论是矿尘浓度还 是呼吸性粉尘浓度都严重超标，带来的严重后果是煤尘爆炸隐患增大和煤炭行业尘肺病 人数的增多。据统计，目前仅煤炭行业尘肺病人数已超过 20 万，接近我国各行业肺病 人数的一半9。对此国家每年要花费大量的人力物力，经济损失巨大，也给患者及家属 带来很大的痛苦。粉尘浓度高，易引起瓦斯煤尘爆炸，我国 1993 年和 1994 年曾发生多 次粉尘爆炸，伤亡惨重，严重摧毁了矿井，造成巨大的经济损失。 1.1.1 煤尘的危害性分析 (1)煤尘的自燃 西安科技大学工程硕士学位论文 2 煤尘自燃的原因在于：由于过小的尘粒使自由表面能增加，从而提高其化学活性和 氧化产热能力。当氧化反应产生的热量不能及时散发，使氧化反应自动加速，最终导致 燃烧的发生。 根据自燃温度可将可燃性粉尘分为两大类：第一类粉尘的自燃温度高于周围环境的 温度，只有在加热时才能引起燃烧；另一类粉尘的自燃温度低于周围环境的温度，即使 不加热也会引起自燃，这种粉尘极易形成火灾。 (2)煤尘爆炸 煤尘在空气中被氧化放出一定量的可燃性气体， 同时煤自身也挥发一定量的可燃性 物质，由于煤炭形成的条件不同，煤的炭化程度也不同，炭化程度越低，可燃挥发物的 含量越高。这就为煤尘的爆炸创造了必要条件。同时煤尘云在漂浮过程中，由于粉尘物 带电量的增大，静电电压增高，增加了爆炸几率，也会因表面积的增大使氧化能力明显 提高，并且有较多的热量释放出来，提高了环境温度。当煤尘温度超过 300时会放出 大量的可燃性气体。这些可燃性气体与空气混合，在高温下便可燃烧，放出热量给附近 的煤尘使其受热分解， 也会燃烧起来使得氧化反应加快。 温度继续升高， 可燃气体增多， 便引起煤尘爆炸。 当煤尘浓度较低，尘粒间距较大，氧化放出的可燃气较少达不到遇火燃烧的程度。 而且，氧化所产生的热量很快就被周围的介质吸收，热量的迅速散失又促使氧化速度降 低、生成可燃气体的速度下降，不会发生爆炸。当煤尘浓度过高时，尘粒间距过小，煤 尘大量吸收热量，使热过快散失。同时，煤尘浓度过高，降低空气中氧气的浓度，氧化 程度和速度受到影响，即使可燃气体遇火，但缺氧也无法燃烧。因此，煤尘浓度过高也 不会发生爆炸， 爆炸只有在一定的浓度范围内才会发生。 通常把这个范围叫做爆炸极限。 资料表明，煤尘的浓度达到 45g/m3，是引起煤尘爆炸的下限，煤尘浓度为 2000g/m3为 引起爆炸的上限：当每立方米浮有 300g 左右的煤尘云时爆炸力最强1。 煤尘爆炸造成人员伤害，设备毁坏和火灾。同时爆炸时产生的高温、高压和冲击波 对矿井的影响也非常大。 (3)尘肺病与矿尘 尘肺病是矿工最常见的职业病之一。它的形成是由于工人长期吸入作业环境中悬浮 粉尘而引起的肺部组织纤维性病变的总称。 对粉尘的评价可以从两个方面进行:粉尘的成 分和粉尘的分散度。 矽尘与尘肺病的关系 粉尘中游离一氧化硅的含量的多少一直是评价粉尘的主要标志，国内外学者认为， 粉尘中游离二氧化硅的含量越高，越容易导致矽肺病的发生为此， 煤炭安全规程第 464 条中规定，井下有人工作地点和人行道的空气粉尘浓度，应该符合表 l1 的要求。 粉尘分散度与尘肺病的关系 1 绪论 3 粉尘的分散度是指粉尘中不同粒径的微粒所占的百分比。资料表明，粒度在 5m 以下的粉尘最容易被人呼吸进入肺部。而且，在采掘过程中，小于 5m 的呼吸性粉尘 占总产尘量的较大比例，这样使得在采掘工作面进行的喷雾降尘，特别是降低 5m 以 下的粉尘浓度有着十分重要的意义。 表表 1-1煤炭安全规程第煤炭安全规程第 464 条中的规定：条中的规定： 粉尘种类 最高允许浓度,mg/m3 含游离粉尘 sio210%的粉尘 2 含游离粉尘 sio210%的水泥粉尘 6 含游离粉尘 sio210%的粉尘 10 (4)粉尘浓度与尘肺病的关系 空气中粉尘的浓度也是发病的重要因素。只有浓度超过某一值时才能致病。 表 l-2是山东省1963-1986年以来5个煤矿累计普查接尘作业人员15696人(受检率 为 84%)。其中，干式作业时期入矿井接尘者 9787 名。从表中看出，干式作业时期的粉 尘浓度是湿式作业时期的 30 倍，湿式作业后尘肺患病率大幅度下降。 表表 1-2 粉尘浓度与尘肺患病关系粉尘浓度与尘肺患病关系 尘肺病率 尘肺病死亡 防尘情况 受检人数 发病率 比例 人数 死亡率 平均粉尘浓度 mg/m3 干式作业期 9787 1617 16.53 433 27.4 368.20 湿式作业期 5909 7 0.12 0 0.00 12.34 煤尘对人体呼吸系统的影响很大， 尤其是小于 5m 的可呼吸尘， 它可以避开呼吸系 统的各种保护，随空气直接流入人体的肺部。根据统计数字，几乎所有的工龄在 3 年以 上的矿工都有不同程度的尘肺病， 并且不同工种的工人患病的几率有所不同。 资料表明， 井巷掘进工人的患病率为 4.22%，井巷掘进及采煤工的患病率为 2.35%。由这些数据可 以看出，粉尘污染对煤矿工人的身体健康影响很大。 1.1.2 喷雾降尘研究现状 目前，湿式降尘最广泛的是使用普通喷嘴进行水雾降尘，由于水压较低，严重地影 响喷雾降尘效果，这种方法的总粉尘降尘效率仅为 50%60%，对呼吸尘的降尘效率只 西安科技大学工程硕士学位论文 4 有 20%一 30%。为提高降尘效果，国内外相关学者研究了声波雾化喷雾、磁水喷雾、预 荷电喷雾、泡沫除尘、高压喷雾等。 高压喷雾技术是一种近年来在国外的许多煤矿中使用较普遍的降尘技术，但在我国 只有极少数矿井开始使用，降尘效果十分显著。降尘率高的原因是水雾粒子与尘粒的凝 结率高。在低压喷雾时，水雾粒子是通过惯性碰撞、拦截捕尘、凝并和布朗扩散等综合 作用来降尘的；采用高压喷雾不但有低压喷雾时的四种机理作用，还使水雾带有较高的 正负电荷，因而显著提高了水雾单颗粒对呼吸性粉尘的捕集效率。采用高压水流作为介 质， 通过参数的调节， 可将其携带的高能量用于水滴的破碎， 从而得到良好的雾化效果。 人类认识喷雾除尘技术是从雨滴洗涤大气中的尘埃开始的，以后逐渐推广应用到控 制污染物和粉尘。早在 1946 年，兰米尔就研究了大气尘粒在球状捕尘器上的碰撞，并 以位流和滞流为依据成功地计算了碰撞效率。20 世纪 40 年代中期，penney 研制出了世 界上第一台荷电水雾除尘器。迄今，美国、日本、法国、英国、加拿大及前苏联等国家 对此项技术均做过广泛而深入的研究。 20 世纪 60 年代 elperin 提出了对喷理论并进行实 验，但是直到 1975 年，才由俄罗斯的 lainer 将其用于除尘。但是对喷雾除尘技术的应 用研究始于 1976 年美国学者布朗和斯考温格德提出的微细水雾捕尘理论。该理论认为 在微细水雾中，不仅存在着各种动力学现象，而且还有蒸发、凝结以及水蒸气浓度差异 造成的扩散现象等，这都对微细粉尘的捕集起重要作用。美国、俄罗斯、以色列等国家 就己经对微细水雾捕尘技术进行了多方面的研究，并取得了一定的成果，但当时的研究 工作还不够细致，没有上升到理论层次，仅限于实验和数值模拟。由于缺乏足够的理论 以及尚未成功研制出各种先进的除尘方案和除尘器，使得此项技术的研究未能得到进一 步的发展。70 年代出现的能源危机使得喷雾除尘技术的应用逐渐得到重视。80 年代以 来，研究发现有的尘源属开放性粉尘无法进行密闭收集，有的物料或废气温度较高不宜 采用布袋除尘，有的尘源分散不宜采用集中除尘，加之一般的除尘方式对呼吸性粉尘捕 集效率普遍较低。 因此， 许多发达国家于是进一步探讨研究湿式除尘技术。 在除尘领域， 水雾捕尘技术应用较多，但主要是用在烟气脱硫、烟气净化上。当对人类生存构成巨大 威胁的呼吸性粉尘得到重视以后，利用水雾的喷雾除尘技术因其除尘效率高且节能的优 势得到了迅速的发展。此后，各国针对不同的粉尘对象设计研制了各种喷雾除尘系统并 开发了各种除尘设备，并将其应用于不同的系统和场所，取得了良好的效果。 近几年来，随着喷雾除尘技术的推广和应用，开始有一些学者借助新的研究手段对 喷雾除尘过程进行理论及数值研究，以此加深对喷雾除尘机理的深层次认识，为优化喷 雾除尘技术提供依据。c.r.麦克卡利和 b.奥斯克在实验中观察到，当界面张力很大时， 与水滴碰撞的尘粒没有被捕获，反而被弹开。c.s.彭伯顿经过理论分析，推导出颗粒物 克服表面张力要做的穿透功，并提出完全进入水滴所需的最小速度。在彭伯顿工作的基 础上，j.e.麦克唐纳将研究扩展到接触角为 0180 度的部分可润湿性颗粒物。通过对水 1 绪论 5 喷淋去除煤尘的研究，s.钱德修改了克服表面张力需要做的穿透功，只有当穿透功达到 一定数值后，与水滴碰撞的尘粒才能进入水滴，从而被捕获。大气飘尘经雨水洗涤并去 除的过程常常会受到云中电场和电荷的影响， 这样就需要研究一系列电荷对捕集效率的 影响。s.n.格罗弗和 k.v.比尔德提出了一个流速模型，计算出带电颗粒间的碰撞效率。 h.c.王和 m.b.张先后研究了静电引力对捕集效率的影响， 以及静电力与惯性碰撞之间的 关系。通过试验探索及对前人工作的研究，认为当颗粒物的动能大于克服表面张力要做 的穿透功时，颗粒可自动进人水滴，此时，惯性碰撞是主要的捕集作用机理。而当动能 小于穿透功时，尘粒与水滴之间的作用要受许多参数的控制，如流体动力学参数、尘粒 与水滴的物理和化学性质等。orourke 建立的统计模型，如 ktva 方程。该模型存在 两个方面问题：一是模型基于早期的水滴碰撞试验结果，只考虑了聚合与摩擦分离两种 情况， 而实际的液滴碰撞结果非常复杂， 远不止这两种情况;二是模型在碰撞频率计算时 假定液滴离散相均匀分布，而实际喷雾场中液相在空间存在较大的浓度分布差异，由于 液滴数密度在离散液滴模型中不易准确计算，从而造成碰撞频率的较大误差，这两方面 的原因使得碰撞模型成为喷雾模拟中的软肋。近年来，tennison、post 等在碰撞模型中 考虑了更多的液滴碰撞结果，schirnidt、nordin 则针对后一问题提出了一些有特色的碰 撞频率计算方法以提高计算速度和准确性。 近年来，鉴于喷雾除尘技术的种种优点，国内对喷雾除尘技术越来越重视，研究也 很活跃，并且对该领域的研究不断深入。陈明基等用流体力学理论分析了水雾的捕集分 离机理，认为当气流携带固体颗粒接近捕集物时，在惯性碰撞、拦截和扩散等短程机理 综合作用下完成捕尘，并且提出了捕集效率的计算方法。张国权应用胶体化学理论解释 了水雾捕尘机理，将粉尘作为气溶胶粒子来研究，将水滴假设成坚硬的球体，从截留作 用、惯性沉降、扩散沉降、重力沉降等方面阐述了水滴的捕尘机理，并且提出了水滴群 捕集效率的计算方法。赵兴本在喷雾除尘技术应用上有过研究，杨玉军和梁彤等在水雾 降尘设计方法、 喷枪设备原理与性能等方面作过研究， 效果明显， 但主要是应用在矿山。 西安交通大学的张小艳对水的超声雾化技术进行了实验研究，应用回归分析建立了 超声雾化性能的数学模型。在分析微细水雾捕尘机理及捕尘水雾凝并沉降技术的基础 上，设计了集微细水雾捕尘凝聚、凝并降尘惯性沉降分离为一体的含尘气流净化系 统，并对该系统的除尘效率进行了实验研究，建立了相应的数学模型。该系统除尘效果 非常好，除尘效率达到了 99.6%。西南科技大学的陈海众分析了对喷除尘机理，实验考 察喷嘴气流速度、 含尘浓度和雾化水润湿含尘气流对除尘效率的影响， 并进行机理分析。 实验表明，除尘效率随喷嘴风速、含尘浓度的增大而升高，但有一个最优值，超过该值 后除尘效率反而降低。 原冶金部马鞍山矿山研究院的徐立成认为： 根据空气动力学理论， 含尘气流绕过雾滴时，尘粒由于惯性会从绕流的气流中偏离而与雾滴相撞从而被捕捉。 其被捕捉的机率与雾滴直径有关， 当雾滴直径与尘粒直径相近时， 雾滴更易捕捉到尘粒。 西安科技大学工程硕士学位论文 6 研究表明，雾滴直径与尘粒直径之比 k 值的范围在 1.25k1，(2.35)式无解。意味着对于0，(2.35)式 都 满 足 条 件 (2.25) ， 说 明 捕 集 发 生 在 雾滴 的 整 个 表 面 上 。 临 界 轨 迹 进 入 点 （,0ar=+=） 。所以， 西安科技大学工程硕士学位论文 20 2 00 0 0 (1) 2(,)(1)sin 2 er u daq uard u + = + 2 2(2)(1)aqd=+ (2.36) 雾滴的综合捕尘效率 由于雾滴和尘粒都是部分荷有一定量的电荷，设雾滴荷电比例 c1，尘粒荷电比例为 c2，按上文所述，忽略电荷的镜像力。发生静电作用的雾滴和尘粒在雾流中的比例为 c1c2，无静电作用的雾滴和尘粒的比例是 12 1 cc。设整个雾流的捕尘效率为，则 1 21 2 (1) e c cc c =+ (2.37) 从以上分析可以看出，在无静电作用条件下，捕尘效率与雾滴相对于气流的速度成 正比，与雾滴的半径成反比，在此情况下推导的雾滴捕尘效率和黄俊、郭烈锦和车得福 等人提出模型的结果相同；存在静电作用时，捕集发生在整个雾滴表面上，反映出荷电 后能大幅度提高捕尘效率的原因， 与 kraemer and john stone(1955)所得结果相同， 由(2.36) 式可知，捕尘效率与雾滴及尘粒的荷电量的一次方成正比；捕尘效率与松弛时间成正比 反映了惯性大的尘粒容易被捕集，这也说明了喷雾除尘过程中对呼吸性粉尘捕集效率不 高的原因。实际上，由于呼吸性粉尘质量很小，松弛时间非常短，通常可以认为呼吸性 粉尘与气流速度相同，当雾滴的直径比较大，雾滴对气流的扰动比较大，微小粉尘和气 流一样围绕雾滴发生绕流，不易发生碰撞，所以捕集效率不高。针对上述原因，一般可 采取减小雾滴直径、提高雾滴和尘粒的荷电比例及增加相对速度来提高捕集效率。 2.2 高压射流特性分析 2.2.1 高压连续射流的结构和形式 水在外部压力的作用下，经过管路从孔口或喷嘴形成高能流束喷射出去，形成水 射流。水射流的种类可以按照不同的应用来划分。按照其驱动压力的高低，可以分为高 压、中压、低压水射流;按照其入射的介质来分，又可以划分为淹没、非淹没水射流;按 照射流的结构来分，可分为连续、非连续水射流。本课题主要围绕高压水射流在喷雾降 尘方面的应用，在本课题中由于水射流是直接射入大气中并且是连续性的，故只涉及到 连续性非淹没性水射流。 (1) 高压射流结构 非淹没性水射流是指水射流直接射入空气中的一种射流。其特性与淹没性射流有 很大的区别。非淹没性水射流的结构随着压力的不同有着明显的差别。高压水射流从喷 嘴喷出后分为两个区：第一个区为有效作用区。在该区，雾粒以很高的速度运动，重力 对雾粒的影响甚微。 第二个区为衰减区， 在衰减区雾粒的运动速度逐渐减慢并开始降落。 对于高压喷雾，喷嘴中喷出的高速射流，在很短的距离上就分裂成雾粒，并在雾 2 高压喷雾在掘进工作面降尘应用的理论分析 21 粒之后形成一股气流。不仅是高压水的作用，而且也有气流的作用，射流中雾粒继续高 速运动。当压力超过 10mpa 时，由于水滴的速度更快，周围的空气被雾粒带走，雾流 与边界层的负压增加，附近的空气迅速补充，形成强烈的卷吸作用，如图 2.8。雾粒在 射流全长上运动速度的竖直向上的分量大于沉降速度，不会出现低压喷雾的明显沉降 区。水流分裂成雾粒的长度由水压力决定，压力越大，紧密水流段长度越小。涡流段越 长，发生沉降水的地点离喷嘴越远。 图 2.8 高压喷雾雾流结构 (2) 雾流的形式 水射流的喷雾形式很大程度上取决于水压力的大小。压力较低时，如 2.5mpa，喷 雾射流的形式为实心圆锥，随着压力的增加，可以明显的观察到圆锥部分长度的缩短， 射流逐渐变成圆柱形。表 2.l 为苏联学者实验 lmm 直径喷嘴的圆锥形段和圆柱形段的长 度，表 2.2 为西安科技大学黄俊教授试验 1.5mm 直径喷嘴得到的结果。从表 2.l 和表 2.2 不难看出，提高喷雾射流的压力可以增加圆柱形段的长度，使雾化射流在含尘空气中通 过的路径增长而取得良好的降尘效果。 从表 2.1 和 2.2 不难看出，提高喷雾射流的压力可以增加圆柱形段的长度，使雾化 射流在含尘空气中通过的路径增加而取得良好的捕集效果。 表表 2.1 不同压力下射流段的长度不同压力下射流段的长度 表表 2.2 不同压力下射流段的长度不同压力下射流段的长度 射流长度（m） 射流长度（m） 圆锥形 圆柱形 圆锥形 圆柱形 压力 （mpa） 喷嘴直径 1mm 压力 （mpa） 喷嘴直径 1.5mm 2.5 4.5 0.6 1.0 2.5 1.0 5.0 4.0 1.5 4.0 2.0 1.52.0 7.5 3.5 2.5 6.0 11.5 2.03.0 10 3.5 2.6 10 0.51.0 3.04.0 12 2.5 3.5 2.2.2 雾流中雾粒的粒度与分散性 雾化水射流降尘中雾粒的粒度，是一个对除尘效果有很大的影响因素。低压喷雾降 尘的效果较差，尤其对于直径小于 5m 的呼吸尘效果更差，这一点己被实验证实。分 卷吸区 圆锥段 圆柱段 西安科技大学工程硕士学位论文 22 析其主要原因是：水的粒度过大，分散性差，水滴数量少，与粉尘碰撞，拦截的几率小。 为了研究雾粒的分散性，常用记数法，也称做氧化镁涂层承接雾粒分散度测定法。 这种方法可以抽样性的测定雾流中的雾粒分散度。这里引用资料中的实验结果，水压越 高，雾粒的直径越小，分散的均匀度越好。但是，不是雾粒的粒度越小越好，前苏联学 者在解算粉尘对于雾粒轨迹方程的基础上，确定出粉尘的最小粒度为： min 18 a r v = (2.38) 式中，空气的勃度系数； a雾粒的直径； 水的粘度； 粉尘的密度； u 一气流的速度。 上式中，、 等参数在一般情况下都不会有多大的变化，可视为常数，在相同的气 流速度中，粉尘的最小粒度 rmin与物理直径的平方根成正比，显然雾粒粒径要比 rmin大 的多。事实上，过小粒径的雾粒极易气化,它在空气中存在的时间可以用下式计算: 0 0 8 () a t k pp = (2.39) 式中，a0雾粒的直径； k 一比例系数，等于 1.50.2； p0雾粒蒸汽的压力，mmhg； p湿空气的压力。 对于平均粒度直径为 30m 的雾粒，在温度为 20、16、10时和空气的相对 湿度为 80%及 90%时的存在时间见表 2.3。 表 2.3 30 m 雾粒在空气中存在的时间雾粒在空气中存在的时间 温度 雾粒存在时间（s） 空气相对湿度 80% 20 16 10 7.1 9.5 14.0 空气相对湿度 90% 20 16 10 14.7 11.8 28.0 2 高压喷雾在掘进工作面降尘应用的理论分析 23 为此，雾粒的粒度不能过小，30m 的雾粒在相对湿度为 80%、温度为 200的空 气中能保持 7.1 秒，可见小于 30m，譬如几个微米的水滴还没有与粉尘碰撞就气化了， 因此基本上不起捕尘作用。由此可见，过大或过小的雾粒降尘效果都不好，资料表明， 恒压喷雾时，各种条件下喷嘴直径和各种压力所产生的雾粒直径可用以下公式计算： 1 0 1.26 (1.79)kp a dp = (2.40) 式中，a0雾粒的直径，m； k比例系数，等于 34530； d 一喷嘴直径，mm； p水压，kg/cm2。 结果表明， 当恒压供水时， 采用 lmm 和 2mm 喷嘴， 喷雾射流压力为 7.5mpa， 10mpa 时，雾粒为 100m，左右，压力为 12.5 和 15mpa 时，雾滴粒度为 80-50m，因此最佳 喷雾射流压力为 7.5-10mpa。 2.2.3 高压水射流的几何特性 连续喷雾射流的几何特性主要研究射流的长度、直径等参数及其变化规律。所谓射 流长度一般指初始段长度，而射流直径则要计算离喷嘴出口不同距离处，也就是不同靶 距处射流直径的数值，从而了解射流的扩散情祝。 (1)射流的初始段长度 所谓射流的初始段长度(也称原始段)是指射流轴心以喷嘴出口流速等速运动的密 集射流段，mn 为转棙面，如图 2.8。这段射流越长，表明密集性好，对用于切割的射 流具有良好的质量，而对用于除尘的射流则相反。 图 2.8 射流结构 射流初始段的长度取决于很多因素，最主要的因素有三项，第一是压力，第二是射 流初始段的雷诺数，第三是喷嘴加工的精度和表面粗糙度。由于喷射压力较高，雷诺数 re 0.4106时，射流初始段长度直接决定于形成条件，而不再和雷诺数有关，可按下 原始段 水滴段 西安科技大学工程硕士学位论文 24 列公式选择： 00 (53106)ld= (2.41) (2) 射流直径 水从喷嘴喷射出后，即逐渐扩散，这是由于射流除轴向运动外，还有一定的横向速 度。这种横向速度使射流从喷嘴喷出后发生湍流扰动，并使射流与外部空气相互作用， 在水流中出现水的断裂，继而分裂成水滴。 捕尘主要发生在高压水射流的的圆柱形段内， 雾化射流的直径对降尘效果有很大影 响， 射流直径与水压力和喷嘴所处的气流状态有关。 雾化面积和空间越大， 对粉尘碰撞、 截获的范围就越大，碰撞与截获的几率也必定增加，在无气流扰动的情况下，圆柱段射 流的雾化面积为： 2 4 sd = 式中 d圆柱形射流的直径； 不考虑气流干扰的雾化空间为： 2 4 vsld l = (2.42) 式中 l圆柱形射流的长度； 从高压雾化射流的结构和形式可知，这种射流具有一系列能大大提高降尘效果的特 点：没有明显的衰减区，具有相当长的圆柱段和强烈的涡流卷吸区；以及增加了雾化直径。 2.2.4 雾粒的带电效应 由于水雾的电荷效应，压力水从喷嘴喷出后，部分雾粒自然就带上了电荷，电荷 的数量及雾粒荷电比例由喷雾方式决定，矿尘在产生过程中的碰撞、摩擦，部分矿尘也 带上一定的电荷。静电作用可以降低液体表面张力，减少雾化阻力，同时同性电荷间的 排斥作用产生与表面张力相反的附加内外压力差，从而提高雾化程度30。由 2.1.4 小节 的分析可知，尘粒和雾粒带有电荷能够提高降尘效率，尤其是捕集呼吸性粉尘的效果很 明显。数据表明，雾化射流中带电雾粒的相对含量随着水压力的增加而增加，比较显著 的是带负电荷雾粒的含量增加。见表 3.7。采用空气水离子分光计测量雾化射流中电 荷体积密度， 雾化射流中雾粒电荷的平均值见表 3.8， 表 3.8 表明电荷数随水压的增加而 急剧增加。 由 2.2.4 节关于静电效应的分析可知，捕集效率与尘粒及雾粒所带的电荷成正比， 所以，雾粒捕捉粉尘能力和整体降尘系数也大为提高。 2 高压喷雾在掘进工作面降尘应用的理论分析 25 表表 3.7 各种带电颗粒比例与水压的关系各种带电颗粒比例与水压的关系 雾粒数量（%） 水压力(mpa) 被测雾粒数量 （粒） 中性 带正电荷 带负电荷 喷嘴直径 0.8mm 2.5 11098 25.5 28.6 45.9 5.0 7995 16.6 33.7 47.7 7.5 7756 13.7 34.1 52.2 10.0 9089 11.7 26.5 66.8 12.5 12052 11.8 22.8 65.4 喷嘴直径 1.0mm 2.5 9009 26.1 36.5 37.4 5.0 10024 27.4 33.3 39.0 7.5 11006 22.8 32.5 44.0 10.0 12709 19.3 33.3 47.4 12.0 16408 14.5 34.6 50.9 表表 3.8 各种电荷平均值与水压的关系各种电荷平均值与水压的关系 雾粒电荷的平均值 喷嘴类型 水压 (mpa) 带正电 带负电 2.5 1600 900 5.0 2300 1900 7.5 4600 2900 10.0 7500 4200 直径 0.8mm 的喷嘴 12.5 13800 5400 2.5 1900 2200 10.0 8400 8100 直径 1.0mm 的喷嘴 12.5 12300 11500 2.3 本章小结 本章主要对高压喷雾射流的破碎、降尘机理、单颗水滴捕尘效率和雾流特性进行了 理论分析，给出了粉尘在水滴附近运动方程的数学表达式，及单颗水滴捕尘效率的数学 表达式。高压雾流特性对除尘效率的影响主要体现在： (1)雾流的卷吸作用，这是二次雾化结构的设计理论依据。 西安科技大学工程硕士学位论文 26 (2)射流长度的增加可以提高降尘效率。 (3)雾流的几何参数对降尘效果的影响很大，表现在：射流初始段越长，则有效雾化 面积越小，从而使降尘效果越差；射流的扩散直径越大则有效雾化面积越大，从而使降 尘效果越好。 (4)雾粒的大小对降尘效果影响很大。雾粒与尘粒之间的关系为：在相同的气流速度 下，粉尘的最小直径 rmin与雾粒直径的平方根成正比。 (5)水滴对雾粒的捕集效率与流速和尘粒的关系为：当水滴越小，流速越大，煤尘的 尘粒越大时，降尘效率会越高。但是过小的水滴很容易被汽化，所以，水滴有一个最佳 粒度，大约为 2050m。 (6)雾化射流中带电雾粒的相对含量随着水压力的增加而增加， 电荷数随水压的增加 而急剧增加，雾粒捕捉粉尘能力和整体降尘系数也大大提高。 3 影响喷雾降尘效果的因素分析 27 3 影响喷雾降尘效果的因素分析 降尘的方法有很多，但是从前面的分析中可以得知在矿山降尘中湿法除尘是各种除 尘方法中综合指标最好的除尘方式。在实际应用中，喷雾降尘是炮采作业中使用效果比 较好的除尘方法。对于喷雾降尘来讲，喷雾效果的好坏直接影响除尘效果，为此，对喷 雾效果的影响因素分析是很有实际意义的。 3.1 水的特性对喷雾降尘效果的影响 喷雾系统的工作介质是水。在系统运行过程中，液态水从常压状态，经加压管路或 喷雾泵增加到一定的压力，再经雾化喷嘴，将压力液态水雾化，然后水雾以一定的运动 规律与煤尘发生碰撞、拦截、扩散和重力沉降等作用，最后达到降尘的目的。在此过程 中，水作为工作介质对喷雾系统有着十分重大的影响。 3.1.1 水的物理特性对水射流雾化的影响 从水介质的物理学特性分析中可以得到各种因素对水射流的影响作用。这里主要研 究对于喷雾射流的影响作用。其中水的表面张力对雾化及降尘效果最大。水与气体交界 的自由表面因内聚力作用，使表面形成一层膜，其上受有张紧的力，称为表面张力。水 与固体接触，由于水表面张力的存在以及水与固体附着力大小的不同，有的固体能“润 湿” ，有的就不能“润湿” 。这对研究水滴捕捉固体粉尘颗粒有很大影响。 此外，水的酸碱性对喷雾系统也有影响。控制喷雾用水的 ph 值对保证喷雾系统的 正常工作也是很重要的。水质酸性或碱性过大都会加快各金属部件的腐蚀，不仅会降低 管路及元件的使用寿命，而且可能阻塞管路或喷嘴，严重影响喷雾效果。 最后，水的荷电性对喷雾降尘也有很大影响，由于水雾的电荷效应，压力水从喷嘴 喷出后，部分雾粒自然就带上了电荷，电荷的数量及雾粒荷电比例由喷雾方式决定，矿 尘在产生过程中的碰撞、摩擦，部分矿尘也带上一定的电荷，由 2.1.4 小节的分析可知， 尘粒和雾粒带有电荷能够提高降尘效率，尤其是捕集呼吸性粉尘的效果很明显。 3.1.2 湿润剂对喷雾效果的影响 各种粉尘都有一定的疏水性，水的表面张力一般情况下比较大。对于微小颗粒 动能不足以克服雾粒的表面张力，因此，粉尘一般不能容易地被水迅速完全地湿润，致 使雾化射流降尘的除尘效果受到一定影响。往水中加入少量湿润剂，使水溶液的物理化 学性质发生变化，提高湿润能力。湿润剂是由亲水基和憎水基两种不同性质的基因组成 的化合物。所谓亲水基是易溶于水或易被水湿润的原子团被水分子吸引湿润而溶于水， 西安科技大学工程硕士学位论文 28 而憎水基被水分子排斥伸向空气，于是湿润剂物质的分子在水溶液表面形成紧密的，定 向排列的吸附界面层。由于存在界向吸附层，使水与空气接触的表层分子接触状态发生 了变化。接触而积大大减小，导致水的表面张力降低。随着湿润剂浓度的增加，聚集成 许多分子组成的胶束。这种胶束与界面吸附层的形成，并朝向空气，对尘粒分子有吸附 作用，并把尘粒带入水中，从而提高了水溶液湿润能力。很多国家的研究和试验证明： 在水中添加湿润剂，并使用这种湿润剂水溶液进行喷雾降尘，能得到明显的降尘效果。 3.1.3 水中杂质对喷雾系统的影响 由于水资源比较紧张，对许多矿井来说生产用水都需要回收再利用，同时从地面水 池到综掘工作面有相当长的供水管路， 这就难免造成喷雾用水中含有较多、 较大的杂质。 而喷雾系统中的关键元件雾化喷嘴的孔径十分微小， 极易造成堵塞， 导致喷雾系统失效。 这也是目前国内外喷雾系统不能正常工作的主要原因之一。 3.2 喷嘴对喷雾性能的影响 水依靠喷嘴作为执行元件才能进行雾化。喷嘴还把高压喷雾泵或增压泵提供水压力 能转化为动压能。高压水的能量都要通过喷嘴转换。在某种意义上喷嘴又相当于一种工 作结构，其几何结构及动力性能参数对水的雾化和能量转化的效率有着十分重大的影 响。 3.2.1 喷嘴选型对雾化效果的影响 水射流用于喷雾降尘时，一般选用雾化型喷嘴。收敛喷嘴主要将压力能转化成 动能，而对雾化型喷嘴，压力通过后的雾化质量除了也需要有较高的雾滴运动速度外， 还要使雾粒达到合理的粒度及分布的均匀度和较大的扩散面积等。试验研究表明，喷嘴 的雾化质量主要取决于喷嘴的转化原理和结构。常用压力转化型雾化喷嘴的类型如图 3.1.其主要技术特征见表 3.1。 表表 3.1 常用压力转化型配额闭嘴主要技术特征常用压力转化型配额闭嘴主要技术特征 喷嘴结构 雾化原理 雾流形状 雾化质量 螺旋牙水芯 压力离心 空心圆锥形 分布均匀雾粒下细小 平射型 压力收缩 扁锥形 颗粒度与分布不均匀 十字形导水芯 压力冲击 扁锥形 颗粒度与分布不均匀 直射型 压力收缩 线形 扩散和雾化都差 3 影响喷雾降尘效果的因素分析 29 螺旋导水芯喷嘴图 平射型喷嘴 十字形导水芯喷嘴 直射型喷嘴 图 3.1 常用压力转化型喷嘴 通过不同型号喷嘴性能的对比可以看出：喷嘴对水流的雾化质量主要取决于喷嘴的 结构和雾化原理，一次雾化型雾流半径小；雾粒颗粒度不均匀；雾流中水的分布在轴线 上比较集中，在雾流断面上分布不均匀。 3.2.2 喷嘴参数对喷雾性能的影响 (1)喷嘴内孔表面的粗糙度是决定射流品质和喷嘴寿命的重要因素1。 喷嘴内孔表面的微小凹凸不平，会导致射流产生较大的初始扰动，这种扰动扩散后 将引起流体的压力波动。在高速流中，这种压力波动会引起严重的局部空穴现象。 对喷嘴内孔以及粗糙度的变化分析表明，随着粗糙度的增加，水射流的出口边界厚 度增加，出口速度变小，加速因子减小，同时喷嘴内产生分离的可能性增大，层流化的 可能性变小，射流密集性和切割能力变差。因而喷嘴内孔表面越光滑越好。 (2)喷嘴出口圆柱段的长度 大量的实验分析表明：随着圆柱段的增加，出口速度随之增加，而射流密集段的长 度却随之减小。由此可见，对于水射流喷嘴而言，圆柱段长度存在最佳值。另外，喷嘴 西安科技大学工程硕士学位论文 30 圆柱段收缩角的大小及流体流动条件，对圆柱段的最佳长度也有影响。一般取圆柱段长 度为喷嘴出口直径的 2.53 倍最合适1。 3.3 喷雾系统参数的合理匹配对雾化效果的影响 3.3.1 喷雾压力对雾化效果的影响 喷雾压力是指泵站及喷雾系统工作时，流径喷嘴处的水压。图 3.2 所示为压力与雾 粒直径的关系曲线，水压增大，雾滴直径小，雾流与煤尘的接触面积增加，降尘效果更 好。 图 3.2 水压与雾粒直径的关系曲线 但压力过高不仅导致喷雾泵在较高压力下工作，耗电多，同时不利于喷雾泵的使用 寿命。特别是压力过高会造成对从喷雾泵到喷嘴水路的维护困难，极易出现管路破损现 象。因此，在满足喷嘴雾化降尘效果较好的前提下，应尽可能地限制喷雾系统的压力， 降低系统的运行成本。 3.3.2 喷嘴直径、压力与雾滴直径的匹配关系 雾粒太大或太小都不能获得最佳的降尘效果，资料表明，一般情况下具有最佳降尘 效果的雾粒为 5080m。一般情况下，雾粒的粒径与喷嘴直径和喷雾压力有一个对应关 系，这个关系是一个经验公式1： 1.26 0 (1.971) ()dkpd p= (3.1) 。= 2 。= 1 . 2 。= 1 . 5 3 影响喷雾降尘效果的因素分析 31 式中，a0雾粒的直径，m； k比例系数，等于 34530； d 一喷嘴直径，mm； p水压，kg/cm2 计算与实验结果见表 3.4。 表表 3.4 水压与雾粒数量、直径的关系水压与雾粒数量、直径的关系 喷嘴直径（mm） 水压力 mpa 0.8 1.0 1.2 2.5 256/300 125/452 512/564 5.0 258/150 592/198 588/286 7.5 479/80 653/96 546/102 10.0 682/50 708/75 498/97 12.5 594/42 691/60 523/80 15.0 584/43 325/63 结果表明，采用 1mm、1.2mm、1.5mm 喷嘴在恒压喷雾时，水压力 7.510mpa 时，