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1、 第 30 卷第 3 期煤 炭 学 报Vol. 30 No. 3 2005 年6 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJune 2005 文章编号： 0253 -9993 （2005） 03 -0297 -04 喷雾降尘机理的研究 马素平，寇子明 （太原理工大学 机械工程学院，山西 太原 030024） 摘 要：为了更好地利用喷雾技术高效沉降煤矿生产中作业场所的高浓度粉尘，对喷雾降尘机理 进行了深入研究. 以煤矿井下回风巷道中沉降浮尘为研究对象，分析影响粉尘沉降效率的因素， 建立了相应的数学模型，应用 MATLAB 软件绘制出粉尘沉降效率曲线. 由此得出，水雾粒径越 小
2、降尘效率越高，但不同粒径的粉尘颗粒对应一个较佳的水雾粒度；当采用压力型雾化喷嘴沉降 浮尘时，降尘效率主要取决于供水压力，不同粒径的粉尘需要的水压力不同，依据实际粉尘颗粒 的分散度和降尘要求参照曲线图来选择合适的供水压力，可以达到更好的效果和经济效益. 关键词：喷雾；煤矿粉尘；降尘效率 中图分类号：TD714. 41 文献标识码：A 收稿日期：2004-11-18 基金项目：山西省科技攻关资助项目（031121） 作者简介：马素平（1960 - ）男，河北石家庄人，副教授，博士研究生. Tel： 0351 -8609572，E - mail：msp889 sohu. com Study on m
3、echanism of reducing dust by spray MA Su-ping，KOU Zi-ming （College of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China） Abstract：For making well of spray technique to reduce the coal mine dust，studied the mechanism of reducing dust by spray further. Took reducing float du
4、st in coal mine circulating tunnel as study object，analyzed the factors of influence to efficiency of spray for reducing dust，and set up relevant mathematics model and drew efficiency curves of reducing dust by MATLAB. From which it was obtained that the smaller the water fume is， grain the high- er
5、 the efficiency of reducing dust，and different diameter dust grain has a relevant best water fume grain. When a- dopting pressure type atomized spray nozzle to reduce float dust，the efficiency mainly depends on water pressure. Different diameter dust grain needs different water pressure. According t
6、o reality dust grain and request for reducing dust，referring to efficiency curves and selecting suitable water pressure so that a good result of reducing dust and e- conomic may be obtained. Keywords：spray；coal mine dust；efficiency of reducing dust 煤矿井下采掘工作面生产作业时会产生大量粉尘，这些粉尘不仅危害工作人员的身体健康，尤其是颗 粒细微的粉尘
7、很容易被人体吸入肺部导致尘肺病，而且对安全生产也有不利影响. 悬浮在空气中的细微粉 尘还会随着巷道中空气的流动飞扬飘散到更远的地方，造成更大范围的空气污染和危害，因此必须将其有 效沉降. 在煤矿井下的特殊工作环境中，采用湿式喷雾降尘是最经济简便的方法，但实际应用情况并不理 想. 由于这方面的理论研究较少，导致实际应用中存在盲目性，浪费了大量水资源，没有收到应有的效 果. 笔者从理论上作分析探讨，希望对实际应用有指导意义. 煤 炭 学 报 2005 年第 30 卷 1 喷雾降尘数学模型的建立 1. 1 假设条件 以在煤矿井下采煤工作面回风巷中设置喷雾系统沉降浮尘为例进行分析研究. 大型煤矿回风巷
8、的断面 一般都在 10 m2以上，在巷道顶部布置一排间隔约 0. 5 m 的雾化喷嘴，然后沿巷道喷射水雾，同时水雾颗 粒在重力作用下下落，这样水雾会充斥在巷道的一定长度范围内形成水雾柱流，水雾柱流的长度与喷射速 度有关（速度又与喷雾压力有关） ，经实际观测，2 MPa 供水压力下有效水雾柱流长度可达 4 m. 如果喷 嘴喷出的水雾雾化均匀、分散度好，则在 4 m 长范围内有高速运动的水雾柱流在整个回风巷道中拦截浮 尘. 在水雾柱流有效作用范围内，水雾运动速度比巷道中含尘空气流动速度大得多，故可近似认为雾滴与 粉尘的相对速度是水雾柱流的运动速度. 此外，粉尘随空气流动在整个巷道断面上的分布也是均
9、匀的. 1. 2 影响粉尘沉降的主要因素 喷雾降尘主要是雾滴与粉尘颗粒的碰撞捕集和凝结沉降 1. 经研究分析，对粉尘沉降量影响较大的 因素主要有以下几个：雾滴与粉尘的相对速度，孤立液滴的捕尘效率，粉尘浓度，捕集区截面积，空间体 积含水量，雾滴截面积，雾滴体积. 那么单位长度范围内单位时间粉尘沉降量 M = f（U，g，C，A，q， S，V） ， 通过量纲分析得到如下关系式 M = UgCAqS/ V，（1） 式中，M 为单位长度范围内单位时间的粉尘沉降量，g/ （mt） ；U 为雾滴与粉尘的相对速度，m/ s；g 为孤立液滴的捕尘效率；c 为粉尘浓度，g/ m3；A 为捕集区截面积，m2；q
10、为空间体积含水量，m3/ m3；S 为雾滴截面积，m2；V 为雾滴体积，m3. 图 1 巷道断面微元体 Fig. 1 Tiny body 1. 3 数学模型的建立 如图 1 所示，设某回风巷道断面积为 A，取长度为 dx，dc 为粉尘浓度降低 量，则在微元体 Adx 内粉尘单位时间的质量平衡方程：原始粉尘量 = 沉降后 粉尘量 + 被沉降的粉尘量，表达式为 cUgA = UgA （c + dc）+ M dx，（2） 将式（1）代入式（2）得 cUgA = UgA （c + dc）+ UgcAq S V dx，（3） 式中，U = Ud- Ug，其中 Ud为雾滴的运动速度，m/ s；Ug为粉尘随
11、空气的流动速度，m/ s；q = Q/ UdA，其 中 Q 为雾滴体积流量，m3/ s；S 为雾滴截面积，S = 4 D2 c；V = 6 D3 c，其中 Dc为雾滴粒径，m；g 为孤立 液滴的捕尘效率，即 g= B0p.（4） B0为包括截留和扩散作用的实验常数，由实验确定；p为孤立液滴惯性碰撞捕集效率 2，即 p=kp/ （kp+ 0. 7） 2. （5） kp为尘粒运动的无因次惯性参数，称为斯托克斯准数 3，即 kp= Bd2 pppU/9gDc， （6） 式中，B 为坎宁汉滑动修正系数；dp为粉尘粒径，m；pp为尘粒密度，kg/ m3 ； g为气体黏度，Pas. 由式（3）知：0 =
12、Ugdc + Ugcq S V dx，将有关参数代入得 - dc c = U UgUdg Q A 3 2Dcdx. （7） 将式（7）两边积分得 ln c = -3UQ 2UgUdADcgx + a，设原始粉尘浓度为 c0，则 x = 0 时，c = c0，a = ln c0， 892 第 3 期马素平等：喷雾降尘机理的研究 于是 ln c - ln c0= - 3UQgx 2DcAUgUd，c = c0exp - 3UQgx 2DcAUgU () d . 降尘率 为粉尘浓度减少的量除以原始粉尘浓度，即 = c0- c c0 = 1 - c c0 = 1 - exp 3UQgx 2DcAUgU
13、 () d .（8） 联立式（4） （6）和式（8）得 = 1 - exp - 3UQx 2DcAUgUdB0 Bd2 pppU Bd2 pppU + 6. 3gD () c 2 .（9） 当仅考虑惯性碰撞捕尘机理时，B0=1，且取 B =1 . 无烟煤粉尘的堆积密度 4p p=600 kg/ m 3，将其 作为粉尘的密度. 某矿综采工作面回风巷粉尘随空气流动速度 Ug=1. 6 m/ s，巷道断面积约为 10 m2，气 体的动力黏度 g=1. 8 10 -5 Pas. 则式（9）可简化为 = 1 - exp - 3UQx 32DcUd 1 1 + 1. 89 Dc d2 pU 10 - 7
14、2 .（10） 2 喷雾降尘效果的影响因素及分析 当雾化喷嘴口径一定时，喷嘴耗水量与供水压力的关系式 5为 Q0= kd2p，Q0= 10 -3 60 kd2p，（11） 式中，Q0为单个喷嘴耗水量，L/ min；d 为喷嘴出口直径，mm；p 为供水压力，MPa；k 为实验系数. 不同喷嘴 k 不同，实验用的 1. 2 mm 口径的喷嘴 k =1. 4. 雾流有效作用区内雾滴速度近似取雾滴在喷 嘴出口时速度的一半，即 Ud= Q0 2A0 = 2Q0 d 2 = 2 10 -3 60 kd2p d 2 10 -6 = 102 3 k p.（12） 回风巷中间隔设置了 7 个雾化喷嘴，喷雾有效作
15、用区长度取 x = 4 m，近似取 UUd，将式（11） ， （12）代入式（10）并简化得 = 1 - exp - 21 8Dc 10 -3 60 kd2p 1 + 1. 89 3Dc 102d2 p k p 10 - () 7 - 2 . 取喷嘴口径 d =1. 2 mm ，k =1. 4，雾滴粒径 Dc单位为 m ，则上式为 = 1 - exp - 88. 2 p Dc 1 + 12. 717 Dc d2 p p 10 - () 3 - 2 .（13） 以粉尘粒径 dp为横坐标，降尘效率 为纵坐标，当雾滴粒径 Dc= 25，50，100，200 m 时，应用 MATLAB 软件绘制出降尘
16、效率曲线，如图 2 所示. 每幅图中有 10 条曲线，从下到上依次对应的供水压力 分别为：1，2，3，4，5，6，7，8，9，10 MPa. 从图 2 中对照比较看出，雾滴粒径越小，降尘效率越高， 供水压力越大，降尘效率越高. 由图 2（a）可知，当水雾粒径为 25 m 时，对粒径为 1 m 以上的粉尘，供水压力在 2 MPa 以上时， 降尘率均超过 95%；而对于 0. 5 m 以下的粉尘颗粒，沉降效率急剧下降. 图 2（b）为 50 m 粒径的水 雾，对 1 m 粒径的粉尘，沉降效率要达到 90%，水压必须在 5 MPa 以上. 如图 2（c）所示，水雾粒径 为 100 m，针对 5 m
17、粒径的粉尘，水压达到 8 MPa 时沉降率才能达到 90%. 对粒径为 200 m 的水雾， 10 MPa 的水压其降尘率最高只能到 75%. 在雾滴粒径一定时，供水压力大主要是提高了雾滴的运动速度 和单位空间含水雾颗粒的数量，这样可以提高粉尘颗粒被水雾颗粒碰撞凝结的几率，提高降尘效率. 992 煤 炭 学 报 2005 年第 30 卷 图 2 喷雾降尘效率曲线 Fig. 2 Efficiency curves of spray dustfall 对于压力型雾化喷嘴，水雾粒度与供水压力有直接关系，一般常用的喷嘴，要获得粒径 200 m 的水 雾，供水压力需在 5 MPa 以上 1，由图2（d）
18、中看到，对粒径5 m 以上的粉尘，5 MPa 水压的降尘率只 能达到 60%；粒径 100 m 的水雾需要至少 8 MPa 水压，由图 2（c）看到，粉尘沉降效率能达到 90% 的 最小粉尘颗粒是 3 m，再大颗粒的粉尘沉降效率基本保持不变. 小于 2 m 的粉尘沉降率将急剧下降. 3 结 论 采用压力型雾化喷嘴实施喷雾降尘时，针对确定的使用场合，降尘效率主要取决于供水压力，不同粒 径的粉尘需要的水压力不同，越细微的粉尘需要的压力越高. 供水压力高，不仅可以获得颗粒细微的水 雾，还使水雾颗粒运动速度大、空间含水量大，这对于以碰撞机理为主的降尘方法极其有利. 依据实际粉 尘颗粒的分散度和降尘效率
19、要求参照相应的曲线图来选择合适的水压可以达到好的效果和最佳的经济效 益. 该结论适用于任何采用压力型雾化喷嘴喷雾沉降煤矿粉尘的工作场所. 对于粒径在 0. 5 m 以下的微 细粉尘，用喷雾来沉降效率很低，而且很细小的水雾颗粒在空气中会很快蒸发，起不到作用. 水雾粒径越小，粉尘沉降率越高，为我们提出了又一个研究课题：改进压力型雾化喷嘴结构，在有限 的供水压力下，如何获得细微的水雾颗粒. 因为较高的水压带来的问题是： 能耗大； 供水系统中所 有零部件承受压力大，易出故障、寿命短，尤其是采掘设备上的内喷雾系统. 参考文献： 1 黄 俊. 水射流除尘技术M . 西安：西安交通大学出版社，1993. 114 131. 2 蒋仲安. 湿式除尘器分级效率的计算与分析J . 安全，1995（3） ： 1 6. 3 马广大. 除尘器性能计算M . 北京：中国环境工业出版社，1990. 210 227. 4 赵益芳. 矿井防尘理论及技术M . 北京：煤炭工业出版社，1995. 18 22. 5 张也影. 流体力学M . 北京：高等教育出版社，1999. 326 342. 003