煤礦綜掘工作面濕式控塵技術(shù)研究進(jìn)展及展望

朱曉彤，胡勝勇，孫 健，金子敬，王曉光，杜李博

（太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 晉中 030600）

煤礦綜掘工作面呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度長(zhǎng)、掘進(jìn)速度快、單位時(shí)間產(chǎn)量高等特點(diǎn)，導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境粉塵污染日益嚴(yán)重，而長(zhǎng)期工作于含有大量呼吸性粉塵的綜掘工作面中會(huì)直接提高礦工群體塵肺病的發(fā)病率[1-2]。據(jù)國(guó)家衛(wèi)健委的數(shù)據(jù)顯示，截至2021 年底，中國(guó)每年新增塵肺病病例數(shù)占新增職業(yè)病病例數(shù)的比例高達(dá)70%以上，全國(guó)累計(jì)報(bào)告職業(yè)性塵肺病患者91.5 萬(wàn)人[3]。煤炭行業(yè)的塵肺病危害問(wèn)題一直嚴(yán)重制約著本行業(yè)安全高效發(fā)展。

粉塵不僅會(huì)嚴(yán)重影響煤礦工人的生命健康，還威脅到了煤礦高質(zhì)量發(fā)展。粉塵爆炸是煤礦5 大災(zāi)害中致災(zāi)性最強(qiáng)的，和瓦斯爆炸相比，粉塵爆炸釋放能量大、破壞性更強(qiáng)，造成的人員財(cái)產(chǎn)損失更嚴(yán)重[4]。我國(guó)煤礦粉塵爆炸危險(xiǎn)性普遍更高，國(guó)有煤礦中有87%煤礦的煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，具有強(qiáng)爆炸性占比達(dá)到60%[5]。近幾年，我國(guó)煤礦綜掘面多次發(fā)生由粉塵自燃爆炸引起的重大、特大事故[6]。

現(xiàn)如今，在煤礦粉塵治理與職業(yè)病預(yù)防面臨挑戰(zhàn)的背景下，我國(guó)煤礦已經(jīng)初步形成了多種降、除塵技術(shù)與方法，但由于綜掘工作面產(chǎn)塵量大、產(chǎn)塵點(diǎn)多，綜掘巷道空氣中的粉塵濃度始終居高不下[7-8]。目前，在煤礦綜掘工作面采用的粉塵防控技術(shù)主要可分為干式控塵和濕式控塵2 大類，其中以噴霧、濕式除塵器為代表的濕式控塵技術(shù)具有成本低、占用空間小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在綜掘面應(yīng)用較為廣泛[9-10]。對(duì)此，分類討論了噴霧降塵、濕式除塵器除塵等濕式控塵技術(shù)在煤礦綜掘面治理的進(jìn)展，為解決煤礦粉塵危害問(wèn)題，改善綜掘工作面環(huán)境，促進(jìn)綜掘面安全綠色發(fā)展提供參考，為未來(lái)粉塵防治技術(shù)提供發(fā)展方向。

1 噴霧降塵

噴霧降塵原理圖如圖1。噴霧降塵技術(shù)的原理是向空氣中漂浮的粉塵顆粒噴射霧滴，過(guò)程中伴隨著復(fù)雜的物理變化，其中包含靜電捕集、慣性碰撞、擴(kuò)散捕集、攔截捕集以及重力沉降等多重機(jī)理共同作用，使得霧滴浸潤(rùn)粉塵顆粒并與之聚合在一起，從而達(dá)到降塵的目的[11]。

圖1 噴霧降塵原理圖Fig. 1 Schematic diagram of spray dust reduction

針對(duì)綜掘工作面粉塵治理，噴霧降塵是一種經(jīng)濟(jì)有效的降塵方式，綜掘工作面噴霧區(qū)域包括有掘進(jìn)機(jī)內(nèi)、外噴霧、各轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧、運(yùn)輸系統(tǒng)噴霧等，因此，采取噴霧降塵技術(shù)在綜掘工作面應(yīng)用廣泛。為了提高噴霧降塵技術(shù)對(duì)綜掘工作面呼吸性粉塵的除塵效率，國(guó)內(nèi)外高校研發(fā)了高壓噴霧降塵、氣水噴霧降塵、磁化水噴霧降塵、泡沫噴霧降塵等技術(shù)，主要研究了無(wú)風(fēng)條件下不同工作參數(shù)和外添加介質(zhì)對(duì)霧化特性和降塵效率的影響，并在綜掘工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用。

1.1 高壓噴霧降塵

高壓噴霧降塵是綜掘工作面使用最多的一種降塵技術(shù)，使用高壓水流為介質(zhì)，通過(guò)改變各項(xiàng)高壓噴霧技術(shù)參數(shù)，從而獲得良好的降塵效果。

由于在噴霧降塵過(guò)程中，煤塵顆粒的粒徑和積聚程度、霧化粒度和性質(zhì)、氣流流場(chǎng)速度和方向等多種因素都影響著噴霧的降塵效率。因此，最小降塵粒徑與霧滴粒度的公式為[12]：

式中：dp為最小降塵粒徑，m；μ 為空氣動(dòng)力黏度，Pa·s；D 為霧滴粒徑，m；Stk為斯托克斯數(shù)；ρp為粉塵密度，kg/m3；v 為氣流速度，m/s。

對(duì)于噴霧降塵過(guò)程中對(duì)煤塵顆粒物捕捉效率，其中一部分霧滴和塵粒荷具有荷電性，因此將捕集效率分為惰性凝結(jié)和靜電凝結(jié)（非惰性凝結(jié)）2 種情況，主要為惰性凝結(jié)。因?yàn)榉蹓m與霧滴的碰撞屬非彈性碰撞，同時(shí)粉塵具有濕潤(rùn)性，導(dǎo)致每次碰撞后使得煤塵濕潤(rùn)變大、變重，最終發(fā)生重力沉降[13]。

針對(duì)孤立捕塵體的捕塵效率的計(jì)算，在極限流內(nèi)所有的霧滴與粉塵顆粒相碰撞增重并發(fā)生沉降，這種情況下降塵效率可看作極限流線所包圍的橫截面積比上捕塵體的橫截面積[14]。然而這種方法并沒(méi)有計(jì)算捕塵體和塵粒帶電碰撞，由于靜電效應(yīng)導(dǎo)致塵粒在背風(fēng)面繼續(xù)被捕捉。所以該理論在不考慮靜電效應(yīng)的作用使得計(jì)算捕集效率會(huì)偏小，未能體現(xiàn)靜電效應(yīng)捕集的作用。盡管不少學(xué)者都對(duì)荷電霧滴的降塵效率開(kāi)展了理論研究，但是因?yàn)樯婕皬?fù)雜的微積分方程，只能得到近似公式。

針對(duì)液滴霧化特性分析，影響霧化過(guò)程的因素很多，過(guò)程復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)霧化降塵過(guò)程進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，液滴霧化捕塵過(guò)程是由氣動(dòng)力、慣性力、表面張力和黏性力這4種力相互作用的結(jié)果，通常用韋伯準(zhǔn)則、雷諾準(zhǔn)則、拉普拉斯準(zhǔn)則和氣、液之間的慣性力之比與黏性力之比來(lái)表示。但其僅在特定或者類似條件下有效，很難用精確的公式描述，具有一定的局限性。

為進(jìn)一步提高高壓噴嘴的降塵效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)測(cè)定不同類型噴嘴的特性，更好地對(duì)比噴嘴之間的差異，并觀測(cè)噴嘴的霧化性能。目前常用來(lái)衡量霧滴粒徑的指標(biāo)主要是表面積加權(quán)平均直徑D［3，2］和體積加權(quán)平均直徑D［4，3］。要提高對(duì)粉塵的降塵率，噴嘴孔徑與噴霧壓力是關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響了霧化效果。通常情況下，相同噴嘴在隨著壓力逐漸增加，出口直徑大噴嘴的霧滴粒徑變化趨勢(shì)較出口直徑小噴嘴變化趨勢(shì)幅度小，因此，高壓噴嘴孔徑選擇不宜過(guò)大，否則會(huì)影響對(duì)粉塵的捕集，同時(shí)，孔徑過(guò)小會(huì)使得噴嘴易堵塞，使用壽命降低[15]。噴霧壓力升高會(huì)使除塵效率提升，然而當(dāng)噴霧壓力增加到一定值，增加噴霧壓力，受到工作面風(fēng)流擾動(dòng)影響，除塵效率反而下降，同時(shí)，壓力過(guò)高也會(huì)造成能耗增加[16]。綜上所述，對(duì)于綜掘面的噴霧裝置，要想獲得理想的霧化性能，水壓應(yīng)控制在8 MPa左右，高壓噴嘴孔徑在1.5～2.4 mm 為宜。噴嘴的優(yōu)化選擇見(jiàn)表1。

表1 噴嘴的優(yōu)化選擇Table 1 Optimization selection of nozzle

1.2 氣水噴霧降塵

氣水噴霧是通過(guò)一定壓力的水流和高壓空氣混合產(chǎn)生互相剪切作用的霧化降塵方式，其原理是：氣體和水分別通過(guò)進(jìn)氣端口、進(jìn)水端口進(jìn)入噴嘴，水流被高速氣流破碎成大量微小氣泡的液絲以及液線，在氣水混合腔內(nèi)形成穩(wěn)定的氣泡兩相流動(dòng)，混合后經(jīng)噴嘴噴向空氣中，由于混合后氣體膨脹和流體攪動(dòng)作用，卷入了周圍的空氣，水被霧化成為微小的液滴從而達(dá)到降塵的作用[24]。

對(duì)于內(nèi)混式氣水噴嘴，它們之間保持著相似準(zhǔn)則，一般遵循相同的關(guān)系式。其內(nèi)混式氣水霧化噴嘴霧滴索特爾平均直徑的經(jīng)驗(yàn)公式為[25-26]：

式中：Dw為霧滴平均直徑，μm；Vr為氣水噴嘴混合室內(nèi)氣水兩相流的相對(duì)速度，m/s；σ 為液體的表面張力系數(shù)，mN/m；μl為液體黏性系數(shù)，Pa·s；ρl為水的密度，g/cm3；Ql、Qg分別為液體、空氣的體積流量，m3/s。

氣水噴霧過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的氣液兩相流混合過(guò)程，計(jì)算噴嘴出口速度涵蓋混合室壓力、截面含氣率及氣液兩相密度等多個(gè)參數(shù)，無(wú)法用理論公式準(zhǔn)確表達(dá)。從噴嘴向空氣中噴出后，受到空氣阻力影響，霧滴運(yùn)動(dòng)速度的衰減規(guī)律復(fù)雜，難以計(jì)算。對(duì)此，絕大多數(shù)研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)霧化特征進(jìn)行研究。

氣水噴霧實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴嘴，通過(guò)正交試驗(yàn)測(cè)試不同氣壓的水壓，在合理的范圍內(nèi)得出最優(yōu)氣液比，確定最佳霧化參數(shù)，保證氣水噴霧降塵效率。

針對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下噴嘴的霧化特性和降塵性能，學(xué)者利用自行研制的噴霧抑塵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)噴嘴的霧化特性進(jìn)行了研究，確定了保證噴嘴的降塵性能下的最低耗水量和耗氣量[27]。對(duì)于供水壓力和供氣壓力對(duì)內(nèi)混式空氣輔助霧化噴嘴霧化特性和抑塵效率的影響，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究確定了隨著供水壓力的增加，霧化范圍、液滴體積分?jǐn)?shù)、液滴大小和速度都增加，而霧化角先增大后減??；隨著供氣壓力的增加，霧化角、液滴速度和液滴數(shù)密度先增大后減小，而總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率都是呈先升高后降低的趨勢(shì)[26,28]。

綜上所述，與高壓噴霧降塵對(duì)比，氣水噴霧以高壓空氣和一定壓力的水流作為雙動(dòng)力，通過(guò)氣流將水破碎成為微小液滴，具有霧化效果好、噴射距離遠(yuǎn)、耗水量小等優(yōu)點(diǎn)。但考慮到在煤礦井下安裝設(shè)計(jì)氣水噴淋系統(tǒng)時(shí)需要輔助高壓氣源，故其在煤礦綜掘面應(yīng)用案例較少。同時(shí)在高速氣流中，空氣霧化噴霧的性能相對(duì)較低，且出氣孔容易長(zhǎng)時(shí)間使用后堵塞，難以達(dá)到其在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的要求，無(wú)法對(duì)粉塵進(jìn)行充分控制。

1.3 磁化水噴霧降塵

磁化水噴霧降塵其原理是一定壓力的水流穿過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，因?yàn)榍懈畲帕€使得水的性質(zhì)參數(shù)發(fā)生改變，其中表面張力、黏度以及對(duì)粉塵的潤(rùn)濕性等性質(zhì)的改變導(dǎo)致提高其降塵能力[29]。磁化水噴霧降塵研究可分為2 個(gè)階段：第1 階段是磁化水噴霧降塵；第2 階段是復(fù)配表面活性劑的磁化水噴霧降塵。

1）磁化水噴霧降塵。水的表面張力、黏度以及對(duì)粉塵的潤(rùn)濕性是影響磁化水噴霧除塵效果的主要因素[30]。其中，礦井在磁場(chǎng)強(qiáng)度為100 mT 時(shí)水的表面張力有顯著下降，而后繼續(xù)增加磁化強(qiáng)度，水的表面張力下降逐漸平緩；磁化時(shí)間對(duì)不同礦井水的表面張力的影響差異性較大；磁場(chǎng)對(duì)水的作用具有一定的記憶效應(yīng)，其記憶時(shí)間在18 d 左右；表面張力值越高的溶液受磁場(chǎng)影響越大，但經(jīng)過(guò)磁化后，溶液的表面張力值均趨于穩(wěn)定[31]。然而因?yàn)槠浣祲m效果有限，限制了此項(xiàng)技術(shù)在井下的推廣應(yīng)用。

2）復(fù)配表面活性劑的磁化水噴霧降塵。表面活性劑是通過(guò)添加劑在水表面形成致密的親水性層，防止水與空氣的接觸，使水的表面張力顯著降低，從而提高溶液的潤(rùn)濕性。但表面活性劑所需的用量通常很高，這使其成為一種高成本的防塵解決方案，很難在廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中[32]。為有效地防治綜掘工作面易于飄散的小粒徑粉塵，提出了表面活性劑與磁化協(xié)同降塵理論，當(dāng)表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)，以4 m/s 的速度穿過(guò)磁場(chǎng)強(qiáng)度為300～350 mT 的脈動(dòng)與螺旋擾流耦合磁場(chǎng)，產(chǎn)生的活性磁化水，對(duì)煤塵濕潤(rùn)性能增強(qiáng)，與僅用0.03%的表面活性劑溶液相比，粉塵沉降時(shí)間下降明顯[33]。

綜上所述，利用磁化水技術(shù)降低了表面活性劑的使用量，平衡了表面活性劑高昂的使用成本，通過(guò)表面活性劑改善了水的濕潤(rùn)性能，表面活性劑與磁化水相輔相成，使得表面活性劑與磁化協(xié)同降塵效率有所提升。

1.4 泡沫噴霧降塵

泡沫噴霧降塵是將一定比例水和發(fā)泡劑混合后將水的表面張力降低，然后通入壓縮空氣，通過(guò)發(fā)泡器發(fā)出大量泡沫，最終通過(guò)噴頭噴灑到塵源上實(shí)現(xiàn)降塵[34]。

相關(guān)研究表明[35]：利用泡沫噴霧降塵技術(shù)全塵降塵效率為91.6%～93.7%，呼塵降塵效率為87.5%～91.0%。從綜掘工作面降塵效果來(lái)看，采用泡沫除塵技術(shù)治理綜掘工作面粉塵，特別是呼吸性粉塵要優(yōu)于高壓噴霧降塵技術(shù)，但是在泡沫生產(chǎn)和噴涂方面存在著一定的不足。Wang 等[36]利用高壓水流通過(guò)射流噴嘴轉(zhuǎn)化為高速湍流流體，利用壓差將空氣與發(fā)泡劑吸進(jìn)混合室，旋流器加速空氣和液體的混合，產(chǎn)生高質(zhì)量的泡沫，同時(shí)，對(duì)該方法發(fā)泡劑的自吸性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，有效提高了泡沫噴霧降塵技術(shù)的可靠性。

泡沫除塵系統(tǒng)較高壓噴霧與氣水噴霧系統(tǒng)相比需配備發(fā)泡器、噴槍、添加裝置等設(shè)備，前期投入相對(duì)較低，但后期需要定時(shí)添加泡沫劑，導(dǎo)致運(yùn)行成本相對(duì)較高。

1.5 超聲波噴霧降塵

超聲波霧化除塵是一種新型噴霧降塵技術(shù)，它依靠壓縮氣體沖擊共振腔產(chǎn)生超聲波，借助超聲波的特有屬性使水流充分霧化成粒徑為50 μm 以下的細(xì)霧滴，細(xì)霧滴對(duì)小粒徑粉塵的捕集效率較高，實(shí)現(xiàn)超聲波噴霧就地捕塵[37]。

利用超聲波霧化系統(tǒng)測(cè)試，分析和試驗(yàn)超聲波霧化降塵的最優(yōu)技術(shù)參數(shù)及相關(guān)條件下的降塵效率，當(dāng)水量30 L/h、氣壓0.3 MPa 時(shí)，其超聲波霧化系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)。因此，該技術(shù)具有耗水量少、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。但由于易受到掘進(jìn)迎頭返風(fēng)的影響，會(huì)對(duì)降塵效果產(chǎn)生較大影響[38]。

1.6 超重力噴霧降塵

超重力噴霧降塵技術(shù)利用超細(xì)霧化技術(shù)將液態(tài)水霧化成微米級(jí)霧滴，在發(fā)生器內(nèi)形成相對(duì)濕度過(guò)飽和的狀態(tài)，與大自然的云霧形成條件相似。在湍動(dòng)的流場(chǎng)中，細(xì)微粉塵與飽和霧滴充分結(jié)合，細(xì)微粉塵作為凝結(jié)核，飽和霧滴不斷附著于細(xì)微粉塵，使其發(fā)生凝結(jié)并團(tuán)聚。

超重力降塵技術(shù)對(duì)細(xì)微粉塵的捕集效果較好，同時(shí)具有能耗低，性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。但是，由于細(xì)微粉塵質(zhì)量體積小，在隨氣流場(chǎng)前進(jìn)過(guò)程中，容易跟隨氣流繞過(guò)液滴的捕集，難以被液滴捕獲，同時(shí)，對(duì)于親水性較差的粉塵捕集效果也較差[39]。

2 濕式除塵器除塵

濕式除塵器是利用液滴、水膜和氣泡等水的不同形態(tài)，將原先由氣載的粉塵粒子通過(guò)重力沉降、攔截、慣性碰撞、擴(kuò)散和靜電效應(yīng)接觸并捕集，實(shí)現(xiàn)粉塵粒子由氣載到液載的換乘，從而將粉塵從氣體中分離出去，實(shí)現(xiàn)氣體的凈化[40]。

綜掘工作面濕式除塵器一般架設(shè)在帶式輸送機(jī)上，主要治理掘進(jìn)巷道迎頭的粉塵。目前綜掘工作面研究了動(dòng)力裝置、除塵結(jié)構(gòu)等對(duì)吸風(fēng)、捕塵、脫水性能的影響，使用廣泛的濕式除塵器類型有：重力噴霧除塵器、濕式過(guò)濾除塵器、文丘里除塵器、濕式離心除塵器。濕式除塵器工作原理示意圖如圖2，綜掘工作面用濕式除塵器的性能比較見(jiàn)表2。

圖2 濕式除塵器工作原理示意圖Fig.2 Working principle diagrams of wet dust remover

2.1 重力噴霧除塵器

重力噴霧除塵器是含塵空氣進(jìn)入除塵器后，遇到噴嘴噴出的順（逆）風(fēng)霧滴，使得煤塵濕潤(rùn)變重，發(fā)生重力沉降，凈化后的潔凈空氣流出除塵器。噴射出的形狀使用較廣泛的包括空心錐形、實(shí)心錐形、空氣霧化等3 種[41]。

噴頭噴射形狀、噴霧方式和噴霧結(jié)構(gòu)是目前國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為影響除塵性能的主要原因。通過(guò)對(duì)噴頭噴射形狀、噴霧方式和噴霧結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化，耗水量顯著降低，呼吸性粉塵除塵效率一般可提高5%～10%[42]。然而，對(duì)于重力噴霧除塵器內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)特性、噴射霧滴粒徑、外界風(fēng)流擾動(dòng)情況等對(duì)除塵器性能的影響缺乏實(shí)驗(yàn)研究。

綜上，重力噴霧除塵器因其質(zhì)量輕、體積小、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠在綜掘工作面廣泛使用，但存在對(duì)水質(zhì)要求高，噴頭需不定期更換等問(wèn)題，導(dǎo)致其他成本增高且設(shè)備維護(hù)頻繁。

2.2 濕式過(guò)濾除塵器

濕式過(guò)濾除塵器通過(guò)噴霧裝置向振弦過(guò)濾板上噴霧，使得纖維柵幕上覆蓋1 層水霧，使粉塵濕潤(rùn)增重沉降或滯留，同時(shí)由于經(jīng)過(guò)的含塵氣體使纖維柵幕在高速氣流的沖擊下產(chǎn)生振動(dòng)強(qiáng)化了霧滴與粉塵的沖突，提高除塵效率。

影響濕式過(guò)濾除塵器除塵效率的因素主要包括過(guò)濾板的材質(zhì)與彎折夾角以及排列方式等。國(guó)內(nèi)學(xué)者主要通過(guò)改變過(guò)濾板的材質(zhì)以及增加過(guò)濾板的層數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)合理優(yōu)化后，脫水效率可提高3%～7%，呼吸性粉塵除塵效率提高5%～8%。針對(duì)濕式過(guò)濾除塵器在綜掘工作面的應(yīng)用，學(xué)者們研究了不同通風(fēng)方式下風(fēng)流場(chǎng)和粉塵場(chǎng)的分布規(guī)律和除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)除塵效果的影響[43-45]。

由于濕式過(guò)濾除塵器的設(shè)備具有投資少，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工制造，安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在綜掘工作面廣泛應(yīng)用。但增加過(guò)濾板層數(shù)后阻力增加，吸塵能力下降；同時(shí)在高濃度粉塵環(huán)境下，過(guò)濾板極易堵塞需經(jīng)常更換，且過(guò)濾板對(duì)5 μm 以下的呼吸性粉塵除塵效果不佳。

2.3 文丘里除塵器

文丘里除塵器的工作原理是含塵氣流噴入噴嘴后，以較高的速度流經(jīng)收縮段，在收縮段內(nèi)形成低于大氣壓的壓力，使液滴吸入喉管段，液滴和含塵氣流共同進(jìn)入混合段，混合均勻形成濕潤(rùn)塵團(tuán)后增重沉降經(jīng)擴(kuò)散段排出實(shí)現(xiàn)除塵[46]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)影響文丘里除塵器除塵效果和壓降的因素進(jìn)行了大量的研究，一般認(rèn)為位于喉管段的噴霧位置、壓力以及喉管段速度和液氣比等因素影響較大[47]。當(dāng)噴嘴位于中部時(shí)一定的氣液速度差會(huì)使得氣液接觸更加充分，喉管處的速度和湍動(dòng)動(dòng)能分布更合理，使得文丘里除塵器的除塵效率提升；當(dāng)空氣壓力與水壓力的比例為2∶1 時(shí)，產(chǎn)生最佳的霧化效果；喉管速度增大，除塵效率增高；當(dāng)液氣比增高，除塵效率增高，但其壓力損失也更大，對(duì)此應(yīng)調(diào)節(jié)液氣比處于合理的范圍中[48]。

綜上所述，文丘里除塵器因其性能穩(wěn)定可靠、成本相對(duì)低廉，維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)廣泛運(yùn)用于綜掘工作面產(chǎn)塵密集的轉(zhuǎn)載點(diǎn)處，但由于需要使用噴嘴，導(dǎo)致維護(hù)量大。

2.4 濕式離心除塵器

濕式離心除塵器是通過(guò)離心式葉輪產(chǎn)生的高負(fù)壓吸入含塵氣流，同時(shí)進(jìn)水管出水噴至葉輪前端布水盤上形成水膜，捕捉吸入粉塵，水流進(jìn)入到高速旋轉(zhuǎn)的葉輪后被充分打散，破碎成為微小的液滴，利用離心葉輪慣性除塵、旋流除塵和霧化液滴捕塵機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵的充分捕捉[49]。

離心式葉輪葉片寬度與角度以及葉片數(shù)量是保證吸力以及吸風(fēng)量，否則負(fù)壓不足無(wú)法將前方粉塵吸入，影響除塵效果。同時(shí)，經(jīng)離心后液滴與粉塵組成的顆粒團(tuán)除隨氣流一起做螺旋流動(dòng)外，還沿半徑方向發(fā)生離心分離，因此，需設(shè)置分流版整合氣流流動(dòng)，有利于高氣速帶的連續(xù)性、穩(wěn)定性、靜壓力分布的對(duì)稱性和湍動(dòng)能變化的規(guī)律性；穩(wěn)定的流場(chǎng)及較高的離心速度對(duì)于去除呼吸性粉塵都十分關(guān)鍵[50]。

綜上所述，濕式離心除塵器對(duì)除塵用水無(wú)水質(zhì)要求、負(fù)壓吸力強(qiáng)、脫水效果好、免維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，使其在煤礦綜掘工作面應(yīng)用廣泛。但濕式離心除塵器無(wú)法在較低的阻力損失情況下達(dá)到較高的除塵效率，導(dǎo)致動(dòng)力消耗高，節(jié)能效果不佳。

3 展 望

闡述了綜掘面粉塵防治技術(shù)研究的發(fā)展方向，雖然國(guó)內(nèi)外研究人員在濕式控塵技術(shù)與裝備研發(fā)方面進(jìn)行了大量研究并取得了一定的成效，但對(duì)于煤礦控、除塵技術(shù)與方法仍有的提升空間。對(duì)此，提出以下幾點(diǎn)展望：

1）對(duì)于噴霧降塵存在噴嘴霧滴存在易被通風(fēng)風(fēng)流攜帶折返導(dǎo)致除塵效果不佳的問(wèn)題，一方面需要設(shè)計(jì)研發(fā)模擬綜掘巷道風(fēng)流返風(fēng)以及噴嘴實(shí)際沖擊域范圍測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化各類噴嘴設(shè)計(jì)；另一方面需要研發(fā)受返風(fēng)影響小、能有效覆蓋塵源的噴霧降塵系統(tǒng)，從根本上解決巷道返風(fēng)造成粉塵快速擴(kuò)散污染的難題。

2）對(duì)于濕式除塵器除塵普遍存在負(fù)壓不足、濾網(wǎng)易堵塞、吸塵效果有限的問(wèn)題，一方面需要建立除塵器凈化效率數(shù)學(xué)模型，研發(fā)負(fù)壓強(qiáng)、阻力低、呼吸性粉塵捕集效率高于一體的小型化濕式除塵器；另一方面需要利用環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，根據(jù)作業(yè)環(huán)境粉塵濃度、瓦斯體積分?jǐn)?shù)、風(fēng)速和溫度的變化，通過(guò)PLC內(nèi)部邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)濕式除塵器與掘進(jìn)機(jī)的變頻控制和聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)“隨處產(chǎn)塵，隨時(shí)除塵”。

3）向多元化控塵技術(shù)發(fā)展。針對(duì)現(xiàn)有噴霧降塵與濕式除塵器除塵存在的問(wèn)題，需要考慮由單一化向多元化控塵技術(shù)轉(zhuǎn)變，將巷道通風(fēng)排塵與噴嘴霧化降塵和濕式凈化抽塵有機(jī)結(jié)合，綜合分析確定最優(yōu)協(xié)同凈化工藝參數(shù)，形成通風(fēng)排塵、噴霧降塵及凈化抽塵三位一體的協(xié)同控塵系統(tǒng)，解決巷道通風(fēng)造成粉塵污染嚴(yán)重的難題。

4）向智能化控塵技術(shù)發(fā)展。煤礦向智能化控塵技術(shù)加速轉(zhuǎn)型，智能化是煤礦企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必經(jīng)之路，主動(dòng)將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、智能裝備等與現(xiàn)代綜掘面濕式除塵技術(shù)與裝備有機(jī)結(jié)合，形成全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦綜掘工作面生產(chǎn)的現(xiàn)代化運(yùn)行，這對(duì)改善工作面作業(yè)環(huán)境、提升煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

4 結(jié) 語(yǔ)

總結(jié)了噴霧、濕式除塵器等濕式控塵技術(shù)在綜掘面治理的進(jìn)展，闡述了綜掘面粉塵防治技術(shù)研究的發(fā)展方向。煤礦綜掘工作面粉塵防治是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容，對(duì)綜掘工作面各類濕式控塵技術(shù)進(jìn)行研究，能夠盡快為改善工作面作業(yè)環(huán)境、預(yù)防塵肺病找到突破口，通過(guò)對(duì)煤礦綜掘面濕式控塵技術(shù)的應(yīng)用，能夠更清晰地分析出各降、除塵措施的利弊，以優(yōu)化或研究出更適合解決綜掘巷道截割造成粉塵污染的嚴(yán)重問(wèn)題。