储煤场降尘方式及应用效果调研分析.docx

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Summary：研究储煤场水枪、雾化喷头、雾炮机三种水喷雾降尘方式的应用效果，通过调研并结合理论分析得出结论：对煤堆含水率要求不高、皮带封闭效果好、设备少的储煤场可考虑选用水枪；对高度较高的大空间储煤场，雾化喷头喷出的水雾往往没来及降尘就已经蒸发，适用于高度不太高的小型储煤场；因噪音污染，雾炮机适合用在自动化程度较高，人员作业少且不集中的储煤场。
Keys：储煤场；水枪；雾化喷头；雾炮机；降尘方式
引言
储煤场的煤尘不仅污染环境，还严重影响到职工的身心健康及企业的经济效益。传统的通风除尘、袋式除尘、静电抑尘等不仅存在投资高、操作麻烦、维护复杂等致命缺点，而且实践证明很难收到理想的效果。水喷雾降尘技术由于其经济实惠、使用方便、除尘效果较好等优点被广泛应用于煤炭、钢铁、电力等工业生产，实践证明水喷雾降尘非常适合应用于储煤场，能从源头上治理煤尘污染[1-2]。
储煤场主要的水喷雾降尘方式有水枪降尘系统、雾化喷头降尘系统、雾炮机降尘系统三种。目前国内外普遍采用水枪降尘系统、雾炮机降尘系统来解决煤尘污染，对雾化喷头降尘的研究应用较少。实际应用中水枪降尘、雾炮机降尘存在诸如水枪降尘用水量大，雾炮机噪音较大的问题，雾化喷头降尘效果不明晰等问题，不同降尘方式的应用效果有待进一
步对比研究。对比分析出经济合理的降尘方式，应用到实际项目中，为储煤场降尘设计提供强有力的技术支撑。
1、储煤场煤尘污染的原因分析
随着我国煤炭生产能力的提高、国家环境保护政策的日趋严格以及人们环保意识的增强，煤炭生产企业以前常用的露天储煤方式已经不符合要求，必须采取符合企业实际需求的全封闭式储煤场，才能保证企业良好的经济效益、环境效益和社会效益。栈桥式储煤场、溢流窗式储煤场是常用的两种全封闭式储煤场。                                  
栈桥式储煤场通常的布置形式为: 储煤场顶部为卸煤栈桥，底部为受煤坑及返煤地道，外部为全封闭的网架结构储煤棚，工作时由顶部的卸煤栈桥及卸煤设备将煤卸入到储煤场堆储，返煤时通过设在返煤地道的给煤机及返煤带式输送机将煤运出储煤场。卸煤栈桥落煤时，由于落差大，冲击强烈，产生大量的煤尘颗粒，回煤时需要推土机辅助作业等均会造成环境污染，工人工作条件恶劣。
溢流窗式储煤场中间为一个圆筒型落煤筒，在筒壁的不同高度上设有溢流煤窗，落煤筒顶部为卸煤设备，底部为受煤坑及返煤地道，外部为全封闭的网架结构储煤棚，卸煤时，煤首先落入到落煤筒内，然后通过设在落煤筒筒壁的溢流煤窗流到储煤场中，返煤时与栈桥式储煤场一样，也是通过设在返煤地道的给煤机及返煤带式输送机将煤运出储煤场。这种储煤场的煤通过落煤筒筒壁上的溢流煤窗流到储煤场，虽起到一定的抑尘作用，但抑制效果仍不可观，且回煤时推土机辅助作业同样会产生扬尘[3]。
2、储煤场水喷雾降尘机理
水喷雾降尘机理主要由喷头雾化机理及雾化颗粒与煤尘耦合机理两部分组成[4-5]。喷头雾化主要是指液体通过喷头进入气体介质中，大液体破碎变成小液滴的过程。雾化过程是在内外力的作用下共同完成的。液体从喷头喷出后，由于液体表面张力的作用，液体表面会形成一层薄膜称为液膜。由于外部气体的扰动作用，而在表面形成振动波。波幅逐渐增大并
在液膜的顶端破碎成线、带或环状，这个就是液膜的初级雾化。液体线、带或环再度破裂成大量细小液滴的过程为液膜的二次雾化。
水喷雾降尘主要是指雾化颗粒与煤尘的耦合过程，雾化颗粒与空气中悬浮的煤尘发生碰撞、吸附等作用，在重力的作用下发生沉降，雾化颗粒捕尘主要表现在惯性碰撞、拦截捕集、重力沉降、布朗扩散以及静电效应。图2-1为水喷雾除尘机理示意图。
图2-1  水喷雾除尘机理

惯性碰撞是指含尘气流在运动过程中，煤尘质量较大时，运动过程中惯性力也相对较大，在遇到雾化颗粒时将保持原有的运动状态，不能躲避掉雾化颗粒，而粒径和质量较小的煤尘将随含尘气流绕过雾粒继续向前运动，因此质量较大的煤尘容易与雾粒发生碰撞从而被雾化颗粒捕集，达到降尘的效果。距离雾粒最远可被捕集的煤尘颗粒流动轨迹被叫做临界运动轨迹，经相关研究表明，利用临界运动轨迹法很难准确得到惯性碰撞捕集效率，惯性碰撞过程与煤尘运动路径、粒径大小等因素有很大关系。惯性碰撞效率ηq的大小取决于煤尘的斯托克斯数Sk，Sk与ηq成正比。
 
式中：C——肯宁汉修正系数；
ρp——煤尘密度，kg/m³；
dp——煤尘粒径，m；
dt——雾化颗粒粒径，m；
Ut——雾粒与煤尘相对运动速度，m/s；
μg——空气动力粘度。
由上述公式可以看出，惯性碰撞效率与雾粒和煤尘的粒径大小有关，减小雾化颗粒粒径、增大煤尘粒径以及增大雾粒运动速度均能提高两者惯性碰撞捕集效率，同时也可知道，惯性碰撞捕集主要对象是粒径较大煤尘。

质量较小的煤尘颗粒长期悬浮于空气中并随风流不断运动，忽略煤尘自身的质量时，煤尘可看做与空气做同步流动，当煤尘向雾粒运动时，以雾粒为中心且在煤尘半径的范围内，移动煤尘颗粒将会被雾粒所捕获。拦截捕集能力不受到煤尘运动速度和惯性的影响，Ranz提出势流条件下的拦截捕集效率公式为：
式中：ηε——截留效率；
ε——截留系数，ε<1。
从以上公式可以得出，当雾化颗粒粒径不变时，煤尘粒径越大，拦截效率越高；反之，当煤尘粒径不变时，雾化颗粒粒径越小，拦截效率越高。。

空气中弥散的煤尘在悬浮和流动过程中，质量较大的煤尘由于自身重力的影响将发生沉降，煤尘在降落中很容易被雾粒捕集，这个过程叫做重力沉降捕集。有关资料表明，重力沉降捕集主要和煤尘粒径、气流速度等因素有关，假定在稳定气流中的煤尘为球体状态，单个尘粒受到自身重力 G1、空气浮力 F1。
单个尘粒自身重力：
单个尘粒所受浮力：
根据受力分析可知，单个煤尘所受合力为：
式中：G1，F1——单个尘粒的重力、浮力，N；
m1，m2——单个尘粒与空气的质量，kg；
ρ1，ρ2——单个尘粒与空气的密度，kg/m³；
重力沉降捕集效率公式为：
由上述公式可知，当煤尘自身的重力大于所受空气的浮力时，煤尘颗粒便会发生沉降，且煤尘重力沉降捕集效率与煤尘粒径大小、雾化颗粒和煤尘相对运动速度以及空气动力粘度有关，煤尘粒径越大，即煤尘质量越大时，煤尘重力沉降效果越明显，沉降捕集效率越高。

粒径较小的煤尘颗粒漂浮在空气中时，由于布朗扩散的影响会与雾粒相结合，尤其对于粒径小于 1μm 的微小煤尘颗粒，将不会发生沿气流方向的绕流现象，而是靠布朗扩散运动直接被雾化颗粒所捕获，这便是煤尘的布朗扩散捕集过程。因为布朗扩散发生时间很短，所以煤尘的布朗扩散捕集过程一般在气流流线周围发生。
Johnstone 与 Roberts 提出扩散捕集效率公式为：
Crawford 提出的扩散捕集效率公式为：
式中 Pe——佩克莱数；
Re——液滴雷诺数。
  
式中：α为扩散系数；k微玻尔兹曼常数；T为绝对温度，K；ρ为堆积密度，kg/m³。
从上述公式可以看出，煤尘、雾粒对流速率减小、粉尘粒径变小以及温度逐渐升高时，布朗运动也变得更加剧烈，与雾滴的碰撞增加，扩散效应增强，捕捉效率也增加。

高压喷雾除尘过程中，由于外加电场等因素的影响，雾粒和煤尘均可能带上电荷，且高压喷雾时高速流体与喷头发生碰撞也会使雾粒表现出电荷性，当两者电荷性相反时会大大增加煤尘和雾粒结合的几率，这种捕集方式称为静电捕集。下面针对所带电荷性分别介绍静电捕集效率：
煤尘不带电荷而雾粒带电荷。所带电荷的雾粒会使粉尘带上相反的电荷，异性电荷相互吸引，会大大提高静电捕集效率，此时捕集效率为：
煤尘不带电荷而雾粒带电荷。所带电荷的雾粒会使粉尘带上相反的电荷，异性电荷相互吸引，会大大提高静电捕集效率，此时捕集效率为：
煤尘和雾粒带异种电荷，带异种电荷时静电捕集效率公式为：
式中：ε1——真空介电常数，C/（V·m）；
μgm——为空气黏度系数，Pa·s；
Q、q——雾粒、煤尘电荷量，C。
从上述公式可以看出，适当增大煤尘与雾粒所带电荷量，静电吸附性越强，捕集效率越高，同时可以得出，静电捕集效率与煤尘、雾粒相对运动速度成负相关；当煤尘不带电荷量时，静电捕集效率与煤尘粒径大小呈正相关，与雾化颗粒粒径大小呈负相关，且煤尘有无电荷性对静电捕集效率有很大影响。 

在实际的生产中，喷雾降尘过程并不是一种降尘机理单独发挥作用，通常都是各种机理同时存在发挥作用。但是，总的捕尘效率并不是各种降尘机理的简单叠加，因为同一个煤尘粒子在计算捕尘效率时只能被一种降尘机理计算。假设各种降尘机理彼此独立，则单个雾化颗粒的捕尘效率为：
喷雾场总的雾化颗粒捕尘效率为单个水雾捕尘效率的叠加，公式为：
式中：ηi——为单个雾粒捕尘效率，%；
n——为雾粒总数量；
η——为喷雾场捕尘效率，%。
从以上相关公式可以看出，当雾化颗粒粒径越小、煤尘质量越大时，雾化颗粒的捕尘效率会越高。在实际的生产生活中，当雾化颗粒粒径过小时，蒸发速度也会加快，因此在喷雾降尘的过程中，雾化颗粒粒径最好为50～150μm之间，此时降尘效果最好。
3、喷雾降尘影响因素分析

喷雾后的雾化效果直接影响捕尘效率，喷雾压力直接影响雾化效果，喷雾压力越大，雾化粒径越小，雾粒捕尘效率就越高，高压喷雾逐渐被很多煤矿作为降尘的首选，但是，喷雾压力过大时，压力泵耗电相对增加，成本也会大大提高，同时，喷雾压力过高会对管路、喷头等系统零件的磨损增大，造成系统维护比较困难，降低喷雾系统使用寿命。因此，在煤矿喷雾除尘过程中，要保证达到除尘效果的前提下，适当减小喷雾压力，降低成本。

喷雾流量是单位时间流体经过喷头的水量，相关实验表明，喷雾压力相同时，随着喷雾流量的增大，一定范围内雾化颗粒数量也随之增大，提高了雾化颗粒与煤尘结合效率，但是，喷雾流量过大将会影响煤质；此外，将直接导致耗水量的增加，造成皮带、地面打滑，影响设备正常运行，同时也提高了成本，因此，在保证除尘效果的前提下，尽量降低喷雾流量。 
4、调研地点及图片
通过上述对雾化机理、降尘机理及喷雾降尘影响因素的分析，为下一步水喷雾降尘调研工作奠定了理论基础。为了解不同降尘系统在储煤场的应用，赴陕西、山西等几个煤矿进行了实地考察。考察图片见图4-1、图4-2、图4-3。
图4-1 水枪除尘系统
图4-2  雾化喷头降尘
图4-3  雾炮机降尘     
5、储煤场水喷雾降尘方式

水枪降尘系统由水源、管路、水枪、电磁阀、供水泵、控制系统、配电站等构成，通过在储煤场建立管路和架设水枪，向系统提供电力和泵的动力，使其进行全自动一体化操作。
水枪降尘系统的布置：每个水枪连接一条给水管道，根据储煤场大小，布置不同数量的水枪，可通过设置烟感探测器，电磁阀与供水泵联动来实现水枪的自动降尘。冬季严寒地区管道及设备均设置电伴热保温。
水枪参数如下：
每10000㎡单位面积耗水量：63-³/h 。
射程：48m-62m。          
覆盖面积：6500m³-10000m³。
供水泵压力：-。
每10000㎡所耗功率：24kW-37kW。 
每10000㎡所耗电伴热功率：3-4kW。 
水平旋转角度：0-360°。
俯仰角度：16°-46°。   
控制模式：自动/遥控/远程。
水喷雾主要有两个作用阶段，第一阶段为有效作用段，此喷雾段射流速度大，受重力影响较小；第二阶段为雾流衰减段，此喷雾段雾流速度较小，受自身重力影响较大，主要表现为雾化颗粒的扩散与沉降。
水枪喷雾时入射压力较低，流体经水枪喷出的射流较为集中，由于受到空气的阻力射流缓慢分散为细小的水雾，水雾喷出一段距离后速度减小，迅速进入射流衰减阶段，雾粒开始扩散、沉降。通过实地调研也证实了水枪喷雾不能确保水雾的均匀分布，由于压力较低，雾流没有到达有效衰减区，进入衰减区的雾化颗粒较大，雾化效果不均匀，由于受重力影