高压雾化除尘系统失效深层次分析★

程红林，郭建珠

（1.山西华阳集团新能股份有限公司二矿,山西 阳泉 045000；2.太原理工大学，山西 太原 030002）

1 问题的提出

随着我国煤矿井下机械化开采技术的不断提高，粉尘产生量明显增加，井下粉尘45%～80%由回采工作面产生，掘进工作面生产产尘量占20%～38%，井下作业环境极其恶劣，危害劳动者健康，导致煤矿工人出现尘肺病。中国职业卫生与中毒控制所的统计数据显示，2013 年全国共诊断出约23 000 例尘肺病例，其中约14 000 例（约60%）来自煤矿行业。2018 年我国卫生健康事业发展统计公报指出：截至2018 年底，全国共报告各类职业病新病例23 497 例，职业性尘肺病及其他呼吸系统疾病19 524 例（其中职业性尘肺病19 468 例）。当前煤矿职业健康形势依旧严峻，煤工尘肺和矽肺病人数长期占全国尘肺病人数1/2 以上。随着社会经济发展和人民生活水平的不断提高，职业健康逐渐成为社会关注的焦点。煤矿井下生产过程中，主要采取煤层注水、干式除尘、喷雾降尘、泡沫除尘等技术措施降低煤尘污染程度。煤层注水所需投入费用高、周期长，孔隙率低于4%时会很难将水注入煤层。干式除尘方法主要通过对含尘风流进行移运、过滤，一方面设备体积大，井下有限空间内限制因素过多，另一方面因现有除尘技术无法做到从产尘源头进行治理，不仅对处理风量以外的污风没有有效治理手段，而且这一“先污后治”模式在一定程度上使得治理过程更趋于复杂化，无疑会加大治理成本和放大治理难度。喷雾降尘技术主要通过水雾雾滴与粉尘颗粒碰撞降尘，耗水量大且易在地面积水，恶化井下作业环境，同时水雾喷头对水质要求极高，设备可靠性差，在井下作业环境中使用寿命极低，其最大硬伤是除尘效率相对较低。而泡沫除尘技术，其除尘效率高于喷雾降尘技术，但是泡沫除尘机理决定了泡沫运行过程路径有效才能满足其除尘，当现场任何扰动使吹出的泡沫大都未到迎头便被回风流吹回折返时，除尘易失效，总体看泡沫除尘技术效果不佳，且成本较高。

我国煤矿主要防尘措施是喷雾降尘,而喷嘴作为喷雾降尘最基本的元件，其雾化能力(雾流形状和雾粒大小)直接决定了喷雾降尘的效果[1]。高压雾化除尘系统使用范围广，配套设备多，承担的任务重，既是重要的环保监察节点，也是重要的生产安全节点[2]，些许失误即可形成大面积的环保事故和生产安全责任事故。

2 高压雾化除尘系统组成和工作原理

高压雾化除尘系统由水过滤器，水箱、高压泵、高压水管、喷头、控制器等组成，如图1 所示为高压雾化除尘系统组成框图；其工作原理是高压泵将高压水经高压管路输送到喷头器件，喷头器件装置将高压水转化为高速射流，高速射流将水滴撞击、分裂、破碎雾化，形成高压雾化除尘流体。

图1 高压雾化除尘系统组成框图

3 高压雾化除尘系统失效分析核心对象的确立

喷嘴首先将流体高速化，随后将流体分裂破碎化，喷嘴作为核心器件具有不可替代性，故障率高占维护工作量的70%以上，维修费用的35%左右；高压泵是系统的动力来源，其维修费用占到50%以上，故障率占比为15%，也是失效频发部件，高压泵在系统中应作为次核心部件。

喷嘴典型失效形式是磨损导致的变形，如下页图2 所示为喷嘴失效实物图，其结果是工作性能不能满足雾化能力的需要；高压泵故障主要是过滤精度下降导致磨损量加大造成压力等级下降，其叠加喷嘴磨损可导致雾化能力不足，通过改善密封和耐压等级等形式可解决恢复，其体现在保障能力下降，从失效根源分析可以列为次核心部件。通过以上分析，高压泵故障原则上与深层次失效原因无关，但是业界一直认为雾粒大小与压力关系极大，高压泵应是核心器件，根本原因在于故障溯源思想和责任均分思想，还因为一些技术人员认为更高压力下除尘效率和能力会更强的技术思路，使得高压泵故障是不可忽略的技术要点思路更加根深地固。这一系列认识指导混淆了真正的矛盾所在，使得井下工作面除尘现状没有大的进步，成为制约煤矿安全生产的重大瓶颈之一。

图2 喷嘴失效实物图

4 基于数据的高压雾化除尘系统失效深层次分析

如图3 所示为系统动力器件与雾化器件能量转换过程逻辑图，由该图知道高压泵代表动力源，喷嘴代表雾化器件，二者本质关系就是能量转换的提供者和转换者，喷嘴决定雾化能量的能力，因此高压泵不需要决定雾化能力，也不能决定雾化能力，高压和雾化之间不一定有本质关联。

图3 系统动力器件与雾化器件能量转换过程逻辑图

高压雾化除尘系统一般基于两条技术管理路线对故障进行判断，一条是系统性能，即负载支撑能力变化率；另一条就是设备寿命费用指标。这两条技术管理路线又可分别细化为许多分指标，如喷嘴雾化率指标、最小破碎率指标、用水量指标、单位产量成本指标、雾流形状、雾粒大小等；因为数据过于碎片化或者分散化，真正矛盾却视而不见。

实测数据显示，高压泵波动10%对雾化能力没有必然影响，雾化能力与喷嘴结构特征本质关联。实验数据还显示，喷嘴性能改变时，从负载支撑能力变化影响指标角度分析，性能下降的相关度为90%；实测喷嘴实际使用寿命一般使用寿命为一周内（对呼吸性粉尘治理效果差的喷嘴而言），实测喷嘴实际使用寿命一般使用寿命为半个班次内（对呼吸性粉尘治理效果好的喷嘴），按照对性能影响寿命指标值：喷嘴变形变动量为3%～5%时，也就是按最小影响率条件分析，性能指数影响已经达到喷嘴使用寿命红线上限，严格意义讲已达到设备寿命费用指标更换标准。

进一步分析，喷嘴实际使用过程中对整个系统的容错性极差，劣化率几乎是沿45°大倾角向下快速变化。

在工程实践中对于喷嘴的选择，以喷嘴负载支撑能力和容错性指标为基础性指标，以此为出发点，使得喷嘴负载支撑能力变化指标的影响几乎为零，而且使得喷嘴的寿命达10 000 h 以上。如图4 所示为高压水雾与气水雾化两种喷嘴效果对比图：由实验数据可知，高压水雾喷嘴对压力变化波动不明显，但是压力变化超过15%，有明显变化，但是喷嘴的容错率低，系统波动对其他喷嘴影响率高；气水雾化喷嘴容错率高，3 个喷嘴互不影响工作效果，如图4-2 所示1 个喷嘴工作状态不影响其他工作状态，对压力变化3 个喷嘴喷雾效果均不产生明显变化。高压水雾与气水雾化两种喷嘴效果对比效果可知，气水雾化喷嘴大大优于高压水雾喷嘴效果。

图4 高压水雾与气水雾化两种喷嘴效果对比图

5 结语

喷嘴作为核心器件简单套用寿命周期费用法进行评估有失公允；以雾化率、碰碎能力、加工精度等刚性功能性指标为核心考核指标加强和提高了对喷嘴的管理，不考虑喷嘴对负载性能变化的影响是雾化除尘管理中存在的重要漏洞，这一指标是基础性指标，只有在这一指标前提下谈论其他指标才有现实意义，否则只能导致数据的碎片化。笔者认为负载支撑能力这一指标可以直接评价喷嘴的可靠性；另外考虑雾化除尘工作环境复杂性必须增加容错性这一指标，这是由流体的复杂性决定的，没有容错性这一关键指标保驾护航，喷嘴的负载支撑能力这一基础权重指标将彻底弱化。基于以上认识和实践认为，以喷嘴的负载支撑能力和容错性指标为基础，建立的雾化除尘系统分析评价体系才能满足井下喷雾除尘系统的工作需要。