選煤廠高壓細水噴霧除塵系統研究

（晉能控股煤業集團大友選煤有限責任公司挖金灣選煤廠 山西 037003）

引言

長期以來，煤炭一直是中國的主要能源。隨著我國工業化進程的加快，煤炭需求必將進一步增長。然而，在煤炭生產和加工過程中會產生大量的煤塵。目前，雖然采用機械化作業大大加快了地下礦山工作面的采礦進程，但粉塵濃度也大幅度提高，對作業安全造成不利影響。根據相關測試結果，綜采工作面粉塵濃度可達5000mg/m3，呼吸性粉塵濃度可達40%以上。粉塵濃度和呼吸性粉塵濃度均未達到國家標準，在某些情況下，粉塵濃度超標嚴重。目前，塵肺的防治一直是我國職業病防治工作的重點。2014年共錄得29,972宗職業病個案，其中26,873宗為塵肺病患者，占職業病個案總數的89.66%。換句話說，絕大多數職業病患者被診斷為塵肺。另外，濃縮煤塵還會引起煤塵爆炸等重大安全事故，同時會增加生產現場機械的磨損率，降低現場設備的使用壽命。因此，煤塵不僅嚴重威脅井下作業人員的職業健康和安全，而且影響企業的發展和社會的穩定。因此，為了實現企業經濟的快速、健康、可持續發展，促進礦工的身體健康和社會穩定，必須對煤礦生產過程中工作面的煤塵進行妥善處理。

1.選煤廠高壓細水噴霧除塵系統概述

目前，世界各國綜采工作面常用的抑塵技術有噴霧、煤層注水、化學抑塵技術。噴霧抑塵具有一系列優點，如簡單、方便、高成本效益和體面的效率，其中在采煤機外噴霧是煤礦中應用最廣泛的噴霧方式。噴霧抑塵的性能在世界各地的煤礦和煤礦之間有很大的不同，主要取決于噴霧壓力、噴嘴類型和安裝角度。

2.高壓細水噴霧除塵系統工作原理分析

在高壓細水噴霧除塵系統工作的過程中，對于噴霧場，霧化行為顯著影響最終的抑塵性能。噴嘴是噴灑系統中最基本的部件之一。在一定的壓力下，連續相液體通過噴嘴被噴射到氣體介質中，在內力和外力的共同作用下，液體經歷復雜的變形和破碎過程，在一定的氣體空間內產生大量的小液滴，最終形成噴射場。噴霧除塵主要基于重力沉降、慣性捕集、截留捕集和彌散捕集。在霧化場中，霧滴與固體粉塵顆粒的慣性凝結過程中，霧滴克服了粉塵顆粒的表面張力，使粉塵顆粒濕潤，重力的作用使其沉降為凝結。其次，由于氣流中的塵埃粒子通常粗大而重，它們偏離了流線，由于慣性效應而表現出重力沉降。如果不考慮重力對粉塵顆粒的影響，粉塵顆粒將與氣流同步運動。塵埃顆粒通常有一定的體積。在遷移過程中，當與液滴的距離小于塵粒的半徑時，塵粒與液滴接觸并被截獲，從而使塵粒附著在液滴上。這被稱為攔截捕獲效應。由于布朗擴散運動，細小的塵埃顆粒，尤其是直徑小于1微米的塵埃顆粒，大多被水滴捕獲。這被稱為擴散捕獲。

在霧化后噴嘴周圍形成的霧化場中，液滴呈現出不均勻的分布模式，極易受到外界環境的干擾。本研究建立了一個多因素實驗平臺，用于研究噴嘴周圍霧化場的特性，并在此基礎上進行了一系列實驗。通過對采礦等行業廣泛使用的噴嘴宏觀霧化參數的分析，可以根據工作面的要求選擇最佳的噴嘴。此外，還利用先進的相位多普勒激光干涉儀PDI200MD對微小霧化特性進行了深入的研究。以相位多普勒激光干涉儀為主要測量裝置，研究了噴霧場多因素空間分布特性的實驗平臺。該系統主要由礦井巷道模擬裝置、通風系統、噴霧系統和霧滴粒度測量裝置組成。利用該平臺測量了噴嘴的宏觀特性參數和液滴尺寸分布。相位多普勒激光干涉儀（PDI）主要由信號接收機、信號處理機、控制計算機和AIMS軟件組成。在噴霧實驗中，首先從信號發射器發射多束激光，然后通過調節信號發射器上的旋轉按鈕，將多束激光聚焦到噴霧場的同一點（即測量點）上，然后通過信號接收器將測量點處噴霧場的微觀信息反饋給信號處理器，最后利用AIMS軟件獲得形成的噴霧場的詳細微觀特性，如霧滴大小等。

3.高壓細水噴霧系統抑塵性能的數值模擬探究

（1）綜采工作面物理建模及網格劃分。本文主要研究了采煤機周圍的粉塵產生區域，并采用了高壓細水噴霧除塵系統。因此，選擇了一個30米長的工作區，位于采煤機前后的巷道，建立了物理模型。該模型包括一臺電動牽引采煤機（MG250/600-WD），十八個液壓支架（ZF5300/17/32），以及采煤機外部的一些噴霧裝置。選擇了一個形狀大致呈矩形的封閉區域進行仿真。在模型中生成了四面體網格，整體網格尺寸為0.2-0.8m，并在采煤機滾筒附近進行了局部網格細化。網格生成完成后，網格總數達到320萬以上，其中優質網格（0.4以上）占總網格數的98.39%，表明生成的網格完全滿足仿真要求。

（2）噴涂參數的配置。生成的網格文件被導入到Fluent中。首先求解單相氣流場，達到收斂后引入離散相噴霧源進行計算。氣流被認為是一種連續相介質。根據工作面的實際情況，將進風口處的氣流速度設置為1.2m/s，將離散相設置為水-液相。在計算過程中，采用了瞬態求解器、realizable k-ε模型和SIMPLE算法。計算收斂后，將計算結果導入CFD-POST進行后處理和分析。

（3）噴嘴安裝角度對霧化場霧化特性的影響。為了保證采煤機高壓細水噴霧除塵系統能夠充分覆蓋截割頭，有效地控制粉塵源，對高壓細水噴霧除塵系統進行了改進，在搖臂上和切割電機周圍安裝噴嘴。考慮到搖臂對噴霧場的阻擋作用，本文對不同角度噴嘴的抑塵性能進行了數值模擬。這是為了確保所形成的噴霧場能夠最大限度地覆蓋采煤機前后滾筒周圍的粉塵產生區域，以提高粉塵抑制效率。

為保證噴嘴的有效噴射范圍能滿足實際要求，對噴嘴的抑塵性能進行了數值模擬，進一步優化噴嘴與煤壁的傾角分別為0°、30°、45°和60°，噴射壓力為8MPa。當噴嘴傾斜角度為0°時，截煤機截割馬達周圍噴嘴形成的噴霧場幾乎不能碰到截割頭，而煤壁上噴嘴形成的噴霧場只能部分覆蓋截割頭，即截割頭部分未被遮蓋，導致抑塵性能下降。當噴嘴傾斜角度為30°時，切割頭和產塵區被噴淋場完全覆蓋，單滾筒截齒大多位于形成的噴淋幕有效降塵區內。當噴嘴傾斜角度為45°時，形成的噴霧場能夠覆蓋截割頭的一大部分，但不能覆蓋靠近煤壁的滾筒截齒周圍區域。當噴嘴傾斜角度為60°時，形成的噴霧場大部分被搖臂阻擋，不能覆蓋截割頭，同時截割過程中產生的粉塵隨氣流移動，污染巷道。結果表明，噴嘴的最佳傾角為相對于煤壁的30°。為了有效地抑制兩滾筒的粉塵產生，在采煤機搖臂上水平方向布置了6個噴嘴，噴嘴向煤壁傾斜了30°。在采煤機截割電機周圍共設置了4個噴嘴，從水平方向上呈-45°～45°的均勻分布，而不是水平排列，因此形成的噴霧場可以更好地將產塵區包裹在滾筒周圍。由于上述噴嘴的布置，可充分發揮最佳噴嘴霧化性能好、噴射角度大的優點，形成的噴射場可覆蓋整個切削滾筒，最佳抑塵區域可包裹滾筒的大部分切削齒。

（4）噴霧壓力對噴霧場形成的影響。根據上述噴嘴布置方案，對工作面噴霧場在不同壓力下的霧化特性進行了數值模擬研究。研究了噴霧壓力分別為2MPa、4MPa、6MPa和8MPa時，噴霧場中單滾筒的覆蓋效應和霧滴尺寸分布。然后將不同噴霧壓力下的模擬結果導入CFD-POST進行后處理，測得的霧滴尺寸在20-150μm之間。最后對不同噴涂壓力下的數值模擬結果進行了分析。由結果可以看出，隨著噴霧壓力的增加，噴霧場的有效噴射范圍和霧滴大小分布均發生了不同程度的變化，特別是在較高的噴霧壓力下，形成的噴霧場對單滾筒具有較好的覆蓋性，而霧滴則變小。當噴霧壓力為2MPa時，霧滴粒徑范圍為60-140μm。如第三章第三節所述，在這個液滴大小范圍內，產生了大量液滴，液滴與塵埃顆粒碰撞的概率相對較低。噴霧場主要位于采煤機截煤臂與滾筒的交匯處，滾筒外的產塵區不在噴霧場內。所形成的噴淋場不能完全覆蓋單滾筒，表現出中等的除塵性能。當噴霧壓力為4MPa時，霧滴粒徑范圍為50-120μm，形成的噴霧場能夠完全覆蓋采煤機滾筒，但不能覆蓋采煤機滾筒周圍的產塵區，說明噴霧場的整體抑塵性能較差。當噴霧壓力為6MPa時，霧滴粒徑范圍為40-110μm，噴霧場中的霧滴能夠達到理想的除塵性能，形成的霧化場能夠完全覆蓋采煤機滾筒，但對采煤機滾筒外的產塵區幾乎沒有覆蓋，抑塵性能較差。當噴霧壓力為8MPa時，霧滴粒徑范圍為30-100μm，形成的霧化場能夠覆蓋采煤機滾筒的大部分區域及相應的產塵區域，達到了除塵目的，提高了外噴系統的抑塵效率。分析結果表明，30-100μm的霧滴粒徑范圍具有良好的除塵性能，形成的霧化場能夠完全覆蓋單滾筒周圍的產塵區，具有很好的抑塵效果。

4.結束語

綜上所述，在本文的研究中，首先根據噴霧場的宏觀霧化特性，包括噴霧角度和有效噴霧范圍，確定了在本文研究的現場應用條件下，c型噴嘴為最佳噴嘴。噴霧壓力為8MPa時，霧化效果最好，特別是當噴霧角度為81.9°時，有效噴霧范圍約為2.56m。并且進一步研究發現當噴霧壓力為8MPa時，直徑為30-100μm的霧滴對粉塵粒子具有良好的捕捉性能，形成的霧化場能夠充分覆蓋截煤筒周圍的產塵區，具有良好的抑塵效果。當噴嘴傾斜角度為30°時，在采煤過程中形成的噴霧場能夠更好地覆蓋整個產塵區，從而顯著提高了采煤過程中的降塵性能。并且通過實驗測量和數值模擬相結合的方法，發現在8MPa的噴霧壓力下，采煤機滾筒周圍的噴霧場幾乎不受氣流的影響。