采煤機降塵系統噴嘴結構的設計

王建龍

（晉能控股煤業集團四侯煤礦， 山西 陽城 048108）

引言

一直以來，安全生產備受煤礦企業的關注，主要威脅源包括有瓦斯、粉塵、礦井水等。其中，當粉塵濃度過高時不僅會威脅工作面作業人員的身體健康，還會導致工作面發生爆炸。而且，多年來煤礦一直將研究重點放在綜采和掘進工作面，而忽略了對工作面煤塵、粉塵的治理[1]。工作面煤塵、粉塵主要來源于采煤機截割煤層、帶式輸送機裝載點。本文將對采煤機噴霧降塵系統中對應的噴嘴結構進行設計，以提高采煤機噴霧系統的降塵效果。具體闡述如下。

1 噴霧降塵理論研究

為提高采煤機噴霧系統的降塵效果，需充分掌握影響噴霧降塵效率的主要因素，并針對噴嘴結構進行優化設計。經研究可知，影響采煤機噴霧系統降塵效果的主要因素可總結為如下幾點。

1.1 煤塵、粉塵與霧滴之間的相對運動速度

經理論研究可知，當煤塵與霧滴之間的相對速度越大時，越有利于煤塵與霧滴凝聚，從而能夠提高降塵效果。實踐表明，當霧滴的直徑為0.1 mm 時且煤塵與霧滴之間的相對速度為30 m/s 時，對直徑為2μm 粉塵的降塵率可達55%。結合多年降塵經驗，當煤塵與霧滴之間的相對速度大于20 m/s 時，才能達到有效的降塵。

1.2 霧滴直徑

理論上，當所噴射出霧滴的直徑越小時，等量的水所噴射出霧滴的數量越多，有利于霧滴與煤塵的結合，從而達到最佳的降塵效果。但是，在實際應用中發現當霧滴直徑過小時，噴嘴所噴射出的霧滴會隨氣流一起流動，從而減少霧滴與煤塵的相對速度，反而影響了降塵效果。結合多年降塵經驗，當噴嘴所噴射出霧滴的直徑為煤塵、粉塵直徑的50～100 倍時降塵效果最佳。

1.3 噴霧系統的霧化效果和作用范圍

噴霧系統的霧化效果在很大程度上受制于噴嘴的結構，其對應的霧化效果如圖1 所示。

圖1 噴霧系統霧化效果

如圖1 所示，B 為噴霧系統的有效射程，B+L 為噴霧系統所噴射出霧滴的作用距離。除了作用距離和有效射程外，另一重要參數為系統的霧化角。從理論上講，霧滴作用距離、有效射程和霧化角越大降塵效果越好。但是，霧滴作用距離、有效射程以及霧化角越大會導致水量的增加，從而影響工作面的正常生產[2]。因此，一般將霧滴的平均密度控制在106～108粒/m3為最佳。

1.4 噴嘴的安裝位置

一定壓力的霧滴從噴嘴噴射出來后，隨著噴射距離的增加霧滴的速度和密度越小，對應降塵效果也越差。但是，當噴射距離過小時導致所噴射出霧滴的作用范圍小，其對應的降塵效果也不明顯。因此，應根據現場情況合理確定噴嘴距離產塵位置，一般將噴霧系統與產塵位置的距離控制在0.6～2.5 m之間。

2 噴嘴結構的設計

噴嘴是噴霧降塵系統的關鍵結構部件，其主要作用是將一定壓力的水進行霧化處理，霧化效果將直接影響工作面的降塵效果。

2.1 噴嘴類型的確定

根據噴嘴結構及功能原理的不同，將其分為壓力噴嘴、旋轉噴嘴、氣動噴嘴、氣泡霧化噴嘴、靜電霧化噴嘴等。綜合各類型噴嘴結構的優劣勢以及綜采工作面相對惡劣的工作環境，選擇離心式噴嘴作為采煤機降塵系統的核心噴嘴結構[3]。值得注意的是，離心式噴嘴對于粉塵濃度高工作面預防管路的堵塞和后期的清理維護具有重要作用。對于離心式噴嘴而言，其主要由噴嘴體、旋芯以及噴嘴口等組成，其剖面圖如圖2 所示。

圖2 噴嘴剖面結構圖

如圖2 所示，β 為噴嘴旋流室的錐角大小；Lp為噴嘴口的厚度大小；r 為噴嘴口的半徑。本文對采煤機降塵系統噴嘴結構的設計著重是對上述參數的確定。

2.2 噴嘴結構尺寸的初步確定

對于采煤機噴霧系統而言，其所噴射出的水量大小將直接決定降塵效果。經理論分析可得出噴霧系統對應噴水量的計算公式如式（1）所示：

式中：Q 為噴霧系統的噴水量；μ 為噴嘴對應的霧化流量系數；rp為噴嘴對應噴口的半徑；p0為噴嘴水入口處的壓力；ρ 為所噴射水的密度大小。

分析式（1）可知，水在一定壓力下，隨著噴口半徑參數的增加，其對應噴射的水量越大。因此，在眾多噴嘴結構參數中以噴嘴口的半徑最為關鍵，故需著重對該參數進行重點關注。

除了噴水量外，影響降塵效果的另一個關鍵參數為霧化角。對于噴嘴結構參數而言影響霧化角大小的主要參數為結構特性系數，而且隨著結構特性系數的增加對應霧化角不斷增加，但是其增大趨勢逐漸變緩。

綜上所述，對于噴嘴結構參數而言，其中對最終降塵效果影響最大的參數分別為噴嘴口的半徑和噴嘴的結構特性系數。而且，噴嘴口半徑越大對應其結構特性系數越大，對應噴霧效果為噴水量越大，霧化角越大[4]。對于采煤機而言，截齒與煤層相接觸的位置為主要產塵點，而且所產生煤塵的顆粒較大，根據現場應用情況當噴嘴的噴水速度為2～3 kg/min 時不會導致工作面出現積水影響正常生產。

結合采煤機所配置噴霧系統對應的水壓范圍為0.3～2 MPa，初步將噴嘴霧化角設定為90°，經查閱相關圖像可得出對應的結構特性系數為1.42，霧化流量系數為0.36。根據式（1），設定噴嘴口入水壓力為0.5 MPa，噴水量為2.4 kg/min，經計算可得出噴嘴口半徑為1.05 mm。除此之外，參照現有市面的噴嘴產品，初步擬定噴嘴其他結構參數如下：噴嘴厚度Lp為1 mm，旋流室錐角β 為100°。

2.3 噴嘴結構的優化確定

2.2 中僅是對噴嘴結構的初步確定，為進一步優化確定噴嘴結構提供參考。為保證所設計噴嘴能夠獲得最佳噴霧降塵效果，本節對不同結構參數的噴嘴結構對應的噴霧降塵效果進行對比分析。根據實驗需求特在實驗室采用水箱、水泵、流量計、不同結構參數的噴嘴以及分流器等建立試驗裝置[5]。

2.3.1 不同入口水壓力對應霧化效果對比

當噴嘴結構參數一定時，入口水流量與入口壓力成正比，本節將對不同入口水壓力下噴嘴的霧化效果進行對比，通過霧滴直徑和霧化角對霧化效果進行考核，對比結果如表1 所示。

表1 不同入口水壓力霧化效果對比

如表1 所示，隨著入口壓力的增加對應噴射水量也在增大，但是所噴射出霧滴的直徑在減小；而對于霧化角而言，當入口水壓力為0.4 MPa、0.5 MPa 時對應霧化角最大。綜合分析，將噴霧系統入口水壓力控制在0.4 MPa。

2.3.2 噴嘴厚度對霧化效果影響

不同噴嘴厚度對應系統霧化效果對比如表2所示。

表2 不同噴嘴厚度霧化效果對比

如表2 所示，隨著噴嘴厚度的增加所噴射霧滴的直徑增加，但是對應霧化角在減小。綜合考慮如下因素：

1）當噴嘴厚度過小時其磨損嚴重，因此噴嘴厚度應大于0.5 mm；

2）霧化角一般要求大于80°。綜上所述，最終確定噴嘴厚度為0.8 mm。

同理，分析不同旋流室錐角下對霧化效果進行對比得出：隨著旋流室錐角的增大對應霧化角增大，對應霧滴的直徑減小。同樣，結合霧化角的取值范圍最終確定旋流室錐角的最佳角度為110°。

3 結論

1）工作面降塵效果與噴霧系統噴嘴的霧化效果相關，故通過對噴嘴結構的優化可提高其霧化效果；

2）噴嘴口半徑與結構特性參數為影響霧化效果的關鍵參數，而且噴嘴口半徑與結構特性參數成正比，通過理論計算得出噴嘴口半徑最佳參數為1.05 mm；

3）通過試驗手段得出最佳旋流室錐角為80°，最佳噴嘴厚度為0.8 mm，最佳入口水壓力為0.4 MPa。