采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)霧化效果的優(yōu)化

張 鵬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)浙能麻家梁煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036000）

引言

在采煤設(shè)備及其相關(guān)配套技術(shù)不斷進(jìn)步的同時，工作面的采煤效率得到顯著提升，對應(yīng)工作面的粉塵濃度也急劇增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，采煤過程中不采取任何噴霧降塵措施的情況下，工作面的粉塵質(zhì)量濃度最大值可達(dá)到7 000 mg/m3，該項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于《煤炭安全規(guī)程》的要求[1]。其中，采煤機(jī)所產(chǎn)生的粉塵、煤塵占比在80%左右，目前主要以噴霧降塵為主，且實(shí)際降塵效果還有待進(jìn)一步提升。

1 噴霧降塵機(jī)理研究

噴霧降塵機(jī)理的主要技術(shù)途徑是將液體霧化后噴出，使得空氣中的粉塵、煤層等小顆粒形成較大的顆粒，最后沉降至地面。根據(jù)機(jī)理的不同，噴霧降塵機(jī)理包括有慣性碰撞、截獲和擴(kuò)散捕塵。采煤機(jī)的降塵機(jī)理為慣性碰撞。經(jīng)現(xiàn)場測量，采煤機(jī)采煤過程中所產(chǎn)生的粉塵的直徑范圍為1~5 μm，如何實(shí)現(xiàn)對上述直徑范圍的顆粒達(dá)到最佳的降塵效果，是當(dāng)前最主要的研究問題。

對于直徑為1~5 μm的顆粒而言，為保證降塵效果達(dá)到最佳，一般將霧滴的直徑控制在60~160 μm的范圍之內(nèi)。而且，當(dāng)霧滴的直徑一定時，隨著霧滴的噴射速度的增加，對應(yīng)的降塵效果增加。實(shí)踐表明，當(dāng)霧滴噴射速度大于35 m/s時，對粉塵、煤塵的降塵效果可達(dá)到50%。因此，結(jié)合《煤炭安全規(guī)程》所規(guī)定的粉塵、煤塵濃度的限值，噴霧系統(tǒng)所霧化的霧滴的速度必須大于35 m/s。但是，由于采煤機(jī)系統(tǒng)本身的局限性，并不能夠增加霧滴的速度提升降塵效果。在實(shí)踐應(yīng)用中，一般通過對噴霧系統(tǒng)噴嘴的結(jié)構(gòu)和壓力值進(jìn)行調(diào)整，從而改變霧滴的形式和相關(guān)參數(shù)，最終達(dá)到提升降塵效率的目的[2]。

此外，噴霧系統(tǒng)的霧化效果也是影響降塵效率的主要因素。常見的霧化方式包括有機(jī)械霧化、介質(zhì)霧化以及特殊霧化，綜采工作面一般以機(jī)械霧化為主。

綜上所述，影響工作面降塵效率的因素為噴嘴結(jié)構(gòu)和霧化途徑。本文重點(diǎn)對噴嘴結(jié)構(gòu)和霧化途徑進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)到提升降塵效率的目的。

2 噴霧系統(tǒng)噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

為提升噴霧系統(tǒng)霧滴的霧化效果，一般在常規(guī)噴嘴中加入特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，比如螺旋槽的旋芯。在螺旋槽旋芯的作用下，液體在液力作用下流入旋流腔后產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)，液體高速旋轉(zhuǎn)的離心作用下被霧化。基于對噴霧降塵機(jī)理及影響因素研究的基礎(chǔ)上得知：當(dāng)霧滴的直徑控制在50 μm左右，霧滴的噴射速度大于35 m/s時，對應(yīng)的降塵效果最佳。因此，為保證降塵效果，結(jié)合影響霧化效果的各項(xiàng)因素對噴嘴進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)[3]。本節(jié)基于CFD對不同尺寸的霧化效果進(jìn)行仿真分析，具體對比不同噴嘴結(jié)構(gòu)對霧滴擴(kuò)散角的影響以及噴霧內(nèi)部流體的流動情況進(jìn)行仿真分析。基于CFD所搭建的仿真模型如圖1所示。

基于CFD所設(shè)定的仿真條件如下：設(shè)定進(jìn)入噴霧系統(tǒng)水的壓力為3 MPa。

2.1 噴嘴口徑的確定

基于如圖1所示的模型，對模型中噴嘴口徑分別設(shè)定為1 mm、1.2 mm、1.5 mm以及1.75 mm四種情況下所噴射出霧滴的擴(kuò)散角進(jìn)行仿真分析，并得出如表1所示的仿真結(jié)果。

圖1 噴嘴模型結(jié)構(gòu)

表1 不同噴嘴口徑對應(yīng)霧滴的擴(kuò)散角

如表1所示，隨著噴嘴口徑的增加，對應(yīng)所噴射出霧滴的擴(kuò)散角也增大。同時，不同噴嘴口徑下所噴射出霧滴的速度基本一致，霧滴速度值與噴嘴的入口壓力相關(guān)；此外，隨著噴嘴口徑的增加，液體在噴嘴腔內(nèi)的旋流強(qiáng)度值增加，其對應(yīng)的霧化效果也越好。

綜上所述，在合理范圍之內(nèi)將噴嘴的口徑選取待選方案中的最大值。但是當(dāng)噴嘴口徑過大時容易導(dǎo)致粉塵或煤塵堵塞噴嘴，從而影響霧化效果[4]。

2.2 旋流角的確定

同樣基于如圖1所示的模型，當(dāng)前模型中的旋流角的值為30°，對模型中旋流角的角度分別設(shè)定為15°和30°兩種情況下所噴射出霧滴的擴(kuò)散角和內(nèi)部流場強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，并得出如表2所示的仿真結(jié)果。

表2 不同旋流角對應(yīng)仿真結(jié)果

從表2可以看出旋流角15°噴射出霧滴的擴(kuò)散角比較旋流角為30°的大。同時，雖然旋流角從15°擴(kuò)大至30°，但是噴嘴內(nèi)部流場的速度變化不大。

2.3 針閥布置位置的優(yōu)化

在當(dāng)前模型的基礎(chǔ)上，對將針閥的位置向前移動0.5 m、將針閥的位置向后移動0.5 m、保持針閥位置不變?nèi)N情況下噴嘴出口擴(kuò)散角和內(nèi)部流場速度進(jìn)行仿真分析。

通過仿真分析得知：當(dāng)針閥向前移動0.5 mm時對應(yīng)噴嘴噴出的霧滴的擴(kuò)散角小于針閥位置保持不變的情況；當(dāng)針閥向后移動0.5 mm時對應(yīng)噴嘴噴出的霧滴的擴(kuò)散角大于針閥位置保持不變的情況。因此，在考量擴(kuò)散角的情況下，應(yīng)將針閥向后移動適當(dāng)?shù)木嚯x，具體距離視噴嘴的結(jié)構(gòu)而確定。

同時，隨著針閥距離噴嘴口的距離的增加，對應(yīng)噴嘴內(nèi)部流場速度變化趨勢相類似，且呈現(xiàn)增長的趨勢。但是，當(dāng)針閥距離噴嘴的距離增大至一定值時，速度增加幾乎為零。

綜上所述，針閥應(yīng)結(jié)合噴嘴的實(shí)際結(jié)構(gòu)盡可能向后移動以增加其與噴嘴口之間的距離，在增大擴(kuò)散角的同時，提升噴嘴內(nèi)部流場的速度，最終達(dá)到提升噴霧效果的目的。

2.4 噴嘴內(nèi)腔尺寸的優(yōu)化

當(dāng)前模型中噴嘴內(nèi)腔的直徑為6 mm，在此基礎(chǔ)上將噴嘴內(nèi)腔的直徑增大至6.5 mm，對兩種情況下霧滴的擴(kuò)散角和內(nèi)部流場進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如表3所示。

表3 不同噴嘴內(nèi)腔尺寸對應(yīng)仿真結(jié)果

如圖3所示，隨著噴嘴內(nèi)腔直徑的增加，噴嘴出口所噴射出噴霧的擴(kuò)散角隨之增大。同時，噴嘴內(nèi)腔直徑對其內(nèi)部流場速度的影響不大。因此，將噴嘴內(nèi)腔增加至6.5 m可達(dá)到改善噴霧效果的目的。

3 結(jié)論

煤塵、粉塵為綜采工作面采煤不可避免的污染源，工作面在不采取降塵的情況下其粉塵、煤塵濃度嚴(yán)重超標(biāo)，在影響現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性的同時，還嚴(yán)重威脅作業(yè)人員的身心健康[5]。為此，針對采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)降塵效果無法達(dá)到《煤炭安全規(guī)程》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值的問題，本文對噴霧系統(tǒng)的霧化結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并得出如下結(jié)論：

1）為使綜采工作面降塵效率達(dá)到50%，應(yīng)將霧滴的直徑控制在60 μm左右，將噴霧速度控制在35 m/s左右；

2）隨著噴嘴口的增加對應(yīng)霧滴的擴(kuò)散角增加，但是綜合考慮噴嘴口徑增大容易造成堵塞的問題，將噴嘴口徑優(yōu)化確定為1.5 mm；

3）將噴嘴內(nèi)腔直徑從6 mm增大至6.5 mm，旋流角從30°縮小為15°，對應(yīng)噴嘴霧滴的擴(kuò)散角增大，內(nèi)部流場速度也增大；

4）應(yīng)根據(jù)噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)盡可能將針閥位置遠(yuǎn)離噴嘴口，以達(dá)到優(yōu)化噴霧效果的目的。