掘進機負壓二次噴霧降塵裝置的研究

馮海鋼，唐云鵬

（山西蘭花科技創業股份有限公司唐安煤礦分公司，山西 高平 048400）

引言

掘進機作為煤礦綜采作業的重要的機械設備，對提高煤礦井下綜采效率具有十分重要的意義，為避免掘進機在掘進作業時產生的粉塵隨巷道內的氣流擴散影響井下的作業安全，通常在掘進機上設置有噴霧降塵裝置，目前最常用的外噴霧降塵裝置在工作時所形成的水霧為平面狀，不僅無法對大范圍的粉塵進行全覆蓋沉降，而且耗水量大、對粉塵沉降效率低下[1]，因此，需要開發一種新的噴霧降塵裝置，提升對空氣中各種粉塵顆粒的沉降能力。

1 負壓二次噴霧降塵機理

當液體在高壓空氣作用下向外噴霧時，在噴出的水霧的直徑大于噴嘴噴管的直徑的情況下便產生了水霧活塞結構，當水霧被噴出后便在噴嘴內側形成了一個低壓區域，在內外壓差的作用下外界的空氣便進入到噴管吸入口的內部，在噴嘴內的沉降區域，空氣中的粉塵顆粒與水霧碰撞后結合導致粉塵顆粒重量增加，經潤濕后外表面的結合度增大，使粉塵顆粒間的結合能力增強，當從噴管噴出后便在重力的作用下沉降，空氣被凈化后，與周圍的水霧形成混合物繼續從噴管噴出，在入口周圍形成了一個負壓空間，外界的含塵空氣在壓差的作用下進入到噴霧場內，使空氣中的粉塵顆粒得到了二次凈化處理，噴嘴的負壓二次噴霧沉降機理如圖1所示。

圖1 噴嘴的負壓二次噴霧沉降機理

2 新型負壓二次噴霧降塵裝置

在對現有噴霧降塵裝置工作缺點進行分析的基礎上，根據掘進機執行截割作業時的產塵機理和負壓二次降塵原理，設計了一種新的一體化的噴霧降塵裝置，實現了將噴霧降塵和負壓二次降塵的有效結合，其整體結構如圖2所示，在掘進機上的布置形式如圖3所示[2]。

圖2 一體化負壓二次噴霧降塵裝置示意圖

圖3 一體化負壓二次噴霧降塵裝置布置示意圖

由圖2、圖3可知，將新的一體化的負壓二次噴霧降塵裝置安裝在掘進機截割臂的固定位置，其與掘進機截割滾筒的距離保持恒定，在進行噴霧降塵時產生的水霧可將截割機構完全覆蓋，確保在截割時產生的粉塵能夠得到最大限度的沉降。根據負壓降塵原理，在噴嘴氣流入口位置產生負壓場，使含塵的空氣進入到降塵裝置的引射機構內，經過與水霧的充分混合后從錐形罩處噴出，實現與水霧的二次結合，增強對空氣中粉塵的沉降效果。

3 不同噴霧壓力下的負壓降塵效果分析

該新型的一體化的負壓二次噴霧降塵裝置的噴嘴內徑為2.1 mm，為對不同噴霧壓力下該噴霧降塵裝置的降塵效果進行分析，本文采用X結構流芯噴嘴及激光粒度分析器、壓力表等設備對噴霧降塵裝置分別在20ba（r2MPa）、40ba（r4MPa）、60ba（r6MPa）、80ba（r8MPa）噴霧壓力下，2.0 m處的霧化降塵效果及索特平均直徑D32進行分析[3]，結果見表1。

表1 不同噴霧壓力下的負壓降塵霧化參數

由表1分析可知，隨著噴霧裝置噴霧壓力的增加，負壓噴霧裝置的霧化角逐漸降低，工作時的霧化角在20 bar的工作壓力下為90.2°，當工作壓力增加到80 bar時其噴霧的霧化角則降低為72.3°。負壓降塵裝置噴射時的有效射程隨著噴霧壓力的增加而逐漸增大，其流量變化趨勢也是隨著壓力的增加而增大，在距離噴嘴位置2 m處的霧滴的索特平均直徑則是先由20 bar情況下的62.54μm先大幅降低到40 bar情況下的55.28μm，然后逐漸降低到80 bar時的51.08μm。綜合分析可知，當噴霧壓力為40 bar時該噴霧降塵裝置具有最優的噴霧降塵效果。

在不同噴霧壓力下的負壓降塵裝置的吸風量統計如表2所示：隨著噴霧壓力的不斷提高，噴霧降塵裝置工作時的流量和吸風量均呈現逐漸增加的趨勢，工作時的氣液比在壓力為40 bar時達到最大，約為1.267，然后逐漸降低，在壓力為80 bar時達到最小，約為1.158。由此可知，當噴霧降塵裝置的工作壓力為40 bar時噴霧降塵裝置具有最優的性能。

表2 不同噴霧壓力下的吸風效果對比

4 噴霧降塵效果的試驗驗證

將該噴霧降塵裝置在某礦井下巷道內分別對開啟原有噴霧降塵裝置和開啟現有噴霧降塵裝置的噴霧效果進行對比分析，如表3所示。

表3 不同噴霧壓力下的負壓降塵霧化參數mg/m3

由表3可知，采用新的負壓二次噴霧降塵裝置后其對全塵的沉降效率分別提升了42.8%、43.5%、45.6%、42.4%、42.8%，平均降塵效果提升了約43.42%，對呼塵的沉降效率分別提升了44.1%、45.1%、43.2%、43.4%、42.2%，平均降塵效果提升了約43.6%，由此可知新型的噴霧降塵裝置能夠顯著提升煤礦井下全塵和呼塵的沉降效率，這主要是由于采用新型噴嘴結構和負壓二次降塵后形成的水霧能對產塵區域全覆蓋同時，能對空氣進行負壓二次除塵。