采煤機(jī)降塵系統(tǒng)噴嘴結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

王建龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四侯煤礦， 山西 陽城 048108）

引言

一直以來，安全生產(chǎn)備受煤礦企業(yè)的關(guān)注，主要威脅源包括有瓦斯、粉塵、礦井水等。其中，當(dāng)粉塵濃度過高時(shí)不僅會威脅工作面作業(yè)人員的身體健康，還會導(dǎo)致工作面發(fā)生爆炸。而且，多年來煤礦一直將研究重點(diǎn)放在綜采和掘進(jìn)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(jī)截割煤層、帶式輸送機(jī)裝載點(diǎn)。本文將對采煤機(jī)噴霧降塵系統(tǒng)中對應(yīng)的噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)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(jī)噴霧系統(tǒng)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(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)研究可知，影響采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)降塵效果的主要因素可總結(jié)為如下幾點(diǎn)。

1.1 煤塵、粉塵與霧滴之間的相對運(yùn)動速度

經(jīng)理論研究可知，當(dāng)煤塵與霧滴之間的相對速度越大時(shí)，越有利于煤塵與霧滴凝聚，從而能夠提高降塵效果。實(shí)踐表明，當(dāng)霧滴的直徑為0.1 mm 時(shí)且煤塵與霧滴之間的相對速度為30 m/s 時(shí)，對直徑為2μm 粉塵的降塵率可達(dá)55%。結(jié)合多年降塵經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)煤塵與霧滴之間的相對速度大于20 m/s 時(shí)，才能達(dá)到有效的降塵。

1.2 霧滴直徑

理論上，當(dāng)所噴射出霧滴的直徑越小時(shí)，等量的水所噴射出霧滴的數(shù)量越多，有利于霧滴與煤塵的結(jié)合，從而達(dá)到最佳的降塵效果。但是，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)當(dāng)霧滴直徑過小時(shí)，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(jié)合多年降塵經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)噴嘴所噴射出霧滴的直徑為煤塵、粉塵直徑的50～100 倍時(shí)降塵效果最佳。

1.3 噴霧系統(tǒng)的霧化效果和作用范圍

噴霧系統(tǒng)的霧化效果在很大程度上受制于噴嘴的結(jié)構(gòu)，其對應(yīng)的霧化效果如圖1 所示。

圖1 噴霧系統(tǒng)霧化效果

如圖1 所示，B 為噴霧系統(tǒng)的有效射程，B+L 為噴霧系統(tǒng)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(shù)為系統(tǒng)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(dǎo)致水量的增加，從而影響工作面的正常生產(chǎn)[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(yīng)降塵效果也越差。但是，當(dāng)噴射距離過小時(shí)導(dǎo)致所噴射出霧滴的作用范圍小，其對應(yīng)的降塵效果也不明顯。因此，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況合理確定噴嘴距離產(chǎn)塵位置，一般將噴霧系統(tǒng)與產(chǎn)塵位置的距離控制在0.6～2.5 m之間。

2 噴嘴結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

噴嘴是噴霧降塵系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，其主要作用是將一定壓力的水進(jìn)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(jù)噴嘴結(jié)構(gòu)及功能原理的不同，將其分為壓力噴嘴、旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的優(yōu)劣勢以及綜采工作面相對惡劣的工作環(huán)境，選擇離心式噴嘴作為采煤機(jī)降塵系統(tǒng)的核心噴嘴結(jié)構(gòu)[3]。值得注意的是，離心式噴嘴對于粉塵濃度高工作面預(yù)防管路的堵塞和后期的清理維護(hù)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(jié)構(gòu)圖

如圖2 所示，β 為噴嘴旋流室的錐角大?。籐p為噴嘴口的厚度大?。籸 為噴嘴口的半徑。本文對采煤機(jī)降塵系統(tǒng)噴嘴結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)著重是對上述參數(shù)的確定。

2.2 噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸的初步確定

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

式中：Q 為噴霧系統(tǒng)的噴水量；μ 為噴嘴對應(yīng)的霧化流量系數(shù)；rp為噴嘴對應(yīng)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(shù)的增加，其對應(yīng)噴射的水量越大。因此，在眾多噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)中以噴嘴口的半徑最為關(guān)鍵，故需著重對該參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

除了噴水量外，影響降塵效果的另一個關(guān)鍵參數(shù)為霧化角。對于噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)而言影響霧化角大小的主要參數(shù)為結(jié)構(gòu)特性系數(shù)，而且隨著結(jié)構(gòu)特性系數(shù)的增加對應(yīng)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(jié)構(gòu)參數(shù)而言，其中對最終降塵效果影響最大的參數(shù)分別為噴嘴口的半徑和噴嘴的結(jié)構(gòu)特性系數(shù)。而且，噴嘴口半徑越大對應(yīng)其結(jié)構(gòu)特性系數(shù)越大，對應(yīng)噴霧效果為噴水量越大，霧化角越大[4]。對于采煤機(jī)而言，截齒與煤層相接觸的位置為主要產(chǎn)塵點(diǎn)，而且所產(chǎn)生煤塵的顆粒較大，根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況當(dāng)噴嘴的噴水速度為2～3 kg/min 時(shí)不會導(dǎo)致工作面出現(xiàn)積水影響正常生產(chǎn)。

結(jié)合采煤機(jī)所配置噴霧系統(tǒng)對應(yīng)的水壓范圍為0.3～2 MPa，初步將噴嘴霧化角設(shè)定為90°，經(jīng)查閱相關(guān)圖像可得出對應(yīng)的結(jié)構(gòu)特性系數(shù)為1.42，霧化流量系數(shù)為0.36。根據(jù)式（1），設(shè)定噴嘴口入水壓力為0.5 MPa，噴水量為2.4 kg/min，經(jīng)計(jì)算可得出噴嘴口半徑為1.05 mm。除此之外，參照現(xiàn)有市面的噴嘴產(chǎn)品，初步擬定噴嘴其他結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：噴嘴厚度Lp為1 mm，旋流室錐角β 為100°。

2.3 噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化確定

2.2 中僅是對噴嘴結(jié)構(gòu)的初步確定，為進(jìn)一步優(yōu)化確定噴嘴結(jié)構(gòu)提供參考。為保證所設(shè)計(jì)噴嘴能夠獲得最佳噴霧降塵效果，本節(jié)對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴嘴結(jié)構(gòu)對應(yīng)的噴霧降塵效果進(jìn)行對比分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求特在實(shí)驗(yàn)室采用水箱、水泵、流量計(jì)、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴嘴以及分流器等建立試驗(yàn)裝置[5]。

2.3.1 不同入口水壓力對應(yīng)霧化效果對比

當(dāng)噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí)，入口水流量與入口壓力成正比，本節(jié)將對不同入口水壓力下噴嘴的霧化效果進(jìn)行對比，通過霧滴直徑和霧化角對霧化效果進(jìn)行考核，對比結(jié)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(yīng)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(dāng)入口水壓力為0.4 MPa、0.5 MPa 時(shí)對應(yīng)霧化角最大。綜合分析，將噴霧系統(tǒng)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(yīng)系統(tǒng)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(yīng)霧化角在減小。綜合考慮如下因素：

1）當(dāng)噴嘴厚度過小時(shí)其磨損嚴(yán)重，因此噴嘴厚度應(yīng)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(jìn)行對比得出：隨著旋流室錐角的增大對應(yīng)霧化角增大，對應(yīng)霧滴的直徑減小。同樣，結(jié)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(jié)論

1）工作面降塵效果與噴霧系統(tǒng)噴嘴的霧化效果相關(guān)，故通過對噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可提高其霧化效果；

2）噴嘴口半徑與結(jié)構(gòu)特性參數(shù)為影響霧化效果的關(guān)鍵參數(shù)，而且噴嘴口半徑與結(jié)構(gòu)特性參數(shù)成正比，通過理論計(jì)算得出噴嘴口半徑最佳參數(shù)為1.05 mm；

3）通過試驗(yàn)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。