侯寶月

0 引言

隨著煤炭開(kāi)采強(qiáng)度的不斷增大，采煤工作面的煤塵不斷增加，雖然大部分采煤工作面采用了相應(yīng)的防塵措施，但采煤機(jī)割煤仍然有大量煤塵難以清除，對(duì)采煤工作面設(shè)備和職工身體健康都存在危害。因此，采用采煤機(jī)二次負(fù)壓降塵技術(shù)，可大幅降低了采煤工作面的粉塵，并通過(guò)Fluent 進(jìn)行數(shù)值模擬，確定并優(yōu)化燕子山礦采煤機(jī)上除塵裝置的最佳技術(shù)參數(shù)[1]，使采煤機(jī)二次負(fù)壓降塵技術(shù)達(dá)到最佳效果。

1 采煤機(jī)二次負(fù)壓降塵技術(shù)的基本原理

采煤機(jī)二次負(fù)壓降塵技術(shù)的基本原理是將靜壓(低壓)水轉(zhuǎn)化為高壓水并通過(guò)敷設(shè)的高壓管路輸送到布置在采煤機(jī)的負(fù)壓二次除塵裝置；負(fù)壓二次除塵裝置將供給的高壓水，轉(zhuǎn)化成控制采煤機(jī)產(chǎn)塵源向外擴(kuò)散的汽霧流屏障和局部含塵風(fēng)流凈化除塵系統(tǒng)。[2]高壓汽霧流屏障阻止和減少粉塵向外擴(kuò)散；局部含塵風(fēng)流凈化除塵系統(tǒng)是指采煤機(jī)的除塵裝置噴出高壓水的同時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓將煤塵吸到裝置附近就地凈化，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵的負(fù)壓二次降塵的目的。由于采煤機(jī)的主要產(chǎn)塵點(diǎn)是在滾筒割煤時(shí)產(chǎn)生的渦旋風(fēng)流，通過(guò)噴射高壓水霧時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓將粉塵吸走，達(dá)到除塵的效果。[3]除塵示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 除塵示意

2 二次負(fù)壓降塵系統(tǒng)的組成

采煤機(jī)負(fù)壓二次降塵器系統(tǒng)，利用設(shè)置在工作面由高壓水泵、自動(dòng)控制供水水箱組成的高壓泵站，將靜壓水(低壓)轉(zhuǎn)化為高壓水并通過(guò)沿順槽至工作面敷設(shè)的高壓管路輸送到布置在采煤機(jī)的負(fù)壓二次除塵裝置。[4]采煤機(jī)二次負(fù)壓降塵系統(tǒng)中的供水系統(tǒng)見(jiàn)圖2、3 所示。

圖2 供水系統(tǒng)

圖3 采煤機(jī)負(fù)壓除塵器高壓供水系統(tǒng)示意

3 采煤機(jī)二次負(fù)壓降塵系統(tǒng)主要參數(shù)研究

根據(jù)燕子山礦采煤工作面和采煤機(jī)的實(shí)際情況，利用數(shù)值模擬，確定在采煤機(jī)上利用二次負(fù)壓降塵技術(shù)的具體參數(shù)，以達(dá)到最佳的降塵效果。[5]

（1）負(fù)壓特性研究

首先建立數(shù)學(xué)模型，如圖4 所示。

圖4 負(fù)壓除塵模型網(wǎng)格

利用fluent 數(shù)值模擬軟件對(duì)負(fù)壓所產(chǎn)生的氣流運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬，在數(shù)值模擬軟件中需要設(shè)定具體參數(shù)，在模型的中心位置設(shè)置pressure-swirl-atomizer噴嘴，模型兩端為空氣連續(xù)相的outflow 邊界，設(shè)置為k-ε 湍流模型，離散相與連續(xù)相的相間耦合率設(shè)置為1，在Path Line 中為巷道內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)軌跡(見(jiàn)圖5）。

圖5 空氣運(yùn)動(dòng)軌跡

圖6 空氣壓力軌跡

通過(guò)具體參數(shù)設(shè)定和fluent 數(shù)值模擬軟件模擬后可以得到高壓噴嘴產(chǎn)生的負(fù)壓將后面產(chǎn)生的大部分粉塵吸走，噴嘴前面產(chǎn)生的粉塵沿著水流方向產(chǎn)生的2 m/s 的氣流吸回管壁內(nèi)，剩下的粉塵被射出的水流帶走，起到除塵的作用。[6]

通過(guò)設(shè)置噴嘴不同的壓力值，管壁內(nèi)部產(chǎn)生的最低負(fù)壓值，如圖7 所示。

圖7 噴嘴壓力——管壁負(fù)壓特征曲線

分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴嘴的壓力值小于6 MPa 時(shí)，隨著噴嘴壓力升高，管壁內(nèi)部的負(fù)壓成線性增長(zhǎng)，當(dāng)噴嘴壓力達(dá)到6 MPa 后，隨著壓力值不斷增加，管壁內(nèi)部負(fù)壓幾乎不變。通過(guò)數(shù)值模擬和對(duì)負(fù)壓曲線分析，將噴嘴壓力設(shè)為6 MPa，達(dá)到除塵效果最優(yōu)化。[7]

（2）二次負(fù)壓噴射參數(shù)研究

因?yàn)槌龎m的效果主要由噴嘴角度、壓力和滾筒與除塵裝置之間的距離決定。一般情況下滾筒與除塵裝置之間的距離和噴嘴的方向是一定的，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)噴射壓力和噴嘴的噴射半角成了決定除塵效果的主要因素。[8]

①噴射水壓研究[9]

利用fluent 數(shù)值模擬軟件建立除塵裝置模型（見(jiàn)圖8），首先對(duì)建立模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，調(diào)節(jié)噴嘴的壓力由2 MPa～12 MPa，觀察距離除塵裝置為1.5 m 處的效果，如圖9 所示，對(duì)結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，得到噴射壓力和所覆蓋區(qū)域之間的關(guān)系見(jiàn)第6 頁(yè)圖10。

圖10 噴射壓力和覆蓋區(qū)域的關(guān)系

可以發(fā)現(xiàn)隨著噴嘴壓力的增加覆蓋面積成拋物線型變化，降塵效果和噴射壓力不是線性關(guān)系，不會(huì)隨著壓力的不斷變大，除塵效果越來(lái)越好；得到除塵裝置的最佳壓力為2 MPa～6 MPa。[10]

②噴射半角研究

由于除塵裝置的噴嘴在圓柱筒內(nèi)，噴射半角影響產(chǎn)生的負(fù)壓和噴射面積。噴射角太大會(huì)噴射到圓筒內(nèi)壁，噴射半角太小，影響噴射面積，要選擇一個(gè)最佳的噴射角度，使除塵效果最好。[11]

通過(guò)fluent 數(shù)值模擬軟件建立除塵裝置模型，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定條件，使噴射半角每次變化5°，由10°～30°不斷變化，觀察距離除塵裝置1.5 m 處的效果如圖11 所示。

圖11 噴射半角與覆蓋面積的關(guān)系

隨著噴嘴半角的提高，覆蓋面積成拋物線型變化，說(shuō)明不是噴射半角越大，覆蓋面積越大。由數(shù)值模擬可以得到噴射半角在20°時(shí)覆蓋面積最大。

4 結(jié)語(yǔ)

在2009 年7 月本項(xiàng)目開(kāi)始實(shí)施之初，對(duì)8204 工作面的采煤機(jī)實(shí)際操作過(guò)程進(jìn)行了粉塵測(cè)定，全塵濃度647 mg/m3。經(jīng)過(guò)一年的粉塵治理，2010 年9 月又在8204 工作面的進(jìn)行了粉塵濃度測(cè)定，粉塵明顯下降，粉塵濃度為187.4 mg/m3。通過(guò)對(duì)燕子山礦采煤機(jī)利用二次負(fù)壓降塵技術(shù)分析研究和利用fluent 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬可以得到，除塵裝置的主要技術(shù)參數(shù)，除塵裝置的壓力設(shè)定為6 MPa，噴射半角設(shè)定為20°，可以達(dá)到最好的除塵效果。

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