原云鋒

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

引言

隨著綜采設(shè)備生產(chǎn)能力、采煤工藝等不斷發(fā)展與進(jìn)步，綜采工作面的采煤速度明顯提升，使得工作面粉塵產(chǎn)生量急劇增加。對(duì)于工作面的煤塵、粉塵而言，其不僅會(huì)影響工作面作業(yè)人員的人身安全，而且還會(huì)影響工作面的安全生產(chǎn)[1]。經(jīng)研究可知，若在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中不采取任何降塵措施，工作面的粉塵或煤塵質(zhì)量濃度最高可達(dá)到7 000 mg/m3，遠(yuǎn)超出《煤炭安全規(guī)程》所規(guī)定的安全限值。目前，針對(duì)工作面的煤塵或粉塵主要降塵方式為噴霧，也就是說(shuō)噴霧系統(tǒng)的霧化效果將直接決定降塵的效果。因此，本文將著重研究?jī)?yōu)化采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)霧化效果的措施，具體闡述如下。

1 霧化方式研究

霧化過(guò)程為噴霧系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要作用是將管路中的液體分解為直徑微小且尺寸相對(duì)均勻的霧滴。一般的，可將噴霧系統(tǒng)的霧化過(guò)程詳細(xì)分為三個(gè)步驟：液體在噴嘴內(nèi)部流動(dòng)；將噴嘴噴出的液柱分解為霧滴；被霧化的霧滴在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步破碎，并與空氣中煤塵、粉塵等相聚合。在上述三個(gè)步驟中，第二階段為霧化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是影響最終霧化效果的核心。目前，針對(duì)液體霧化的方式包括有機(jī)械霧化、介質(zhì)霧化以及特殊噴嘴霧化。

機(jī)械霧化是液體在高壓的作用下形成高速的射流自動(dòng)霧化，其對(duì)應(yīng)的噴嘴結(jié)構(gòu)包括有直射式噴嘴、離心式噴嘴以及旋轉(zhuǎn)式噴嘴。從原理上直射式噴嘴是將液體加速至高速而霧化；離心式噴嘴是在高壓作用下霧化；旋轉(zhuǎn)式噴嘴是在高速旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)作用下被霧化。

對(duì)于介質(zhì)霧化而言，其可分為氣體霧化和氣泡霧化。其中，氣體霧化方式更為常用，其原理為液體在一定壓力高速氣體的作用下被霧化[2]。該霧化方式的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)水壓的壓力要求不高，缺點(diǎn)為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

特殊霧化指的是在超聲波、電磁波以及靜電作用下將液體霧化，對(duì)于特殊噴嘴而言雖然其霧化效果最佳并在工業(yè)實(shí)踐中取得較好的應(yīng)用效果。但是，鑒于綜采工作面環(huán)境較為惡劣，使特殊噴嘴無(wú)法發(fā)揮其應(yīng)有的霧化效果。

因此，對(duì)于綜采工作面采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)最適用的噴霧方式為機(jī)械噴霧，并以離心式噴嘴結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)常見(jiàn)噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)常見(jiàn)噴嘴結(jié)構(gòu)

對(duì)于采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)霧化效果不佳的問(wèn)題，經(jīng)分析主要由于噴嘴結(jié)構(gòu)不合理和噴嘴結(jié)構(gòu)不匹配所導(dǎo)致。除此之外，噴霧水壓為次要影響霧化效果的因素。因此，本文將從噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸最佳匹配以及配置最佳噴霧參數(shù)著手對(duì)霧化途徑進(jìn)行優(yōu)化。

2 噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)室多次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出：當(dāng)噴嘴所噴射霧滴的直徑控制在50 μm 左右，且霧滴在產(chǎn)塵點(diǎn)的速度為35 m/s 時(shí)，降塵效果最佳。因此，對(duì)于噴嘴而言，應(yīng)將其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化使得所噴射出霧滴的參數(shù)盡量接近：直徑在50 μm 左右，速度在35 m/s 左右。本節(jié)將基于CFD 軟件對(duì)不同尺寸噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的霧化效果進(jìn)行對(duì)比研究。

首先在CAD 軟件中根據(jù)噴嘴結(jié)構(gòu)的尺寸建立三維模型，然后將所建立的三維模型導(dǎo)入CFD 軟件中，并在CFD 軟件中完成參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)格劃分得到CFD 仿真模擬模型，其中，模型中對(duì)應(yīng)入口的湍動(dòng)能為0.026，耗散率為1.64；出口對(duì)應(yīng)的湍動(dòng)能為5.41，對(duì)應(yīng)的耗散率為0.019 66[3]。

2.1 不同噴嘴口徑的霧化效果對(duì)比

根據(jù)當(dāng)前市面上噴嘴口徑的大小，本節(jié)基于CFD 分別對(duì)噴嘴口徑為 1 mm、1.2 mm、1.5 mm 以及1.75 mm 下的霧化效果進(jìn)行對(duì)比（噴嘴入口供水壓力為 3 MPa）。

首先，對(duì)不同口徑噴嘴所噴射出霧滴的噴霧角度進(jìn)行仿真分析，得出如表1 所示的結(jié)果。

表1 不同噴嘴口徑對(duì)應(yīng)噴霧角 mm

如表1 所示，隨著噴嘴口徑的增大，所噴射出霧滴的噴霧角增大。從理論上講，噴霧角越大對(duì)應(yīng)的霧化效果越好，最終的降塵效果也最佳。因此，應(yīng)在合理范圍之內(nèi)盡可能增加噴嘴口徑。結(jié)合綜采工作面相對(duì)惡劣的工作環(huán)境，當(dāng)噴嘴口徑過(guò)小時(shí)容易導(dǎo)致噴嘴被煤塵、粉塵所堵塞；而當(dāng)噴嘴口徑過(guò)大時(shí)容易造成水量的浪費(fèi)。因此，綜合分析將噴嘴口徑控制在1.5 mm。

2.2 不同旋流角的霧化效果對(duì)比

目前，噴嘴旋流角常見(jiàn)值為30°，在本次仿真中將旋流角從30°改進(jìn)為15°。經(jīng)仿真分析可知，隨著噴嘴旋流角減小對(duì)應(yīng)噴嘴所噴射出霧滴的擴(kuò)散角會(huì)減小[4]。也就是說(shuō)，當(dāng)旋流角減小時(shí)，液體在腔體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由劇烈變得緩和。即，隨著旋流角的減小對(duì)應(yīng)霧化效果變差。

2.3 不同針閥位置的霧化效果對(duì)比

在原噴嘴中針閥位置的基礎(chǔ)上，分別對(duì)原針閥位置、針閥向前推進(jìn)0.5 mm、針閥向后移動(dòng)0.5 mm三種情況下的霧化效果進(jìn)行對(duì)比仿真分析。經(jīng)仿真分析可知，當(dāng)針閥距離噴口的位置越大時(shí)，對(duì)應(yīng)所噴射出霧滴的擴(kuò)散角越大。即說(shuō)明，當(dāng)針閥距離噴口位置越大時(shí)，霧滴的霧化效果越好。

綜上所述，對(duì)于噴嘴結(jié)構(gòu)而言可通過(guò)對(duì)噴嘴口直徑、旋流角以及針閥與噴口相對(duì)位置進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到改善霧化效果的目的。具體改進(jìn)后噴嘴的尺寸如下：噴嘴口徑為15 mm、旋流角為30°、針閥在合理范圍內(nèi)原理噴口。

3 噴嘴關(guān)鍵尺寸的合理配置

除了對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，還需對(duì)于噴嘴相配合的其他部件結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行合理配置，其中包括有噴嘴口徑與內(nèi)腔孔徑的匹配以及噴嘴口徑與噴口長(zhǎng)度的匹配。

3.1 內(nèi)腔孔徑的優(yōu)化

霧滴在從噴嘴中噴射出來(lái)之前，其在內(nèi)腔中會(huì)做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)在內(nèi)腔中的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)越劇烈，所噴射出霧滴的霧化效果越好，霧滴分散越均勻，噴霧角也越大。經(jīng)理論研究可知，當(dāng)內(nèi)腔孔徑與噴嘴口徑的比值減小時(shí)，內(nèi)腔內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)越劇烈，液體在內(nèi)腔的流動(dòng)速度越大，對(duì)應(yīng)的霧化效果越好[5]。在多次試驗(yàn)并結(jié)合理論的基礎(chǔ)上，得出內(nèi)腔孔徑與噴嘴口徑的最佳匹配尺寸如表2 所示。

表2 內(nèi)腔孔徑與噴嘴口徑最佳匹配尺寸 mm

3.2 噴口長(zhǎng)度的優(yōu)化

結(jié)合多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及研究，當(dāng)噴口長(zhǎng)度為噴嘴口徑的0.5～1 倍時(shí)，噴嘴所噴射出霧滴的噴霧角越大，霧化效果也越好。因此，當(dāng)噴嘴口徑為1.5 mm時(shí)，其可取的噴口長(zhǎng)度范圍為0.75～1.5 mm。

4 結(jié)論

煤塵、粉塵是工作面開(kāi)采、掘進(jìn)時(shí)不可避免的產(chǎn)物，其不僅會(huì)影響作業(yè)人員的身體健康，而且還會(huì)嚴(yán)重威脅工作面的安全生產(chǎn)。因此，需采取有效的降塵手段降低工作面的煤塵、粉塵濃度，使其滿(mǎn)足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)要求。本文對(duì)采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)的霧化途徑進(jìn)行優(yōu)化，提升噴霧系統(tǒng)的霧化效果，具體總結(jié)如下：

1）將噴嘴口徑的最佳尺寸確定為1.5 mm，對(duì)應(yīng)噴嘴最佳旋流角為30°，將針閥在合理要求內(nèi)盡可能地遠(yuǎn)離噴嘴口；

2）根據(jù)噴嘴口徑將其對(duì)應(yīng)內(nèi)腔尺寸進(jìn)行優(yōu)化，其對(duì)應(yīng)的最佳內(nèi)腔口徑為6 mm；對(duì)應(yīng)噴口長(zhǎng)度的最佳可選范圍為0.75～1.5 mm。