煤礦霧化除塵噴嘴的優化研究

趙書山

（大同煤礦集團挖金灣煤業有限責任公司， 山西 大同 037000）

1 噴嘴結構的優化及建模

在礦井采煤作業中產生的粉塵向著各個方向擴散，進行噴霧除塵的噴霧必須要有足夠的覆蓋面積才能達到降塵的效果。為了保證噴嘴能夠噴出較大的水霧，采用離心霧化噴嘴，在水霧噴出前形成旋流，增加擴散的面積[1-3]。常用的噴嘴采用斜切孔的形式形成離心效應，但這種噴嘴對水質的要求較高，容易造成堵塞，并且使用的時間較短，內部結構狹小，無法進行有效的清理[4]。

采用雙頭導流式的旋轉芯噴嘴，相對常用的噴嘴縮短了內部的流道，增加了過流的截面面積，具有較強的抗污染能力，可以避免堵塞[5]。噴嘴采用分體式的設計，如圖1 所示，該設計便于噴嘴的維護使用，具有較長的使用壽命，適用于礦井惡劣的工作環境。

采用Fluent 軟件對噴嘴的噴霧效果進行分析，Fluent 軟件可對流體問題進行很好的分析，自帶物理模型可針對不同流體的特點采用精確的數值進行分析。采用Fluent 對噴嘴的噴涂效果進行分析，針對噴射的壓力及噴嘴的口徑對霧化的影響進行分析，從而得到最佳霧化的噴嘴結構[6]。建立噴嘴的三維分析模型，并對其進行網格劃分，得到噴嘴的模型如圖2 所示。

2 噴嘴霧化效果的仿真分析

采用Fluent 進行噴嘴的霧化效果分析，設置入口處的壓力分別為2 MPa、3 MPa，出口處的壓力設定為標準的氣壓值，設置出口處的邊界條件，對噴嘴的口徑設置為1 mm、1.5 mm、1.75 mm 三種不同的情況進行霧化效果的分析。對不同斷面上的速度進行分析。如下頁圖3 所示為在入口壓力2 MPa 時斷面y15 處三種不同口徑的噴嘴速度變化曲線圖。

圖1 旋轉芯噴嘴結構示意圖（單位：mm）

圖2 噴嘴結構模型

從圖3 中可以看出，在不同的曲線圖中，基本呈現兩邊的速度對稱分布，變化的趨勢保持一致，在噴嘴的中心位置呈現由高到低的變化趨勢，在噴嘴口徑增加的過程中，速度隨之增加，說明在口徑大的噴嘴內部形成的旋流的強度較大，具有較高的噴射速度。

下頁圖4 中4-1 為噴嘴口徑為1.5 mm 時在同樣y15 斷面位置處入口壓力為3 MPa 時的速度變化曲線，從圖中可以出，在入口壓力增加時，速度曲線的變化趨勢與圖3 中的變化趨勢保持一致，在數值上，速度值有所增加，這說明增加入口處的壓力，噴嘴的出口速度也有所增加；圖4-2 中為相應的出口斷面上沿直徑方向的速度變化圖，從圖中可以看出，在同一噴嘴的分析中，沿直徑方向上的速度相差不大，這說明噴霧的出口速度沿著各個直徑方向基本一致。

圖3 入口壓力為2 MPa 時不同噴嘴口徑下的噴嘴沿斷面的速度變化曲線

通過上述的分析可知，在進行霧化除塵的過程中，噴嘴的口徑對于旋流的形成具有較大的影響，口徑越大則出口處的水霧速度越大；入口處的壓力同樣對出口的速度值具有較大的影響，增加入口的壓力，可以提高出口處的速度，并且噴嘴在各個方向上的速度保持一致，有利于水霧的集中擴散。在進行噴嘴的設計及應用中，應盡量增加內部的噴嘴口徑，并采用工況允許的較大的入口壓力進行煤礦的噴霧除塵，從而實現較好的除塵效果。

3 結論

1）在噴嘴的結構中，噴嘴的口徑，對于旋流的形成具有較大的影響，口徑越大則出口處的水霧速度越大。

圖4 入口壓力為3 MPa、1.5 mm 口徑時不同方向下噴嘴沿斷面的速度變化曲線

2）在進行噴嘴的應用中，入口處的壓力對出口的速度值具有較大的影響，增加入口的壓力，可以提高出口處的速度，并且噴嘴在各個方向上的速度保持一致，有利于水霧的集中擴散。

3）噴嘴是進行霧化除塵的直接零件，采用大口徑的噴嘴并應用較大的入口壓力，可以增加水霧的噴射速度，從而形成較大的覆蓋面積，降低礦井內的粉塵濃度，改善礦井的作業環境，提高礦井的安全性，有利于煤炭的高效開采。