采煤機機載噴霧除塵器的設計及應用分析

張 雄

（晉能控股煤業集團四老溝礦，山西 大同 037000）

引言

自然災害中，煤礦開采出現的粉塵污染影響力最大，其中超過60%的都是由工作面綜采所產生，最主要的來源是采煤機截煤造成的。降低因為采煤機截煤導致的粉塵污染，一般是采用采煤機噴霧控塵和內外噴霧以及跟蹤支架噴霧塵源等方式，幫助截煤運移煤壁產塵。當截煤逆風時，截煤產塵的采煤機疊加沖擊產塵的垮落，使粉塵極速增加，粉塵運移沿采煤機煤壁的機面運移。采煤機搖臂聚集在上風側根部是粉塵高濃度團，接著經過電纜槽的采煤機，到達支架進行擴散，最終在作業區形成污染，因此，制定并研究了引射除塵的機載噴霧器，安裝與側面風機的采煤機中，負壓產生原理是噴霧引射，促使沉降在除塵器的含塵高濃度氣流，以此將降塵噴霧效率提高，最終實現了治理截煤產塵的采煤機新方案。

1 除塵器利用噴霧引射達到除塵的原理

噴霧通過噴嘴管自內向外的順序噴射，鋼管內徑小于擴散水霧的直徑時，就出現了活塞水霧，圖1顯示了具體的機理。水霧將前面空氣推出，真空在后方形成，所以負壓出現在吸氣口那里，噴管內融入了吸氣口的含塵氣流。霧滴結合了來回碰撞的水霧和粉塵，噴管一經噴出變極速沉降；與此同時，射流里接收到卷吸霧流高速噴出的含塵氣流，洗滌粉塵后達到二次降塵。

圖1 水霧活塞機理示意圖

2 研究噴管風量的引射試驗

2.1 分析影響因素

噴管風量引射的意思是噴管吸入單位時間的空氣體積。而除塵技術的噴霧引射主要評定指標即引射風量，含塵氣體的吸入量與引射風量成正比，凈化含塵空氣的程度越好。喉管長度和直徑以及噴嘴類型和噴霧壓力都是噴管風量引射的幾個影響因素。

2.2 設計試驗系統

借助噴管風量引射設計的試驗系統，可以更好地分析以上幾個影響因素的原因。

試驗系統的組成部分包括噴管和噴嘴，高壓膠管和泵站以及壓力流量的傳感器。負壓在進風口噴管處的測得需要使用補償式的微壓計，試驗環境測得利用空盒氣壓計和溫度計監測大氣壓與溫度，引射風量利用計算而來，流量傳感器顯示了噴嘴流量[1]。

2.3 設計噴管

文丘里管是典型的噴管結構使用方式，法蘭聯接的三部分有減擴段和喉管以及漸縮段。其中有3種直徑的喉管：Φ300 mm 和Φ200 mm 以及Φ100 mm 的喉管最常用。

2.4 選擇噴嘴

噴管主要構成除塵器引射噴霧，噴嘴對應噴管布置在中間部位。高壓噴嘴可以將除塵器產生的引射風量增大。試驗噴嘴選取了噴嘴庫里的三種類型，60°霧化角Φ2.5 mm 孔徑的SD314 型，和45°霧化角Φ2.5 mm 孔徑的SB403 型，以及噴嘴型號包括30°霧化角Φ2.0 mm 孔徑的SD312 型。

3 分析試驗結果及方案

3.1 正交方案的試驗

試驗需要檢測很多的因素，因此選擇正交試驗為試驗方法。試驗挑選全面試驗有代表性的部分點，代表點的特點是整齊性和均勻性。

正交試驗利用不同長度的噴管直徑，分3 組喉管直徑去進行，正交表采用的是L9（34）。

3.2 分析試驗結果

1）影響噴管Φ100 mm 直徑的引射風量因素包括噴嘴類型和噴霧壓力還有活塞水霧行程，即噴管長度，而隨著喉管直徑的擴大，其引射風量的影響因素依次為噴嘴類型、噴管長度、噴霧壓力，噴管組合最優的直徑和Φ300 mm 以及Φ200 mm 的基本無差別。由此得出，水霧活塞處于小直徑的具有較好的質量，所以霧流質量基本不受噴霧壓力和噴嘴類型的影響；水霧活塞在增大的喉管直徑時變為影響引射風量的頭等因素，水霧活塞緊密聯系噴嘴類型，都算影響的幾個主要因素[2]。

2）對比試驗數據并對噴嘴SD314 補做試驗，圖2 顯示了試驗數據，可以看出，當喉管長度一定時，變大的喉管直徑則會導致引射風量極速上升，所以影響引射風量的因素中要重點關注喉管直徑。

圖2 SD314 型噴嘴在幾種喉管直接與噴霧壓力情況下的具體引射風量圖

圖3 顯示的是Φ300mm 喉管直徑的噴嘴SD314型號處于喉管長度和噴霧壓力都不同的時候顯示的引射風量。

圖3 SD314 型噴嘴在幾種噴嘴壓力與噴管長度情況下的具體引射風量圖

以上可知，當喉管直徑時，增加喉管長度后，噴嘴基本不會產生變化的引射風量。

由此可知，除塵器噴霧引射組成的噴管要盡量選擇Φ300 mm 或Φ200 mm 的喉管直徑；選擇8 MPa 的噴霧壓力和SD314 型號的噴嘴，盡量選擇長的喉管；倘若采煤機受限制機面空間時，就要選擇合適的喉管直徑，縮短噴管后設備緊湊，才能在空間中得到適應。

4 研制采煤機引射除塵的機載噴霧器

采煤機阻擋了沖擊垮落和截煤逆風出現的濃度高的粉塵，穿過電纜槽和采煤機時，順風流的一部分運移方向是順著采煤機的機面，支架擴散了另一部分，所以噴管需要布置兩組，才能實現采煤機引射順風流的側機面上風方向，還有含塵氣流高濃度的采煤機側面。圖4 是設計的機載除塵器，除塵器負壓的產生是管道內引射的噴霧當作動力，對粉塵采取凈化處理和集中抽吸，引射管負壓靠單個噴霧達不到要求，而且限制因素還有機面空間，所以引射風量靠單個噴管產生的數值低于測試實驗室環境的值。故用兩個噴管去實現每組噴管的組合并列模式，達到引射風量的增大；現場調研的采高起伏選擇噴管Φ200 mm 的直徑。導流板設置在除塵器的引射出口位置，煤壁被高速水霧引導噴射。

圖4 機載除塵器

5 現場應用效果

現場試驗選取的工作面綜采150201 某礦的采煤機進行引射除塵機載噴霧器操作，其生產工藝選擇了頂煤綜采放是3.8 m 的采高，采煤機雙滾筒型號是MG 750/1920-WD，具備5 m 的放煤高度。采煤機為了加強對產塵截煤的治理，選擇的方式是采煤機噴霧控降塵和外噴霧，以及支架噴霧跟蹤塵源。《工作場所空氣中粉塵測定》第二部分:粉塵呼吸性濃度中的GBZ/T 192.2—2007 做出以下實驗：機載除塵器測試采煤機逆風和順風時，20 m 和10 m 處前后風側處截煤可以產生的粉塵呼吸性濃度測試。

借助了引射除塵機載噴霧器后，下風側采煤機的20 m 和10 m 位置產生的粉塵呼吸性濃度出現了顯著下降，至少高達65.24%的降塵效率。采煤機中機載除塵器的使用，粉塵在20 m 左右的下風側都出現減少現象，充分表明了引射除塵機載噴霧器的應用可以明顯地降低了粉塵擴散至人行道的現象。

6 結語

1）除塵引射噴霧器中影響引射風量的幾個因素包括：喉管長度和直徑、噴嘴類型和噴霧壓力。其中的影響因素比重排名隨擴大的喉管直徑而變為噴霧壓力，然后是喉管長度，最后是噴嘴類型，組合最優的噴管是Φ300 mm 和Φ200 mm 的直徑；

2）引射風量極速改變的情況出現在相同的喉管長度和噴嘴壓力以及類型，在變大的喉管直徑情況下最為明顯；相反，當它們不相同時，引射風量基本與增加的喉管長度無關。所以，需要選用合適的喉管直徑，再將喉管長度微調縮短，設備達到緊湊狀態才能對空間進行適應；

3）通過觀察采煤機運移粉塵的截煤狀態，制定了并列多管的模式，確定選用引射除塵機載噴霧器進行輔助。結果表明，粉塵呼吸性濃度于20 m 和10 m 處的下風側采煤機至少具備65.24%的降塵效率，有效改善了作業條件，充分表示選取參數和設計除塵器是真實有效的。