采煤機噴霧降塵裝置的優化設計與應用

張驍亞

（山西焦煤集團有限責任公司官地煤礦，山西 太原 030022）

隨著我國煤礦機械化及自動化程度不斷提高，煤炭開采效率及生產量逐年增大，因粉塵濃度過高所引發的事故不斷增多。在煤礦中綜采工作面的產塵量高達50%～80%，其中采煤機進行截割工作時附近煤塵濃度可達5 000 mg/m3以上，是煤礦粉塵防治的重點和難點[1-3]。目前我國針對采煤機的降塵系統仍不夠完善，以濕式除塵為主的方式在霧化效果上不夠理想，除塵效率低下，因此針對采煤機噴霧系統及裝置的高效化研究與優化對于煤礦安全高效生產至關重要。

為了進一步提高采煤機噴霧系統的降塵效率，在傳統采煤機內外噴霧裝置及相應系統的研究基礎上，重點分析了現有噴霧降塵裝置存在的不足及缺陷，對噴霧降塵裝置的噴嘴布置方式、噴嘴結構及選型進行優化，解決了低水壓噴霧時噴嘴易堵塞及無法實現精準噴霧的問題，有效提高了噴霧區對粉塵的覆蓋率，使其達到了最佳降塵效果，對于井下粉塵防治具有一定實際意義。

1 噴霧降塵高效優化分析

1.1 高壓噴霧降塵機理

常規采煤機噴霧降塵方法是基于流體霧化理論實現的，其基本原理是通過特定裝置（噴嘴等）利用外部加壓將液滴進行破碎從而形成細小的射流或霧化顆粒，使其與空氣中的粉塵發生碰撞和吸附。霧化液滴降塵的主要機理包括慣性力碰撞、重力沉降、攔截捕集、靜電捕集及布朗擴散，如圖1所示。

圖1 噴霧除塵機理

在粉塵漂浮過程中，部分質量較大的粉塵將受自身較大重力或慣性力影響發生重力沉降或與霧化液滴發生慣性力碰撞，直至被液滴捕集。其他直徑較小的粉塵微粒將受布朗擴散及電荷極性影響與霧化液滴發生結合，或在與空氣同步流動過程中被液滴攔截捕集，從而達到除塵效果。

1.2 噴霧降塵影響因素分析

采煤機在對煤塊進行截割破碎時，會產生大量粉塵，是綜采面主要產塵區域，目前大多采用以濕式除塵的內外噴霧裝置進行高壓噴霧降塵，其中內噴霧安裝于滾筒截齒下方，外噴霧安裝于搖臂上方。由于內噴霧噴嘴距離煤體較近，在截割過程中產生的大量粉塵極易堵塞噴嘴，噴霧效果變較差；而外噴霧采用固定噴嘴布置方式，無法對粉塵進行有效覆蓋，在實際應用中除塵效果欠佳，因此需對降塵影響因素進行分析，從而對內外噴霧裝置進行針對性優化。

（1）噴霧壓力影響。經試驗表明，霧化液滴直徑與粉塵捕集效率成反比，更大的噴霧壓力將縮小霧化液滴直徑，從而有效提高降塵效果。

（2）噴霧流量影響。在噴霧壓力恒定時，噴霧流量越大，單位面積內所產生的霧化液滴數量越多，液滴與粉塵結合率將顯著提高。

（3）噴嘴布置方式影響。采煤機內外噴霧裝置的布置合理性將直接影響霧化液滴的覆蓋范圍，噴嘴與塵源距離過遠將導致液滴運行速度和數量減小，距離過近將縮短液滴覆蓋范圍，導致降塵不充分。

（4）噴嘴選型影響。噴嘴的形式及性能是決定噴霧效果的關鍵，噴嘴的直徑、擴散角等參數的合理配置可有效提高液滴捕集范圍及動能，從而獲取最佳噴霧效果。

2 采煤機內外噴霧降塵裝置噴嘴優化設計

2.1 噴霧降塵裝置噴嘴優化方案

通過上述對噴霧降塵效果影響因素的分析，從噴嘴形式與選型設計、內外噴霧噴嘴布置方案兩方面對噴霧降塵裝置進行優化，從而達到更理想的降塵效果。根據相關規程規定，采煤機內噴霧壓力需≥2 MPa，當內噴霧堵塞失效時外噴霧壓力需≥8 MPa，目前可滿足該壓力條件的霧化噴嘴如表1 所示。

表1 霧化噴嘴類型及霧化射流形狀

在噴霧壓力滿足需求的情況下，噴嘴產生的霧化射流形狀將決定粉塵捕集范圍。扇形噴嘴覆蓋效果較差，具備實心圓錐形狀的精細霧化噴嘴及超聲霧化噴嘴雖霧化效果最佳，但在井下惡劣環境中維護成本過高，極少在煤礦中應用。結合經濟性及霧化效果考慮，選用霧化液滴粒徑較小、射流覆蓋范圍較大的螺旋式噴嘴，可完全滿足采煤機降塵需求。

確定噴嘴類型后，噴嘴口徑與中心孔直徑將對霧化液滴的運動速度及擴散角產生主要影響，需進行進一步優化設計。噴嘴口徑與噴霧擴散角及液滴流速具備正比關系，口徑越大，霧化區擴散角及液滴運動速度將呈梯度變化顯著提高，選取口徑為1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm、2.0 mm 的不同噴嘴在實驗室內進行對比實驗。首先將供水壓力統一設置為5 MPa，并將不同口徑的噴嘴依次安裝至噴霧裝置上，開啟設備后通過霧滴粒徑分布測量儀對不同口徑下霧滴的流速進行測量，實驗結果如表2 所示。

由實驗結果可知，隨著噴嘴口徑增加，液滴平均流速不斷提高，當噴嘴口徑達到1.5 mm 時，將口徑繼續增大至2.0 mm，其液滴流速僅提高0.3 m/s，為了保證噴霧效果的，同時盡量減小耗水量，選用口徑為1.5 mm 的螺旋噴嘴效果最佳。

噴嘴旋流芯中心口徑對噴霧效果影響也較為顯著，為了確定最佳中心口徑，將噴嘴口徑固定為1.5 mm，供水壓力設置為5 MPa，分別選取旋流芯中心口徑為1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm、2.0 mm 進行對比實驗，實驗步驟及條件與口徑對比實驗相同，實驗結果如表3 所示。

表3 不同中心口徑噴嘴下液滴流速對比

由實驗結果可知，噴嘴旋流芯中心口徑越大，所產生霧化液滴的運動速度越大，粉塵捕集效率越高，但霧化區的擴散角將隨中心口徑的增大而減小。從表中數據可知，當旋流芯中心口徑達到1.2 mm 時，繼續增大口徑對液滴流速增幅影響較小，為了保證噴霧覆蓋范圍，應選取中心口徑為1.2 mm 的噴嘴。

2.2 噴霧降塵裝置噴嘴布置方案設計

目前應用于采煤機的內外噴霧裝置多數存在內噴霧因易損壞、覆蓋范圍小、噴霧壓力不足導致降塵效率低下，且固定式外噴嘴安裝位置不合理，無法與內噴霧配合降塵。針對上述問題，提出一種內外噴霧裝置布置方案，首先將內噴霧噴嘴安裝于采煤機截齒根部，噴嘴方向與截齒中心線間的夾角保持在15°左右，噴嘴所形成的霧化射流區域開角≥70°，如圖2 所示。

圖2 內噴霧裝置噴嘴布置

通過該內噴嘴布置方式可形成霧化射流區對截齒的全覆蓋，從而有效保證降塵效果。同時為進一步提高降塵效果，安裝于搖臂的外噴霧裝置數量增加為3 個，分別按照不同角度實現對滾筒下、中、上部截齒的全覆蓋，當粉塵濃度過高時配合內噴霧完成降塵，進一步提高降塵效率。外噴嘴布置方式如圖3 所示。

圖3 外噴霧裝置噴嘴布置

3 實際應用測試

為了驗證噴霧降塵裝置的實際應用效果，結合山西焦煤官地煤礦綜采工作面實際情況，設置4個粉塵濃度測量點，分別位于采煤機前滾筒中心上風側5 m 處、后滾筒中心下風側5 m 處、前滾筒中心處以及后滾筒中心處，采用五組測量點位按1～4 順序標號。粉塵濃度測量采用CCZ1000 直讀式粉塵濃度測定儀對4 個測量點位分別進行測量，如圖4 所示。

圖4 CCZ1000 直讀式粉塵濃度測定儀實物

采煤機啟動后將在順風及逆風狀態下進行截割操作，此時開啟噴霧降塵裝置，位于各截齒底部的內噴霧噴嘴及搖臂上側外噴霧噴嘴將高壓液滴霧化后噴出從而實現降塵，現場噴霧實驗效果如圖5 所示。

圖5 噴霧降塵裝置噴霧效果

實際測試環節中采用CCZ1000 型直讀式粉塵濃度測定儀在各個測量點粉塵濃度進行記錄，現場實驗開始時間為2022 年4 月17 日16：30，測量結果如表4 所示。從表中數據可知，在使用優化方案后，采煤機全塵及呼吸性粉塵濃度分別平均降低了91.3%和86.7%，降塵效果顯著。

表4 噴霧降塵裝置降塵效果測量數據

4 結語

在傳統采煤機內外噴霧裝置的基礎上提出了一種針對噴嘴類型及布置方式的優化方案，通過對噴嘴類型、口徑及旋流芯中心口徑的合理設計在保證最佳噴霧壓力及覆蓋范圍的同時節約了成本，同時對內外噴霧裝置噴嘴布置方式、數量及角度進行了設計，從而達到最佳降塵效果。經實際測試，采用該優化方案后采煤機全塵及呼吸性粉塵濃度可降低86.7%～91.3%，降塵效果良好。