掘進機高效噴霧降塵裝置的優化研究

劉偉杰

（山西宏宇誠鑄建設工程有限公司， 山西 懷仁 038300）

0 引言

掘進機是煤礦井下巷道掘進的核心設備，在掘進過程中會產生大量的粉塵，不僅影響綜采面的視線，而且還會給作業人員的身體健康帶來較大的威脅[1]。目前在掘進機上通常會設置外噴霧降塵裝置，通過高壓噴霧的方式對掘進過程中產生的粉塵進行沉降，控制掘進面上的粉塵濃度，提高井下巷道掘進安全性。但目前降塵系統工作時的噴霧壓力等均是靠人工經驗調整，導致實際工作時噴水量大，降塵率卻不足50%，掘進機不得不采用降低掘進速度的方式進行作業，嚴重影響了井下巷道掘進的效率。

1 試驗方案分析

以EBZ160 型掘進機外噴霧降塵裝置為基礎，其噴嘴為單孔壓力型實心圓錐形結構，噴嘴直徑為2 mm，為了對不同工況下的噴霧降塵效果進行研究，建立了一個可調式的噴霧降塵試驗臺，其整體結構如圖1 所示[2]。

圖1 噴霧降塵裝置模擬試驗臺

在進行模擬分析時，通過改變噴水壓力來觀測噴嘴處的噴霧形狀變化，再結合粉塵采樣儀等即可確定在不同噴霧參數下的噴霧降塵效果[3]。

為了保證驗證的全面性和準確性，在進行試驗時將其分為兩組，第一組用于研究不同噴霧壓力下噴嘴的霧化特性，第二組則用于研究不同工況下對全塵和呼吸塵的降塵效果。結合噴霧降塵裝置的工作特性，實際設置了0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa 四種供水壓力進行模擬對比。在進行霧化特征研究時，可以采用YY-LED15K4C 型電磁流量計和DX-801XB00150型數字式壓力表對噴嘴流量和噴霧壓力進行研究。

2 噴霧降塵特性研究

當改變噴霧降塵的工作壓力后，會直接影響到噴嘴的流量、噴嘴霧化角及噴霧降塵效果，分別對其進行研究。

2.1 噴霧壓力與噴嘴流量的關系

不同供水壓力下噴嘴口處的水流量變化曲線如圖2 所示。隨著噴霧壓力地增加，噴嘴處的水流量不斷增多，當噴霧壓力超過1 MPa 時噴嘴水流量隨噴霧壓力的變化幅度逐步減少，而且在1～1.5 MPa 之間時的變化量大于1.5～2 MPa 之間的變化量，因此可知，當噴霧降塵裝置工作壓力在1～1.5 MPa 時，具有最佳的壓力- 流量比。

圖2 噴霧壓力與噴嘴流量關系曲線

2.2 噴霧壓力和噴嘴霧化角關系

霧化角是指液體從噴嘴處噴出后形成的一個圓錐狀的霧場，是評價液體霧化質量的一個核心指標，霧化角越大說明液體的霧化越徹底，霧滴直徑越小。對霧化角的分析，采用了高速攝像儀按1 s 的時間間隔對其進行拍照，然后再利用圖像數據分析處理軟件確定其霧化角，攝像機拍照時鏡頭需要和霧化噴嘴噴出方向垂直，保證測角的準確性。不同噴霧壓力下的霧化角如圖3 所示。

圖3 不同噴霧壓力下的霧化角示意圖

由圖3 可知，隨著供水壓力的增加，噴嘴處的霧化角不斷增大，當噴霧壓力從0.5 MPa 增加到1.5 MPa時，霧化角的變化最為明顯，增加了約4.2°。當噴霧壓力從1.5 MPa 增加到2 MPa 時，霧化角的變化明顯降低，增加了約0.2°，由此可知，當噴霧壓力為1～1.5MPa時具有最佳的霧化角。

2.3 噴嘴降塵效率分析

噴霧壓力不同，會影響到噴嘴處的流量和噴嘴霧化角，以上兩個因素將直接影響到掘進面粉塵的降塵效果。在掘進面上粉塵分為全塵和呼吸塵，其顆粒直徑不同，降塵特性也不一樣。在不同噴霧壓力下全塵和呼吸塵的降塵率如表1 所示。

表1 全塵和呼吸塵的降塵率對比

由實際對比結果可知，隨著噴霧壓力地增加，對全塵的降塵效果逐步提高，當噴霧壓力從0.5～1.5 MPa時，降塵率隨噴霧壓力地增加上升較快，當噴霧壓力從1.5 MPa 升高到2 MPa 時，降塵率僅提升了0.63%，但壓力的升高會導致噴霧降塵系統工作時的受壓增大，影響其使用壽命。

對于呼吸塵來說，其降塵效率則是隨著噴霧壓力的增加先增大然后降低，當噴霧壓力為1.5 MPa時呼吸塵的最大降塵率為55.49%，但當噴霧壓力增加到2MPa 的情況下，降塵率則下降到了54.82%，這主要是由于噴嘴結構限制了噴霧顆粒直徑的進一步降低，進而無法進一步加強降塵效果。

綜上分析，當噴霧降塵裝置的噴霧壓力設置為1.5 MPa 時，具有最佳的噴霧降塵效果，此時對全塵的降塵率達到了67.17%，對呼吸塵的降塵率達到了55.49%，此時噴嘴處的水流量為22.27 L/min，比優化前的用水量降低了約11.4%。

3 結論

1）隨著噴霧壓力的增加，噴嘴處的水流量不斷增多，當噴霧降塵裝置工作壓力在1～1.5 MPa 之間時，具有最佳的壓力- 流量比。

2）隨著供水壓力的增加，噴嘴處的霧化角不斷增大，當噴霧壓力為1～1.5 MPa 時具有最佳的霧化角。

3）當噴霧降塵裝置的噴霧壓力設置為1.5 MPa時，具有最佳的噴霧降塵效果，此時對全塵的降塵率達到了67.17%，對呼吸塵的降塵率達到了55.49%，噴嘴處的水流量比優化前的用水量降低了約11.4%。