采煤機二次負壓降塵技術(shù)研究

侯寶月

0 引言

隨著煤炭開采強度的不斷增大，采煤工作面的煤塵不斷增加，雖然大部分采煤工作面采用了相應的防塵措施，但采煤機割煤仍然有大量煤塵難以清除，對采煤工作面設備和職工身體健康都存在危害。因此，采用采煤機二次負壓降塵技術(shù)，可大幅降低了采煤工作面的粉塵，并通過Fluent 進行數(shù)值模擬，確定并優(yōu)化燕子山礦采煤機上除塵裝置的最佳技術(shù)參數(shù)[1]，使采煤機二次負壓降塵技術(shù)達到最佳效果。

1 采煤機二次負壓降塵技術(shù)的基本原理

采煤機二次負壓降塵技術(shù)的基本原理是將靜壓(低壓)水轉(zhuǎn)化為高壓水并通過敷設的高壓管路輸送到布置在采煤機的負壓二次除塵裝置；負壓二次除塵裝置將供給的高壓水，轉(zhuǎn)化成控制采煤機產(chǎn)塵源向外擴散的汽霧流屏障和局部含塵風流凈化除塵系統(tǒng)。[2]高壓汽霧流屏障阻止和減少粉塵向外擴散；局部含塵風流凈化除塵系統(tǒng)是指采煤機的除塵裝置噴出高壓水的同時產(chǎn)生負壓將煤塵吸到裝置附近就地凈化，從而實現(xiàn)了對采煤機割煤產(chǎn)塵的負壓二次降塵的目的。由于采煤機的主要產(chǎn)塵點是在滾筒割煤時產(chǎn)生的渦旋風流，通過噴射高壓水霧時產(chǎn)生的負壓將粉塵吸走，達到除塵的效果。[3]除塵示意圖見圖1。

圖1 除塵示意

2 二次負壓降塵系統(tǒng)的組成

采煤機負壓二次降塵器系統(tǒng)，利用設置在工作面由高壓水泵、自動控制供水水箱組成的高壓泵站，將靜壓水(低壓)轉(zhuǎn)化為高壓水并通過沿順槽至工作面敷設的高壓管路輸送到布置在采煤機的負壓二次除塵裝置。[4]采煤機二次負壓降塵系統(tǒng)中的供水系統(tǒng)見圖2、3 所示。

圖2 供水系統(tǒng)

圖3 采煤機負壓除塵器高壓供水系統(tǒng)示意

3 采煤機二次負壓降塵系統(tǒng)主要參數(shù)研究

根據(jù)燕子山礦采煤工作面和采煤機的實際情況，利用數(shù)值模擬，確定在采煤機上利用二次負壓降塵技術(shù)的具體參數(shù)，以達到最佳的降塵效果。[5]

（1）負壓特性研究

首先建立數(shù)學模型，如圖4 所示。

圖4 負壓除塵模型網(wǎng)格

利用fluent 數(shù)值模擬軟件對負壓所產(chǎn)生的氣流運動軌跡進行模擬，在數(shù)值模擬軟件中需要設定具體參數(shù)，在模型的中心位置設置pressure-swirl-atomizer噴嘴，模型兩端為空氣連續(xù)相的outflow 邊界，設置為k-ε 湍流模型，離散相與連續(xù)相的相間耦合率設置為1，在Path Line 中為巷道內(nèi)的空氣運動軌跡(見圖5）。

圖5 空氣運動軌跡

圖6 空氣壓力軌跡

通過具體參數(shù)設定和fluent 數(shù)值模擬軟件模擬后可以得到高壓噴嘴產(chǎn)生的負壓將后面產(chǎn)生的大部分粉塵吸走，噴嘴前面產(chǎn)生的粉塵沿著水流方向產(chǎn)生的2 m/s 的氣流吸回管壁內(nèi)，剩下的粉塵被射出的水流帶走，起到除塵的作用。[6]

通過設置噴嘴不同的壓力值，管壁內(nèi)部產(chǎn)生的最低負壓值，如圖7 所示。

圖7 噴嘴壓力——管壁負壓特征曲線

分析發(fā)現(xiàn)當噴嘴的壓力值小于6 MPa 時，隨著噴嘴壓力升高，管壁內(nèi)部的負壓成線性增長，當噴嘴壓力達到6 MPa 后，隨著壓力值不斷增加，管壁內(nèi)部負壓幾乎不變。通過數(shù)值模擬和對負壓曲線分析，將噴嘴壓力設為6 MPa，達到除塵效果最優(yōu)化。[7]

（2）二次負壓噴射參數(shù)研究

因為除塵的效果主要由噴嘴角度、壓力和滾筒與除塵裝置之間的距離決定。一般情況下滾筒與除塵裝置之間的距離和噴嘴的方向是一定的，動態(tài)調(diào)節(jié)噴射壓力和噴嘴的噴射半角成了決定除塵效果的主要因素。[8]

①噴射水壓研究[9]

利用fluent 數(shù)值模擬軟件建立除塵裝置模型（見圖8），首先對建立模型的邊界條件進行設定，調(diào)節(jié)噴嘴的壓力由2 MPa～12 MPa，觀察距離除塵裝置為1.5 m 處的效果，如圖9 所示，對結(jié)果進行測量，得到噴射壓力和所覆蓋區(qū)域之間的關(guān)系見第6 頁圖10。

圖10 噴射壓力和覆蓋區(qū)域的關(guān)系

可以發(fā)現(xiàn)隨著噴嘴壓力的增加覆蓋面積成拋物線型變化，降塵效果和噴射壓力不是線性關(guān)系，不會隨著壓力的不斷變大，除塵效果越來越好；得到除塵裝置的最佳壓力為2 MPa～6 MPa。[10]

②噴射半角研究

由于除塵裝置的噴嘴在圓柱筒內(nèi)，噴射半角影響產(chǎn)生的負壓和噴射面積。噴射角太大會噴射到圓筒內(nèi)壁，噴射半角太小，影響噴射面積，要選擇一個最佳的噴射角度，使除塵效果最好。[11]

通過fluent 數(shù)值模擬軟件建立除塵裝置模型，根據(jù)實際情況設定條件，使噴射半角每次變化5°，由10°～30°不斷變化，觀察距離除塵裝置1.5 m 處的效果如圖11 所示。

圖11 噴射半角與覆蓋面積的關(guān)系

隨著噴嘴半角的提高，覆蓋面積成拋物線型變化，說明不是噴射半角越大，覆蓋面積越大。由數(shù)值模擬可以得到噴射半角在20°時覆蓋面積最大。

4 結(jié)語

在2009 年7 月本項目開始實施之初，對8204 工作面的采煤機實際操作過程進行了粉塵測定，全塵濃度647 mg/m3。經(jīng)過一年的粉塵治理，2010 年9 月又在8204 工作面的進行了粉塵濃度測定，粉塵明顯下降，粉塵濃度為187.4 mg/m3。通過對燕子山礦采煤機利用二次負壓降塵技術(shù)分析研究和利用fluent 數(shù)值模擬軟件進行數(shù)值模擬可以得到，除塵裝置的主要技術(shù)參數(shù)，除塵裝置的壓力設定為6 MPa，噴射半角設定為20°，可以達到最好的除塵效果。

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