綜采工作面采煤機(jī)落煤高壓噴霧降塵技術(shù)研究

索文龍

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 朔州 036000）

引言

采煤機(jī)落煤過(guò)程普遍采用內(nèi)外噴霧系統(tǒng)進(jìn)行二級(jí)降塵[1]。但是據(jù)某煤礦區(qū)的8 個(gè)綜采工作面內(nèi)采煤機(jī)內(nèi)外噴霧系統(tǒng)降塵效率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，降塵率僅僅為16%～24%，綜采工作面內(nèi)的全塵質(zhì)量濃度為330～750 mg/m3，呼吸性粉塵質(zhì)量濃度為166～485 mg/m3，滿足不了《煤礦安全規(guī)程》中的指標(biāo)要求[2-3]。相關(guān)研究表明, 采煤機(jī)落煤產(chǎn)塵占據(jù)總產(chǎn)塵的60%以上，需引起高度重視，并不斷提高采煤機(jī)落煤過(guò)程中降塵系統(tǒng)的可靠性及降塵效率[4-5]。因此，開展綜采工作面采煤機(jī)落煤高壓噴霧降塵技術(shù)研究具有重要的意義。

1 高壓噴霧降塵影響因素分析

高壓水經(jīng)噴嘴即可形成高壓水霧，噴射于空氣當(dāng)中與浮塵進(jìn)行碰撞接觸，潤(rùn)濕浮塵顆粒，使其重力增加而沉降，避免其在空氣中漂浮及二次飛揚(yáng)，以達(dá)到高壓噴霧降塵的目的。影響高壓噴霧降塵效率的主要因素包括以下兩點(diǎn)。

1.1 霧體的分散度

霧體分散度較小時(shí)霧體水滴的直徑較大，單位空間內(nèi)的水滴數(shù)量較少，在塵粒與水滴相遇的時(shí)候，可能會(huì)出現(xiàn)旋流現(xiàn)象，導(dǎo)致塵粒繞過(guò)水滴不被捕捉。霧體分散度較大時(shí)其水滴直徑較小，單位空間內(nèi)的水滴數(shù)量大大增加，捕塵效果顯著，但是如果水滴直徑過(guò)小，其與浮塵顆粒融合之后的重量較輕，增加其在空氣中的沉降難度，同時(shí)也會(huì)增加二次飛揚(yáng)的概率。相關(guān)研究表明，將高壓霧體的水滴顆粒直徑尺寸控制在20～50 μm 時(shí)，捕塵效果最好。

1.2 塵粒和水滴的相對(duì)速度

霧體水滴與塵粒的相對(duì)速度主要影響粉塵與水滴的接觸效果。霧體水滴與塵粒的相對(duì)速度較大時(shí)，將會(huì)提高二者撞擊過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)能，有利于塵粒沖破水滴表面張力，增大塵粒被潤(rùn)濕捕捉的可能，同時(shí)也有利于被潤(rùn)濕塵粒的聚集變大，增加塵粒的自身重量，提高降塵效率。

2 綜采工作面高壓自動(dòng)噴霧降塵系統(tǒng)研發(fā)

采煤機(jī)內(nèi)噴霧系統(tǒng)在工作過(guò)程中極易被堵塞，降低了采煤機(jī)的工作效率，同時(shí)也降低了除塵效果，實(shí)際工作過(guò)程中多是停止內(nèi)外噴霧系統(tǒng)。為了保證采煤機(jī)落煤過(guò)程中能夠連續(xù)可靠進(jìn)行降塵，擬開發(fā)一套采煤機(jī)高壓自動(dòng)噴霧系統(tǒng)。

2.1 供水方式

采煤機(jī)高壓自動(dòng)噴霧系統(tǒng)的供水方式具有兩種選擇，第一種是固定泵供水高壓噴霧；第二種是機(jī)載泵供水高壓噴霧。固定泵供水高壓噴霧是將水泵安裝在綜采工作面中的巷道內(nèi)部，通過(guò)高壓水管輸送至采煤機(jī)位置，該方式在采煤機(jī)作業(yè)移動(dòng)過(guò)程中會(huì)增加高壓管道的磨損，使用壽命較低。機(jī)載泵供水高壓噴霧是將水泵安裝在采煤機(jī)上，運(yùn)用機(jī)組的動(dòng)力帶動(dòng)水泵工作，該方式可以節(jié)省高壓水管，保證采煤機(jī)降塵的效率和可靠性。但是由于綜采工作面內(nèi)采煤機(jī)的動(dòng)力輸出有限，不能保證機(jī)載水泵的正常工作，此處只能采用固定泵供水高壓噴霧的供水方式，這種供水方式通過(guò)高壓水管為采煤機(jī)落煤過(guò)程進(jìn)行降塵處理。

2.2 噴霧總流量及噴嘴數(shù)目

綜采工作面產(chǎn)煤量是設(shè)計(jì)噴霧系統(tǒng)總用水量的重要參數(shù)，因過(guò)多的噴水不利于保證煤炭的質(zhì)量，通常耗水量設(shè)置為20～40 L/t，該處煤層的含水量屬于中等水平，基于此將用水量確定為30 L/t。綜采工作面的采高為2.4 m，截深為0.8 m，原煤的密度為1.35 t/m3，牽引速度為5 m/min，計(jì)算得出采煤機(jī)的產(chǎn)能為12.96 t/min，采煤機(jī)割煤高壓自動(dòng)噴霧降塵所需的總用水量為130 L/min。采煤機(jī)具有兩個(gè)落煤滾筒，分別設(shè)置噴頭組完成產(chǎn)塵點(diǎn)的帷幕噴霧降塵，從源頭限制煤塵的產(chǎn)生，噴頭組中設(shè)計(jì)7 個(gè)口徑為1.2 mm的螺旋牙水芯噴頭。

2.3 噴嘴類型及噴霧壓力

噴嘴作為整個(gè)自動(dòng)噴霧降塵系統(tǒng)的重要組成部分，當(dāng)設(shè)計(jì)壓力較低時(shí)，將會(huì)降低水被霧化的效果，不利于降塵處理，因此必須提高噴嘴處的壓力，采用高壓霧化噴嘴。

2.3.1 結(jié)構(gòu)分析

噴嘴的結(jié)構(gòu)對(duì)于水霧的產(chǎn)生至關(guān)重要，主要由導(dǎo)流部分和出口組成，前者主要完成高壓水的一次霧化，即在高壓水噴出噴嘴前，在流經(jīng)規(guī)定導(dǎo)流通道時(shí)可以增強(qiáng)水粒之間的摩擦、碰撞，以此打碎水體自身的結(jié)合力，形成小水滴。之后小水滴在離開噴嘴時(shí)具有很高的速度，與空氣碰撞進(jìn)行動(dòng)量和能量的交換，實(shí)現(xiàn)水滴的二次霧化。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)得出，噴嘴圓柱段的長(zhǎng)度等于噴嘴出口直徑的2.5～3 倍時(shí)噴霧效果最佳，并且噴嘴內(nèi)孔的表面質(zhì)量越好，噴霧效果越好。

2.3.2 霧粒荷電性分析

高壓水高速流經(jīng)噴嘴時(shí)，高壓水與噴嘴之間存在摩擦，會(huì)使噴出的水霧產(chǎn)生負(fù)電荷。浮塵粒子之間相互碰撞會(huì)使其產(chǎn)生正電荷。因此高壓水霧降塵過(guò)程中正負(fù)電荷的存在能夠加劇塵粒與霧粒的噴撞與吸附，提高粉塵顆粒與水霧粒子的結(jié)合程度，提高降塵的效率。

通過(guò)對(duì)噴嘴直徑為0.8 mm 和1 mm 的噴霧霧粒進(jìn)行電荷測(cè)試，噴霧時(shí)間為4 min，距離噴嘴的距離為5 m，得到如表1、表2 的數(shù)據(jù)。由表1、表2 中的測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出：高壓噴嘴能夠提高單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的霧粒粒數(shù)，荷電霧粒的比例較高，有利于提高降塵效果。

2.3.3 噴嘴的選型

表1 噴嘴直徑0.8 mm 噴霧霧粒荷電測(cè)定結(jié)果

表2 噴嘴直徑1 mm 噴霧霧粒荷電測(cè)定結(jié)果

螺旋導(dǎo)水芯作為高壓霧化噴嘴的重要組成結(jié)構(gòu)，其工作原理是運(yùn)用高速離心的原理增強(qiáng)噴嘴的霧化質(zhì)量。噴嘴出口對(duì)高壓霧化效果的影響較大，第一是噴嘴出口的直徑尺寸，關(guān)系著霧粒的大小，噴嘴選型過(guò)程中必須引起高度重視。第二是噴嘴出口位置的圓柱段長(zhǎng)度，主要影響水霧噴出時(shí)的擴(kuò)散角。同時(shí)，螺旋導(dǎo)水芯結(jié)構(gòu)還具有驅(qū)除噴嘴雜質(zhì)的作用，以此降低噴嘴阻塞的概率，但是該段長(zhǎng)度較長(zhǎng)會(huì)增大高壓水的沿程損失，不宜過(guò)長(zhǎng)。此處選擇螺旋牙水芯噴嘴，結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由噴嘴體、噴嘴芯和芯體壓蓋組成。噴嘴芯與噴嘴體之間存在一定的間隙，便于噴嘴故障排除，提高其適用于惡劣工作環(huán)境的能力。噴嘴芯性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著噴嘴的霧化及抗堵塞性能，此處設(shè)計(jì)為雙頭導(dǎo)流折返的形狀，其近似于X 形狀的旋流葉片，噴嘴芯的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，螺旋牙水芯噴嘴及噴嘴芯的實(shí)物如圖3 所示。螺旋牙水芯噴嘴的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：噴嘴孔徑為1.2 mm、噴嘴材質(zhì)為304 不銹鋼、噴嘴噴霧壓力為10 MPa。

圖1 螺旋牙水芯噴嘴

圖2 螺旋牙水芯螺旋

圖3 螺旋牙水芯噴嘴實(shí)物圖

2.3.4 高壓噴霧噴嘴的安裝設(shè)計(jì)

綜采工作面采煤機(jī)降塵配置的高壓系統(tǒng)功率為15 kW，進(jìn)水端不存在壓力，其在進(jìn)水端設(shè)計(jì)進(jìn)水箱，使該水箱滿足水位50 cm 范圍內(nèi)的自動(dòng)控制。控制過(guò)程如下：當(dāng)水箱中的水位達(dá)到50 cm 時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)水閥門；當(dāng)水箱中的水位下降至25 cm 時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)打開進(jìn)水閥為水箱注水；當(dāng)水箱內(nèi)的水位下降至10 cm 及以下時(shí)，將會(huì)使水箱內(nèi)的水位傳感器發(fā)出關(guān)閉加壓裝置的動(dòng)作信號(hào)，以此保護(hù)高壓水泵。

綜采工作面采煤機(jī)左右滾筒各設(shè)計(jì)1 組高壓噴霧噴嘴，安裝于兩個(gè)滾筒搖臂電機(jī)側(cè)蓋位置。配置7個(gè)噴嘴，出水孔直徑尺寸為1.2 mm，并且能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求進(jìn)行工作噴嘴數(shù)量的調(diào)整與控制。

3 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

將該系統(tǒng)應(yīng)用于綜采工作面采煤機(jī)中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)噴霧效果的檢測(cè)，結(jié)果顯示，噴嘴噴出3 m 之后的水霧覆蓋范圍為6 m 左右，前后兩個(gè)噴霧組的噴霧錐角均為90°，水霧帷幕能夠很好地封閉1.8 m 直徑的割煤滾筒，現(xiàn)場(chǎng)噴霧效果如圖4 所示。高壓噴霧降塵系統(tǒng)在連續(xù)應(yīng)用的3 個(gè)月內(nèi)未出現(xiàn)噴嘴堵塞的故障，降塵率提高了11 個(gè)百分點(diǎn)，大大提高了綜采工作面內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量及采煤效率，取得了很好的設(shè)計(jì)效果。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)高壓噴霧效果