掘進(jìn)機(jī)負(fù)壓二次噴霧降塵裝置的研究

馮海鋼，唐云鵬

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司，山西 高平 048400）

引言

掘進(jìn)機(jī)作為煤礦綜采作業(yè)的重要的機(jī)械設(shè)備，對(duì)提高煤礦井下綜采效率具有十分重要的意義，為避免掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的粉塵隨巷道內(nèi)的氣流擴(kuò)散影響井下的作業(yè)安全，通常在掘進(jìn)機(jī)上設(shè)置有噴霧降塵裝置，目前最常用的外噴霧降塵裝置在工作時(shí)所形成的水霧為平面狀，不僅無(wú)法對(duì)大范圍的粉塵進(jìn)行全覆蓋沉降，而且耗水量大、對(duì)粉塵沉降效率低下[1]，因此，需要開(kāi)發(fā)一種新的噴霧降塵裝置，提升對(duì)空氣中各種粉塵顆粒的沉降能力。

1 負(fù)壓二次噴霧降塵機(jī)理

當(dāng)液體在高壓空氣作用下向外噴霧時(shí)，在噴出的水霧的直徑大于噴嘴噴管的直徑的情況下便產(chǎn)生了水霧活塞結(jié)構(gòu)，當(dāng)水霧被噴出后便在噴嘴內(nèi)側(cè)形成了一個(gè)低壓區(qū)域，在內(nèi)外壓差的作用下外界的空氣便進(jìn)入到噴管吸入口的內(nèi)部，在噴嘴內(nèi)的沉降區(qū)域，空氣中的粉塵顆粒與水霧碰撞后結(jié)合導(dǎo)致粉塵顆粒重量增加，經(jīng)潤(rùn)濕后外表面的結(jié)合度增大，使粉塵顆粒間的結(jié)合能力增強(qiáng)，當(dāng)從噴管?chē)姵龊蟊阍谥亓Φ淖饔孟鲁两?，空氣被凈化后，與周?chē)乃F形成混合物繼續(xù)從噴管?chē)姵觯谌肟谥車(chē)纬闪艘粋€(gè)負(fù)壓空間，外界的含塵空氣在壓差的作用下進(jìn)入到噴霧場(chǎng)內(nèi)，使空氣中的粉塵顆粒得到了二次凈化處理，噴嘴的負(fù)壓二次噴霧沉降機(jī)理如圖1所示。

圖1 噴嘴的負(fù)壓二次噴霧沉降機(jī)理

2 新型負(fù)壓二次噴霧降塵裝置

在對(duì)現(xiàn)有噴霧降塵裝置工作缺點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)執(zhí)行截割作業(yè)時(shí)的產(chǎn)塵機(jī)理和負(fù)壓二次降塵原理，設(shè)計(jì)了一種新的一體化的噴霧降塵裝置，實(shí)現(xiàn)了將噴霧降塵和負(fù)壓二次降塵的有效結(jié)合，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，在掘進(jìn)機(jī)上的布置形式如圖3所示[2]。

圖2 一體化負(fù)壓二次噴霧降塵裝置示意圖

圖3 一體化負(fù)壓二次噴霧降塵裝置布置示意圖

由圖2、圖3可知，將新的一體化的負(fù)壓二次噴霧降塵裝置安裝在掘進(jìn)機(jī)截割臂的固定位置，其與掘進(jìn)機(jī)截割滾筒的距離保持恒定，在進(jìn)行噴霧降塵時(shí)產(chǎn)生的水霧可將截割機(jī)構(gòu)完全覆蓋，確保在截割時(shí)產(chǎn)生的粉塵能夠得到最大限度的沉降。根據(jù)負(fù)壓降塵原理，在噴嘴氣流入口位置產(chǎn)生負(fù)壓場(chǎng)，使含塵的空氣進(jìn)入到降塵裝置的引射機(jī)構(gòu)內(nèi)，經(jīng)過(guò)與水霧的充分混合后從錐形罩處噴出，實(shí)現(xiàn)與水霧的二次結(jié)合，增強(qiáng)對(duì)空氣中粉塵的沉降效果。

3 不同噴霧壓力下的負(fù)壓降塵效果分析

該新型的一體化的負(fù)壓二次噴霧降塵裝置的噴嘴內(nèi)徑為2.1 mm，為對(duì)不同噴霧壓力下該噴霧降塵裝置的降塵效果進(jìn)行分析，本文采用X結(jié)構(gòu)流芯噴嘴及激光粒度分析器、壓力表等設(shè)備對(duì)噴霧降塵裝置分別在20ba（r2MPa）、40ba（r4MPa）、60ba（r6MPa）、80ba（r8MPa）噴霧壓力下，2.0 m處的霧化降塵效果及索特平均直徑D32進(jìn)行分析[3]，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同噴霧壓力下的負(fù)壓降塵霧化參數(shù)

由表1分析可知，隨著噴霧裝置噴霧壓力的增加，負(fù)壓噴霧裝置的霧化角逐漸降低，工作時(shí)的霧化角在20 bar的工作壓力下為90.2°，當(dāng)工作壓力增加到80 bar時(shí)其噴霧的霧化角則降低為72.3°。負(fù)壓降塵裝置噴射時(shí)的有效射程隨著噴霧壓力的增加而逐漸增大，其流量變化趨勢(shì)也是隨著壓力的增加而增大，在距離噴嘴位置2 m處的霧滴的索特平均直徑則是先由20 bar情況下的62.54μm先大幅降低到40 bar情況下的55.28μm，然后逐漸降低到80 bar時(shí)的51.08μm。綜合分析可知，當(dāng)噴霧壓力為40 bar時(shí)該噴霧降塵裝置具有最優(yōu)的噴霧降塵效果。

在不同噴霧壓力下的負(fù)壓降塵裝置的吸風(fēng)量統(tǒng)計(jì)如表2所示：隨著噴霧壓力的不斷提高，噴霧降塵裝置工作時(shí)的流量和吸風(fēng)量均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，工作時(shí)的氣液比在壓力為40 bar時(shí)達(dá)到最大，約為1.267，然后逐漸降低，在壓力為80 bar時(shí)達(dá)到最小，約為1.158。由此可知，當(dāng)噴霧降塵裝置的工作壓力為40 bar時(shí)噴霧降塵裝置具有最優(yōu)的性能。

表2 不同噴霧壓力下的吸風(fēng)效果對(duì)比

4 噴霧降塵效果的試驗(yàn)驗(yàn)證

將該噴霧降塵裝置在某礦井下巷道內(nèi)分別對(duì)開(kāi)啟原有噴霧降塵裝置和開(kāi)啟現(xiàn)有噴霧降塵裝置的噴霧效果進(jìn)行對(duì)比分析，如表3所示。

表3 不同噴霧壓力下的負(fù)壓降塵霧化參數(shù)mg/m3

由表3可知，采用新的負(fù)壓二次噴霧降塵裝置后其對(duì)全塵的沉降效率分別提升了42.8%、43.5%、45.6%、42.4%、42.8%，平均降塵效果提升了約43.42%，對(duì)呼塵的沉降效率分別提升了44.1%、45.1%、43.2%、43.4%、42.2%，平均降塵效果提升了約43.6%，由此可知新型的噴霧降塵裝置能夠顯著提升煤礦井下全塵和呼塵的沉降效率，這主要是由于采用新型噴嘴結(jié)構(gòu)和負(fù)壓二次降塵后形成的水霧能對(duì)產(chǎn)塵區(qū)域全覆蓋同時(shí)，能對(duì)空氣進(jìn)行負(fù)壓二次除塵。