原云鋒

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四侯煤礦， 山西 陽城 048108）

引言

隨著綜采設(shè)備生產(chǎn)能力、采煤工藝等不斷發(fā)展與進(jìn)步，綜采工作面的采煤速度明顯提升，使得工作面粉塵產(chǎn)生量急劇增加。對于工作面的煤塵、粉塵而言，其不僅會(huì)影響工作面作業(yè)人員的人身安全，而且還會(huì)影響工作面的安全生產(chǎn)[1]。經(jīng)研究可知，若在實(shí)際生產(chǎn)過程中不采取任何降塵措施，工作面的粉塵或煤塵質(zhì)量濃度最高可達(dá)到7 000 mg/m3，遠(yuǎn)超出《煤炭安全規(guī)程》所規(guī)定的安全限值。目前，針對工作面的煤塵或粉塵主要降塵方式為噴霧，也就是說噴霧系統(tǒng)的霧化效果將直接決定降塵的效果。因此，本文將著重研究優(yōu)化采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)霧化效果的措施，具體闡述如下。

1 霧化方式研究

霧化過程為噴霧系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要作用是將管路中的液體分解為直徑微小且尺寸相對均勻的霧滴。一般的，可將噴霧系統(tǒng)的霧化過程詳細(xì)分為三個(gè)步驟：液體在噴嘴內(nèi)部流動(dòng)；將噴嘴噴出的液柱分解為霧滴；被霧化的霧滴在現(xiàn)場進(jìn)一步破碎，并與空氣中煤塵、粉塵等相聚合。在上述三個(gè)步驟中，第二階段為霧化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是影響最終霧化效果的核心。目前，針對液體霧化的方式包括有機(jī)械霧化、介質(zhì)霧化以及特殊噴嘴霧化。

機(jī)械霧化是液體在高壓的作用下形成高速的射流自動(dòng)霧化，其對應(yīng)的噴嘴結(jié)構(gòu)包括有直射式噴嘴、離心式噴嘴以及旋轉(zhuǎn)式噴嘴。從原理上直射式噴嘴是將液體加速至高速而霧化；離心式噴嘴是在高壓作用下霧化；旋轉(zhuǎn)式噴嘴是在高速旋轉(zhuǎn)圓盤作用下被霧化。

對于介質(zhì)霧化而言，其可分為氣體霧化和氣泡霧化。其中，氣體霧化方式更為常用，其原理為液體在一定壓力高速氣體的作用下被霧化[2]。該霧化方式的優(yōu)點(diǎn)在于對水壓的壓力要求不高，缺點(diǎn)為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

特殊霧化指的是在超聲波、電磁波以及靜電作用下將液體霧化，對于特殊噴嘴而言雖然其霧化效果最佳并在工業(yè)實(shí)踐中取得較好的應(yīng)用效果。但是，鑒于綜采工作面環(huán)境較為惡劣，使特殊噴嘴無法發(fā)揮其應(yīng)有的霧化效果。

因此，對于綜采工作面采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)最適用的噴霧方式為機(jī)械噴霧，并以離心式噴嘴結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)常見噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)常見噴嘴結(jié)構(gòu)

對于采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)霧化效果不佳的問題，經(jīng)分析主要由于噴嘴結(jié)構(gòu)不合理和噴嘴結(jié)構(gòu)不匹配所導(dǎo)致。除此之外，噴霧水壓為次要影響霧化效果的因素。因此，本文將從噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸最佳匹配以及配置最佳噴霧參數(shù)著手對霧化途徑進(jìn)行優(yōu)化。

2 噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)室多次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出：當(dāng)噴嘴所噴射霧滴的直徑控制在50 μm 左右，且霧滴在產(chǎn)塵點(diǎn)的速度為35 m/s 時(shí)，降塵效果最佳。因此，對于噴嘴而言，應(yīng)將其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化使得所噴射出霧滴的參數(shù)盡量接近：直徑在50 μm 左右，速度在35 m/s 左右。本節(jié)將基于CFD 軟件對不同尺寸噴嘴結(jié)構(gòu)對應(yīng)的霧化效果進(jìn)行對比研究。

首先在CAD 軟件中根據(jù)噴嘴結(jié)構(gòu)的尺寸建立三維模型，然后將所建立的三維模型導(dǎo)入CFD 軟件中，并在CFD 軟件中完成參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)格劃分得到CFD 仿真模擬模型，其中，模型中對應(yīng)入口的湍動(dòng)能為0.026，耗散率為1.64；出口對應(yīng)的湍動(dòng)能為5.41，對應(yīng)的耗散率為0.019 66[3]。

2.1 不同噴嘴口徑的霧化效果對比

根據(jù)當(dāng)前市面上噴嘴口徑的大小，本節(jié)基于CFD 分別對噴嘴口徑為 1 mm、1.2 mm、1.5 mm 以及1.75 mm 下的霧化效果進(jìn)行對比（噴嘴入口供水壓力為 3 MPa）。

首先，對不同口徑噴嘴所噴射出霧滴的噴霧角度進(jìn)行仿真分析，得出如表1 所示的結(jié)果。

表1 不同噴嘴口徑對應(yīng)噴霧角 mm

如表1 所示，隨著噴嘴口徑的增大，所噴射出霧滴的噴霧角增大。從理論上講，噴霧角越大對應(yīng)的霧化效果越好，最終的降塵效果也最佳。因此，應(yīng)在合理范圍之內(nèi)盡可能增加噴嘴口徑。結(jié)合綜采工作面相對惡劣的工作環(huán)境，當(dāng)噴嘴口徑過小時(shí)容易導(dǎo)致噴嘴被煤塵、粉塵所堵塞；而當(dāng)噴嘴口徑過大時(shí)容易造成水量的浪費(fèi)。因此，綜合分析將噴嘴口徑控制在1.5 mm。

2.2 不同旋流角的霧化效果對比

目前，噴嘴旋流角常見值為30°，在本次仿真中將旋流角從30°改進(jìn)為15°。經(jīng)仿真分析可知，隨著噴嘴旋流角減小對應(yīng)噴嘴所噴射出霧滴的擴(kuò)散角會(huì)減小[4]。也就是說，當(dāng)旋流角減小時(shí)，液體在腔體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由劇烈變得緩和。即，隨著旋流角的減小對應(yīng)霧化效果變差。

2.3 不同針閥位置的霧化效果對比

在原噴嘴中針閥位置的基礎(chǔ)上，分別對原針閥位置、針閥向前推進(jìn)0.5 mm、針閥向后移動(dòng)0.5 mm三種情況下的霧化效果進(jìn)行對比仿真分析。經(jīng)仿真分析可知，當(dāng)針閥距離噴口的位置越大時(shí)，對應(yīng)所噴射出霧滴的擴(kuò)散角越大。即說明，當(dāng)針閥距離噴口位置越大時(shí)，霧滴的霧化效果越好。

綜上所述，對于噴嘴結(jié)構(gòu)而言可通過對噴嘴口直徑、旋流角以及針閥與噴口相對位置進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到改善霧化效果的目的。具體改進(jìn)后噴嘴的尺寸如下：噴嘴口徑為15 mm、旋流角為30°、針閥在合理范圍內(nèi)原理噴口。

3 噴嘴關(guān)鍵尺寸的合理配置

除了對噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，還需對于噴嘴相配合的其他部件結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行合理配置，其中包括有噴嘴口徑與內(nèi)腔孔徑的匹配以及噴嘴口徑與噴口長度的匹配。

3.1 內(nèi)腔孔徑的優(yōu)化

霧滴在從噴嘴中噴射出來之前，其在內(nèi)腔中會(huì)做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)在內(nèi)腔中的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)越劇烈，所噴射出霧滴的霧化效果越好，霧滴分散越均勻，噴霧角也越大。經(jīng)理論研究可知，當(dāng)內(nèi)腔孔徑與噴嘴口徑的比值減小時(shí)，內(nèi)腔內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)越劇烈，液體在內(nèi)腔的流動(dòng)速度越大，對應(yīng)的霧化效果越好[5]。在多次試驗(yàn)并結(jié)合理論的基礎(chǔ)上，得出內(nèi)腔孔徑與噴嘴口徑的最佳匹配尺寸如表2 所示。

表2 內(nèi)腔孔徑與噴嘴口徑最佳匹配尺寸 mm

3.2 噴口長度的優(yōu)化

結(jié)合多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及研究，當(dāng)噴口長度為噴嘴口徑的0.5～1 倍時(shí)，噴嘴所噴射出霧滴的噴霧角越大，霧化效果也越好。因此，當(dāng)噴嘴口徑為1.5 mm時(shí)，其可取的噴口長度范圍為0.75～1.5 mm。

4 結(jié)論

煤塵、粉塵是工作面開采、掘進(jìn)時(shí)不可避免的產(chǎn)物，其不僅會(huì)影響作業(yè)人員的身體健康，而且還會(huì)嚴(yán)重威脅工作面的安全生產(chǎn)。因此，需采取有效的降塵手段降低工作面的煤塵、粉塵濃度，使其滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)要求。本文對采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)的霧化途徑進(jìn)行優(yōu)化，提升噴霧系統(tǒng)的霧化效果，具體總結(jié)如下：

1）將噴嘴口徑的最佳尺寸確定為1.5 mm，對應(yīng)噴嘴最佳旋流角為30°，將針閥在合理要求內(nèi)盡可能地遠(yuǎn)離噴嘴口；

2）根據(jù)噴嘴口徑將其對應(yīng)內(nèi)腔尺寸進(jìn)行優(yōu)化，其對應(yīng)的最佳內(nèi)腔口徑為6 mm；對應(yīng)噴口長度的最佳可選范圍為0.75～1.5 mm。