采煤机二次负压降尘技术研究

侯宝月

0 引言

随着煤炭开采强度的不断增大，采煤工作面的煤尘不断增加，虽然大部分采煤工作面采用了相应的防尘措施，但采煤机割煤仍然有大量煤尘难以清除，对采煤工作面设备和职工身体健康都存在危害。因此，采用采煤机二次负压降尘技术，可大幅降低了采煤工作面的粉尘，并通过Fluent 进行数值模拟，确定并优化燕子山矿采煤机上除尘装置的最佳技术参数[1]，使采煤机二次负压降尘技术达到最佳效果。

1 采煤机二次负压降尘技术的基本原理

采煤机二次负压降尘技术的基本原理是将静压(低压)水转化为高压水并通过敷设的高压管路输送到布置在采煤机的负压二次除尘装置；负压二次除尘装置将供给的高压水，转化成控制采煤机产尘源向外扩散的汽雾流屏障和局部含尘风流净化除尘系统。[2]高压汽雾流屏障阻止和减少粉尘向外扩散；局部含尘风流净化除尘系统是指采煤机的除尘装置喷出高压水的同时产生负压将煤尘吸到装置附近就地净化，从而实现了对采煤机割煤产尘的负压二次降尘的目的。由于采煤机的主要产尘点是在滚筒割煤时产生的涡旋风流，通过喷射高压水雾时产生的负压将粉尘吸走，达到除尘的效果。[3]除尘示意图见图1。

图1 除尘示意

2 二次负压降尘系统的组成

采煤机负压二次降尘器系统，利用设置在工作面由高压水泵、自动控制供水水箱组成的高压泵站，将静压水(低压)转化为高压水并通过沿顺槽至工作面敷设的高压管路输送到布置在采煤机的负压二次除尘装置。[4]采煤机二次负压降尘系统中的供水系统见图2、3 所示。

图2 供水系统

图3 采煤机负压除尘器高压供水系统示意

3 采煤机二次负压降尘系统主要参数研究

根据燕子山矿采煤工作面和采煤机的实际情况，利用数值模拟，确定在采煤机上利用二次负压降尘技术的具体参数，以达到最佳的降尘效果。[5]

（1）负压特性研究

首先建立数学模型，如图4 所示。

图4 负压除尘模型网格

利用fluent 数值模拟软件对负压所产生的气流运动轨迹进行模拟，在数值模拟软件中需要设定具体参数，在模型的中心位置设置pressure-swirl-atomizer喷嘴，模型两端为空气连续相的outflow 边界，设置为k-ε 湍流模型，离散相与连续相的相间耦合率设置为1，在Path Line 中为巷道内的空气运动轨迹(见图5）。

图5 空气运动轨迹

图6 空气压力轨迹

通过具体参数设定和fluent 数值模拟软件模拟后可以得到高压喷嘴产生的负压将后面产生的大部分粉尘吸走，喷嘴前面产生的粉尘沿着水流方向产生的2 m/s 的气流吸回管壁内，剩下的粉尘被射出的水流带走，起到除尘的作用。[6]

通过设置喷嘴不同的压力值，管壁内部产生的最低负压值，如图7 所示。

图7 喷嘴压力——管壁负压特征曲线

分析发现当喷嘴的压力值小于6 MPa 时，随着喷嘴压力升高，管壁内部的负压成线性增长，当喷嘴压力达到6 MPa 后，随着压力值不断增加，管壁内部负压几乎不变。通过数值模拟和对负压曲线分析，将喷嘴压力设为6 MPa，达到除尘效果最优化。[7]

（2）二次负压喷射参数研究

因为除尘的效果主要由喷嘴角度、压力和滚筒与除尘装置之间的距离决定。一般情况下滚筒与除尘装置之间的距离和喷嘴的方向是一定的，动态调节喷射压力和喷嘴的喷射半角成了决定除尘效果的主要因素。[8]

①喷射水压研究[9]

利用fluent 数值模拟软件建立除尘装置模型（见图8），首先对建立模型的边界条件进行设定，调节喷嘴的压力由2 MPa～12 MPa，观察距离除尘装置为1.5 m 处的效果，如图9 所示，对结果进行测量，得到喷射压力和所覆盖区域之间的关系见第6 页图10。

图10 喷射压力和覆盖区域的关系

可以发现随着喷嘴压力的增加覆盖面积成抛物线型变化，降尘效果和喷射压力不是线性关系，不会随着压力的不断变大，除尘效果越来越好；得到除尘装置的最佳压力为2 MPa～6 MPa。[10]

②喷射半角研究

由于除尘装置的喷嘴在圆柱筒内，喷射半角影响产生的负压和喷射面积。喷射角太大会喷射到圆筒内壁，喷射半角太小，影响喷射面积，要选择一个最佳的喷射角度，使除尘效果最好。[11]

通过fluent 数值模拟软件建立除尘装置模型，根据实际情况设定条件，使喷射半角每次变化5°，由10°～30°不断变化，观察距离除尘装置1.5 m 处的效果如图11 所示。

图11 喷射半角与覆盖面积的关系

随着喷嘴半角的提高，覆盖面积成抛物线型变化，说明不是喷射半角越大，覆盖面积越大。由数值模拟可以得到喷射半角在20°时覆盖面积最大。

4 结语

在2009 年7 月本项目开始实施之初，对8204 工作面的采煤机实际操作过程进行了粉尘测定，全尘浓度647 mg/m3。经过一年的粉尘治理，2010 年9 月又在8204 工作面的进行了粉尘浓度测定，粉尘明显下降，粉尘浓度为187.4 mg/m3。通过对燕子山矿采煤机利用二次负压降尘技术分析研究和利用fluent 数值模拟软件进行数值模拟可以得到，除尘装置的主要技术参数，除尘装置的压力设定为6 MPa，喷射半角设定为20°，可以达到最好的除尘效果。

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