采煤机喷雾系统雾化途径的优化

原云锋

（晋能控股煤业集团四侯煤矿， 山西 阳城 048108）

引言

随着综采设备生产能力、采煤工艺等不断发展与进步，综采工作面的采煤速度明显提升，使得工作面粉尘产生量急剧增加。对于工作面的煤尘、粉尘而言，其不仅会影响工作面作业人员的人身安全，而且还会影响工作面的安全生产[1]。经研究可知，若在实际生产过程中不采取任何降尘措施，工作面的粉尘或煤尘质量浓度最高可达到7 000 mg/m3，远超出《煤炭安全规程》所规定的安全限值。目前，针对工作面的煤尘或粉尘主要降尘方式为喷雾，也就是说喷雾系统的雾化效果将直接决定降尘的效果。因此，本文将着重研究优化采煤机喷雾系统雾化效果的措施，具体阐述如下。

1 雾化方式研究

雾化过程为喷雾系统的关键环节，其主要作用是将管路中的液体分解为直径微小且尺寸相对均匀的雾滴。一般的，可将喷雾系统的雾化过程详细分为三个步骤：液体在喷嘴内部流动；将喷嘴喷出的液柱分解为雾滴；被雾化的雾滴在现场进一步破碎，并与空气中煤尘、粉尘等相聚合。在上述三个步骤中，第二阶段为雾化的关键环节，也是影响最终雾化效果的核心。目前，针对液体雾化的方式包括有机械雾化、介质雾化以及特殊喷嘴雾化。

机械雾化是液体在高压的作用下形成高速的射流自动雾化，其对应的喷嘴结构包括有直射式喷嘴、离心式喷嘴以及旋转式喷嘴。从原理上直射式喷嘴是将液体加速至高速而雾化；离心式喷嘴是在高压作用下雾化；旋转式喷嘴是在高速旋转圆盘作用下被雾化。

对于介质雾化而言，其可分为气体雾化和气泡雾化。其中，气体雾化方式更为常用，其原理为液体在一定压力高速气体的作用下被雾化[2]。该雾化方式的优点在于对水压的压力要求不高，缺点为系统结构复杂，成本较高。

特殊雾化指的是在超声波、电磁波以及静电作用下将液体雾化，对于特殊喷嘴而言虽然其雾化效果最佳并在工业实践中取得较好的应用效果。但是，鉴于综采工作面环境较为恶劣，使特殊喷嘴无法发挥其应有的雾化效果。

因此，对于综采工作面采煤机喷雾系统最适用的喷雾方式为机械喷雾，并以离心式喷嘴结构应用最为广泛。采煤机喷雾系统常见喷嘴结构如图1 所示。

图1 采煤机喷雾系统常见喷嘴结构

对于采煤机喷雾系统雾化效果不佳的问题，经分析主要由于喷嘴结构不合理和喷嘴结构不匹配所导致。除此之外，喷雾水压为次要影响雾化效果的因素。因此，本文将从喷嘴结构的优化设计、喷嘴结构尺寸最佳匹配以及配置最佳喷雾参数着手对雾化途径进行优化。

2 喷嘴结构的优化设计

在实验室多次试验的基础上得出：当喷嘴所喷射雾滴的直径控制在50 μm 左右，且雾滴在产尘点的速度为35 m/s 时，降尘效果最佳。因此，对于喷嘴而言，应将其结构进行优化使得所喷射出雾滴的参数尽量接近：直径在50 μm 左右，速度在35 m/s 左右。本节将基于CFD 软件对不同尺寸喷嘴结构对应的雾化效果进行对比研究。

首先在CAD 软件中根据喷嘴结构的尺寸建立三维模型，然后将所建立的三维模型导入CFD 软件中，并在CFD 软件中完成参数设置和网格划分得到CFD 仿真模拟模型，其中，模型中对应入口的湍动能为0.026，耗散率为1.64；出口对应的湍动能为5.41，对应的耗散率为0.019 66[3]。

2.1 不同喷嘴口径的雾化效果对比

根据当前市面上喷嘴口径的大小，本节基于CFD 分别对喷嘴口径为 1 mm、1.2 mm、1.5 mm 以及1.75 mm 下的雾化效果进行对比（喷嘴入口供水压力为 3 MPa）。

首先，对不同口径喷嘴所喷射出雾滴的喷雾角度进行仿真分析，得出如表1 所示的结果。

表1 不同喷嘴口径对应喷雾角 mm

如表1 所示，随着喷嘴口径的增大，所喷射出雾滴的喷雾角增大。从理论上讲，喷雾角越大对应的雾化效果越好，最终的降尘效果也最佳。因此，应在合理范围之内尽可能增加喷嘴口径。结合综采工作面相对恶劣的工作环境，当喷嘴口径过小时容易导致喷嘴被煤尘、粉尘所堵塞；而当喷嘴口径过大时容易造成水量的浪费。因此，综合分析将喷嘴口径控制在1.5 mm。

2.2 不同旋流角的雾化效果对比

目前，喷嘴旋流角常见值为30°，在本次仿真中将旋流角从30°改进为15°。经仿真分析可知，随着喷嘴旋流角减小对应喷嘴所喷射出雾滴的扩散角会减小[4]。也就是说，当旋流角减小时，液体在腔体内的旋转运动由剧烈变得缓和。即，随着旋流角的减小对应雾化效果变差。

2.3 不同针阀位置的雾化效果对比

在原喷嘴中针阀位置的基础上，分别对原针阀位置、针阀向前推进0.5 mm、针阀向后移动0.5 mm三种情况下的雾化效果进行对比仿真分析。经仿真分析可知，当针阀距离喷口的位置越大时，对应所喷射出雾滴的扩散角越大。即说明，当针阀距离喷口位置越大时，雾滴的雾化效果越好。

综上所述，对于喷嘴结构而言可通过对喷嘴口直径、旋流角以及针阀与喷口相对位置进行优化，从而达到改善雾化效果的目的。具体改进后喷嘴的尺寸如下：喷嘴口径为15 mm、旋流角为30°、针阀在合理范围内原理喷口。

3 喷嘴关键尺寸的合理配置

除了对喷嘴结构进行优化改进后，还需对于喷嘴相配合的其他部件结构尺寸进行合理配置，其中包括有喷嘴口径与内腔孔径的匹配以及喷嘴口径与喷口长度的匹配。

3.1 内腔孔径的优化

雾滴在从喷嘴中喷射出来之前，其在内腔中会做高速旋转运动。当在内腔中的高速旋转运动越剧烈，所喷射出雾滴的雾化效果越好，雾滴分散越均匀，喷雾角也越大。经理论研究可知，当内腔孔径与喷嘴口径的比值减小时，内腔内部的旋转运动越剧烈，液体在内腔的流动速度越大，对应的雾化效果越好[5]。在多次试验并结合理论的基础上，得出内腔孔径与喷嘴口径的最佳匹配尺寸如表2 所示。

表2 内腔孔径与喷嘴口径最佳匹配尺寸 mm

3.2 喷口长度的优化

结合多年设计经验及研究，当喷口长度为喷嘴口径的0.5～1 倍时，喷嘴所喷射出雾滴的喷雾角越大，雾化效果也越好。因此，当喷嘴口径为1.5 mm时，其可取的喷口长度范围为0.75～1.5 mm。

4 结论

煤尘、粉尘是工作面开采、掘进时不可避免的产物，其不仅会影响作业人员的身体健康，而且还会严重威胁工作面的安全生产。因此，需采取有效的降尘手段降低工作面的煤尘、粉尘浓度，使其满足《煤炭安全规程》的相关要求。本文对采煤机喷雾系统的雾化途径进行优化，提升喷雾系统的雾化效果，具体总结如下：

1）将喷嘴口径的最佳尺寸确定为1.5 mm，对应喷嘴最佳旋流角为30°，将针阀在合理要求内尽可能地远离喷嘴口；

2）根据喷嘴口径将其对应内腔尺寸进行优化，其对应的最佳内腔口径为6 mm；对应喷口长度的最佳可选范围为0.75～1.5 mm。