掘进机高效喷雾降尘装置的优化研究
2024-01-04刘伟杰
刘伟杰
（山西宏宇诚铸建设工程有限公司， 山西 怀仁 038300）
0 引言
掘进机是煤矿井下巷道掘进的核心设备，在掘进过程中会产生大量的粉尘，不仅影响综采面的视线，而且还会给作业人员的身体健康带来较大的威胁[1]。目前在掘进机上通常会设置外喷雾降尘装置，通过高压喷雾的方式对掘进过程中产生的粉尘进行沉降，控制掘进面上的粉尘浓度，提高井下巷道掘进安全性。但目前降尘系统工作时的喷雾压力等均是靠人工经验调整，导致实际工作时喷水量大，降尘率却不足50%，掘进机不得不采用降低掘进速度的方式进行作业，严重影响了井下巷道掘进的效率。
1 试验方案分析
以EBZ160 型掘进机外喷雾降尘装置为基础，其喷嘴为单孔压力型实心圆锥形结构，喷嘴直径为2 mm，为了对不同工况下的喷雾降尘效果进行研究，建立了一个可调式的喷雾降尘试验台，其整体结构如图1 所示[2]。
图1 喷雾降尘装置模拟试验台
在进行模拟分析时，通过改变喷水压力来观测喷嘴处的喷雾形状变化，再结合粉尘采样仪等即可确定在不同喷雾参数下的喷雾降尘效果[3]。
为了保证验证的全面性和准确性，在进行试验时将其分为两组，第一组用于研究不同喷雾压力下喷嘴的雾化特性，第二组则用于研究不同工况下对全尘和呼吸尘的降尘效果。结合喷雾降尘装置的工作特性，实际设置了0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa 四种供水压力进行模拟对比。在进行雾化特征研究时，可以采用YY-LED15K4C 型电磁流量计和DX-801XB00150型数字式压力表对喷嘴流量和喷雾压力进行研究。
2 喷雾降尘特性研究
当改变喷雾降尘的工作压力后，会直接影响到喷嘴的流量、喷嘴雾化角及喷雾降尘效果，分别对其进行研究。
2.1 喷雾压力与喷嘴流量的关系
不同供水压力下喷嘴口处的水流量变化曲线如图2 所示。随着喷雾压力地增加，喷嘴处的水流量不断增多，当喷雾压力超过1 MPa 时喷嘴水流量随喷雾压力的变化幅度逐步减少，而且在1～1.5 MPa 之间时的变化量大于1.5～2 MPa 之间的变化量，因此可知，当喷雾降尘装置工作压力在1～1.5 MPa 时，具有最佳的压力- 流量比。
图2 喷雾压力与喷嘴流量关系曲线
2.2 喷雾压力和喷嘴雾化角关系
雾化角是指液体从喷嘴处喷出后形成的一个圆锥状的雾场，是评价液体雾化质量的一个核心指标，雾化角越大说明液体的雾化越彻底，雾滴直径越小。对雾化角的分析，采用了高速摄像仪按1 s 的时间间隔对其进行拍照，然后再利用图像数据分析处理软件确定其雾化角，摄像机拍照时镜头需要和雾化喷嘴喷出方向垂直，保证测角的准确性。不同喷雾压力下的雾化角如图3 所示。
图3 不同喷雾压力下的雾化角示意图
由图3 可知，随着供水压力的增加，喷嘴处的雾化角不断增大，当喷雾压力从0.5 MPa 增加到1.5 MPa时，雾化角的变化最为明显，增加了约4.2°。当喷雾压力从1.5 MPa 增加到2 MPa 时，雾化角的变化明显降低，增加了约0.2°，由此可知，当喷雾压力为1～1.5MPa时具有最佳的雾化角。
2.3 喷嘴降尘效率分析
喷雾压力不同，会影响到喷嘴处的流量和喷嘴雾化角，以上两个因素将直接影响到掘进面粉尘的降尘效果。在掘进面上粉尘分为全尘和呼吸尘，其颗粒直径不同，降尘特性也不一样。在不同喷雾压力下全尘和呼吸尘的降尘率如表1 所示。
表1 全尘和呼吸尘的降尘率对比
由实际对比结果可知，随着喷雾压力地增加，对全尘的降尘效果逐步提高，当喷雾压力从0.5～1.5 MPa时，降尘率随喷雾压力地增加上升较快，当喷雾压力从1.5 MPa 升高到2 MPa 时，降尘率仅提升了0.63%，但压力的升高会导致喷雾降尘系统工作时的受压增大，影响其使用寿命。
对于呼吸尘来说，其降尘效率则是随着喷雾压力的增加先增大然后降低，当喷雾压力为1.5 MPa时呼吸尘的最大降尘率为55.49%，但当喷雾压力增加到2MPa 的情况下，降尘率则下降到了54.82%，这主要是由于喷嘴结构限制了喷雾颗粒直径的进一步降低，进而无法进一步加强降尘效果。
综上分析，当喷雾降尘装置的喷雾压力设置为1.5 MPa 时，具有最佳的喷雾降尘效果，此时对全尘的降尘率达到了67.17%，对呼吸尘的降尘率达到了55.49%，此时喷嘴处的水流量为22.27 L/min，比优化前的用水量降低了约11.4%。
3 结论
1）随着喷雾压力的增加，喷嘴处的水流量不断增多，当喷雾降尘装置工作压力在1～1.5 MPa 之间时，具有最佳的压力- 流量比。
2）随着供水压力的增加，喷嘴处的雾化角不断增大，当喷雾压力为1～1.5 MPa 时具有最佳的雾化角。
3）当喷雾降尘装置的喷雾压力设置为1.5 MPa时，具有最佳的喷雾降尘效果，此时对全尘的降尘率达到了67.17%，对呼吸尘的降尘率达到了55.49%，喷嘴处的水流量比优化前的用水量降低了约11.4%。
