滚筒采煤机外喷雾降尘技术

滚筒采煤机外喷雾降尘技术 摘要：在煤矿开采过程中,会产生大量煤尘，当井下空气中飞扬的煤尘达到一定浓度时，会发生猛烈的爆炸，给工人人身安全造成严重的威胁，煤矿生产中80%的粉尘产自采掘工作面，传统的采煤机防尘由于压力不足，导致降尘效果差，因此，改进采煤机外喷雾，通过fluent软件来确定最适的喷雾压力、角度等参数，使其达到最佳的降尘效果。 关键词：外喷雾、二次负压、参数 综采工作面是煤矿的主要产尘区域，近年来，随着煤层机械化开采程度的不断提高，综采工作面的粉尘污染程度日趋严重，采煤工作面产尘量占矿井总产尘量45%—80%【1】，采煤机割煤时产尘是综采面最主要的尘源，其粉尘产尘量占整个采煤工作面产尘量的70—80%，综采综掘工作面在未采取任何措施的条件下，粉尘浓度均可达1000-3000mg/m3【2】，所以综采工作面粉尘的控制应以采煤机滚筒为中心，通过改变以往采煤机的外喷雾装置，采用高压喷雾，在燕子山矿8204综采三队采煤机安装二次负压降尘装置，主要针对采煤机滚筒割煤时产生的涡旋风流——尘源点，利用高速喷射的水雾形成的负压产生的涡旋高速漩涡风流【3】，将其吸收并净化，从而达到降尘的效果。 1、采煤机割煤产尘过程 目前，常见的采煤机工作面的灭尘、降尘措施有外喷雾和内喷雾两种，现代采煤机大都采用内、外喷雾相结合的方法。一般采煤机的喷雾系统和水冷系统是合为一体的，水冷和喷雾供水方式有两种：一是水进入机组总水门后分两路，一路不减压而直接供内喷雾，另一路减压后供外喷雾；二是水进入机组总水门后，一路经减压后进入电机冷却器，另一路进入牵引部冷却器，然后分供内喷雾和外喷雾【4】。喷雾效果与供水压力有一定的关系，供水压力不能小于一定值，否则达不到雾化效果。而电动机的耐水压力一般不超过 2.2 MPa，这就造成了采煤机冷却和喷嘴雾化的矛盾。因此由于喷雾压力低，以及采煤时风流受到采煤机的阻碍，前滚筒的高速旋转和逆风喷雾的原因，在采煤机前端产生强烈的涡流，使大量高浓度含尘气流扩散到采煤机司机的作业空间，给煤机司机和下风流作业的人员造成严重危害【5】。 2、外喷雾降尘装置的改进及参数的确定 2.1 外喷雾降尘装置的改进 粉尘危害是煤矿生产的六大灾害之一，矿井生产时产生的粉尘弥漫在整个工作空间，它们在整个工作面飞扬，使井下的空气遇到严重的污染，不仅危害工人的身体健康，也破坏了设备的工作环境，加速机械的磨损，降低操作现场的能见度，增加事故发生率，也容易引起煤尘爆炸与瓦斯爆炸事故【6-7】。 国内外研究明，高压喷雾具有雾粒直径小，雾粒运动高速、雾粒密度大、雾粒射程远、耗水量小、覆盖面积大及喷嘴不易堵塞等显著优点，能够很好的满足高校降尘的要求，特别是对细微粉尘【8】。燕子山矿在石炭系8204综采三队正常生产过程中，经测量粉尘浓度高达800mg/m3,依靠滚筒内外喷雾，由于压力不足，降尘率不容乐观。另外，大量浮游粉尘，50～60m处的全尘浓度降低85%～90%,但呼吸性粉尘并不沉降,对采煤机司机和支护人员造成严重危害。为此需要进一步提高采煤机降尘能力采煤机上对外喷雾技术进行了改进，在不改变原有采煤机降尘装置的基础上增设了负压二次降尘装置。该装置主要由高压水泵、供水自动控制水箱、负压二次除尘装置及高压管路等组成。利用设置在工作面顺槽至工作面敷设的高压管路输送到布置在采煤机两端头上的二次负压降尘装置；二次负压降尘装置将供给的高压水，转化成控制采煤机滚筒割煤产尘的就地净化、阻止和减少粉尘向外扩散【9】。其供水管路系统示意图、高压泵站及降尘装置安装示意图如下： 图1：供水管路示意图 图2：高压泵站系统示意图 其中：1——高压泵站；2、4——高压供水管；3——变节头； 5——自动供水控制水箱；6——水箱内置过滤器；7——高压水泵 图3：降尘装置在采煤机的安装平面示意图 图4：降尘装置在采煤机的安装平视示意图 2.2 降尘方式 高压喷雾降尘过程可以看作是对一个流体雾粒与固态粉尘的凝结过程，高压喷雾在很大程度上表现为惰性凝结、静电凝结和涡流凝结【10】。 将矿井的静压水通过高压泵加压后形成高压水，高压水雾从降尘装置的前端喷出，其喷出的高压水雾流以一定的角度高速引射到采煤机滚筒上，形成阻碍尘源向采煤空间扩散的高压气雾屏障【11】，由于水雾的负压作用，降尘装置周围产生很强的负压场，可将采煤机端部及滚筒附近含尘浓度高的空气吸入并随雾流再此喷出并净化。从降尘装置前端喷出的高速雾、气流从滚筒的断面切过，具有足够的能量控制滚筒旋转所形成的涡流风力场，使含尘浓度高的空气被吸入高速汽雾流中，其中大部分粉尘可与雾粒结合、沉降，空气得到净化【12】。 2.3 参数研究 二次负压除尘装置安装在采煤机的端头，它喷射的水雾应该将滚筒的截割粉尘区域覆盖，二次负压除尘装置的覆盖面积与喷嘴的角度、喷射压力、喷嘴的喷射半角以及采煤机滚筒到二次负压除尘装置距离有关。由于二次负压除尘装置与滚筒的距离是固定值，为了很好覆盖尘源的效果，在喷嘴的角度一定情况下，喷射压力与喷嘴的喷射半角是影响二次负压除尘装置降尘效果的关键因素。 1）喷射水压的影响。在喷雾系统中，系统水压力是一个非常重要的参数。供水系统的水压对雾化效果影响较大,水压越高,水雾颗粒越细。降尘效果越好。但较高的水压带来的问是能耗大，对设备要求较高。在本系统中水压越高，不一定对滚筒的产尘区域覆盖效果越好。通过数值模拟的方法研究喷射的水压力对降尘效果的影响。 利用fluent①软件建立二次负压除尘装置模型如图5，并设定边界条件，喷嘴的压力从2～12MPa变化，间隔1MPa，取每个结果在距离二次负压除尘装置为1.5m左右观察其覆盖区域，如图6，并测量结果，绘制喷射压力与该位置上覆盖区域的关系如图7。 图5：二次负压除尘装置模型 图6：喷射效果数值计算        图:7：喷射压力与覆盖区域的关系 由上图可以看出，随着喷嘴压力的提高，在滚筒产尘位置的覆盖区域是由小变大，再由大变小，说明此处的二次负压除尘装置的降尘效果并不是喷嘴压力越高越好，根据试验结果二次负压除尘装置的压力应设在2～6MPa之间最好，覆盖区域能够达到滚筒的宽度。 2）喷嘴的喷射半角的影响。由于二次负压除尘装置的喷嘴位于圆柱筒内，喷嘴的喷射半角不但影响负压效果，而且影响喷射的覆盖区域。另外如果喷射半角过大一些水雾会碰撞到圆筒内壁，形成反射同时会影响喷雾效果，如果喷射半角过小，喷出去的宽度不够，浪费可用空间。 利用fluent软件建立二次负压除尘装置模型图，并设定边界条件，改变喷嘴的喷射半角，从10～30°变化，间隔5°，测量并每个计算结果在距离二次负压除尘装置为1.5m左右宽度，绘制喷射半角与覆盖区域的关系如图8。 图8：喷射半角与覆盖区域的关系 由上图可以看出，随着喷嘴半角的提高，覆盖区域是由小变大，再由大变小，说明喷嘴半角对结果的影响是不成比例非线性的。二次负压除尘装置的喷射半角在20°附近时效果最好。 3）负压特性研究。同样在fluent软件中对喷嘴轨迹及负压所产生的空气流动轨迹进行模拟，得出出四个喷嘴所产生的负压能够将喷嘴后方大部分含有粉尘的空气吸入管壁内进行喷雾净化。而在喷嘴前方空气顺着喷雾水流形成了平均速度大约为2m/s的回旋流动，能够带着一部分粉尘重新被吸回管壁内，而另外一部分粉尘则被空气不断带入喷雾水流中进行降尘，能达到很好的除尘效果。 通过不断改变所设定的喷嘴的压力值，模拟仿真出在不同压力下四个管壁内所产生的最低负压，得出在当喷嘴压力在小于6MPa时，管壁内负压随着喷嘴压力值得增加而增长得最快，在6MPa之后负压值增长已很缓慢，主要原因是结构决定的，当喷嘴压力升高，虽然喷射速度加大，但是由于喷嘴后部的进气断面较大，空气被迅速吸进来，也就不会产生更高的负压，也就是说他的负压吸附能力也就不会增加了。所以要在此中结构下，喷嘴喷雾压力可以设定在4～6MPa。 综合以上分析，二次负压除尘装置要想获得较好的负压，喷嘴喷雾压力可以设定在4～6MPa，它的变化趋势为随着压力升高负压升高。根据覆盖产尘情况的喷雾压力应设定在2～6MPa之间效果较好，且能满足要求，它的变化趋势开口向下的抛物线形状，综合以上情况因此二次负压除尘装置的压力应设定在6MPa左右。根据对喷射半角的影响分析二次负压除尘装置的喷射半角在20°附近时效果最好。 2.4 使用效果 通过对采煤机外喷雾降尘装置的改进后降尘效果显著，特别是割煤工序和司机位降低幅度较大，改进前后我们分别对8204综采工作面割煤、司机位、回风等测点进行了粉尘浓度测定，对比情况详见表1、表2。 表1  措施前燕子山矿8204综采工作面粉尘浓度 mg/m3 测定次数 割煤 司机位 移架 回风 1 768 589 538 100 2 765 620 564 102 3 785 590 541 112 4 743 563 522 98 平均 765 590 541 103           表2  措施后燕子山矿8204综采工作面粉尘浓度  mg/m3 测定次数 割煤 司机位 移架 回风 1 207 205 216 62 2 236 187 194 63 3 243 176 233 68 4 236 182 219 58 平均 230 187 216 62           从表1，表2可以看出，通过对采煤机外喷雾降尘装置的改进后，有关测点粉尘浓度都有所下降，特别是割煤工序和司机位降低幅度较大，分别达到70%和68%。 3、总结 通过对原采煤机的外喷雾系统进行改进，并通过Fluent软件仿真进行模拟，确定其最适参数，使割煤工序和司机位粉尘浓度大幅降低，改进后的高压外喷雾装置（负压二次降尘装置）适合我国煤矿井下各种类型采煤机使用的高效除尘系统，具有特点：①整套系统控尘能力强，使用方便、维护简单；②所配高压水泵结构紧凑、体积小、质量轻、单位水功率高，方便煤矿井下运输；③供水自动控制水箱适应供水压力高，可保证在使用过程中水箱供水水位的稳定，无须人工控制；④负压二次除尘装置同时具有拦截粉尘外逸的汽雾流屏障和含尘气流净化系统，装置体积小、安装方便、维护容易，能够实现对采煤机割煤产尘的有效控制【13】。 采煤机负压二次降尘技术主要针对综采工作面等机械化程度相对较高、产尘量大、粉尘治理相对困难等技术难点而研制,是对采煤机内外喷雾降尘效果的又一补充和完善,对改善现场作业环境,降低粉尘浓度效果明显,而且其装备体积小、使用方便、维护简单,其推广和应用前景非常乐观。 参考文献： 【1】吴琼.综采工作面喷雾降尘机理及高压降尘喷嘴改进研究[D],阜新:辽宁工程技术大学,2007:3. 【2】王炜,胥奎.高瓦斯矿井综采工作面粉尘防治技术探讨[J],煤炭工程,2009(6):52. 【3】吕自强.高压引流喷射器设计[J].煤矿现代化,2008,总(8):47.