（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大友選煤有限責(zé)任公司挖金灣選煤廠 山西 037003）

引言

長(zhǎng)期以來，煤炭一直是中國的主要能源。隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加快，煤炭需求必將進(jìn)一步增長(zhǎng)。然而，在煤炭生產(chǎn)和加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的煤塵。目前，雖然采用機(jī)械化作業(yè)大大加快了地下礦山工作面的采礦進(jìn)程，但粉塵濃度也大幅度提高，對(duì)作業(yè)安全造成不利影響。根據(jù)相關(guān)測(cè)試結(jié)果，綜采工作面粉塵濃度可達(dá)5000mg/m3，呼吸性粉塵濃度可達(dá)40%以上。粉塵濃度和呼吸性粉塵濃度均未達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，在某些情況下，粉塵濃度超標(biāo)嚴(yán)重。目前，塵肺的防治一直是我國職業(yè)病防治工作的重點(diǎn)。2014年共錄得29,972宗職業(yè)病個(gè)案，其中26,873宗為塵肺病患者，占職業(yè)病個(gè)案總數(shù)的89.66%。換句話說，絕大多數(shù)職業(yè)病患者被診斷為塵肺。另外，濃縮煤塵還會(huì)引起煤塵爆炸等重大安全事故，同時(shí)會(huì)增加生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械的磨損率，降低現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的使用壽命。因此，煤塵不僅嚴(yán)重威脅井下作業(yè)人員的職業(yè)健康和安全，而且影響企業(yè)的發(fā)展和社會(huì)的穩(wěn)定。因此，為了實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速、健康、可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)礦工的身體健康和社會(huì)穩(wěn)定，必須對(duì)煤礦生產(chǎn)過程中工作面的煤塵進(jìn)行妥善處理。

1.選煤廠高壓細(xì)水噴霧除塵系統(tǒng)概述

目前，世界各國綜采工作面常用的抑塵技術(shù)有噴霧、煤層注水、化學(xué)抑塵技術(shù)。噴霧抑塵具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如簡(jiǎn)單、方便、高成本效益和體面的效率，其中在采煤機(jī)外噴霧是煤礦中應(yīng)用最廣泛的噴霧方式。噴霧抑塵的性能在世界各地的煤礦和煤礦之間有很大的不同，主要取決于噴霧壓力、噴嘴類型和安裝角度。

2.高壓細(xì)水噴霧除塵系統(tǒng)工作原理分析

在高壓細(xì)水噴霧除塵系統(tǒng)工作的過程中，對(duì)于噴霧場(chǎng)，霧化行為顯著影響最終的抑塵性能。噴嘴是噴灑系統(tǒng)中最基本的部件之一。在一定的壓力下，連續(xù)相液體通過噴嘴被噴射到氣體介質(zhì)中，在內(nèi)力和外力的共同作用下，液體經(jīng)歷復(fù)雜的變形和破碎過程，在一定的氣體空間內(nèi)產(chǎn)生大量的小液滴，最終形成噴射場(chǎng)。噴霧除塵主要基于重力沉降、慣性捕集、截留捕集和彌散捕集。在霧化場(chǎng)中，霧滴與固體粉塵顆粒的慣性凝結(jié)過程中，霧滴克服了粉塵顆粒的表面張力，使粉塵顆粒濕潤(rùn)，重力的作用使其沉降為凝結(jié)。其次，由于氣流中的塵埃粒子通常粗大而重，它們偏離了流線，由于慣性效應(yīng)而表現(xiàn)出重力沉降。如果不考慮重力對(duì)粉塵顆粒的影響，粉塵顆粒將與氣流同步運(yùn)動(dòng)。塵埃顆粒通常有一定的體積。在遷移過程中，當(dāng)與液滴的距離小于塵粒的半徑時(shí)，塵粒與液滴接觸并被截獲，從而使塵粒附著在液滴上。這被稱為攔截捕獲效應(yīng)。由于布朗擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，細(xì)小的塵埃顆粒，尤其是直徑小于1微米的塵埃顆粒，大多被水滴捕獲。這被稱為擴(kuò)散捕獲。

在霧化后噴嘴周圍形成的霧化場(chǎng)中，液滴呈現(xiàn)出不均勻的分布模式，極易受到外界環(huán)境的干擾。本研究建立了一個(gè)多因素實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于研究噴嘴周圍霧化場(chǎng)的特性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)采礦等行業(yè)廣泛使用的噴嘴宏觀霧化參數(shù)的分析，可以根據(jù)工作面的要求選擇最佳的噴嘴。此外，還利用先進(jìn)的相位多普勒激光干涉儀PDI200MD對(duì)微小霧化特性進(jìn)行了深入的研究。以相位多普勒激光干涉儀為主要測(cè)量裝置，研究了噴霧場(chǎng)多因素空間分布特性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該系統(tǒng)主要由礦井巷道模擬裝置、通風(fēng)系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)和霧滴粒度測(cè)量裝置組成。利用該平臺(tái)測(cè)量了噴嘴的宏觀特性參數(shù)和液滴尺寸分布。相位多普勒激光干涉儀（PDI）主要由信號(hào)接收機(jī)、信號(hào)處理機(jī)、控制計(jì)算機(jī)和AIMS軟件組成。在噴霧實(shí)驗(yàn)中，首先從信號(hào)發(fā)射器發(fā)射多束激光，然后通過調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)射器上的旋轉(zhuǎn)按鈕，將多束激光聚焦到噴霧場(chǎng)的同一點(diǎn)（即測(cè)量點(diǎn)）上，然后通過信號(hào)接收器將測(cè)量點(diǎn)處噴霧場(chǎng)的微觀信息反饋給信號(hào)處理器，最后利用AIMS軟件獲得形成的噴霧場(chǎng)的詳細(xì)微觀特性，如霧滴大小等。

3.高壓細(xì)水噴霧系統(tǒng)抑塵性能的數(shù)值模擬探究

（1）綜采工作面物理建模及網(wǎng)格劃分。本文主要研究了采煤機(jī)周圍的粉塵產(chǎn)生區(qū)域，并采用了高壓細(xì)水噴霧除塵系統(tǒng)。因此，選擇了一個(gè)30米長(zhǎng)的工作區(qū)，位于采煤機(jī)前后的巷道，建立了物理模型。該模型包括一臺(tái)電動(dòng)牽引采煤機(jī)（MG250/600-WD），十八個(gè)液壓支架（ZF5300/17/32），以及采煤機(jī)外部的一些噴霧裝置。選擇了一個(gè)形狀大致呈矩形的封閉區(qū)域進(jìn)行仿真。在模型中生成了四面體網(wǎng)格，整體網(wǎng)格尺寸為0.2-0.8m，并在采煤機(jī)滾筒附近進(jìn)行了局部網(wǎng)格細(xì)化。網(wǎng)格生成完成后，網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到320萬以上，其中優(yōu)質(zhì)網(wǎng)格（0.4以上）占總網(wǎng)格數(shù)的98.39%，表明生成的網(wǎng)格完全滿足仿真要求。

（2）噴涂參數(shù)的配置。生成的網(wǎng)格文件被導(dǎo)入到Fluent中。首先求解單相氣流場(chǎng)，達(dá)到收斂后引入離散相噴霧源進(jìn)行計(jì)算。氣流被認(rèn)為是一種連續(xù)相介質(zhì)。根據(jù)工作面的實(shí)際情況，將進(jìn)風(fēng)口處的氣流速度設(shè)置為1.2m/s，將離散相設(shè)置為水-液相。在計(jì)算過程中，采用了瞬態(tài)求解器、realizable k-ε模型和SIMPLE算法。計(jì)算收斂后，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入CFD-POST進(jìn)行后處理和分析。

（3）噴嘴安裝角度對(duì)霧化場(chǎng)霧化特性的影響。為了保證采煤機(jī)高壓細(xì)水噴霧除塵系統(tǒng)能夠充分覆蓋截割頭，有效地控制粉塵源，對(duì)高壓細(xì)水噴霧除塵系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，在搖臂上和切割電機(jī)周圍安裝噴嘴?？紤]到搖臂對(duì)噴霧場(chǎng)的阻擋作用，本文對(duì)不同角度噴嘴的抑塵性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。這是為了確保所形成的噴霧場(chǎng)能夠最大限度地覆蓋采煤機(jī)前后滾筒周圍的粉塵產(chǎn)生區(qū)域，以提高粉塵抑制效率。

為保證噴嘴的有效噴射范圍能滿足實(shí)際要求，對(duì)噴嘴的抑塵性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，進(jìn)一步優(yōu)化噴嘴與煤壁的傾角分別為0°、30°、45°和60°，噴射壓力為8MPa。當(dāng)噴嘴傾斜角度為0°時(shí)，截煤機(jī)截割馬達(dá)周圍噴嘴形成的噴霧場(chǎng)幾乎不能碰到截割頭，而煤壁上噴嘴形成的噴霧場(chǎng)只能部分覆蓋截割頭，即截割頭部分未被遮蓋，導(dǎo)致抑塵性能下降。當(dāng)噴嘴傾斜角度為30°時(shí)，切割頭和產(chǎn)塵區(qū)被噴淋場(chǎng)完全覆蓋，單滾筒截齒大多位于形成的噴淋幕有效降塵區(qū)內(nèi)。當(dāng)噴嘴傾斜角度為45°時(shí)，形成的噴霧場(chǎng)能夠覆蓋截割頭的一大部分，但不能覆蓋靠近煤壁的滾筒截齒周圍區(qū)域。當(dāng)噴嘴傾斜角度為60°時(shí)，形成的噴霧場(chǎng)大部分被搖臂阻擋，不能覆蓋截割頭，同時(shí)截割過程中產(chǎn)生的粉塵隨氣流移動(dòng)，污染巷道。結(jié)果表明，噴嘴的最佳傾角為相對(duì)于煤壁的30°。為了有效地抑制兩滾筒的粉塵產(chǎn)生，在采煤機(jī)搖臂上水平方向布置了6個(gè)噴嘴，噴嘴向煤壁傾斜了30°。在采煤機(jī)截割電機(jī)周圍共設(shè)置了4個(gè)噴嘴，從水平方向上呈-45°～45°的均勻分布，而不是水平排列，因此形成的噴霧場(chǎng)可以更好地將產(chǎn)塵區(qū)包裹在滾筒周圍。由于上述噴嘴的布置，可充分發(fā)揮最佳噴嘴霧化性能好、噴射角度大的優(yōu)點(diǎn)，形成的噴射場(chǎng)可覆蓋整個(gè)切削滾筒，最佳抑塵區(qū)域可包裹滾筒的大部分切削齒。

（4）噴霧壓力對(duì)噴霧場(chǎng)形成的影響。根據(jù)上述噴嘴布置方案，對(duì)工作面噴霧場(chǎng)在不同壓力下的霧化特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。研究了噴霧壓力分別為2MPa、4MPa、6MPa和8MPa時(shí)，噴霧場(chǎng)中單滾筒的覆蓋效應(yīng)和霧滴尺寸分布。然后將不同噴霧壓力下的模擬結(jié)果導(dǎo)入CFD-POST進(jìn)行后處理，測(cè)得的霧滴尺寸在20-150μm之間。最后對(duì)不同噴涂壓力下的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。由結(jié)果可以看出，隨著噴霧壓力的增加，噴霧場(chǎng)的有效噴射范圍和霧滴大小分布均發(fā)生了不同程度的變化，特別是在較高的噴霧壓力下，形成的噴霧場(chǎng)對(duì)單滾筒具有較好的覆蓋性，而霧滴則變小。當(dāng)噴霧壓力為2MPa時(shí)，霧滴粒徑范圍為60-140μm。如第三章第三節(jié)所述，在這個(gè)液滴大小范圍內(nèi)，產(chǎn)生了大量液滴，液滴與塵埃顆粒碰撞的概率相對(duì)較低。噴霧場(chǎng)主要位于采煤機(jī)截煤臂與滾筒的交匯處，滾筒外的產(chǎn)塵區(qū)不在噴霧場(chǎng)內(nèi)。所形成的噴淋場(chǎng)不能完全覆蓋單滾筒，表現(xiàn)出中等的除塵性能。當(dāng)噴霧壓力為4MPa時(shí)，霧滴粒徑范圍為50-120μm，形成的噴霧場(chǎng)能夠完全覆蓋采煤機(jī)滾筒，但不能覆蓋采煤機(jī)滾筒周圍的產(chǎn)塵區(qū)，說明噴霧場(chǎng)的整體抑塵性能較差。當(dāng)噴霧壓力為6MPa時(shí)，霧滴粒徑范圍為40-110μm，噴霧場(chǎng)中的霧滴能夠達(dá)到理想的除塵性能，形成的霧化場(chǎng)能夠完全覆蓋采煤機(jī)滾筒，但對(duì)采煤機(jī)滾筒外的產(chǎn)塵區(qū)幾乎沒有覆蓋，抑塵性能較差。當(dāng)噴霧壓力為8MPa時(shí)，霧滴粒徑范圍為30-100μm，形成的霧化場(chǎng)能夠覆蓋采煤機(jī)滾筒的大部分區(qū)域及相應(yīng)的產(chǎn)塵區(qū)域，達(dá)到了除塵目的，提高了外噴系統(tǒng)的抑塵效率。分析結(jié)果表明，30-100μm的霧滴粒徑范圍具有良好的除塵性能，形成的霧化場(chǎng)能夠完全覆蓋單滾筒周圍的產(chǎn)塵區(qū)，具有很好的抑塵效果。

4.結(jié)束語

綜上所述，在本文的研究中，首先根據(jù)噴霧場(chǎng)的宏觀霧化特性，包括噴霧角度和有效噴霧范圍，確定了在本文研究的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件下，c型噴嘴為最佳噴嘴。噴霧壓力為8MPa時(shí)，霧化效果最好，特別是當(dāng)噴霧角度為81.9°時(shí)，有效噴霧范圍約為2.56m。并且進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴霧壓力為8MPa時(shí)，直徑為30-100μm的霧滴對(duì)粉塵粒子具有良好的捕捉性能，形成的霧化場(chǎng)能夠充分覆蓋截煤筒周圍的產(chǎn)塵區(qū)，具有良好的抑塵效果。當(dāng)噴嘴傾斜角度為30°時(shí)，在采煤過程中形成的噴霧場(chǎng)能夠更好地覆蓋整個(gè)產(chǎn)塵區(qū)，從而顯著提高了采煤過程中的降塵性能。并且通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)在8MPa的噴霧壓力下，采煤機(jī)滾筒周圍的噴霧場(chǎng)幾乎不受氣流的影響。