掘进机外喷雾负压二次降尘装置的研制与应用

聂 文,程卫民,周 刚,薛 娇,崔向飞

(1.山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地,山东青岛 266590;2.山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛

266590)

掘进机外喷雾负压二次降尘装置的研制与应用

聂 文1,2,程卫民1,2,周 刚1,2,薛 娇1,2,崔向飞1,2

(1.山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地,山东青岛 266590;2.山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛

266590)

为了有效喷雾沉降综掘工作面掘进机截割产尘,数值模拟确定了喷雾负压二次吸风装置吸风及内部风流场的运移规律,研制了可形成完全覆盖截割产尘的水雾幕及对截割臂周围粉尘有效吸入净化的新型掘进机外喷雾负压二次降尘装置,并对其性能进行了测定实验,结果表明:喷雾压力由2 MPa增大至8 MPa过程中,选用喷嘴在4 MPa压力时,喷雾场雾化角及距喷口1.5 m处雾滴群的索特平均直径D32分别为87.6°及56.295 μm,综合雾化性能最优,新型装置的气液比先增大后减小,4 MPa时达到最大值1.269,因此,选定4 MPa为最佳喷雾压力;新型装置的现场试验结果表明:相对于原有方式,对全尘和呼尘的平均降尘率分别提高了19.4%和20.1%,其中,负压二次降尘分别提高了6.0%和6.5%。

综掘工作面;掘进机;外喷雾;负压二次降尘;气液比

掘进机外喷雾是控制综掘工作面掘进机截割产尘的主要方式,目前,外喷雾的喷嘴一般安设在截割头两耳部,雾流形状为水平面,较难形成完全覆盖截割头产尘源的水雾幕。由于粉尘具有一定的疏水性,致使完全覆盖截割头产尘源的水雾幕也很难将全部粉尘沉降,部分粉尘逃逸出水雾幕向外扩散[1-4]。喷嘴喷雾后在水雾活塞、卷吸等作用下,可在喷口及喷雾场附近形成负压场,将掘进机截割臂周围的粉尘吸入喷雾场,实现负压二次降尘,提高单位耗水量的降尘效率。自20世纪80年代,国内外学者已进行了一定量的掘进机外喷雾负压二次降尘技术研究与试验,但是,现有成果如英国Conflow系列及在兖矿集团南屯煤矿、山东能源高庄煤矿试验的技术均为从一个方向吸尘,不能将掘进机截割臂周围的含尘气流有效吸入,限制了外喷雾降尘能力的提高[5-8]。为了解决这个问题,笔者采用数值模拟、实验测定及现场试验相结合的手段,分析了喷雾负压二次降尘机理,研制了新型掘进机外喷雾负压二次降尘装置,并在现场进行了成功试验。

1 喷雾负压二次降尘机理

喷嘴由气流引射装置的喷管内向外喷雾时,当水雾直径不小于喷管内径时,便形成了水雾活塞,前方的空气被水雾源源不断地推出,后方形成真空,从而在喷口处形成负压场,使含尘气流经吸气部分进入气流引射装置的喷管内;在喷管内,吸入的粉尘受到水雾的反复撞击、碰撞,被强迫与雾滴凝结,喷出管子后,失去了在空气中的悬浮能力,很快沉降下来;同时,被净化的空气与水雾组成的混合物继续由喷管以较高速度喷出,在喷出端形成负压场,卷吸周围的含尘气流进入喷雾场,气流中的粉尘得到进一步的净化,从而实现二次降尘[5,8-10]。图1为水雾活塞机理示意。

2 数值模拟

为了直观展示喷雾负压二次吸风机理,采用FLUENT软件对喷雾负压二次吸风气雾两相流场进行了数值模拟,确定了喷雾负压二次吸风装置吸风及内部风流场的运移规律。

图1 水雾活塞机理示意Fig.1 Schematic diagram of water mist piston mechanism

2.1 数学模型

泰勒类比破碎(TAB)模型被广泛应用于工程水射流计算中,是计算雾滴破碎的经典方法,基于TAB模型利用FLUENT软件数值模拟了喷雾负压二次吸风气雾两相流场。TAB模型是在将雾滴振动及变形与弹性质量系统比拟的基础上得到的,作用在雾滴质量m上的空气动力F对应外力,弹性反应比拟雾滴壁面张力k,阻尼力比拟雾滴黏性力d,受迫、有阻尼振动的控制方程[11-14]为

其中,x为雾滴由平衡位置的位移量。根据泰勒比拟可得到

其中,r为未变形前的雾滴半径,m;u为气体与雾滴的相对速度,m/s;ρg,ρl为气体和液体密度,kg/m3;μl为液体黏度,Pa·s;σ为液体表面张力,N/m2;CF, Ck,Cd为无量纲常数。令y=x/(Cbr)(Cb为无量纲常数),结合式(2),式(1)可转化无量纲形式,即

雾滴发生破碎,对于无阻尼雾滴,若假设相对速度u不变,则由式(3)可解得

2.2 物理模型

采用GAMBIT软件建立了喷雾负压二次吸风装置的物理模型,该模型由吸尘罩、引射筒、圆锥罩及喷嘴4部分组成,吸尘罩为梯形体,高0.12 m,顶部为长×宽=0.4 m×0.1 m的大矩形,底部与引射筒相连,为长×宽=0.16 m×0.07 m的小矩形;引射筒为长×宽×高=0.4 m×0.12 m×0.12 m的长方体,顶部中央连接吸尘罩,侧部中央连接圆锥罩;圆锥罩为小圆直径0.07 m、大圆直径0.1 m的圆锥体,高0.1 m;喷嘴喷口孔径0.002 2 m,喷口距圆锥罩大圆0.05 m。所建模型以引射筒中央点为原点,x轴正方向为由原点指向圆锥罩大圆圆心,y轴正方向为由原点指向引射筒侧壁小矩形中央点,z轴正方向为由原点指向吸尘罩顶部矩形中央点。对所建的物理模型进行了网格划分,图2为喷雾负压二次吸风装置网格划分后物理模型。

2.3 数值模拟结果

设定风流进入计算区域内时的截面边界类型为速度进口,出口处设为出流,创建并设置喷射源,喷射类型选择压力-平口雾化喷嘴,喷嘴沿x轴正方向喷雾,粒子类型为惯性粒子inert,材质为水,终止时间设为200 s,喷雾压力为4 MPa,水流量为0.1 kg/s,雾化角为90°,圆锥罩及吸尘罩分别设为相对压力出口及进口,初始压力均为0。喷嘴喷雾后,喷雾负压二次吸风装置内部风流场运移模拟结果如图3,4所示。

图2 网格划分后物理模型Fig.2 After grid plotting physical model

图3 内部风流场运移模拟结果(整体)Fig.3 Overall view of simulated result of wind flow field migration

图4 内部风流场运移模拟结果(断面)Fig.4 Single cross-section diagram of simulated result of wind flow field migration

由图3,4可知:

(1)喷嘴在圆锥罩内沿x轴正方向向外喷雾后,高速雾滴推动空气向圆锥罩外流动,从而在喷口处形成负压场,致使吸尘罩顶部吸口处的风流除边缘的极少数位置沿z轴正方向流动,其余均沿z轴负方向即指向引射筒流动,并受冲击射流的影响在引射筒底部形成了两个基本对称的涡流风流场。

(2)由于吸尘罩为顶面积大的梯形体,外部由吸尘罩流入引射筒的风流速度由吸尘罩顶部的平均速度2.64 m/s、速度范围2.26～3.07 m/s增大至吸尘罩底部的平均速度9.39 m/s、速度范围9.26～9.58 m/s,并且,在吸尘罩的底部和中间位置,风流指向引射筒流动。

3 装置的研制与性能测定

3.1 装置的研制

根据掘进机截割产尘特点及外喷雾负压二次降尘原理,研制了新型掘进机外喷雾负压二次降尘装置,实现了一次喷雾与负压二次降尘的有机结合,以有效控制掘进机截割产尘。图5,6分别为新型掘进机外喷雾负压二次降尘装置结构及现场安装示意。

图5 装置结构Fig.5 Structure of the device

图6 装置现场安装示意Fig.6 On site installation diagram of the device

由图5,6可知,新型掘进机外喷雾负压二次降尘装置的整体轮廓成“门”字形,安设在掘进机截割臂处,位于截割臂的左侧、顶部及右侧,包括刚性水管、喷嘴、圆锥罩、引射筒及吸尘罩。引射筒基本尺寸为:外长1.14 m,内长0.9 m,宽0.12 m,高0.973 m,方筒的宽0.12 m。圆锥罩、吸尘罩布置在引射筒的外壁上,水管布置在引射筒内部。布置8个喷嘴朝向截割头方向喷雾,所有喷嘴沿圆周方向向外倾斜20°,底部喷嘴还需向下倾斜30°,顶部两角喷嘴还需向上倾斜20°,从而形成可完全覆盖截割头产尘的水雾幕;每个喷嘴配一个圆锥罩与吸尘罩,圆锥罩与喷嘴倾斜相同角度,总长度为0.1 m,小圆的直径为0.07 m,大圆的直径为0.1 m,喷嘴喷口与圆锥罩外边沿的距离为0.05 m。吸尘罩高0.12 m,除顶部两角外为基本形状外宽内窄的梯形,外部大矩形长0.4 m、宽0.1 m,与引射筒相连的内部小矩形长0.16 m、宽0.07 m;顶部两角处的两个吸尘罩为基本形状外宽内窄的扇形体,外部大弧形长0.41 m、宽0.1 m,内部小矩形长0.155 m、宽0.07 m。

新型掘进机外喷雾负压二次降尘装置安设在掘进机截割臂处,与截割头的位置相对恒定,因此可一直产生完全覆盖截割产尘的水雾幕,直接将粉尘捕集、沉降。同时,喷嘴喷雾可在喷口及形成的雾场周围产生负压,含有粉尘的气流将被吸尘罩吸入引射筒,然后经过圆锥罩流出,在这个过程中将粉尘与雾场充分混合,将气流中的粉尘净化。由于新型装置与截割头产尘源的距离始终保持1.5 m左右,并沿截割臂布置,可有效吸入截割臂周围的含尘风流,从而最大程度的捕集、沉降掘进机截割产尘。

3.2 装置的性能测定

研制的新型掘进机外喷雾负压二次降尘装置选用雾化性能较优的孔径2.2 mm、含X形导流芯混合式实心圆锥形喷嘴,利用Winner312喷雾激光粒度分析仪、高压水表等设备测定了喷嘴2,4,6及8 MPa喷雾压力时的喷雾场雾化角、流量、距喷口1.5 m处雾滴群的索特平均直径D32等雾化性能参数(表1)。

表1 选用喷嘴不同压力时的雾化性能参数Table 1 Atomization performance parameters when different nozzle pressure was choosed

由表1可知:喷雾压力由2 MPa增大至8 MPa过程中,喷嘴雾化角先增大后减小,先由2 MPa时的91.4°缓慢减至4 MPa时的87.6°,然后急剧减至6 MPa时的76.4°,最后缓慢减至8 MPa时的73.5°;有效射程和流量均随着喷雾压力的增大而增大,变化趋势较为平稳;喷雾场距喷口1.5 m处雾滴群的D32先增大后减小,先由2 MPa时的63.583 μm急剧减至4 MPa时的56.295 μm,然后缓慢减至8 MPa时的52.931 μm;喷嘴在4 MPa喷雾压力时具有较优的雾化角和D32雾滴群,综合雾化性能最优。

对新型掘进机外喷雾负压二次降尘装置喷雾及吸风性能进行了测定实验,测定了该装置不同喷雾压力时的水流量及吸尘罩吸风量,并对两者之间的气液比进行计算。采用美国TSI牌8347-VELOCICALC风速流量表测定不同测点处的风速大小,并利用红彩带测定风速方向。实验喷雾压力也设定为2,4,6及8 MPa,分别对8个吸尘罩吸口处的风速进行了测定,确定了该装置的总吸风量。图7为吸尘罩编号示意,图中3号和6号吸尘罩外部弧形吸口的面积为0.04 m2,其余6个吸尘罩外部矩形吸口的面积为0.04 m2。图8为新型掘进机外喷雾负压二次降尘装置4 MPa喷雾压力时的喷雾及吸风效果,表2为不同喷雾压力时吸风罩吸口处风速及吸风量,表3为不同喷雾压力时掘进机外喷雾负压二次降尘装置气液比。

图7 吸尘罩编号示意Fig.7 No.schematic diagram of dust hood

图8 4 MPa喷雾压力时的喷雾及吸风效果Fig.8 Spray and suction effect of the device when the pressure was 4 MPa

表2 不同喷雾压力时吸风罩吸口处风速及吸风量Table 2 Wind speed and air volume in suction port of the dust hood when the pressure was different

表3 装置不同喷雾压力时气液比Table 3 Gas-liquid ratio of the device when the pressure was different

由图8及表2,3可知:随着喷雾压力的增大,新型掘进机外喷雾负压二次降尘装置吸尘罩吸口处风速和吸风量不断增大,喷雾压力由2 MPa增大至8 MPa过程中,8个吸尘罩吸口处的风速由均值1.956 m/s增大至3.382m/s,吸风量也由37.792 m3/min增大至65.344 m3/min;气液比随着喷雾压力的增大呈现先增大后减小的趋势,先由2 MPa时的1.253增大至4 MPa时的1.269,最后逐渐减小至8 MPa时的1.159,说明该装置在4 MPa时气液比最佳,并且,4 MPa时形成的水雾幕喷雾场较大,可完全覆盖掘进机截割产尘,也可轻易地将吸尘罩吸口处的红色条带吸入至喷雾场;因此,综合喷嘴喷雾雾化性能参数的测定实验结果,选定4 MPa为最佳喷雾压力。

4 现场试验

研制的新型掘进机外喷雾负压二次降尘装置在山东能源肥矿集团白庄煤矿的3904轨道巷综掘工作面进行了现场试验。工作面采用EBZ-160TY型掘进机生产,原有外喷雾的喷嘴安设在截割头两耳部,共安设8个喷嘴,喷嘴类型、数量与新型掘进机外喷雾负压二次降尘装置相同,同一喷雾压力时的水流量一致,由BP25/8J型增压泵实现4 MPa恒压喷雾。在试验工作面测定了采用不同降尘方式时各测点处的粉尘质量浓度,不同降尘方式为:①不采取降尘措施;②开启原有掘进机外喷雾降尘装置;③关闭原有掘进机外喷雾降尘装置,开启新型掘进机外喷雾负压二次降尘装置且堵塞吸尘罩吸口;④开启新型掘进机外喷雾负压二次降尘装置且打开吸尘罩吸口。表4为采用不同降尘方式时各测点的粉尘质量浓度。

表4 采用不同降尘方式时各测点的粉尘浓度Table 4 Dust concentration of of each measuring point when adopting different ways of falling dustmg/m3

由表4可知:降尘方式②～④对试验工作面5个测点全尘和呼尘的平均降尘率依次分别为55.2%和54.0%,68.6%和67.6%,74.7%和74.1%;相对于原有外喷雾,新型掘进机外喷雾负压二次降尘方式对全尘和呼尘的平均降尘率分别提高了19.4%和20.1%,其中,水雾幕一次降尘分别提高了13.4%和13.6%,负压二次降尘分别提高了6.0%和6.5%;这说明,新型掘进机外喷雾负压二次降尘装置形成的可完全覆盖截割产尘的水雾幕更易于沉降工作面粉尘,并负压二次吸入沉降由水雾幕逃逸出的粉尘,尤其对粒径、质量较小的呼尘沉降效果更佳。

5 结 论

(1)采用FLUENT软件数值模拟确定了喷雾负压二次吸风装置吸风及内部风流场的运移规律;结合掘进机截割产尘的特点,研制了新型掘进机外喷雾负压二次降尘装置,并对其性能进行了测定实验,结果表明:喷雾压力由2 MPa增大至8 MPa过程中,选用喷嘴在4 MPa压力时,喷雾场雾化角及距喷口1.5 m处雾滴群的D32分别为87.6°及56.295 μm,综合雾化性能最优,新型装置的气液比先增大后减小, 4 MPa时达到最大值1.269,因此,选定4 MPa为最佳喷雾压力。

(2)新型掘进机外喷雾负压二次降尘装置的现场试验结果表明:相对于原有外喷雾方式,对全尘和呼尘的平均降尘率分别提高了19.4%和20.1%,其中,负压二次降尘分别提高了6.0%和6.5%,沉降粉尘尤其呼尘的效果明显。感谢山东科技大学矿业与安全工程学院科研创新团队(2012ZHTD06)、山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地开放基金

(MDPC2013ZR02)在本文理论和试验研究过程中给予的支持。

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Research and application on external spray secondary dust falling device with negative pressure of roadheader

NIE Wen1,2,CHENG Wei-min1,2,ZHOU Gang1,2,XUE Jiao1,2,CUI Xiang-fei1,2

(1.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;2.College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590,China)

In order to effectively produce spray and settle the roadheader cutting dust,the law of suction and internal wind flow field migration of the external spray secondary suction device with negative pressure was investigated through the method of numerical simulation.Furthermore,a new type of external spray secondary dust suppression device with negative pressure was successfully developed which can produce a water spray curtain that completely covers the cutting dust,which can also effectively absorb and purify the dust around the cutting arm.Performance measurement experiment of the device was conducted,and the results show that when the nozzle pressure is 4 MPa,the atomization performance is optimal during the process of the pressure change from 2 MPa to 8 MPa and the atomization angle and Sauter average diameter of the droplet group at 1.5 m away from nozzle is 87.6°and 56.295 μm respectively.Gas-liquid ratio initially increased,then decreased and reached a maximum value 1.269 when the pressure was 4 MPa.Therefore 4 MPa was selected as the best spray pressure.The new device’s field test results show that the dust suppressionrate to total coal dust and respirable dust increased by 19.4 and 20.1 percentage points respectively compared with the previous method.Among them,the negative pressure secondary dust suppression increased by 6.0 and 6.5 percentage points respectively.

fully mechanized excavation face;roadheader;external spray;secondary dust falling with negative pressure;gas-liquid ratio

TD714.2

A

0253-9993(2014)12-2446-07

2013-11-04 责任编辑:张晓宁

国家自然科学基金煤炭联合基金重点资助项目(U1261205);国家自然科学基金青年基金资助项目(51404147);山东科技大学人才引进科研启动基金资助项目(2014RCJJ029)

聂 文(1985—),男,山东泰安人,讲师,博士。E-mail:sdniewen@163.com。通讯作者:周 刚(1979—),男,安徽阜献人,副教授,博士。Tel:0532-86057359,E-mail:ahsdzhougang@163.com

聂 文,程卫民,周 刚,等.掘进机外喷雾负压二次降尘装置的研制与应用[J].煤炭学报,2014,39(12):2446-2452.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1594

Nie Wen,Cheng Weimin,Zhou Gang,et al.Research and application on external spray secondary dust falling device with negative pressure of roadheader[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2446-2452.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1594