选煤厂高压细水喷雾除尘系统研究

（晋能控股煤业集团大友选煤有限责任公司挖金湾选煤厂 山西 037003）

引言

长期以来，煤炭一直是中国的主要能源。随着我国工业化进程的加快，煤炭需求必将进一步增长。然而，在煤炭生产和加工过程中会产生大量的煤尘。目前，虽然采用机械化作业大大加快了地下矿山工作面的采矿进程，但粉尘浓度也大幅度提高，对作业安全造成不利影响。根据相关测试结果，综采工作面粉尘浓度可达5000mg/m3，呼吸性粉尘浓度可达40%以上。粉尘浓度和呼吸性粉尘浓度均未达到国家标准，在某些情况下，粉尘浓度超标严重。目前，尘肺的防治一直是我国职业病防治工作的重点。2014年共录得29,972宗职业病个案，其中26,873宗为尘肺病患者，占职业病个案总数的89.66%。换句话说，绝大多数职业病患者被诊断为尘肺。另外，浓缩煤尘还会引起煤尘爆炸等重大安全事故，同时会增加生产现场机械的磨损率，降低现场设备的使用寿命。因此，煤尘不仅严重威胁井下作业人员的职业健康和安全，而且影响企业的发展和社会的稳定。因此，为了实现企业经济的快速、健康、可持续发展，促进矿工的身体健康和社会稳定，必须对煤矿生产过程中工作面的煤尘进行妥善处理。

1.选煤厂高压细水喷雾除尘系统概述

目前，世界各国综采工作面常用的抑尘技术有喷雾、煤层注水、化学抑尘技术。喷雾抑尘具有一系列优点，如简单、方便、高成本效益和体面的效率，其中在采煤机外喷雾是煤矿中应用最广泛的喷雾方式。喷雾抑尘的性能在世界各地的煤矿和煤矿之间有很大的不同，主要取决于喷雾压力、喷嘴类型和安装角度。

2.高压细水喷雾除尘系统工作原理分析

在高压细水喷雾除尘系统工作的过程中，对于喷雾场，雾化行为显著影响最终的抑尘性能。喷嘴是喷洒系统中最基本的部件之一。在一定的压力下，连续相液体通过喷嘴被喷射到气体介质中，在内力和外力的共同作用下，液体经历复杂的变形和破碎过程，在一定的气体空间内产生大量的小液滴，最终形成喷射场。喷雾除尘主要基于重力沉降、惯性捕集、截留捕集和弥散捕集。在雾化场中，雾滴与固体粉尘颗粒的惯性凝结过程中，雾滴克服了粉尘颗粒的表面张力，使粉尘颗粒湿润，重力的作用使其沉降为凝结。其次，由于气流中的尘埃粒子通常粗大而重，它们偏离了流线，由于惯性效应而表现出重力沉降。如果不考虑重力对粉尘颗粒的影响，粉尘颗粒将与气流同步运动。尘埃颗粒通常有一定的体积。在迁移过程中，当与液滴的距离小于尘粒的半径时，尘粒与液滴接触并被截获，从而使尘粒附着在液滴上。这被称为拦截捕获效应。由于布朗扩散运动，细小的尘埃颗粒，尤其是直径小于1微米的尘埃颗粒，大多被水滴捕获。这被称为扩散捕获。

在雾化后喷嘴周围形成的雾化场中，液滴呈现出不均匀的分布模式，极易受到外界环境的干扰。本研究建立了一个多因素实验平台，用于研究喷嘴周围雾化场的特性，并在此基础上进行了一系列实验。通过对采矿等行业广泛使用的喷嘴宏观雾化参数的分析，可以根据工作面的要求选择最佳的喷嘴。此外，还利用先进的相位多普勒激光干涉仪PDI200MD对微小雾化特性进行了深入的研究。以相位多普勒激光干涉仪为主要测量装置，研究了喷雾场多因素空间分布特性的实验平台。该系统主要由矿井巷道模拟装置、通风系统、喷雾系统和雾滴粒度测量装置组成。利用该平台测量了喷嘴的宏观特性参数和液滴尺寸分布。相位多普勒激光干涉仪（PDI）主要由信号接收机、信号处理机、控制计算机和AIMS软件组成。在喷雾实验中，首先从信号发射器发射多束激光，然后通过调节信号发射器上的旋转按钮，将多束激光聚焦到喷雾场的同一点（即测量点）上，然后通过信号接收器将测量点处喷雾场的微观信息反馈给信号处理器，最后利用AIMS软件获得形成的喷雾场的详细微观特性，如雾滴大小等。

3.高压细水喷雾系统抑尘性能的数值模拟探究

（1）综采工作面物理建模及网格划分。本文主要研究了采煤机周围的粉尘产生区域，并采用了高压细水喷雾除尘系统。因此，选择了一个30米长的工作区，位于采煤机前后的巷道，建立了物理模型。该模型包括一台电动牵引采煤机（MG250/600-WD），十八个液压支架（ZF5300/17/32），以及采煤机外部的一些喷雾装置。选择了一个形状大致呈矩形的封闭区域进行仿真。在模型中生成了四面体网格，整体网格尺寸为0.2-0.8m，并在采煤机滚筒附近进行了局部网格细化。网格生成完成后，网格总数达到320万以上，其中优质网格（0.4以上）占总网格数的98.39%，表明生成的网格完全满足仿真要求。

（2）喷涂参数的配置。生成的网格文件被导入到Fluent中。首先求解单相气流场，达到收敛后引入离散相喷雾源进行计算。气流被认为是一种连续相介质。根据工作面的实际情况，将进风口处的气流速度设置为1.2m/s，将离散相设置为水-液相。在计算过程中，采用了瞬态求解器、realizable k-ε模型和SIMPLE算法。计算收敛后，将计算结果导入CFD-POST进行后处理和分析。

（3）喷嘴安装角度对雾化场雾化特性的影响。为了保证采煤机高压细水喷雾除尘系统能够充分覆盖截割头，有效地控制粉尘源，对高压细水喷雾除尘系统进行了改进，在摇臂上和切割电机周围安装喷嘴。考虑到摇臂对喷雾场的阻挡作用，本文对不同角度喷嘴的抑尘性能进行了数值模拟。这是为了确保所形成的喷雾场能够最大限度地覆盖采煤机前后滚筒周围的粉尘产生区域，以提高粉尘抑制效率。

为保证喷嘴的有效喷射范围能满足实际要求，对喷嘴的抑尘性能进行了数值模拟，进一步优化喷嘴与煤壁的倾角分别为0°、30°、45°和60°，喷射压力为8MPa。当喷嘴倾斜角度为0°时，截煤机截割马达周围喷嘴形成的喷雾场几乎不能碰到截割头，而煤壁上喷嘴形成的喷雾场只能部分覆盖截割头，即截割头部分未被遮盖，导致抑尘性能下降。当喷嘴倾斜角度为30°时，切割头和产尘区被喷淋场完全覆盖，单滚筒截齿大多位于形成的喷淋幕有效降尘区内。当喷嘴倾斜角度为45°时，形成的喷雾场能够覆盖截割头的一大部分，但不能覆盖靠近煤壁的滚筒截齿周围区域。当喷嘴倾斜角度为60°时，形成的喷雾场大部分被摇臂阻挡，不能覆盖截割头，同时截割过程中产生的粉尘随气流移动，污染巷道。结果表明，喷嘴的最佳倾角为相对于煤壁的30°。为了有效地抑制两滚筒的粉尘产生，在采煤机摇臂上水平方向布置了6个喷嘴，喷嘴向煤壁倾斜了30°。在采煤机截割电机周围共设置了4个喷嘴，从水平方向上呈-45°～45°的均匀分布，而不是水平排列，因此形成的喷雾场可以更好地将产尘区包裹在滚筒周围。由于上述喷嘴的布置，可充分发挥最佳喷嘴雾化性能好、喷射角度大的优点，形成的喷射场可覆盖整个切削滚筒，最佳抑尘区域可包裹滚筒的大部分切削齿。

（4）喷雾压力对喷雾场形成的影响。根据上述喷嘴布置方案，对工作面喷雾场在不同压力下的雾化特性进行了数值模拟研究。研究了喷雾压力分别为2MPa、4MPa、6MPa和8MPa时，喷雾场中单滚筒的覆盖效应和雾滴尺寸分布。然后将不同喷雾压力下的模拟结果导入CFD-POST进行后处理，测得的雾滴尺寸在20-150μm之间。最后对不同喷涂压力下的数值模拟结果进行了分析。由结果可以看出，随着喷雾压力的增加，喷雾场的有效喷射范围和雾滴大小分布均发生了不同程度的变化，特别是在较高的喷雾压力下，形成的喷雾场对单滚筒具有较好的覆盖性，而雾滴则变小。当喷雾压力为2MPa时，雾滴粒径范围为60-140μm。如第三章第三节所述，在这个液滴大小范围内，产生了大量液滴，液滴与尘埃颗粒碰撞的概率相对较低。喷雾场主要位于采煤机截煤臂与滚筒的交汇处，滚筒外的产尘区不在喷雾场内。所形成的喷淋场不能完全覆盖单滚筒，表现出中等的除尘性能。当喷雾压力为4MPa时，雾滴粒径范围为50-120μm，形成的喷雾场能够完全覆盖采煤机滚筒，但不能覆盖采煤机滚筒周围的产尘区，说明喷雾场的整体抑尘性能较差。当喷雾压力为6MPa时，雾滴粒径范围为40-110μm，喷雾场中的雾滴能够达到理想的除尘性能，形成的雾化场能够完全覆盖采煤机滚筒，但对采煤机滚筒外的产尘区几乎没有覆盖，抑尘性能较差。当喷雾压力为8MPa时，雾滴粒径范围为30-100μm，形成的雾化场能够覆盖采煤机滚筒的大部分区域及相应的产尘区域，达到了除尘目的，提高了外喷系统的抑尘效率。分析结果表明，30-100μm的雾滴粒径范围具有良好的除尘性能，形成的雾化场能够完全覆盖单滚筒周围的产尘区，具有很好的抑尘效果。

4.结束语

综上所述，在本文的研究中，首先根据喷雾场的宏观雾化特性，包括喷雾角度和有效喷雾范围，确定了在本文研究的现场应用条件下，c型喷嘴为最佳喷嘴。喷雾压力为8MPa时，雾化效果最好，特别是当喷雾角度为81.9°时，有效喷雾范围约为2.56m。并且进一步研究发现当喷雾压力为8MPa时，直径为30-100μm的雾滴对粉尘粒子具有良好的捕捉性能，形成的雾化场能够充分覆盖截煤筒周围的产尘区，具有良好的抑尘效果。当喷嘴倾斜角度为30°时，在采煤过程中形成的喷雾场能够更好地覆盖整个产尘区，从而显著提高了采煤过程中的降尘性能。并且通过实验测量和数值模拟相结合的方法，发现在8MPa的喷雾压力下，采煤机滚筒周围的喷雾场几乎不受气流的影响。