掘进机外气动涡旋雾幕控尘装置的研制与实验.pdf

第4 4 卷第1 0 期 2 0 1 9 年1 0 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 4 0 c t ． N o ．1 0 2 0 1 9 移动阅读 陈景序，荆德吉，葛少成，等．掘进机外气动涡旋雾幕控尘装置的研制与实验[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 9 ，4 4 1 0 3 2 3 3 3 2 4 0 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i ．j c c s ．2 0 1 8 ．1 3 7 0 C H E NJ i n g x u ，J I N GD e j i ，G ES h a o c h e n g ，e ta 1 ．R e s e a r c ha n de x p e r i m e n to nd u s tc o n t m ld e v i c ew i t he x t e m a lp n e u m a t i cv o r t e xm i s tc u r t a i nf o rr o a d h e a d e r [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 1 9 ，4 4 1 0 3 2 3 3 3 2 4 0 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ． c nk i ．j c c s ．2 0 1 8 ．1 3 7 0 掘进机外气动涡旋雾幕控尘装置的研制与实验 陈景序1 ’2 ，荆德吉1 ’2 ，葛少成1 ’2 ⋯，马恒1 ’2 ，孙丽英1 ’2 1 ．辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁阜新1 2 3 0 0 0 ；2 ．矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁阜新1 2 3 0 0 0 ；3 ．太原理工 大学安全与应急管理工程学院，山西太原0 3 0 0 0 0 摘要为有效控制由掘进机截割头旋转破碎引发的粉尘污染，基于高压喷雾在涡旋气体射流场中 的运动规律及二次雾化破碎特性，研制了一种可以阻隔工作区域高质量浓度粉尘迁移扩散的新型 掘进机外气动涡旋雾幕控尘装置。绘制了包含掘进系统的气动涡旋雾幕控尘装置的比例模型，并 通过利用C F D 数值模拟软件获得该型设备外部风流场迁移规律和液滴粒子运动规律，以模拟结果 为理论基础建立实验平台，并对设备的雾化性能及控尘性能进行了实验测定。模拟结果表明在环 状风筒前端形成了完整旋转风幕，外环高压喷雾受内环高速旋转风流冲击，加剧了液滴的破碎、迁 移扩散与捕尘性能。雾化性能实验结果表明该型设备雾化性能主要由气体射流与高压喷雾的相 间速度差决定，喷雾夹角为4 5 0 一7 5 0 ，相间速度差较大，气相射流风速对雾化性能影响占主导地 位；喷雾夹角大于7 5 。时，相间干涉减小，喷雾压力占主导地位；随着沿流向方向的距离增大，风速 快速衰减，液滴运动趋于稳定。控尘性能实验研究结果表明当喷雾压力、喷雾夹角不变的情况下， 单独提高引射射流风速时，涡旋雾幕前方粉尘捕集较差，全尘和呼尘平均捕集率分别为2 1 ．2 l ％和 2 6 ．2 4 ％；而雾幕后方，不同风速下的全尘捕集率分别为8 4 ．9 8 ％，8 7 ．8 8 ％和9 0 ．7 0 ％，呼吸性粉尘 捕集率为8 3 ．8 9 ％，8 7 ．8 7 ％和8 8 ．7 l ％，照比传统高压喷雾表现出更好的控尘性能。 关键词掘进机；雾化；冲击射流；涡旋气动雾幕装置；除尘性能 中图分类号T D 4 2 1 ．5文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 9 1 0 3 2 3 3 0 8 R e s e a r c ha n de x p e r i m e n to nd u s tc o n t r o ld e V i c ew i t he x t e r n a l p n e u m a t i cV o r t e xm i s tc u r t a i nf b rr o a d h e a d e r C H E N J i n g x u l 一，J I N GD e j i l 一，G ES h a o c h e n 9 1 ，2 ⋯，M AH e n 9 1 ”，S U NL i y i n g ‘ 2 1 ．c o f l e 印∥5 q 加￡y5 c 如n c e 彻dY b 出肋f o ∥，L 施。几i 愕T k n 池f “n i 卯巧妙，f 饥讥1 2 3 【 O ，吼i 舭；2 ．K 吖如6 0 m 细，yq ，肘i 聊7 k r 啪d y ，l n m 如D 厶础￡邯。删 c o n ￡r o f0 ，们讥“啊。厂尉u ∞￡如n ，儿z 讥 1 2 3 0 0 0 ，吼i m ；3 ．c o 以e 舻。厂s 撕o n d 凸t 嘴哪，讹，l c w 删删E n ∥加e 一凡g ，仡咖∽n ‰矗椰i ￡y0 ，死c ，1 0 f o g y ， 亿O ％n0 3 0 0 0 0 ，∞i M A b s t r a c t T oe f f b c t i v e l yc o n t r o lt h ed u s tp o l l u t i o nc a u s e db yt h er o a d - h e a d e rc u t t i n gh e a dr o t a r yb r e a k i n g ，b a s e do nt h e m o t i o nl a wo ft h eh i g h p r e s s u r es p r a yi nt h ev o r t e xg a sj e ta n dt h es e c o n d a I ya t o m i z a t i o nf r a g m e n t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ， an e wt y p eo fd u s tc o n t r o ld e v i c ew i t he x t e m a lv o r t e xa i rm i s ts c r e e nf o rr o a d h e a d e rh a sb e e nd e v e l o p e d ，w h i c hc a n p r e v e n th i 曲c o n c e n t r a t i o nd u s td i s p e r s i o ni nu n d e r g r o u n dm i n i n ga r e a ．As c a l em o d e lo fap n e u m a t i cv o n e xm i s tc u 卜 t a i nd u s tc o n t r o ld e v i c ei n c l u d i n gat u n n e l i n gs y s t e mw a sd r a w n ．T h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ，t h ew i n dn o wf i e l d 收稿日期2 0 1 8 一1 0 一1 3修回日期2 叭8 一1 2 2 5责任编辑郭晓炜 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 2 7 4 1 1 6 ；国家自然科学基金青年基金资助项目 5 1 7 0 4 1 4 6 作者简介陈景序 1 9 8 9 一 ，男，辽宁鞍山人，博士研究生。E m a i l c h a n j i n 野u s i n a ．c o m 通讯作者荆德吉 1 9 8 4 一 ，男，辽宁抚顺人，副教授，博士。E m a i l j i | l g 蛔i s i n ac o m 万方数据 3 2 3 4 煤炭学报 2 0 1 9 年第4 4 卷 m i g m t i o nl a wa n dd r o p l e tp a r t i c l em o t i o nl a wo ft h ed e v i c ew e r eo b t a i n e db yu s i n gC F Ds o f t w a r e ．A ne x p e r i m e n t a l p l a Ⅱ．0 r mw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n dt h ea t o m i z a t i o np e r f o r m a n c ea n dd u s tc o n t r 0 1p e d b r m a n c e w e r eo b t a i n e db ye x p e r i m e n t ．T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tac o m p l e t er o t a t i n ga i rc u r t a i nw a sf o n n e da tt h ef r o n to f t h er i n g m o u n t e da i rd u c t ．T h eo u t e rh i g h - p r e s s u r es p r a yw a si m p a c t e db yt h eh i g h s p e e dv o r t e xr o t a t i n ga i r f l o w ，w h i c h a g g r a v a t e dt h ed r o p l e tb r e a k a g e ，d i f | u s i o na n dd u s t - e o l l e c t i n gp e r f b n n a n c eo ft h es p r a y6 e l d ．T h ea t o m i z a t i o np e r f b n l l - a n c ee x p e r i m e n tr e s u I t ss h o wt h a tt h em a i np e d 0 r m a n c eo ft h em i s tc u r t a i ni sd e t e r m i n e db yt h ev e l o c i t yd i f 亿r e n c eb e - m e e nt h eg a sj e ta n dt h eh i g hp r e s s u r es p r a y ．W h e nt h es p r a ya n d ei sb e t w e e n4 5 。一7 5 。，t h ev e l o c i t yd i f f e r e n c eb e - t w e e np h a s e si sg r e a t ，a n di n f l u e n c eo fg a sj e tV e l o c i t yo na t o m i z a t i o np e d - o 瑚a n c ei sd o m i n a n t ．W h e nt h es p r a ya n g l e i sg r e a t e rt h a n7 5 。，t h ei n t e r p h a s ei n t e r f 宅I e n c ed e c r e a s e sa n dt h es p r a yp r e s s u r ed o m i n a t e s ．W i t ht h ei n c r e a s eo ft h e d i s t a n c ea l o n gt h ed i r e c t i o no fn o w ，t h ef a s ta t t e n u a t i o no fw i n ds p e e dl e a d st ot h es t a b i l i z a t i o no fd m p l e tm o t i o n ．T h e d u s t - c o l l e c t i n gp e I f o r m a n c ee x p e r i m e n t a Ir e s u l t ss h o w st h a tw h e nt h es p r a yp r e s s u r ea n dt h es p r a ya n g l ea r ec o n s t a n t ， w h e nr a i s i n gt h ej e tv e l o c i t ya l o n e ，t h ed u s tc o l l e c t i o ni nf 而n to ft h eV o r t e xm i s tc u n a i ni sp o o r ，a n dt h ea v e r a g ed u s t - c o l l e c t i n gr a t e so fd u s ta n dr e s p i m t o r yd u s ta r e2 1 ．2 1 ％a n d2 6 ．2 4 ％r e s p e c t i v e l y ．A tr e a ro ft h em i s ts c r e e n ，t h ed u s t c 0 1 l e c t i o nr a t e sa td i 行e r e n tw i n ds p e e d sa r e8 4 ．9 8 ％，8 7 ．8 8 ％，a n d9 0 ．7 0 ％r e s p e c f i v e l y ．T h er e s p i r a t o r yd u s tc o l l e c - t i o nr a t e sa r e8 3 ．8 9 ％，8 7 ．8 7 ％，a n d8 8 ．7 1 ％r e s p e c t i v e l y ，w h i c hs h o w sab e t t e rd u s tc o n t r o lp e 南r n l a n c et h a nt h a to f t m d i t i o n a lh i 曲p r e s s u r es p r a y ． K e yw o r d s m a d - h e a d e r ；a t o m i z a t i o n ；i m p i n g i n gj e t ；p n e u m a t i cv o r t e xm i s tc u r t a i n ；d u s tr e m o v a lp e d ’o Ⅱn a n c e 在中国，煤炭能源的使用总量占据中国能源消费 的6 5 ％，伴随着地下矿井的生产需要，高效综合机械 挖掘技术的进步有效保证了煤矿开采的生产效 率七J 。然而，地下矿井高效掘进作业带来的负面影 响就是掘齿截割破碎过程中产生大量煤尘占据了整 个工作面8 0 ％以上旧J 。悬浮在空气中的呼吸性粉尘 极易通过呼吸系统渗透进入人体肺部，长期暴露于工 作面上的工人面临着严重肺部疾病肺尘病 C W P 的 威胁，统计数据显示大部分c w P 患者来源于矿井中 掘进或者采煤工作面H ‘5 。。 掘进工作面粉尘常规治理方法是采用水喷雾捕 捉空气中悬浮粉尘。鉴于煤料的疏水特性，研究者指 出普通喷雾所产生的雾滴粒径较大，对悬浮的呼吸性 煤尘捕集效果并不明显，破碎更细化的雾滴对呼吸性 粉尘的捕集效果更好，并对液滴雾化破碎尺度进行了 深入分析M 嵋J 。气体射流的冲击加剧了液滴不稳定 性，进而促进液滴形态改变发生二次破碎，增强液滴 破碎程度，改变了雾化场结构与雾滴运动速度分 布一。1 。近年来，中国学者在原有除尘系统基础上提 出风幕控尘技术，利用通风系统强制控制风流场运动 形成压风风幕，虽能有效的阻碍由掘进机旋转截割破 煤工作过程中所产生的粉尘，但单独使用风幕控尘装 置无法捕集随内部风流场迁移的粉尘2 叫6 I 。为更加 有效解决掘进工作面粉尘污染问题，结合以上喷雾降 尘及风幕控尘技术特点，笔者提出一种新型掘进机外 气动涡旋雾幕控尘装置。 该装置可用于控制掘进作业过程中产生的粉尘污 染，可在掘进头位置形成控尘雾幕，有效阻碍粉尘扩 散。笔者采用数值模拟方法分析气动涡旋雾幕形成机 理，并通过实验钡4 试了不同条件下的雾化规律及粉尘 沉降| 生能，为掘进工作面降尘工艺提供指导意义。 1 气动涡旋雾幕形成机理 沿环状风筒内环均匀布置高压风流引向器出口 处形成高速涡旋冲击射流，当外置于环状风筒的喷嘴 向外喷雾时，喷雾受内环多重涡旋气流冲击而强制改 变喷雾方向，形成了向壁面运动高速旋转螺旋网状控 尘雾幕墙，进而达到了包裹尘源的效果。基于2 种流 体速度差引起运动流体边界层不稳定性，雾滴发生二 次破碎，加强雾滴扩散性能与捕捉能力。幕墙中心区 域由于正压风流斜向墙壁运动而产生的指向内环风 筒中心负压区域，吸人的含尘气流在负压流场内，被 迫与雾滴碰撞、凝结而快速沉降，来达到进一步净化 目的。图1 为气动涡旋雾幕控尘装置机理示意。 结合掘进工作面粉尘污染特性，对气动涡旋雾幕 除尘效果影响因素进行如下分析 1 气动涡旋雾幕的形成主要由高压风流引向器 风速、喷雾压力、喷嘴工作角度共同决定。单独增大喷 雾压力并不能明显改善雾幕范围，反而影响煤质，增大 环境湿度。面对不同截面积的掘进巷道，为减少由除 尘雾幕性能不足而导致的粉尘逃逸，有必要对新型气 动涡旋雾幕雾化性能各影响因素进行实验分析。 2 涡旋雾幕除尘装置设计为圆环风筒和单面 出风形式，该装置整体安装于掘进机臂，又因工作过 万方数据 第1 0 期陈景序等掘进机外气动涡旋雾幕控尘装置的研制与实验 3 2 3 5 粉尘流 旋转雾幕 喷嘴 图1气动涡旋雾幕控尘装置机理示意 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a 铲a mo fe x t e m a lp n e u m a t i cv o n e xm i s t c u n a i nm e c h a n i s m 程中截割破煤产尘及地下煤质的影响，导致作业过程 中所产生的粉尘粒径不同，进而对粉尘捕集效率产生 影响。因此，基于相似原理构建气动涡旋雾幕装置样 机系统，选择可完全封闭掘进巷截面的雾化参数，对 气动涡旋雾幕装置样机系统除尘性能进行实验分析。 2 数值模拟 利用C F D 模拟软件对涡旋高速气流冲击高压雾 化水射流中流场迁移化进行模拟，直观展示了气动涡 旋雾幕控尘装置高压风流引向器出口处风流场的运 动规律。本研究为气动涡旋雾幕应用在掘进工作面 进行粉尘控制现场提供了理论依据。 2 ．1 物理模型 采用S o l i d w o r k s 三维软件绘制掘进机外气动涡 旋雾幕控尘装置的物理模型，该物理模型由环状风 筒、高压风流引射器、喷嘴、掘进机、掘进巷5 部分组 成。依据比例l O l 建立掘进巷断面尺寸为长 宽高 2 ．0 0m o ．4 5m 0 ．3 5m 的长方体；掘进机总 长度为0 ．9 3m ；环状风筒为单面内倾1 5 0 ，外径 0 ．1 1m ，内径为0 ．0 9m 的圆环体，环状风筒中心轴线 z o ．1 7 5m ；高压风流引向器为均匀布置于环形风筒 内倾壁面上的四面体，所设计出风口为规则的直角三 角形指向桶壁切线方向；将喷嘴视为规则的圆柱体， 分别布置4 个口径为o ．2m m 的喷嘴于桶壁外围。 基于上述假设，所建立的三维模型以掘进机截割部涡 旋气动雾幕控尘装置圆筒中心点为原点，戈轴负方向 由原点指向掘进工作面， ，轴、彳轴正方向都由原点指 向环状风筒侧壁，省略高压输水管、通风管。采用 c F D 数值模拟软件建立几何模型，依据物理场控制 网格生成进行网格划分，获得约6 3 万个自由四面体 网格，物理模型如图2 所示。 7 L 动涡旋雾幂及’f i 器 图2 物理模型 F i g ．2 P h y s i c a lm o d e l 2 ．2 数学模型 K e l v i n H e l m h o l t z K H 模型广泛应用于高压雾 化喷嘴的二次破碎研究。本研究基于不可压缩七一s 双方程湍流模型，粒子追踪破碎K H 模型，利用C F D 数值模拟软件对掘进机外截割部气动涡旋雾幕两相 流场进行模拟，南为湍流脉动动能；s 为湍流脉动动能 的耗散率。高压水喷雾与横向气流2 种流体之间的 边界面上具有足够的速度差时，由于相间表面K H 不稳定波导致液滴受剪切作用下被剥离成更细碎的 液滴，通过不同气体无量纲数w e 和O h n e s o 昭e 昂赛 格数z ，经过数值拟合得到K H 破碎模型卜1 9o ，获 得相应情况下最大频率 n 。。 和增长波长 A 。。 ， A 。。和n 。。计算式为 ‰ 些茅篙等攀 ‰ 篇器层㈩俄“2 丌酉丌可而√羔 其中，气体的韦伯数为耽。 p 。噬∥盯；u ，为液相和气相 之间的相对速度；三为特征长度；盯为液体的表面张力系 数；p 。和p 。分别为气相和液相的密度；z 为昂赛格数， z ／耽．／磁。；耽。为液体韦伯数；液体雷诺数为＆。 p ，醒r ／“l ，肛l 为液体黏度；r z ／耽。为泰勒数。 破碎过程中，主液滴的时间变化率和尺度变化计 算如下 孪 一业旦’r K H ≤r 0 3 1 ． 7h n ’ U、一， 式中，r 。。为新生成子液滴半径。 1 - K H 3 ．7 8 8 B lr o M K H n K H 是发生K H 破碎的时 间尺度；日。为经验常数，取1 ．7 3 ～4 0 。基于液体射流 稳定性理论，从主液滴表面拨落而形成小的子液滴， 假设新生成的小液滴尺寸正比于最快的表面增长波 长，那么半径可由下式表达 r B o A K H ， B o 以K H ≤n ‰2 等 0 ‘3 3 ， 挚 ， ‰川 4 式中，B 。为常数，取O ．6 l ；u ，为气液两相的速度差。 万方数据 3 2 3 6 煤炭学报 2 0 1 9 年第4 4 卷 2 ．3 数值模拟结果 为了获得气动涡旋雾幕的形成规律，对气动涡旋 雾幕环状风筒外部风流场进行模拟，设定风筒外部计 算区域，其中入口截面边界类型为速度入口，沿切面 法向方向射人；出口边界类型为抑制回流的压力出 口；材质为空气；选定不可压缩七一s 双方程湍流模 型；在计算模型中创建并加入粒子追踪模块，设置高 压风流引向器的入口风速为3 0m ／s ；粒子在计算域 中受风流场曳力和彳轴重力场影响，增加液滴破碎模 型，壁面条件粒子滑移。获得风流场计算结果如下图 3 ，4 所示，图3 中的 a ， b ， c ， d 与图4 一一对 应；液滴分布如图5 所示。 由图3 ，4 可知在长方体计算域中，戈 0 ．2 6m 为 风筒出风口截面，高速风流沿计算域z 轴负方向运 动，可明显看出风流方向由环状风筒出口中心向四周 壁面扩散，形成向外扩散的环状漩涡风流场 旋转气 一{ ki 鬻k I z嗡一o ．1 ≥} ” 3 ．8 5 3 ．5 3 - 0 2 ．5L ● 2 ．o 要 删 1 ．5 匿 1 ．0 0 5 O ．15 l O - 2 1 0 9 8 图3 掘进工作面风流场模拟结果 F i 昏3 S i m u l a t e dr e s u l fo f 诵n dn o w6 e l di nh e a d i n gf a c e 幕 ；出风口流出的高速气流卷吸周边空气进入引射 流场，共同向前运动，然而受场中速度梯度、沿程阻力 及空气自身的黏滞性影响，高速气流动量快速衰减， 流速不断降低；在引射风流出口处，风速由最高 2 9 ．8m ／s 快速衰减至3 ．8 5m ／s ，所形成的旋转气幕 有效工作距离较小；环状冲击射流流场内部由于负压 作用形成指向环状风筒内环的涡流风流场。 誊懋褊∞1 | ；；5蠢 礤辫i 0 3 怯 P 黎鬻n I I j ；； 搽挲 d r 0 ．2 6 m 图4 风流场迁移模拟结果 截面 F i g ．4 S i m u l a t e dr e s u l to fw i n dn o wf i e l dm i g r a l i o n 由图5 可知，喷嘴在环状风筒外指向戈轴负方向 喷雾，高速雾滴受内环旋转风幕墙冲击影响，运动方 向发生改变，并加速向四周壁面旋转扩散运动，从而 形成了流动方向指向戈轴负方向工作面的雾幕一气 动涡旋雾幕；其余部分破碎雾滴被内环负压涡流场卷 入，形成了一个涡流雾滴场捕集粉尘。 89 5 O 2 2 2 ■■n二 3O 一_∞．uI／蚪匿 8 7 6 5 4 3 2 ●0 万方数据 第1 0 期陈景序等掘进机外气动涡旋雾幕控尘装置的研制与实验 3 2 3 7 3 基于相似实验的雾化性能测定 c f 0 图5 液滴分布 F 唔5 D i s t 舶u t i o no fd r o p l e t s 3 ．1 实验装置的研制 根据掘进机截割作业粉尘运移特征及2 ．3 节中 涡旋雾幕形成机理，研制了气动涡旋雾幕控尘装置， 实现了利用气动风幕与雾滴高度耦合的旋转雾幕墙， 图6 为装置结构安装示意图。新型控尘装置呈“圆 环”形固定布置于截割臂尾端，包含进风管、环状水 管、喷嘴、高压风流引射器、环状风筒。环形风道基本 尺寸外环径1 ．1m ，内环径0 ．9m ，宽0 ．3m ；与风道 相连的是高压风流引射器，高压风流引射器等间距均 匀布置于内倾1 5 。内壁圆环的内壁上；环状水管布置 于环外壁上，水管上沿圆周布置朝向截割头工作点方 向的喷头，喷嘴与水管连接处选择可变倾角的旋转接 头，可通过改变喷嘴喷雾夹角和高压风流引射器间风 速大小改变喷射距离，控制所产生的气动雾幕扩散范 围。 图6 装置结构安装不意 F i g ．6 S e h e m a t i cd i a g r a mo fd e V i c es t r u c t u r ei n s t a l l a t i o n l 一进风管；2 一水管；3 一环状风筒；4 一环状水管； 5 一高压风流引射器；6 一喷嘴 由图6 可知，所研制涡旋气动雾幕控尘装置布置 于截割臂末端，截割头在缓慢工作状态下发生运动 时，对雾幕的形成不会造成剧烈影响。因此，所形成 雾幕墙可有效隔绝含尘气流运移，进而实现捕尘、降 1 0 9 8 7 芒 。妻 5 督 。篓 3 醛 2 l 尘的作用。 3 ．2 实验布置及喷雾性能测定 本研究选择相似实验方法对所研制控尘装置的 性能进行实验验证。当设备工作时内部流体流动处 于完全紊流状态，惯性力占主导，黏性力可以忽略不 计，只要满足动力相似，流体运动特性得到充分模拟 时可以保持流动相似心0 I 。本实验雾幕发生装置参照 2 ．1 节中物理模型，建立与实物几何尺寸比为C L L ，_ 1 0 1 的实验环状风筒直径为0 ．1 1m ，并在外 围布置4 个高压雾化喷嘴，其中，L 为原型尺寸；L7 为 模型尺寸。实验大气条件P 。。。 0 ．1M P a ，瓦。。 2 9 8K ，其中，P 赫为实验大气压力；疋。I 为热力学温 度，图7 为实验装置示意图。 涡旋 喷雾 图7 实验装置不意 F 培7 S c h e m a t i cd i a F a mo fe x p e r i m e n t a ld e V i c e 按照掘进巷中设备布置情况，对气动涡旋雾幕的 雾化性能进行了实验测定，测定了该装置在不同的风 速条件、喷雾压力以及喷雾角度条件下的最远射程及 相应的雾幕半径。实验采用风速仪 G M 一8 9 0 3 测定 引射器出口风速大小分别为2 0 ，2 5 ，3 0m ／s ，选择4 ， 6 ，8M P a 三个喷雾压力，并测量了喷嘴在4 5 。，6 0 。， 7 5 。，9 0 。，1 0 5 。五种工况角度条件下的喷嘴雾幕半径， 图8 为该气动涡旋雾幕装置的雾幕效果图，获得本装 置喷雾覆盖范围数据，如图9 所示。 一鱼艘缓 万方数据 3 2 3 8 煤炭 学报 2 0 1 9 年第4 4 卷 图8没备喷雾效果 F 嘻8S p r a ye f f e c t o f1 1 1 ed e v i 1 t l 4 6 8 喷雾压力／M P a a 出口风速2 0 l n ／s 喷雾角度／ o 4 ．．．鼻8 喷雾压力／M P a b 出口风速2 5 m ／s 喷雾角度／ 。 喷雾压力／M P a c ⋯口风速3 0r 1 1 ／s 图9 设备雾化性能 F i g ．9E q u i p m e n ta t o m i z a “o np e I f o r m a n c e 开启气动涡旋雾幕除尘设备后雾化效果如图8 所示。由图9 实验结果可知 I 雾化压力和工作夹角不变，只改变高压引射 风流风速时，环状风筒前端形成了涡旋风幕场，气雾 两相问运动干涉随风速的增大改变较为明显，致使雾 滴运动方向发生改变，雾化性能表征随风速的改变呈 现出线性关系即当喷雾压力4M P a ，工作夹角7 5 。 时，随着引射风速由2 0 n ／s 增大到3 0n ∥s ，气动涡旋 雾幕射程随风速的增大而降低，由3 0c m 降至2 4c m ； 工作半径随风速的增大而增大，由1 8 ．5c m 增至 2 5 ．0c m 。 2 当风速和工作夹角保持不变时，随喷雾压力 由4M P a 增大到8M P a 过程中，雾幕射程呈增大趋 势，增加幅值在1 ～5c m ；雾幕半径随压力的增大呈 降低趋势，降低幅值在。一3c m ，说明压力的增大有 利于雾化射程的增大，但不利于雾化半径的扩大。 3 当引射风速和喷雾压力不变时，单独改变雾 化喷嘴喷雾角度，当喷雾角度由4 5 。增至7 5 。时，雾幕 射程、雾幕半径呈现出随角度的增大而增大；但当喷 雾角度达到9 0 。时，雾场速度方向逐渐与引射风流场 方向平行，减少干涉雾滴径向扩散影响，使得雾幕工 作半径随角度的增加而随之降低，而雾幕射程受风流 影响大幅增大；当喷雾角度超过1 0 5 。时，气雾两相流 场相间干涉变小，雾幕射程，雾幕半径均降低，雾化压 力的改变起决定因素。 4 当引射风流风速为3 0r n ／s ，雾化角度9 0 0 ，实 验雾幕半径为1 8 ～2 0c m ，与模拟结果2 0c m 误差较 小，证明了模拟结果的正确性。 3 ．3 应用效果实验分析 为了研究3 ．2 节中气动涡旋雾幕控尘装置的降 尘性能，建立与2 ．1 节中物理模型相同的实验区域， 长宽高为2 ．0 0m 0 ．4 5 m 0 ．3 5m 的半封闭实验 箱。在半封闭实验箱壁面设置自制发尘器作为发尘 源，实验用粉尘选用阜新电厂原煤经破碎后使用筛孑L 尺寸0 ．0 4 5m m 筛网去除较大粒径煤尘，按3 0g ／m i n 进行发尘作业。在轴向断面布置4 个测尘点 I 0m ，0 ．1 5m ，Ⅱ 0 ．5m ，0 ．1 5m ，Ⅲ 1 ．0m ， 0 ．1 5m ，Ⅳ 1 ．5m ，0 ．1 5m ，各测点问距O ．5m 。实 验实物和实验测点如图1 0 ，1 1 所示。 图I O 实验实物 F i g ．10E 【p e r i m e n t a lp l a t f o n n 本实验共设置4 个高压喷嘴，保证实验喷雾过程 中各喷嘴喷雾压力及水流量一致。在密闭实验空间 万方数据 第1 0 期陈景序等掘进机外气动涡旋雾幕控尘装置的研制与实验 3 2 3 9 封 ， 型一Ⅲ一她‘』 圈爿；；雾幕边入{ ．0 ．5 0 m 。l0 ．5 0 m l 一0 ．5 0 m l 一0 ．5 0 m 图1l 实验测点位置 F i g ．1lE x p e d m e n t a lp o i n tl o c a t i o n 内不同实验方案测定各测点粉尘质量浓度①选未 开启除尘设备时，发尘后实验空间内粉尘质量浓度作 为本实验初始质量浓度，由L B T C C z 一1 0 0 0 直读式 粉尘浓度测量仪依次测定实验空间内各测点的粉尘 质量浓度 D u s tC o n c e n t r a t i o n ，D C ，呼吸性粉尘质量 浓度 R e s p i r a b l eD u s tc o n c e n t r a t i o n ，R D C ；②关闭掘 进机外涡旋雾幕控尘装置，单独开启喷雾4M P a ，高 压引射风流风速为0 时，改用粉尘采样器进行粉尘采 集；③选择经济运行参数进行除尘效果实验，设置喷 雾压力为4M P a ，高压引射风流风速分别设置为2 0 ， 2 5 ，3 0m ／s ，喷雾角度7 5 。，进行粉尘捕集性能测试。 采用上述实验可获得不同控尘方案条件下各个测点 粉尘质量浓度结果，见表1 。 表l 各测点粉尘质量浓度 T a b l elD u s tc o n c e n t 阻t i o no fe a c hm e 嬲u r i n gp o i n t m ∥m 3 2 0n ∥s5 7 4 ．9 气动涡旋喷雾 2 5r n ／s5 5 9 ．2 3 0r I ∥s5 6 5 ．7 9 0 ．6 7 3 ．1 5 6 ．1 6 8 ．2 5 3 ．5 3 9 ．7 4 1 ．3 3 3 ．4 2 6 ．2 4 7 ．4 4 6 ．6 4 6 ．7 5 ．2 3 ．8 3 ．4 2 ．8 2 ．1 1 ．8 由表1 实验粉尘质量浓度结果可知 1 初始质量浓度未开启控尘设备时，在实验 区域内I ～Ⅳ测点的粉尘质量浓度和呼吸性粉尘质 量浓度随着距离的增大有不同程度的降低，说明较大 粒径的粉尘颗粒随着运动距离的增大，受重力势能影 响而逐渐自沉降，粉尘浓度变化呈递减状态。 2 单独水喷雾控尘实验在实验区域I ～Ⅱ测 点，全尘和呼吸性粉尘的平均捕集率由5 3 ．3 2 ％和 4 8 ．1 5 ％上升至6 8 ．0 8 ％和6 7 ．4 2 ％。 3 气动涡旋雾幕除尘①开启掘进机外气动涡 旋雾幕除尘装置，引射风速由2 0m ／s 升至3 0m ／s ，测 点I 粉尘平均捕集率分别为2 1 ．2 1 ％和2 6 ．2 4 ％。② 测点Ⅱ位置位于雾幕发生装置后方，高压风流引射器 出口风速由2 0 Ⅱ∥s 升至3 0m ／s 时，全尘捕集率分别 为8 4 ．9 8 ％，8 7 ．8 8 ％和9 0 ．7 0 ％，呼吸性粉尘捕集率 为8 3 ．8 9 ％，8 7 ．8 7 ％和8 8 ．7 l ％，这说明在掘进机外 涡旋气动雾幕设备前端的混合涡流场中，吸入的含尘 气流被迫与雾滴碰撞、凝结而快速沉降；对比单独喷 雾捕尘效率，新型掘进机外涡旋气动雾幕更易于隔绝 工作面运动的煤尘，对粉尘的治理效果更为优秀。③ 测点Ⅲ，Ⅳ处位于设备后方，表现出的控尘效果略高 于自然降尘，但是由于粉尘虽然突破雾幕，但重量增 加，更易发生自沉降。 4结论 1 采用C F D 数值模拟方法获得了掘进机外气 动涡旋雾幕除尘装置外部风流场及雾滴