【摘 要】
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我国当前的能源现状决定了煤炭将长期占据能源结构中的主体地位,矿井机械化程度的提升造成井下粉尘污染日趋严重。喷雾降尘技术在煤矿井下应用广泛,但传统喷雾设备降尘效果不佳,尤其是对呼吸性粉尘的降尘效率低下,该现状亟待解决。本文通过理论分析、实验研究与数值仿真等方法相结合,对微细雾化喷嘴的雾化特性与降尘效果进行系统性研究,该类喷嘴提升了对呼吸性粉尘的降尘效果进行了改善和提升。主要研究内容及成果如下:通过调
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我国当前的能源现状决定了煤炭将长期占据能源结构中的主体地位,矿井机械化程度的提升造成井下粉尘污染日趋严重。喷雾降尘技术在煤矿井下应用广泛,但传统喷雾设备降尘效果不佳,尤其是对呼吸性粉尘的降尘效率低下,该现状亟待解决。本文通过理论分析、实验研究与数值仿真等方法相结合,对微细雾化喷嘴的雾化特性与降尘效果进行系统性研究,该类喷嘴提升了对呼吸性粉尘的降尘效果进行了改善和提升。主要研究内容及成果如下:通过调研和实测,选定FA、FF、NN等3种微细雾化喷嘴并对其开展雾化特性实验,获得喷嘴在0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0 MPa等6种供水压力和0.4,0.7,1.1,1.5,1.9 mm等5种出口直径形成的30种工况组合下的有效射程、雾化角、流量系数、雾滴粒径等参数。分析实验数据后得出以下结论:在相同的出口直径下,3种喷嘴的喷嘴流量与有效射程均随着供水压力的提升而增大,雾滴粒径逐渐减小。FA、NN喷嘴雾化角随水压提升先增大后减小,FF喷嘴雾化角递增;固定供水压力,喷嘴流量、雾滴粒径和雾化角均随出口直径增大而增大,有效射程减小。宏观雾化特性参数方面,FA和NN喷嘴数据表现较好。而在雾滴粒径方面,出口直径小于1.1 mm时,NN喷嘴的中值直径和索特尔平均直径更低;喷嘴口径大于1.1 mm时,FA喷嘴雾滴粒径较低。结合喷雾系统经济性和安全性综合考量,优选0.7 mm口径的NN喷嘴进一步研究。将雾化特性实验中的喷嘴流量和雾化角数据设置为初始参数,对NN喷嘴进行数值仿真研究。结果显示雾滴轴向速度随供水压力的提升而增大,0.5～1.5 MPa水压段内轴向速度平均增幅为10.5%,随后趋于平缓,平均增幅仅为3%。随着雾滴与喷嘴出口间距的增大,雾滴轴向速度迅速减小,降幅超过50%,同一变化过程中,雾滴粒径则先减小后增大,递减区间为距喷嘴0.4～0.8 m段。数值仿真结果显示,距喷嘴0.4～0.6 m区间内,雾滴平均速度介于15.26～25.93 m/s,位于有效降尘速度范围内的雾滴占比最高;供水压力为3.0 MPa时,处于最佳降尘粒径区间的雾滴占比最高,平均为87.07%。故确定0.7 mm口径NN喷嘴的最佳降尘区间为距喷嘴出口0.4～0.6 m段,最佳降尘工况对应供水压力为3.0 MPa。通过降尘实验发现喷雾段前后粉尘浓度与分布情况差异较大,降尘效果显著,尤其对于呼吸性粉尘的分级降尘效率高于全尘效率。全尘和呼吸性粉尘降尘效率整体上均随供水压力的提升而增大,水压从0.5 MPa增至3.0 MPa,全尘和呼尘效率分别提升43.14%和27.36%;水压为3.0MPa时全尘和呼尘效率均达到峰值,分别为76.05%和78.66%,实验结果表明由仿真数据推导的最佳降尘工况具有科学性与合理性。
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