Снижение запылённости при работе короткозабойных выемочных комбайнов. Распыление воды форсунками
Распыление воды форсунками
Для снижения запылённости при работе короткозабойного выемочного комбайна могут использоваться разные форсунки. При проектировании системы распыления воды учитывают тип сопел, положение форсунок, расход и давление воды. Тип форсунок, используемых в определённом месте, зависит от их назначения. Для предотвращения попадания пыли в воздух используют форсунки с большим расходом воды при маленьком давлении, находящиеся вблизи источника пыли.
Фиг. 4-1. Форсунки, используемые для уменьшения запылённости в шахтах
Для улавливания пыли, находящейся в воздухе, нужны маленькие капельки, движущиеся с большой скоростью, способные сталкиваться с пылинками и удалять их из воздуха. Для изменения направления движения запылённого воздуха нужно большое давление. На Фиг. 4-1 показаны форсунки, наиболее часто используемые для снижения запылённости. Также приводится описание форсунок и их применения.
- Форсунка с полым конусом. Форсунки с полым конусом создают круглый кольцеобразный факел капель, и бывают трёх конструкций: с вихревой камерой, с дефлектором, и спиральным распылением. Эти форсунки позволяют получить капли среднего и маленького размера. У форсунки с полым конусом большое отверстие, и из-за этого они не склонны засоряться. Поэтому на практике они лучше всего подходят для использования в большинстве случаев [Kissell 2003]. Стандартная система распыления воды, предлагаемая изготовителем, обычно включает форсунки с полым конусом, установленные на стреле рабочего органа комбайна, и направленные на рабочий орган. Они особенно эффективны, когда нужно снизить запылённость (dust knockdown), или переместить запылённый воздух в сторону от рабочего.
- Форсунка с полным конусом. Такие форсунки создают сплошной конический факел круглой формы, который позволяет струе сохранить большую скорость на большом расстоянии. Форсунки с полным конусом создают капли большого и среднего размера при широком диапазоне расходов и давлений. Обычно их используют тогда, когда форсунка должна находиться далеко от источника пыли, или когда желательно равномерное увлажнение (например - в фильтрах скрубберов, или местах перегрузки конвейеров. Такие форсунки также используют для увлажнения в горловине шахтного конвейера (throat area of the miner’s conveyor) для уменьшения пылеобразования при погрузке угля в транспортную машину.
- Форсунка со сплошным стержневым факелом. Такая форсунка создаёт прямую, сплошную однородную струю при большом расходе и низком давлении. Это позволяет равномерно увлажнять уголь, который будет разрушаться комбайном. Такие форсунки предназначены для установки вблизи (будущего) источника пыли для затопления места разрушения пласта угля, или его погрузки. Форсунки со ''стержнеобразным'' факелом используются для уменьшения пылеобразования.
- Форсунка - ''плоский вентилятор'' (Flat-fan). Такие форсунки создают капли маленького и среднего размера в широком диапазоне расходов и углов раскрытия факела, и обычно их устанавливают в узких, закрытых пространствах. Установка форсунок по бокам от рабочего органа комбайна помогает предотвратить разлетание пыли в стороны от стрелы (рабочего органа), что способствует её всасыванию вентиляцией комбайна, и направлению в скруббер для улавливания. Эти форсунки эффективны при сдерживании (распространения) запылённого воздуха.
- Пневматические форсунки. Существуют пневматические форсунки двух видов - гидравлические и с использованием сжатого воздуха. Первые позволяют получить капли маленьких размеров при небольшом расходе, а вторые позволяют получить самые маленькие капельки (по сравнению с другими форсунками), но они самые дорогие и их сложно устанавливать, так как для них нужен сжатый воздух.
Фиг. 4-2. Относительная эффективность форсунок 4 видов, используемых в шахтах
На Фиг. 4-2 показана эффективность улавливания пыли, находящейся в воздухе, при использовании разных сопел и при разном давлении, и сравнивается относительная эффективность форсунок разных видов. Хотя пневматические форсунки лучше других улавливают пыль, находящуюся в воздухе, но их использование в шахтах непрактично из-за высоких требований к техобслуживанию (они склонны засоряться), и необходимости подводить сжатый воздух к каждой форсунке.
При добыче угля с помощью короткозабойных выемочных комбайнов в большинстве случаев используется сочетание форсунок для получения наилучшего эффекта. Хотя увеличение давления воды увеличивает эффективность форсунок, но при этом в движение вовлекается много воздуха и, соответственно, и пыли. Это может привести к смещению облака неуловленной пыли назад, в сторону оператора комбайна. Первые форсунки на таких комбайнах использовали для смазки зубьев, их охлаждения и уменьшения запылённости. Хотя эти форсунки снижали концентрацию пыли очень слабо, они создавали сильные завихрения и смещали не уловленную пыль в сторону оператора. Смещение пыли в сторону оператора увеличивало вредное воздействие. Для уменьшения этого вредного явления, форсунки стали устанавливать на верхнюю и нижнюю часть стрелы рабочего органа - поближе к нему. Форсунки, расположенные сверху, работали при давлении воды 690 кПа (1000 psi) и расходе воды 3.6 л/мин на 1 форсунку. Слева и справа от рабочего органа устанавливали две форсунки с большими отверстиями, ''заливавшими водой'' зубья рабочего органа. Эти форсунки работали при маленьком давлении 48 кПа (7 psi) и большом расходе воды - 19 л/мин (5 галлонов в минуту) у каждой. Смещение облака пыли в сторону оператора уменьшилось из-за того, что капли воды проходили небольшое расстояние до столкнования с зубьями рабочего органа (при движении на короткое расстояние они меньше времени увлекали за собой воздух). Это также улучшало увлажнение угля за счёт снижения завихрённости воздуха (Фиг. 4-3). Испытания форсунок, установленных на стреле рабочего органа в условиях шахты показала, что воздействие пыли на оператора угольного комбайна уменьшается на 40% по сравнению со стандартным заводским размещением форсунок [Schroeder et al. 1986].
Фиг. 4-3. Расположение форсунок влияет на возможность смещения облака пыли назад, к оператору комбайна
Форсунки, работающие при большом давлении воды, установленные на задних углах ''лопаты'' комбайна со стороны, противоположной стороне, с которой находится всасывающий проём вытяжной вентиляции, могут ''сдувать'' пыль из-под стрелы к всасывающему отверстию. Экстенсивная проверка в условиях шахт показала, что использование форсунок на лопате уменьшает воздействие пыли на рабочем месте оператора комбайна на 60%, и практически полностью устраняет воздействие респирабельной пыли кварца [Schroeder et al. 1986].
Фиг. 4-4. Система распыления воды, предотвращающая смещение облака пыли назад
Было показано, что следующие меры уменьшают воздействие пыли при работе короткозабойного выемочного комбайна:
- Смещение облака пыли от рабочего органа в сторону оператора может произойти из-за подачи в конические форсунки с большим углом раскрытия факела воды под большим давлением >690 кПа (>100 psi) [Jayaraman et al. 1984]. Факел типичной форсунки теряет способность улавливать пыль на расстоянии 30 см (12 дюймов) от форсунки. Поэтому форсунки, расположенные выше и ниже рабочего органа, должны быть смещены вперёд в максимальной степени (Фиг. 4-4, А и В). Проводившиеся ранее исследования показали, что форсунки - вентиляторы с плоским горизонтальным факелом, работающие при большом расходе и низком <690 кПа (<100 psi) давлении, и расположенные максимально близко к рабочему органу, обеспечивают однородное увлажнение, и не вызывают чрезмерного смещения облака пыли в сторону оператора. Под стрелой, на конвейере забоя, нужно использовать форсунки с большим отверстием и низким давлением воды, при расходе 19 л/мин (5 галлонов в минуту). Раздробленный уголь должен увлажняться при его сборе и транспортировке (Фиг. 4-4, С)[Schroeder et al. 1986].
- Для противодействию пыли, образовавшейся при разрушении угольного пласта, используют форсунки-вентиляторы с плоским факелом, расположенные на расстоянии 30 см (1 фут) сзади от рабочего органа, по бокам, и направленные под углом 30° к корпусу комбайна (на виде сверху). Это препятствует разлетанию пыли, что способствует её всасыванию вентиляционной установкой комбайна [Goodman 2000]. Испытания в лаборатории показали, что увеличение давления воды в соплах, и/или угла их ориентации, увеличивает воздушный поток, создаваемый форсункой, и может увеличить их эффективность как средства ограничения распространения пыли [Pollock and Organiscak 2007].
- Для перемещения запылённого воздуха рекомендуется использование форсунок, работающих при большом давлении. Использование большого давления >1 мПа (>150 psi) повышает эффективность при одном и том же расходе воды [Jayaraman and Jankowski 1988] и позволяет эффективно перемещать запылённый воздух (Фиг. 4-5). Но нужно быть осторожным при определении их положения и ориентации, так как из-за большого давления могут возникнуть завихрения, и смещение облака пыли в сторону оператора комбайна.
- Первоначально систему перемещения воздуха с помощью форсунок-вентиляторов разрабатывали для ''сдувания'' метана в сторону всасывающего проёма вытяжной вентиляции. Эта система использует несколько насадок с форсунками, которые устанавливаются на комбайн, чтобы направить свежий воздух к месту разрушения угольного пласта, и ''сдуть'' загрязнения (пыль и метан) в сторону всасывающего проёма вытяжной вентиляции. На практике, система форсунок-вентиляторов используется только тогда, когда проветривание забоя с помощью всасывающей вентиляции. Форсунки-вентиляторы разрабатывались как средство для ''сдувания'' метана, и они не эффективны в отношении улавливания пыли, находящейся в воздухе [Goodman et al. 2004].
Фиг. 4-5. Эффективность разных форсунок в отношении перемещения запылённого воздуха
- Недавно разработаны комбайны с форсунками, расположенными на рабочем органе, сразу за зубьями. Распыляемая ими вода охлаждает зубья, что уменьшает фрикционное зажигание, может уменьшить образование пыли при разрушении угольного пласта. Используются форсунки с полным конусом с отверстием 1 мм и давлением 690 кПа (100 psi) при расходе 1.5 л/мин (0.4 галлона в минуту), или с полым конусом при расходе 0.76 л/мин (0.2 галлона в минуту) и том же давлении. Но эта технология пока, судя по публикациям, не продемонстрировала преимуществ в отношении уменьшения концентрации пыли. Исследования показывают, что - в том виде, как она сейчас используется - уменьшение запылённости нестабильно [Strebig 1975; Goodman et al. 2006]. Сообщали, что с точки зрения операторов комбайна её достоинством является улучшение обзора. Это может улучшить управление рабочим органом и, соответственно, улучшит состояние рабочего органа (нужно будет меньше техобслуживания), что уменьшит пылеобразование.
- Хорошая фильтрация воды значительно улучшает эффективность форсунок. Частицы грязи и ржавчины в воде могут часто засорять сопла форсунок. Есть простое незасоряемое устройство для фильтрации воды, и его нужно использовать для замены обычных фильтров форсунок [Divers 1976].
- Перед началом каждого цикла работы операторы должны проверять, очищать и/или заменять форсунки при необходимости.
- Режим работы комбайна должен быть таким, чтобы разрушение пласта - когда это практически приемлемо - происходило от входного отверстия (подачи воздуха) к всасывающему проёму (вытяжной вентиляции), чтобы предотвратить движение загрязнённого воздуха в сторону оператора комбайна — по направлению движения воздуха.
- Использование ручного дистанционного управления позволяет операторам комбайна стоять в стороне от комбайна, когда тот работает. Но положение оператора зависит от используемой схемы вентиляции. Правильное положение оператора будет обсуждаться в разделе ''Вентиляция забоя''.
- Использование дистанционного управления также позволяет - если это одобрено NSHA - ''заглубляться'' комбайну больше, чем на традиционные 6 м (20 футов). Но такой режим работы требует более интенсивного проветривания и мероприятий по снижению запылённости. При этом важным компонентом становится скруббер-пылеуловитель, установленный на комбайн.
Полезная информация: