基于氣固兩相流的帶式輸送機轉(zhuǎn)載點控塵技術(shù)研究＊

張有獅 荊德吉 賀龍祥 李利東

（1.霍州煤電集團責任有限公司，山西省霍州市，031400；2.遼寧工程技術(shù)大學安全科學與工程學院，遼寧省阜新市，123000）

隨著煤礦產(chǎn)量的不斷提高，在煤礦生產(chǎn)運輸過程中散發(fā)出來的各種有害物也隨之增加，致使作業(yè)環(huán)境受到嚴重污染和破壞，危害工作人員的健康及生產(chǎn)的正常運行，而在煤礦生產(chǎn)運輸過程中，帶式輸送機轉(zhuǎn)載點的粉塵污染非常嚴重。當前各研究機構(gòu)對煤礦粉塵污染的研究多以掘進工作面和采煤工作面為主，在僅有的針對轉(zhuǎn)載點粉塵擴散規(guī)律和防治的研究中，也只是針對一種控塵方案的治理研究，目前沒有針對負壓除塵和噴霧除塵方案進行對比研究，不能很好地提供兩種除塵方案的應用比對狀況。本文以霍州煤電集團木瓜煤礦為研究對象，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)測試及氣固兩相流的歐拉—歐拉模型對兩種除塵方案進行數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場實際應用試驗，對兩種除塵方案在轉(zhuǎn)載點的除塵技術(shù)進行了研究。在模型的建立過程中將粉塵顆粒或者霧滴擬作為一種連續(xù)介質(zhì)，通過模擬兩種不同相之間的運動，反映粉塵顆粒或者霧滴的運動狀態(tài)。通過本文對負壓除塵和噴霧除塵兩種除塵方案的對比研究，可為霍州煤電木瓜煤礦輸煤系統(tǒng)的粉塵治理方式提供理論依據(jù)及參考價值。

1 木瓜礦轉(zhuǎn)載點粉塵特性

霍州煤電集團木瓜煤礦設計產(chǎn)量為1.2 Mt／a，在生產(chǎn)輸送過程中，以帶式輸送機為主要運輸方式。本文主要針對篩分車間到儲煤倉之間的兩組并行帶式輸送機機尾轉(zhuǎn)載區(qū)域為粉塵治理研究對象，兩組膠帶編號分別為101膠帶與201膠帶。兩組帶式輸送機型號一致，運輸量為800t／h，長度為155m，帶式輸送機提升高度為38m，煤的松散容重為1000 kg／m3，帶式輸送機工作制度為330d／a，膠帶寬度為1m，膠帶速度為2.5m／s。

由于木瓜煤礦輸煤系統(tǒng)建設較早，未對輸煤系統(tǒng)采取任何防塵措施，導致轉(zhuǎn)載點處粉塵污染非常大。對101和201機尾轉(zhuǎn)載區(qū)域進行粉塵濃度、呼吸性粉塵濃度、粉塵分散度等數(shù)據(jù)測試，其中粉塵濃度和呼吸性粉塵濃度分別為280 mg／m3和24mg／m3。以101 和201轉(zhuǎn)載點進行數(shù)值建模與模擬，并通過在該點的兩種控塵方案的數(shù)值模擬比對以及兩組帶式輸送機轉(zhuǎn)載點控塵實際應用情況，研究負壓除塵與噴霧除塵的控塵機理及效果。

2 數(shù)學模型建立

粉塵顆粒運動為氣固兩相流運動，本文采用氣固兩相流中的二流體模型對粉塵運動進行數(shù)學建模。二流體模型的基本思想就是把流體相和分散相都看成是充滿整個流場的連續(xù)介質(zhì)，針對兩相分別寫出質(zhì)量、動量和能量守恒方程，通過相界面的相互作用 （動量、能量和質(zhì)量交換）把兩組方程耦合到一起。

（1）連續(xù)性方程

ρp——相密度，kg／m3；

αp——空隙率。

（2）動量平衡

針對粉塵顆粒的模擬是多流體顆粒模型描述氣固混合物流動的過程。在這個過程中，顆粒相應力計算是應用顆粒動力學理論通過顆粒運動中的應力、粘性和壓力等顆粒相運動的相關(guān)參數(shù)建立的。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在不考慮提升力和虛擬質(zhì)量力的情況下，流體相的動量方程表達式為：

顆粒相的動量守恒方程表達式為：

αf——氣相體積分數(shù)；

αs——顆粒相體積分數(shù)；

ρf——氣相密度，kg／m3；

ρs——顆粒相密度，kg／m3；→vf——氣相速度，m／s；

→vs——顆粒相速度，m／s；

Kps——相間作用系數(shù)；

p——壓力項，Pa；

τ——張量剪切應力，Pa。

（3）曳力系數(shù)

為了描述相之間的動量交換，曳力系數(shù)被應用。模擬軟件中有不同的曳力系數(shù)計算模型應用于氣固兩相流的計算中，本文選擇Syamlal和O'brien曳力模型，其兩相流動量交換表達式為：

式中：vr，s——末速度，m／s；

ds——顆粒粒徑，m；

Res——雷諾數(shù)；

CD——曳力系數(shù)。

（4）固相數(shù)學模型

固體相，即粉塵顆粒相的計算模型是通過結(jié)合動力學理論顆粒流 （KTGF）計算出固體相參數(shù)等得出。固相壓力表示顆粒之間相互作用，其表達式為：

式中：ess——恢復系數(shù)；

g0，ss——顆粒徑向分布系數(shù)；

Θs——顆粒溫度，℃。

3 轉(zhuǎn)載點粉塵逸散數(shù)值模擬

通過comsol模擬軟件，應用上述數(shù)學模型對轉(zhuǎn)載點粉塵污染進行模擬仿真。首先對木瓜煤礦101轉(zhuǎn)載點區(qū)域進行數(shù)學幾何模型構(gòu)造，101膠帶走廊全長為60m，原密封導料槽長度為10m，寬度為1.2m，落料管距導料槽4.5m，幾何模型如圖1所示。為了能更快捷的計算和真實反映現(xiàn)場實際狀況，對101膠帶幾何模型設置劃分為5432個六面體網(wǎng)格。

圖1 101膠帶幾何模型

圖2 101膠帶空間粉塵濃度擴散圖 （t=30s）

轉(zhuǎn)載點產(chǎn)塵主要原因是落煤伴隨誘導風流，沖擊到膠帶受料處產(chǎn)生向四周擴散的沖擊氣流造成粉塵迅速擴散。通過數(shù)值模擬軟件對煤塵顆粒在落料管內(nèi)的運移軌跡進行模擬，如圖3所示。

圖3 101轉(zhuǎn)載點粉塵顆粒運動軌跡圖

由圖2、圖3可以看出，粉塵顆粒下落到膠帶處迅速向兩側(cè)沖擊，由于機尾側(cè)為完全密封空間，含塵氣流沖擊到后側(cè)擋板后形成回旋氣流。而在輸煤口側(cè)，煤塵顆粒隨氣流大量向外沖擊，形成噴塵現(xiàn)象。

通過現(xiàn)場實測與觀察，結(jié)合對粉塵顆粒運動及濃度擴散的數(shù)值模擬，分析出轉(zhuǎn)載點粉塵擴散主要受落煤誘導風流、皮帶牽引氣流、碰撞沖擊氣流等影響，具體原因分析如下：

膠帶運載煤塊到膠帶機頭部位，開始向下一層帶式輸送機墜落。煤塊在落煤管中高速下降時，帶動周圍空氣產(chǎn)生隨煤塊一起下降的氣流稱為落煤誘導氣流。在煤流下降過程中，下落煤塊與風流存在速度差，在風流的摩擦作用下，粘附在煤塊表面的微小粉塵會受氣流影響而脫離，形成煤流塵化現(xiàn)象。煤流在落料管內(nèi)以自由落體規(guī)律下降，下落過程中煤塊受氣流影響發(fā)生翻動、跳躍、騰空及不連續(xù)運動，并且相互擠壓碰撞產(chǎn)生一部分煤塵，高速下落的煤流隨誘導氣流撞擊到底部膠帶表面形成碰撞沖擊氣流，小顆粒煤塊及煤塵隨沖擊氣流向四周沖擊，堆積在膠帶上的煤堆受下落煤流的強大沖擊，使煤塊破碎塵化，并隨沖擊氣流向四周飛揚。下層帶式輸送機運轉(zhuǎn)時，膠帶周圍氣流會隨著膠帶運動形成牽引風流，隨膠帶運動的煤流和牽引風流存在一定速度差，導致吸附在煤塊表面上的煤在摩擦力的作用下與煤流產(chǎn)生相對運動，煤塵隨牽引氣流運行，形成煤塵在膠帶附近向外逸散。轉(zhuǎn)載點由于煤流下落剝離產(chǎn)塵、沖擊碰撞產(chǎn)塵和膠帶運行牽引產(chǎn)塵等原因，致使轉(zhuǎn)載區(qū)域在無控塵技術(shù)的情況下粉塵污染非常嚴重，并且該區(qū)域經(jīng)常有工作人員巡視，對人體健康帶來極大的危害。

4 轉(zhuǎn)載點控塵技術(shù)研究

4.1 負壓控塵技術(shù)數(shù)值模擬研究

首先通過數(shù)值模擬技術(shù)，結(jié)合負壓除塵特性，研究轉(zhuǎn)載點的控塵技術(shù)。負壓控塵是以大粒徑粉塵顆粒在導料槽內(nèi)沉降、小粒徑粉塵顆粒被吸入到除塵器，粉塵顆粒在導料槽出口處無擴散為原則，并根據(jù)木瓜煤礦101膠帶走廊空間的實際情況，故將負壓除塵器設置在落料管前端1m 處，以便更好地達到除塵效果，提高除塵效率。在模擬過程中，由于將負壓除塵器設置為吸風裝置，故在數(shù)值計算后將不顯示除塵器，僅顯示粉塵顆粒運動的運動軌跡，轉(zhuǎn)載點安裝負壓除塵器的幾何模型如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)載點負壓控塵幾何模型圖

安裝負壓除塵器后大顆粒粉塵在導料槽內(nèi)逐漸沉降，小顆粒粉塵被吸入負壓除塵器。負壓除塵器的吸風不可過大，過大的風量會將隨膠帶運行的粉塵顆粒吸起，造成濾袋負荷增加，因此能夠消除落料沖擊點產(chǎn)生的正壓為除塵風量的基本原則，轉(zhuǎn)載點導料槽內(nèi)粉塵顆粒運動軌跡如圖5所示。

圖5 負壓控塵后顆粒軌跡運行圖

由圖5可知，粉塵顆粒完全被負壓除塵器吸入，粉塵顆粒無法向?qū)Я喜鄢雒嚎谔巼妷m，因此密封負壓控塵技術(shù)很好地降低了膠帶受料處粉塵的污染。

4.2 噴霧控塵技術(shù)數(shù)值模擬研究

為了更好研究控塵機理和不同控塵技術(shù)的工程應用，以木瓜煤礦201轉(zhuǎn)載點為噴霧控塵技術(shù)研究應用對象。

基于氣固兩相流理論，對201轉(zhuǎn)載點噴霧情況進行數(shù)值模擬仿真，判斷噴嘴安裝位置的正確性。不同時刻物料下落釋放不同粒徑的粉塵顆粒，空間步長取100mm 迭代解算。經(jīng)過若干次模擬得到導料槽的合理長度為6300 mm，微霧噴嘴安裝位置為距離下料管邊緣500mm 和3500mm，噴嘴孔徑為0.2mm。噴霧控塵噴頭布置如圖6所示。

圖6 噴霧控塵噴頭布置圖

對霧滴顆粒擴散模擬應用歐拉—歐拉法，將霧滴顆?？醋鲾M流體運動，導料槽內(nèi)噴霧過程二維模擬圖如圖7、圖8 所示。由圖7、圖8 可以看出，霧滴顆粒擴散迅速，2.2s后霧滴顆粒即將充滿導料槽除塵空間，9.6s后完全充滿整個導料槽。說明噴霧控塵可在10s內(nèi)將導料槽布滿水霧，起到抑制粉塵擴散的作用。

圖7 噴霧過程 （t=2.2s）

5 負壓與噴霧控塵現(xiàn)場應用對比

根據(jù)對負壓控塵和噴霧控塵的理論研究及數(shù)值模擬分析，分別在霍州煤電集團木瓜煤礦101、201轉(zhuǎn)載點進行了應用試驗研究。

在101轉(zhuǎn)載點處采用覆膜扁布袋除塵器，設計有效壓力為90Pa，風量為14200m3／h，濾袋采用聚四氟乙烯 （PTFE）微孔覆膜濾料制成。該除塵器具有體積小、重量輕、不占用建筑面積等優(yōu)點，并且可將過濾灰塵直接振打到膠帶上，利于回收。在導料槽密封處采用雙密封帶密封，有效抑制粉塵在導料槽兩側(cè)向外逸散。

在201皮帶轉(zhuǎn)運點處采用噴霧除塵方案，所選噴霧方式為氣水兩路噴霧除塵，系統(tǒng)主要包括礦用螺桿式空壓機、主管道過濾器、儲氣罐、水泵及空氣霧化噴嘴。噴嘴分散安裝在弓形導料槽上，噴嘴孔徑為0.2mm，每個噴頭水流量為0.65L／min。

圖8 噴霧過程 （t=9.6s）

分別對木瓜煤礦101和201膠帶的負壓除塵和噴霧除塵現(xiàn)場試驗的成本和除塵效率進行了對比，其中負壓除塵系統(tǒng)一次性投資為35萬元，維護費用預計為1.5萬元／a，經(jīng)測試其除塵效率為96%，而噴霧除塵系統(tǒng)的一次性投資為20萬元，維護費用預計2.5 萬元／a，除塵效率達到98%。通過對比可知負壓除塵系統(tǒng)和噴霧除塵系統(tǒng)都有很好的除塵效率，但是從成本對比，可看出噴霧除塵系統(tǒng)的成本較低，并且木瓜煤礦輸煤系統(tǒng)所在區(qū)域不會受冬天結(jié)冰影響，故建議在木瓜煤礦其他產(chǎn)塵點均采用氣水兩路噴霧的方式進行噴霧降塵。

6 結(jié)論

針對木瓜煤礦帶式輸送機轉(zhuǎn)載點粉塵污染嚴重的問題，分別提出了負壓除塵和噴霧除塵技術(shù)治理方案，并分別以101和201轉(zhuǎn)載點為數(shù)值模擬與工程應用的對象，對其所應用控塵機理進行深入研究和分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過氣固兩相流理論的歐拉—歐拉方程建立針對粉塵顆粒運動的數(shù)學模型，為轉(zhuǎn)載點粉塵逸散規(guī)律及各控塵機理的數(shù)值模擬提供理論依據(jù)。

（2）利用comsol數(shù)值模擬軟件，對轉(zhuǎn)載點粉塵擴散進行了三維數(shù)值模擬，通過模擬結(jié)果分析出轉(zhuǎn)載點粉塵逸散規(guī)律，為轉(zhuǎn)載點的粉塵治理提供參考。

（3）分別對負壓除塵和噴霧除塵的除塵機理進行數(shù)值模擬。負壓除塵模擬結(jié)果顯示負壓除塵有效將粉塵顆粒抽入除塵器中，控制粉塵向外逸散；噴霧除塵模擬結(jié)果顯示霧滴顆粒能夠迅速充滿整個導料槽內(nèi)，抑制粉塵向外擴散。兩種方案的數(shù)值模擬證明負壓除塵和噴霧除塵均能起到控塵作用，減少轉(zhuǎn)載點的粉塵污染。

（4）通過對負壓除塵和噴霧除塵在木瓜煤礦的試點應用，驗證了兩種方案的除塵效果及數(shù)值模擬的可靠性。在對比兩種方案的應用成本后，建議選用噴霧除塵作為整個礦井的除塵方式。

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