除塵風(fēng)機(jī)離心除塵器除塵數(shù)值模擬與應(yīng)用

郭秀廷 郭增樂(lè) 李繼春 李淑玉 陳 琛

（1.潞安集團(tuán)環(huán)能股份有限公司，山西 長(zhǎng)治 046103；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083；3.潞安集團(tuán) 通風(fēng)處，山西 長(zhǎng)治 046299）

0 引言

粉塵是煤礦五大災(zāi)害之一。粉塵不僅在一定條件下會(huì)爆炸，造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，而且會(huì)引發(fā)塵肺病，塵肺病是危害煤礦工人身體健康最嚴(yán)重的職業(yè)病。為防止粉塵爆炸，為煤礦工人創(chuàng)造一個(gè)安全健康的職業(yè)環(huán)境，粉塵治理一直是煤礦企業(yè)安全工作的重點(diǎn)。掘進(jìn)工作面是煤礦井下主要產(chǎn)塵源之一，掘進(jìn)巷的通風(fēng)除塵系統(tǒng)是針對(duì)掘進(jìn)面截割時(shí)的產(chǎn)塵量大而應(yīng)用的有效除塵技術(shù)。大同煤礦集團(tuán)公司燕子山礦掘進(jìn)工作面采用粉塵綜合治理技術(shù)，其粉塵治理技術(shù)主要包括：綜掘機(jī)內(nèi)外噴霧降塵，煤層注水和使用濕式除塵風(fēng)機(jī)除塵。目前燕子山礦掘進(jìn)工作面濕式除塵風(fēng)機(jī)除塵效率較低，巷道空氣環(huán)境中粉塵含量較高。為提高掘進(jìn)工作面濕式除塵風(fēng)機(jī)除塵效率，改善巷道環(huán)境，需要對(duì)原有的濕式除塵風(fēng)機(jī)離心除塵器進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，對(duì)除塵器螺旋擋板間距這一關(guān)鍵數(shù)值進(jìn)行模擬研究。國(guó)內(nèi)對(duì)掘進(jìn)巷道通風(fēng)除塵系統(tǒng)的研究主要有數(shù)值模擬研究、工程應(yīng)用研究和設(shè)備研發(fā)研究，胡方坤[1]進(jìn)行了長(zhǎng)壓短抽全巖綜掘面通風(fēng)除塵的粉塵運(yùn)移數(shù)值模擬研究，馬成民等人[2-5]進(jìn)行了濕式除塵風(fēng)機(jī)在綜掘工作面的應(yīng)用研究，陳虎[6]進(jìn)行了礦用濕式除塵風(fēng)機(jī)的研制，趙海鳴[7]對(duì)濕式除塵風(fēng)機(jī)三相除塵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了研究，鄧敬亮[8]進(jìn)行了離心風(fēng)機(jī)全三維數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。本文以大同煤礦集團(tuán)公司燕子山礦粉塵專項(xiàng)治理為工程背景，基于計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，應(yīng)用數(shù)值模擬的方法，以濕式離心除塵風(fēng)機(jī)應(yīng)用關(guān)鍵參數(shù)為研究對(duì)象，對(duì)含塵風(fēng)流經(jīng)過(guò)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的離心除塵器的除塵效率進(jìn)行研究，為除塵風(fēng)機(jī)除塵器改造設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考，為提高礦井巷道粉塵防治技術(shù)水平提供了支持。

1 研究背景及除塵風(fēng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)構(gòu)建

1.1 工程背景

燕子山礦位于大同煤田西北邊緣，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力400萬(wàn)噸/年，服務(wù)年限70年。燕子山礦煤炭分層較多，每層煤的合并地點(diǎn)多，在采掘過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵。燕子山礦粉塵治理采用預(yù)防與治理相結(jié)合的辦法，需要對(duì)產(chǎn)塵機(jī)理、粉塵預(yù)防與粉塵治理等方面進(jìn)行研究，形成適合燕子山礦的粉塵綜合治理辦法。燕子山礦在掘進(jìn)面粉塵綜合治理中采用綜掘機(jī)防塵、煤層注水和通風(fēng)除塵技術(shù)。在通風(fēng)除塵方面，需要對(duì)除塵風(fēng)機(jī)離心除塵器除塵規(guī)律進(jìn)行研究，為除塵風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)與選擇提供指導(dǎo)原則。

1.2 除塵器物理模型與網(wǎng)格劃分

離心除塵器結(jié)構(gòu)是影響除塵風(fēng)機(jī)除塵效率的關(guān)鍵因素，離心除塵器內(nèi)部為螺旋擋板，在擋板作用下，含塵風(fēng)流通過(guò)除塵器時(shí)會(huì)進(jìn)行螺旋狀運(yùn)動(dòng)，其中粉塵在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)塵離心力的作用下沿徑向方向運(yùn)動(dòng)，撞擊除塵器的筒壁，被筒壁捕獲，從而達(dá)到除塵目的。離心除塵器的設(shè)計(jì)參數(shù)包括除塵器外殼半徑、除塵段長(zhǎng)度、螺旋擋板間距、內(nèi)芯體半徑和螺旋通道數(shù)。本文選取螺旋擋板間距這一參數(shù)對(duì)降塵效果的影響進(jìn)行研究。

除塵器外形為圓柱形，內(nèi)部為螺旋結(jié)構(gòu)擋板。除塵器外殼直徑為0.8m，除塵器總長(zhǎng)度為2.7m，其中螺旋段軸向長(zhǎng)度1.5m，螺旋部分距左端面0.7m，距右端面0.5m，螺旋擋板間距為0.3m，螺旋通道為1個(gè)，以除塵器中心軸線為內(nèi)芯體中軸線建立螺旋擋板，擋板厚度忽略不計(jì)。根據(jù)以上除塵器結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文用Gambit軟件對(duì)除塵器建立物理模型，采用四面體網(wǎng)格劃分網(wǎng)格，除塵器物理模型及網(wǎng)格劃分情況，如圖1，網(wǎng)格總數(shù)量為58692個(gè)。

圖1 除塵器幾何模型及網(wǎng)格劃分圖Fig.1 Geometric model and mesh dividing chart of dust collector

2 除塵器除塵過(guò)程的數(shù)學(xué)描述及邊界條件

2.1 數(shù)學(xué)模型

本文利用Fluent對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，檢查網(wǎng)格后選擇數(shù)學(xué)模型。實(shí)際應(yīng)用中，除塵器內(nèi)部氣流為氣—液—固多相流動(dòng)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，在除塵器除塵模擬中，不考慮水霧存在，只模擬粉塵與空氣運(yùn)動(dòng)情況。模擬連續(xù)相介質(zhì)為空氣，離散相介質(zhì)為粉塵。在計(jì)算中將空氣運(yùn)動(dòng)視為理想不可壓縮流體定常流動(dòng)。

因除塵器內(nèi)部流體為旋轉(zhuǎn)流動(dòng)狀態(tài)，流線曲率大，因此在模擬過(guò)程中選擇湍流模型為RNGk-ε湍流方程[9]，即

k方程：

式中：

κ—湍動(dòng)能，J；

ε—湍流動(dòng)能耗散率；

t—時(shí)間，s；

ui—流速沿i軸方向的分量，m/s；

αk和αε—k方程和ε方程的湍流特朗普數(shù)，αk=αε=1.39；

μeff—有效粘度，μeff=μ+μt；

μ—空氣動(dòng)力粘度，N/m2·s；

μt—湍流粘度

Cμ—系數(shù)，Cμ=0.0845；

Gκ—平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能，J；

Gb—浮力引起的湍動(dòng)能，不可壓縮流體Gb取0；

YM—可壓縮湍流中脈動(dòng)膨脹對(duì)總擴(kuò)散的影響，不可壓縮流體YM取0；

C1ε、C2ε、C3ε—系數(shù)，C1ε=1.42，C2ε=1.68，C3ε=1.75。

除塵器中的粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)采用DPM離散方法進(jìn)行描述[10]，對(duì)x方向的顆粒運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：

ρp—粉塵顆粒密度，kg/m3；

up—粉塵顆粒在x軸方向運(yùn)動(dòng)速度，m/s；

gx—重力加速度在x軸方向的分量，m/s2；

FD(u-up)—空氣對(duì)粉塵顆粒單位質(zhì)量曳力，其中為空氣動(dòng)力粘度，N/m2·s；dp為粉塵顆粒直徑，m；CD為曳力系數(shù)，Re為相對(duì)雷諾數(shù)；

Fx—作用力或單位顆粒質(zhì)量引起的附加加速度項(xiàng)，m/s2。

2.2 邊界條件與其它參數(shù)設(shè)置

邊界條件設(shè)模型左端面為粉塵和空氣兩相流速度入口，入口速度取0.3 ～3.9m/s，模型右端面設(shè)為自由出口，其他壁面與螺旋擋板設(shè)為固體壁面（材質(zhì)為鋼），噴射源類型為面噴射，阻力特征為球型顆粒，粉塵材質(zhì)為低揮發(fā)分煤，粒徑分布為R-R分布，最小粒徑0.000001mm，最大粒徑0.0001mm，中位徑0.000059mm，分布指數(shù)2.42，粉塵擴(kuò)散模型為隨機(jī)軌道模型。計(jì)算步長(zhǎng)設(shè)為15000，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)0.01。

3 除塵模擬結(jié)果

圖2為除塵器入口風(fēng)流速度1.9m/s、除塵器直徑為0.8m、長(zhǎng)度為2.7m、螺距為0.3m時(shí)的粉塵運(yùn)移軌跡的數(shù)值模擬結(jié)果。圖2中，粉塵流動(dòng)過(guò)程呈現(xiàn)螺旋狀，入口處粉塵濃度較大，出口處粉塵濃度較小，粉塵在隨風(fēng)流運(yùn)動(dòng)過(guò)程因離心作用被壁面捕捉。

圖2 粉塵流動(dòng)軌跡Fig.2 The trajectory of dust movement

為分析流入除塵螺旋的不同風(fēng)速對(duì)除塵效果的影響，在直徑為0.8m、長(zhǎng)度為2.7m、螺距為0.3m等條件相同情況下，在0.3～3.9m/s范圍內(nèi)改變除塵器入口處風(fēng)流速度再進(jìn)行降塵模擬，圖3為不同風(fēng)流速度與對(duì)應(yīng)除塵效率變化關(guān)系曲線。通過(guò)圖3可知，螺旋入口風(fēng)速?gòu)?.3m/s增加到1.9m/s時(shí)，除塵效率曲線呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)，除塵效率顯著提高，而當(dāng)螺旋入口風(fēng)速大于1.9m/s時(shí)，曲線變化逐漸趨于平緩，隨著風(fēng)速的增加，除塵效率沒(méi)有得到顯著提升。因此，除塵器入口風(fēng)速取1.9m/s時(shí)既可達(dá)到較好的除塵效果，又具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 除塵效率隨入口空氣流速的變化關(guān)系Fig.3 The relationship between dust removal efficiency and inlet air velocity

為了進(jìn)一步分析不同螺距下的除塵效果，以獲得最大除塵效率時(shí)的螺距，從而合理設(shè)計(jì)濕式離心除塵器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變螺距，對(duì)不同螺距情況進(jìn)行模擬，可以得到螺距變化與除塵效率之間的關(guān)系。螺距從0.1m變到0.9m時(shí)，風(fēng)速取1.9m/s，其他邊界條件相同。不同螺距與除塵效率之間的關(guān)系，如圖4。通過(guò)圖4可以看出，螺距從0.1m～0.3m時(shí)，除塵效率曲線為上升階段，隨著螺距的增加，除塵效率逐漸增加，當(dāng)螺距大于0.3m時(shí)，曲線開(kāi)始呈下降趨勢(shì)，隨著螺距的增加，除塵效率降低。因此，螺距設(shè)為0.3m較為合適，此時(shí)的除塵率最高。

圖4 除塵效率隨螺距的變化關(guān)系Fig.4 The relationship between dust removal efficiency and pitch

4 應(yīng)用

燕子山礦綜掘工作面使用KCS濕式除塵風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)螺旋擋板間距0.3m，除塵風(fēng)機(jī)安裝在綜掘機(jī)皮帶支架上，隨工作面向前掘進(jìn)而前移。除塵風(fēng)機(jī)的風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在距離綜掘機(jī)機(jī)頭5m處并且風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口超前掘進(jìn)司機(jī)處2m，壓入式局部通風(fēng)機(jī)出風(fēng)口布置在巷道右側(cè)并超前除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口3m處。用GH100直讀式粉塵儀對(duì)除塵風(fēng)機(jī)使用前后粉塵進(jìn)行測(cè)定，下表所示為綜掘面使用除塵風(fēng)機(jī)前后粉塵濃度測(cè)量情況，使用設(shè)計(jì)后的濕式除塵風(fēng)機(jī)，其降塵效率可達(dá)96.7%，除塵效果顯著。

表 除塵風(fēng)機(jī)使用前后粉塵濃度測(cè)量情況Tab. Measurement of dust concentration before and after using of dust removal fan

5 結(jié)論

本文應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent對(duì)除塵風(fēng)機(jī)的離心除塵器除塵過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：

（1）含塵風(fēng)流以螺旋線運(yùn)動(dòng)軌跡通過(guò)除塵風(fēng)機(jī)離心除塵器后，風(fēng)流含塵量明顯降低，離心除塵器能有效除塵；除塵器內(nèi)部螺旋擋板間距是影響除塵效率的重要因素，在風(fēng)流速度為1.9m/s條件下，當(dāng)除塵器螺旋擋板間距為0.3m時(shí)，除塵效果最好，螺旋擋板間距過(guò)小或過(guò)大都會(huì)導(dǎo)致除塵器除塵效率降低。

（2）離心除塵器入口處風(fēng)流速度對(duì)除塵效率有影響，入口風(fēng)流速度從0.3m/s到1.9m/s之間增加時(shí)，除塵效率隨除塵器入口風(fēng)流速度的增加而快速增加，當(dāng)風(fēng)流速度大于1.9m/s時(shí)，隨風(fēng)流速度的增加，除塵效率趨于穩(wěn)定。

（3）綜掘工作面實(shí)踐表明設(shè)計(jì)使用除塵器螺旋擋板間距為0.3m的濕式除塵風(fēng)機(jī)降塵效率可達(dá)96.7%，除塵效果顯著。