選煤廠給料機(jī)粉塵逸散規(guī)律及治理技術(shù)研究

秦文秀 陳 曦 葛少成 任 意

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)煤田地質(zhì)局153勘探隊(duì)，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市，010010；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧省阜新市，123000；3.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧省阜新市，123000)

★ 煤炭科技·加工轉(zhuǎn)化 ★

選煤廠給料機(jī)粉塵逸散規(guī)律及治理技術(shù)研究

秦文秀1陳 曦2,3葛少成2,3任 意2,3

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)煤田地質(zhì)局153勘探隊(duì)，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市，010010；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧省阜新市，123000；3.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧省阜新市，123000)

為了更好地治理選煤廠暗道給料機(jī)處的粉塵污染問題，以中煤平朔木瓜界選煤廠133暗道給料機(jī)下料處作為研究對(duì)象，采用離散相模型的粒子追蹤技術(shù)獲得了給料機(jī)處粉塵顆粒的擴(kuò)散規(guī)律，提出以布袋除塵方式作為治理方案。分析結(jié)果表明，煤塊間的擠壓、摩擦及對(duì)落煤點(diǎn)的沖擊作用會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，其粉塵濃度為40～190 mg/m3；導(dǎo)料槽由于布袋除塵器的負(fù)壓作用，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓腔，有效地緩解了因物料下落導(dǎo)致的正壓所帶來的影響，阻斷了作業(yè)空間的煤塵逸散。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，133暗道給料機(jī)安裝布袋除塵器后，4個(gè)測(cè)點(diǎn)的全塵與呼吸性粉塵質(zhì)量濃度的最低降塵率分別達(dá)到了91.41%和92.25%。

袋式除塵器 給料機(jī) 轉(zhuǎn)載點(diǎn) 氣固兩相流 數(shù)值模擬

AbstractIn order to better control the dust pollution problem of coal feeder in coal preparation plant taking the feeding position of 133 covert channel feeder in China Coal Pingshuo Muguajie coal preparation plant as study object, the diffusion rule of dust granular around coal feeder was achieved by using particle tracer technique based on discrete phase model, the treatment scheme of bag dust-cleaning way was put forward. Analysis results showed that the extrusion and friction between coal briquettes and the impact effect on coal feeding position would both produce a large amount of dust, and the dust concentration was 40～190 mg/m3; under the effect of negative pressure of bag-type dust collector, the feed channel formed a negative pressure cavity, which effectively counteracted the positive pressure caused by material falling and eliminated the dust diffusion in work space. The field practice showed that after installing a bag-type dust collector in 133 covert channel feeder, the minimum dust fall rates of total dust mass concentration and respirable dust mass concentration at 4 measure points reached 91.41% and 92.25% respectively.

Keywordsbag-type dust collector, feeder, transfer point, gas-solid two-phase flow, numerical simulation

由于原煤破碎、運(yùn)輸、下料、篩分和洗選等工藝的復(fù)雜性，粉塵污染問題一直是選煤廠的一項(xiàng)重大技術(shù)難題，也是國內(nèi)外共同關(guān)注與重點(diǎn)攻關(guān)的難題之一。給料機(jī)是選煤廠運(yùn)輸過程的核心部件，其布置在緩沖倉下部帶式輸送機(jī)和儲(chǔ)煤倉下的暗道處，通過振動(dòng)給料的方式將煤料從緩沖倉或儲(chǔ)煤場(chǎng)中連續(xù)、定量且均勻地傳到帶式輸送機(jī)上。在煤料轉(zhuǎn)載的過程中，粉塵會(huì)受到煤流下落沖擊波的作用而產(chǎn)生大量誘導(dǎo)的氣流，進(jìn)而攜帶大量粉塵四處逸散，粉塵濃度最高可達(dá)3000 mg/m3，嚴(yán)重污染了作業(yè)空間。相關(guān)資料表明，我國是世界上接觸粉塵和患?jí)m肺病人數(shù)最多的國家，據(jù)中國疾病預(yù)防控制中心發(fā)布的1950-2015年全國各省市報(bào)告中職業(yè)病就有749970例，這其中包括塵肺病676541例，死亡149110例，其中62%集中在煤炭這一行業(yè)。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者就此問題展開了大量的研究，然而，帶式輸送機(jī)運(yùn)輸粉塵污染的問題仍然未得到很好的解決。國內(nèi)部分專家對(duì)粉塵的擴(kuò)散和運(yùn)移規(guī)律做了較為深入的研究，并根據(jù)菲克定律和玻爾茲曼假設(shè)研究了粉塵顆粒物在空氣中的擴(kuò)散和碰撞等現(xiàn)象，構(gòu)建了粉塵顆粒物在紊流中的碰撞模型和彌散模型；國外專家則在前人研究的基礎(chǔ)上總結(jié)了粉塵顆粒在空氣中的運(yùn)移、飛揚(yáng)和沉降等運(yùn)動(dòng)機(jī)理，并以此為依托創(chuàng)建了可以運(yùn)用有限差分法求解的一維穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的顆粒對(duì)流擴(kuò)散方程。基于此，以中煤平朔木瓜界選煤廠133暗道給料機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)離散相模型中的粒子跟蹤方法對(duì)給料機(jī)運(yùn)行過程中粉塵的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行模擬研究，提出以布袋除塵方式作為治理方案。

1 給料機(jī)處粉塵產(chǎn)生原因

選煤廠的生產(chǎn)工序非常繁多，包括原煤破碎、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)載、加工等眾多工藝，在每個(gè)生產(chǎn)工序中，給料機(jī)都占據(jù)著重要的作用。在暗道給料機(jī)處，因?yàn)槲锪献髯杂陕潴w運(yùn)動(dòng)而引起空氣流動(dòng)形成氣流，存在的氣流包括由帶式輸送機(jī)向前運(yùn)動(dòng)引起的牽引流、煤流下落運(yùn)動(dòng)引起的誘導(dǎo)空氣流以及它們共同作用引起的剪切壓縮氣流，這些氣流作用在煤塊之上，使煤塊表面的粉塵顆粒飄散起來，從而造成粉塵污染。

影響暗道給料機(jī)處粉塵濃度的主要因素有：一是來煤水分含量較低；二是帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸速率過快，帶式輸送機(jī)頭尾落差較大；三是通風(fēng)系統(tǒng)的安裝和設(shè)計(jì)不符合要求，達(dá)不到現(xiàn)場(chǎng)除塵的要求；四是給料溜槽設(shè)計(jì)不合理。

2 數(shù)學(xué)模型

本研究對(duì)原煤暗道粉塵濃度分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，將空氣視為連續(xù)相，采用歐拉方法模擬直至迭代收斂，然后在流場(chǎng)中特定源點(diǎn)上引入大量的顆粒進(jìn)行耦合計(jì)算，在每一輪離散相計(jì)算過程中，F(xiàn)luent計(jì)算顆粒的同時(shí)更新每一個(gè)流體單元內(nèi)的相間動(dòng)量、熱量和質(zhì)量交換項(xiàng)，然后，這些交換項(xiàng)就會(huì)作用到隨后的連續(xù)相的計(jì)算。同時(shí)，考慮平均密度的變化而忽略密度脈動(dòng)的影響，但需寫出可壓湍流平均流動(dòng)的控制方程。

連續(xù)方程見式(1)：

(1)

式中：ρ——空氣密度，kg/m3；

Ui——流體在xi方向的速度，m/s；

xi——軸向坐標(biāo)，m。

動(dòng)量方程見式(2)：

(2)

式中：Uj——流體在xj方向的速度，m/s；

μ——空氣動(dòng)力黏度，N·S/m2；

xj——徑向坐標(biāo)，m；

β——膨脹系數(shù)，取1.1，無量綱；

g——重力加速度，m/s2；

T0——參考溫度，K；

T——環(huán)境空氣溫度，K。

能量方程見式(3)：

(3)

式中：h——空氣定壓比焓，J/kg；

λ——空氣熱導(dǎo)率，W/m·K；

cp——空氣比定壓熱熔，J/kg·K；

SH——熱源，W。

組分方程見式(4)：

(4)

式中：C——組分濃度，%；

σc——傳質(zhì)Schmidt數(shù)，通常取1；

SC——組分濃度源，kg/s。

根據(jù)作用在顆粒上力平衡的原則，給出顆粒在拉格朗日坐標(biāo)下的運(yùn)動(dòng)方程見式(5)和式(6)：

(5)

式中：upi——顆粒速度，m/s；

Fi——在i方向所有施加于顆粒的單位質(zhì)量力，N；

ρp——顆粒密度，kg/m3；

CD——曳力系數(shù)；

ui——空氣速度，m/s；

up——顆粒速度，m/s；；

Re——顆粒雷諾數(shù)；

Fai——作用在顆粒上的其他外力，N。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 給料機(jī)粉塵逸散規(guī)律數(shù)值模擬

共有8臺(tái)給料機(jī)設(shè)置在木瓜界選煤廠133帶式輸送機(jī)運(yùn)輸巷道內(nèi)，在實(shí)際情況中單次給料僅啟動(dòng)1～2臺(tái)給料機(jī)。本文以氣固兩相流理論為基礎(chǔ)，用數(shù)值模擬的方法分析在133帶式輸送機(jī)巷道輸煤過程中給料造成煤粉污染的問題。133帶式輸送機(jī)巷道治理前給料機(jī)在運(yùn)行100 s、200 s和400 s時(shí)的煤塵逸散濃度分布圖分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 133帶式輸送機(jī)暗道治理前給料機(jī)在運(yùn)行100 s時(shí)煤塵逸散濃度分布圖

圖2 133帶式輸送機(jī)暗道治理前給料機(jī)在運(yùn)行200 s時(shí)煤塵逸散濃度分布圖

由圖1～圖3可以看出，當(dāng)133帶式輸送機(jī)作業(yè)空間中沒有除塵設(shè)備時(shí)，落料管和導(dǎo)料槽中的煤塊在彼此碰撞、擠壓、相互摩擦及對(duì)落煤區(qū)域的沖擊過程中產(chǎn)生了大量粉塵，同時(shí)因該位置的給料機(jī)的損毀較為嚴(yán)重，在原來的料槽中塵無法完全的自然沉降，其粉塵濃度范圍大約在40～190 mg/m3，致使暗道內(nèi)粉塵濃度上升，嚴(yán)重的污染了作業(yè)空間。

圖3 133帶式輸送機(jī)暗道治理前給料機(jī)在運(yùn)行400 s時(shí)煤塵逸散濃度分布圖

3.2 袋式除塵設(shè)備除塵效果數(shù)值模擬

煤下落過程中由于受重力作用，對(duì)給料機(jī)產(chǎn)生了很大的壓力。這樣的壓力即使有密閉的導(dǎo)料槽進(jìn)行抑制，仍然有大量的粉塵逸出。根據(jù)以上分析，使用密封材料對(duì)133暗道給料機(jī)破損位置進(jìn)行了處理，同時(shí)延長導(dǎo)料槽的導(dǎo)料長度，并在延長后的導(dǎo)料槽內(nèi)增加2臺(tái)袋式除塵器，使其中的粉塵濃度大幅度下降，且除塵器產(chǎn)生的負(fù)壓有效地抵消了煤下落的正壓，將粉塵極大程度的控制于導(dǎo)料槽內(nèi)。

改造后133帶式輸送機(jī)暗道密封除塵空間壓力分布灰度圖如圖4所示，改造后133帶式輸送機(jī)暗道密封除塵空間內(nèi)速度分布灰度圖如圖5所示。

圖4 改造后133帶式輸送機(jī)暗道密封除塵空間壓力分布灰度圖

由圖4和圖5可以看出，在布袋除塵器的負(fù)壓作用下，整個(gè)導(dǎo)料槽形成一個(gè)負(fù)壓腔，有效地解決了由物料下落引起的正壓所帶來的影響，較好地解決了煤塵向作用空間逸散。

加裝除塵器后133帶式輸送機(jī)分別在100 s、200 s和400 s時(shí)的煤塵濃度分布圖如圖6、圖7和圖8所示。

圖5 改造后133帶式輸送機(jī)暗道密封除塵空間內(nèi)速度分布灰度圖

圖6 治理后133帶式輸送機(jī)在100 s時(shí)的煤塵濃度分布圖

圖7 治理后133帶式輸送機(jī)在200 s時(shí)的煤塵濃度分布圖

圖8 治理后133帶式輸送機(jī)在400 s時(shí)的煤塵濃度分布圖

由圖6～圖8可以看出，安裝布袋除塵器后，粉塵質(zhì)量濃度降低明顯，按照煤塵污染治理要求，使作業(yè)空間內(nèi)煤塵濃度小于10 mg/m3。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)安裝

中煤平朔木瓜界選煤廠133暗道給料機(jī)處粉塵污染情況嚴(yán)重，目前沒有任何除塵方式，不僅嚴(yán)重?fù)p害人身健康，還增加了清灰工人的工作量。因此，根據(jù)研究成果，將布袋除塵器安裝在133暗道給料機(jī)，其方案布置如圖9所示，布袋除塵器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖10所示。

圖9 133暗道除塵方案布置圖

圖10 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖

4.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證布袋除塵器的降塵效果，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了安裝布袋除塵器前后133暗道機(jī)尾各測(cè)點(diǎn)的全塵質(zhì)量濃度和呼吸性粉塵質(zhì)量濃度，袋式除塵器安裝前后不同測(cè)點(diǎn)粉塵濃度見表1。

表1 袋式除塵器安裝前后不同測(cè)點(diǎn)粉塵濃度 mg/m3

由表1可以看出，安裝布袋除塵器后，133暗道4個(gè)測(cè)點(diǎn)處的粉塵濃度均有了明顯的降低，全塵濃度與呼吸性粉塵濃度的降塵率分別為91.41%和92.25%，表明對(duì)于給料機(jī)給料運(yùn)行造成的粉塵逸散污染，布袋除塵設(shè)備的應(yīng)用使作業(yè)空間粉塵濃度大幅下降，證明了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)處產(chǎn)塵機(jī)理的研究，并且以中煤平朔木瓜界133帶式輸送機(jī)為例，建立對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，用數(shù)值模擬的方法對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)處進(jìn)行模擬，得到以下結(jié)論：

(1)通過對(duì)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)處產(chǎn)塵原因機(jī)理以及粉塵擴(kuò)散規(guī)律的研究，選擇合適的除塵設(shè)備，并且根據(jù)對(duì)此處的數(shù)值模擬所得到的數(shù)據(jù)確定除塵器位置，優(yōu)化各個(gè)技術(shù)參數(shù)，提出設(shè)計(jì)合理行之有效地治理粉塵污染的法案。

(2)應(yīng)用先進(jìn)的測(cè)試方法、設(shè)備、測(cè)量?jī)x器，測(cè)量了木瓜界選煤廠133輸煤帶式輸送機(jī)作業(yè)空間改造前后的粉塵濃度，通過前后數(shù)據(jù)對(duì)比，得出所提出的治理方案是科學(xué)合理且高效可行的，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 陳曦，葛少成. 誘導(dǎo)氣流對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)霧化特性影響規(guī)律的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2015(3)

[2] 葛少成,樊文濤,張忠溫等. 輸煤皮帶機(jī)尾粉塵污染及氣動(dòng)射霧除塵[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015 (4)

[3] GE Shaocheng, Shao Liangshan. Simulation of flow-field interior dust removal system at a transit point and the overall technology of dust removal[J]. Journal of Coal Science & Enginee-ring,2008 (4)

[4] 陳曦,葛少成. 基于Fluent軟件的高壓噴霧捕塵技術(shù)數(shù)值模擬與應(yīng)用[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2013(8)[5] 陳曦,葛少成,張忠溫等. 原煤暗道通風(fēng)除塵特征參數(shù)的數(shù)值模擬及優(yōu)化[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào),2015(1) [6] 胡方坤,王帥領(lǐng),王德明等. 基于CFD非定常模擬分析掘進(jìn)面粉塵運(yùn)移規(guī)律研究[J]. 中國煤炭,2013(3)

[7] 陳曦,葛少成,葛斐等. 針對(duì)礦山細(xì)粉塵的新型微霧旋風(fēng)除塵系統(tǒng)[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2014 (9)[8] 葛少成,邵良杉,齊慶杰. 選煤廠轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)除塵方案模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007(6)[9] 楊桐. 儲(chǔ)煤倉下給料機(jī)煤塵污染機(jī)理和控制技術(shù)[D]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué), 2012

[10] 王艷紅, 郭民臣, 吳立強(qiáng). 原煤倉卸料時(shí)動(dòng)態(tài)力場(chǎng)的離散元數(shù)值模擬分析[J]. 現(xiàn)代電力, 2008(6)

[11] 張東輝,魯民,關(guān)中吉.利用霧化射流技術(shù)治理輸煤皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)粉塵污染[J].黑龍江電力,2004(2)[12] 莫樊,郁鐘銘,吳桂義. 回風(fēng)巷斷面突然變化段粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律及濃度分布的數(shù)值模擬[J]. 中國煤炭,2012(1)

[13] 周力行. 有相變的顆粒群-氣體系統(tǒng)的多相流體力學(xué)[J]. 力學(xué)進(jìn)展,1982(2)

[14] 周光炯.多相流體力學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀及其展望[J].力學(xué)與實(shí)踐,1989(2)

[15] 陳曦. 驅(qū)動(dòng)間高壓噴霧降塵機(jī)理及工藝技術(shù)研究[D]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué),2012

[16] 吳望一. 流體力學(xué)[M]. 北京:北京大學(xué)出版社，1993

(責(zé)任編輯 王雅琴)

Studyondustdiffusionmechanismandcontroltechnologyofcoalfeederincoalpreparationplant

Qin Wenxiu1, Chen Xi2,3, Ge Shaocheng2,3, Ren Yi2,3

(1. No. 153 Exploration Brigade, Coal Geological Bureau of the Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot, Inner Mongolia 010010, China; 2.College of Safety Science and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning 123000, China; 3. Key Laboratory of Mine Thermo-Motive Disaster and Prevention, Ministry of Education, Fuxin, Liaoning 123000, China)

TD714.4

A

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(70572070) ，遼寧省教育廳科技研究項(xiàng)目資助(705720702009A345)

秦文秀，陳曦，葛少成等. 選煤廠給料機(jī)粉塵逸散規(guī)律及治理技術(shù)研究[J].中國煤炭，2017，43(9):93-97. Qin Wenxiu，Chen Xi，Ge Shaocheng，et al. Study on dust diffusion mechanism and control technology of coal feeder in coal preparation plant [J].China Coal，2017，43(9):93-97.

秦文秀(1967-)，女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，高級(jí)機(jī)電工程師，主要從事煤礦安全、煤礦化工等方面的研究。