煤礦主扇擴散器防塵裝置的數值仿真研究

劉潤軍

（山西新景礦煤業有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

研究人員幾乎將所有注意力集中在地下工作場所煤塵的控制和處理上，對地面上的煤塵控制理論和技術的研究還不夠充分。煤礦主風機擴散器逸出的煤塵是造成工業廣場環境質量下降的主要污染源。為提高綠色采煤技術和改善煤礦環境質量，對主風機擴散器的技術和設備進行研究具有重要的實踐意義和環境效益。

1 仿真模型的建立

物理模型煤礦主風機擴散器的物理模型起源于筆者工作的實例煤礦。物理模型的大小如圖1中（1-1）所示。主扇擴散器截面積5.5m×3.2m=17.6m2。

圖1 物理模型的構建與示意

經過現場調查，主粉體擴散器逃逸并排入大氣環境的煤塵量大，粒度分布寬，最大直徑大于5×10-3m。這些由主風機擴散器氣流攜帶的煤顆粒隨排氣擴散，然后通過重力緩慢沉降到地面。沉降的煤顆粒直接污染了興東煤礦的工業廣場。

為提高工業廣場的環境質量，直接排入大氣環境的煤顆粒數量減少是處理煤塵的有效途徑。而且為了盡可能減少對礦山系統的影響，控制設備的電阻必須降低到設備的能耗限制。因此，在慣性分離和重力沉降的應用中，設計了煤礦主風機擴散器兩種控制煤粉。物理模型如圖1中（1-2）所示。

2 模擬結果

數值模擬和結果分析兩種類型的防塵設備的物理模型由Gambit3.23構建和網格化。在應用FLUENT6.3軟件包時，湍流模型為Realizable k-ε，耦合算法為SIMPLE，差分格式為第一上風，并且空氣進氣速度條件的初始值依次為8 m/s和10 m/s。FLUENT6.3研究了兩種防塵設備的數值模擬。結果如圖2所示。

圖2 物理模型壓力和速度云圖仿真示意

煤礦無擋板主扇擴散器防塵裝置的速度分布有4個特點：

1）在主扇擴散器中，下區速度較高，上行區域的速度很低。

2）在主風機擴散器內，導葉附近區域的速度較高，遠離導葉的區域速度較低。

3）從擴散器出口到主風扇擴散器的腔體區域，擴散器出口附近區域的速度較高，遠離擴散器出口區域的速度較低。

4）在該型腔區域內，腔體區域上部低速區域范圍較大，下部腔體區域低速區域范圍較小。通過對圖2的綜合分析，8 m/s和10 m/s邊界條件的數值模擬情況下的兩個速度分布是相似的。

在下頁圖3中，煤礦無擋板主扇擴散器防塵設備的空間流線分布具有4個特點：

1）在整個防塵設備區，流出區有8個。

2）導葉具有明顯的流動干擾效應，實現流量周邊。

3）整個區域內存在明顯的流動漩渦，周邊流動影響較強。

圖3 物理模型流場仿真示意

4）整個區域周圍有流動分區，周圍有3個大尺寸分區。

不完全封閉擋板主風機擴散器防塵裝置的速度分布具有4個特點：

1）在主風機擴散器中，下部區域的速度較高，速度上升區域較低。

2）在主風機擴散器內，導葉附近區域的速度較高，遠離導葉的區域速度較低。

3）從擴散器出口到主風機擴散器的腔體區域，擴散器出口附近區域的速度較高，遠離擴散器出口區域的速度較低。

4）在這個腔體區域內，腔體區域的低速區域范圍較大，下腔體區域的低速區域范圍較小。

不完全封閉擋板主風機擴散器控塵裝置的空間流線分布具有4個特點：

1）在整個防塵設備區，流出區有8個。

2）導葉有明顯的實現了流動干涉和流動周圍的影響。

3）整個區域內存在明顯的流動漩渦，周邊流動影響較強。

4）整個區域周圍有流動分區，周圍有3個大尺寸分區。通過綜合分析，8 m/s和10 m/s邊界條件的數值模擬實例的兩個空間流線分布相似。

為了研究兩種防塵設備的能耗，采用面積加權平均法對兩臺設備的進口壓力值和出口壓力值進行了分析可以看出，兩臺設備的進口和出口的總壓力值和靜壓值是相似的。所以兩臺設備的能耗值是相似的。此外，兩臺設備對礦井通風系統的影響相似，加入阻力值低于73 Pa。

煤顆粒的數值模擬和防塵效果分析在FLUENT6.3對控制設備的數值模擬研究中，邊界條件如下：當空氣進氣速度初值為10 m/s時，初始值離散相的入口速度值為8 m/s，離散相的質量為42.56 g/s；空氣進口初速度為8 m/s時，離散相入口速度初值為6 m/s，離散相質量為42.56 g/s；離散相為煤顆粒群，符合Rosin-Rammler分布，最大直徑為0.12 mm，最小直徑為0.02 mm，平均直徑為0.079 mm，擴散系數為3.676；對空氣短期迭代500次，再加上1次離散相，模擬了空氣離散短語的耦合計算；通過這種方式，對兩種防塵設備的數值模擬進行了研究。隨著空氣進口速度的增加和煤顆粒速度的增加，煤粉從控制設備逃逸的概率變高，控塵效率降低。對于兩種防塵設備，無擋板的主風機散流器低于不完全封閉擋板的主風機散流器，且防塵效率與進風速度關系不大。由此可見，設備結構特征的控塵效果是關鍵。

3 無擋板主風扇散流器的應用

通過以上分析，結果顯示：就流動分布而言，閉式擋板擴散器優于無擋板式；就能量消耗而言，閉式擋板擴散器低于無擋板；就總粉塵的防塵系數而言，在進口速度為8 m/s的條件下，兩者的差值為9.48，在10 m/s的入口速度下，兩者的差值為5.00。雖然閉式擋板式擴散器性能系數比非擋板式擴散器高，但是閉式擋板式擴散器的構造比非擋板式擴散器更為復雜。綜合考慮，本次風扇擴散器的改造應用無擋板擴散器。圖4顯示了完成無擋水擴散器的結構改造前后粉塵污染情況。

圖4 風散擴散器結構改造前后控制粉塵對比

4 結語

煤礦主風機擴散器防塵設備的應用是工業廣場煤塵治理的有效途徑。增加主散流器周圍流量，可以增加煤粉慣性分離的概率和煤塵重力沉降的概率。因此，非改造型主風機擴散器的除塵效率低于無擋板主風機擴散器的除塵設備，非擋板設備的除塵效率低于不完全封閉擋板，另外，無擋板設備與不完全封閉擋板之間的能耗相差不多。從以上角度來看，圍繞角區測量增加流量是繼續提高主扇擴散器控制煤粉效率的一種途徑。