潮式噴射機控除塵技術數值模擬研究

魯軻，龔小兵

(中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶 400039)

0 引 言

錨噴網支護是煤礦井下巷道最常采用的一次支護，混凝土噴射技術在我國煤礦井下巷道錨噴網支護作業中應用較為普遍[1-4]。目前混凝土噴射機主要類型有轉子式噴射機、泵送式噴射機和葉輪式噴射機等，其中轉子混凝土噴射機由于其結構簡單、可靠性好、易操作維護等優點，在煤礦井下混凝土噴射作業中得到了較為廣泛的應用[5-7]。但是采用轉子混凝土噴射機進行潮式噴漿作業過程中，由于缺乏相應配套上料及控除塵設備[8]，在噴射機人工上料和工作過程中會有大量粉塵從上料口和噴射機機身縫隙隨氣流擴散到巷道，從而導致嚴重的粉塵污染[9-10]。噴射機運行過程中無防塵措施狀況下其粉塵質量濃度一般在200～500 mg/m3，而錨噴工作面粉塵以水泥塵為主，水泥塵中呼吸性粉塵含量達20%左右[11]，遠遠超過我國《煤礦作業場所職業病危害防治規定》中的要求，對操作人員的身體健康構成了嚴重威脅。

針對轉子式噴射機上料口和機身周圍產塵質量濃度過大問題，本文提出一種基于負壓引射技術的噴射機上料及控除塵方案，設計控塵罩對噴射機機身和自動上料裝置進行密封，通過環縫式空氣引射器產塵的負壓將噴射機機身和上料口產生的粉塵進行抽吸并處理。采用FLUENT軟件對控塵罩內的流場分布及粉塵運移規律進行研究，確定最佳的負壓參數并進行現場試驗驗證。

1 潮式噴射機控除塵系統

潮式噴射機在工作過程中，采用人工上料方式，上料口會產生大量粉塵，同時機身縫隙連接處會有粉塵隨氣流飛出，粉塵擴散到巷道中會嚴重污染巷道內的作業空間。為了對上料口和機身縫隙處的粉塵進行處理，設計封閉結構對上料口和機身縫隙處的粉塵進行控制，同時采用濕式除塵器對粉塵進行凈化處理。濕式除塵器通過環縫式空氣引射器產生負壓，對含塵氣流進行微負壓抽吸。上料口和機身縫隙處的負壓大小對除塵效果影響較大，為了研究除塵器最佳的抽吸風量和負壓對潮式噴射機控塵效果的影響，本文通過Fluent對潮式噴射機控除塵系統進行模擬，擬找出最佳的控除塵技術參數。試驗整機如圖1所示，除塵裝置結構見圖2，本裝置使用PC6U型轉子式混凝土噴射機，未改進前上料高度達到1.2 m。采用刮板輸送機上料后，上料高度僅0.4 m，減輕了工人的勞動強度；采用控塵罩對刮板輸送機和PC6U型轉子式混凝土噴射機進行密封處理,并通過除塵器中的環縫式空氣引射器產生的負壓進行抽吸,防止粉塵擴散，含塵氣流通過除塵器進行凈化處理，最后進行脫水處理并排出。

1-噴射機;2-控塵罩;3-除塵器;4-刮板輸送機

1-噴射機抽塵管道；2-刮板機抽塵管道；3-噴嘴；4-過濾網；5-沖洗噴嘴；6-環縫式空氣引射器；7-脫水器；8-排污口

為了取得最佳的潮式噴射機控塵效果，對上料口和機身縫隙處不同負壓的控塵效果進行模擬研究，以找出最佳的負壓參數。

2 數值模型建立及邊界條件設置

2.1 潮式噴射機模型建立及網格劃分

根據潮式噴射機除塵系統的外形尺寸及結構建立數值模擬模型，同時對結構進行簡化，省略對流場影響較小的結構，模型結構見圖3。模型網格采用非結構化網格，共劃分約6×106個網格。

圖3 潮式噴射機數值模型示意圖

模型入口1模擬噴射機上料口，入口2和入口3模擬噴射機機身縫隙，FAN采用Exhaust Fan邊界條件模擬引射器產生的負壓效果，濕式除塵器腔體內設置捕塵面，模擬濕式除塵器的除塵作用。

2.2 模型及邊界條件設置

在ANSYS ICEM CFD中初步設置該幾何模型的邊界條件后，將該模型導入FLUENT進一步設置求解類型、噴射源參數、湍流模型、離散相模型等計算模型參數設置，分別如表1～3所示。其中，由于氣固兩相流是不可壓縮的，采用非耦合隱式求解法[12]。采用離散型模型準確描述流場對顆粒運動軌跡的影響，在拉格朗日坐標下模擬流場中的粉塵顆粒，采用k-ε湍流模型求解混合相的動量方程、第2相的體積分數方程以及相對速度的代數表示，離散方法采用有限體積法，在考慮湍流對離散相軌跡的影響時主要考慮顆粒運動的隨機性，選擇隨機軌跡模型[13-15]。

表1 模型基本設定

表2 離散相參數設定

表3 工作面粒子噴射源參數設定

模型入口1設置為Pressure Inlet邊界條件，入口2和入口3設置為Velocity Inlet邊界條件，濕式除塵器腔體內部設置為Exhaust Fan邊界條件，出口設置為Outlet邊界條件，其余設置為壁面邊界條件[16-17]。

3 數值模擬結果

3.1 不同負壓條件下粉塵質量濃度云圖

設置Exhaust Fan邊界條件負壓分別為1 000，1 300，1 600，1 900，2 200 Pa，對模型中的流場分布及粉塵分布進行模擬研究，通過數值模擬軟件計算至模型收斂，得到數值模擬結果。對不同負壓條件下上料刮板機腔體和噴射機控塵罩內的粉塵質量濃度分布流場云圖進行截取，結果如圖4所示。

圖4 不同負壓條件下粉塵質量濃度分布云圖

通過模擬結果可知，Exhaust Fan邊界條件負壓設置為1 000 Pa時，上料刮板機腔體和噴射機控塵罩內的粉塵質量濃度較高，受到的抽吸作用較小，仍有大量粉塵殘留在上料刮板機腔體和噴射機控塵罩內；Exhaust Fan邊界條件負壓設置為1 300 Pa時，上料刮板機腔體和噴射機控塵罩內的粉塵質量濃度減小，此時控塵效果較好。

3.2 模擬結果分析

在刮板機內部中心線上設置10個采樣點，采樣點布置見圖5。對不同負壓條件的采樣點粉塵質量濃度進行對比，結果見圖6。

圖5 采樣點布置示意圖

圖6 粉塵質量濃度采樣結果對比

對不同負壓條件的采樣點進行粉塵質量濃度采樣，可以發現，負壓為1 000 Pa時，上料刮板機腔體內粉塵質量濃度為300～350 mg/m3；負壓增大到1 300 Pa時，1號和2號采樣點粉塵質量濃度仍較高，3號～10號采樣點粉塵質量濃度已經降低到50 mg/m3以下，控塵效果較好；同時由圖6可以看出，負壓繼續增大，控塵效果變化已不明顯。數值模擬結果表明，基于負壓引射技術的噴射機上料及控除塵裝置可以有效控制上料口和噴射機機身粉塵擴散問題。

4 現場應用

為考察潮式噴射機上料及控除塵裝置的實際應用效果，在重慶南桐礦業有限責任公司紅巖煤礦進行現場工業性試驗，以考察設備在煤礦現場的使用性能，主要對設備的除塵效果進行驗證。

試驗地點位于紅巖煤礦運輸大巷。巷道采用錨桿支護形式，斷面為圓弧拱形，凈寬4.6 m，墻高2.1 m，拱高1.15 m，掘進面面積13.68 m2，凈面積11.47 m2。采用對旋式局部通風機壓入式通風，風量124 m3/min。

通過現場試驗，對上料及控除塵裝置的控塵效果進行考察。壓風管路為除塵器內部的環縫式空氣引射器提供壓縮空氣，噴射機上料及控除塵裝置使用除塵器內部的環縫式空氣引射器產生的負壓對上料口和機身縫隙處的含塵氣流進行抽吸，并在除塵器內部采用濕式過濾除塵方式對粉塵進行處理，處理過后的氣流排入巷道中。分別對引射器負壓為1 000，1 300，1 600 Pa時的除塵效果進行測試?，F場實驗系統參照圖7，現場布置2個粉塵質量濃度采樣點，分別為噴射機上料口處和噴射機下風側5 m處，參照GBZ/T192.1-2007 《工作場所空氣中粉塵測定》中的粉塵質量濃度測試方法，對2個測點位置處應用上料及控除塵裝置前后的粉塵濃度進行測試，并對采集的粉塵樣品進行粒度分析。每個測點測試2組，結果取平均值，計算應用上料及控除塵裝置前后的總粉塵濃度和呼吸性粉塵濃度。測試結果見表4～5。

表4 噴射機上料口處粉塵質量濃度測試結果

1-噴漿管；2-噴射機及控塵罩；3-除塵器；4-刮板輸送機；5-鐵軌；6-排水溝；7-壓風管；8-主供水管；9-耙渣機

現場測試結果表明，應用上料及控除塵裝置后，噴射機上料口處和下風側5 m處粉塵質量濃度得到了有效控制，適當增大引射器負壓可以提高降塵效率：引射器負壓為1 300 Pa時，噴射機上料口處總粉塵降塵效率達到了89.35%，呼吸性粉塵降塵效率達到了90.38%；噴射機下風側5 m處總粉塵降塵效率達到了85.83%，呼吸性粉塵降塵效率達到了86.98%以上；負壓增大到1 600 Pa時，降塵效率提高已不明顯。

5 結 論

通過數值模擬研究和現場應用，得到以下結論：

(1)基于負壓引射技術的噴射機上料及控除塵裝置可以有效控制上料口和噴射機機身粉塵擴散問題。

表5 噴射機下風側5 m處粉塵質量濃度測試結果

(2)數值模擬結果表明，負壓為1 300 Pa時，上料刮板機腔體和噴射機控塵罩內的粉塵質量濃度較小，降低到50 mg/m3以下，取得了較好的控塵效果。

(3)現場測試結果表明，應用上料及控除塵裝置后，噴射機上料口處和下風側5 m處粉塵質量濃度得到了有效控制，適當增大引射器負壓可以提高降塵效率。引射器負壓為1 300 Pa時，噴射機上料口處總粉塵降塵效率和呼吸性粉塵降塵效率分別達到了89.35%和90.38%；噴射機下風側5 m處總粉塵降塵效率和呼吸性粉塵降塵效率分別達到了85.83%和86.98%；負壓增大到1 600 Pa時，降塵效率提高已不明顯。