選煤廠并行帶式輸送機運轉系統煤塵污染規律研究

荊德吉，馬紀闖，張 天，任帥帥

（1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室（遼寧工程技術大學），遼寧 阜新 123000）

近些年選煤廠粉塵污染問題日益嚴重，造成選煤廠粉塵污染的原因主要是生產作業過程中帶式輸送機運輸產生的大量粉塵。粉塵對人體傷害極大，長期處于高濃度的煤塵作業環境中的職工人員極易罹患塵肺病[1-2]，給工作人員的身心健康造成了極大的影響，嚴重者甚至危及生命，造成了巨大的經濟損失[3]。粉塵不僅僅對人員造成傷害同時對設備也會造成損壞，粉塵附著在設備表面加快設備的磨損度，減少設備的使用壽命[4]。綜上分析，對選煤廠帶式輸送機運輸過程的粉塵治理研究至關重要。

目前，眾多學者對粉塵的治理進行大量研究。陳曦等[5]模擬了不同誘導氣流條件下霧滴粒徑的分布特性，確定了誘導氣流對噴霧降塵的影響規律；陳舉師等[6]建立了運輸巷相似模型，發現巷道平均風速及輸送帶運行速度是影響粉塵濃度分布的2 大主要因素；朱鵬等[7]通過對不同邊界條件下的粉塵分布運移規律進行數值模擬研究，得到輸送帶運行速度越大粉塵濃度越高；劉威等[8]對運輸巷道粉塵運動進行數值模擬研究，確定了巷道內粉塵運移規律，巷道內粉塵濃度大小與輸送帶運行速度成正比；楊澤安等[9]通過對綜掘工作面風流、煤塵和噴霧液滴進行耦合數值模擬，得到煤塵和噴霧液滴在風流作用下的運動規律；魏德寧等[10]通過相似實驗研究了巷道風速條件、帶式輸送機運輸速度和煤料含水質量分數等因素對運輸巷粉塵污染情況的影響；王鵬飛等[11]、馬威[12]研究了氣水噴霧霧化特性及降塵效率，分析了粉塵中位徑及粒徑分布指數對降塵效率的影響；FANG 等[13]通過噴霧降塵實驗，發現不同粒徑細水霧的主要捕塵階段不同；曹廣遠等[14]基于微米級水霧降塵技術原理研制了煤礦井下巷道內降塵設備，發現微米級水霧降塵技術相對于普通噴淋水幕具有更好的降塵效果。

盡管很多學者針對帶式輸送機的粉塵治理進行大量研究，但并未針對并行帶式輸送機運轉系統進行針對性研究。大多數選煤廠均存在并行帶式輸送機系統，因此對于并行帶式輸送機運行系統的粉塵污染研究變得尤為重要。為此，對影響并行帶式輸送機運行系統風流場的因素進行分析，確定并行帶式輸送機運行系統的風流及粉塵運移規律，為選煤廠的粉塵治理提供理論依據。

1 并行帶式輸送機運轉系統數值模擬

1.1 數學模型

黃玉川選煤廠并行帶式輸送機運轉系統風流沿輸送帶走廊經連接處吹向車間內部，車間生產過程中，風流經過人行走廊門口、吊裝口及門窗向外流出。同時由樓上向下落料將二樓少部分氣流誘導至一樓與環境風流混合共同組成背景風流場。據此根據計算流體力學CFD 與離散元DEM 原理，依據背景風流穩態計算與顆粒粒子追蹤的方法，在COMSOL 軟件中采用湍流與顆粒運動模塊進行建模和模擬。

根據氣固兩相流理論，按照牛頓第二定律展開對粉塵進行系統的受理分析，建立選煤廠準備車間粉塵顆粒動力學運動[15]：

式中：mp為粉塵的質量，mg；t 為時間，s；up為粉塵速度，m/s；Fg為粉塵重力，N；Ff為粉塵在空氣中的浮力，N；Fd為粉塵受到的曳力，N；Fx為其他作用力，N。

通常k-ε 湍流模型是一種較好收斂和精度較高的湍流模型，其控制方程分為：

湍流動能方程（k 方程）：

湍流能量耗散率方程（ε 方程）：

式中：ρ 為氣體密度，kg/m3；k 為湍動能，m2/s2；ε為湍動能耗散率，m2/s3；u 為風速，m/s；μ 為層流黏度，Pa·s；μT為湍流黏度系數，Pa·s；σk為k 方程的湍流普朗特數，σk=1.0；Pk為平均速度梯度引起的湍動能生成項；σε為ε 的普朗系數，σε=1.3；Cε1、Cε2為經驗常數，Cε1=1.44，Cε2=1.92。

1.2 物理模型

并行帶式輸送機運轉系統的幾何模型圖如圖1。

圖1 并行帶式輸送機運轉系統的幾何模型圖Fig.1 Geometric model diagram of a parallel belt conveyor running system

建立的幾何模型由2 條帶式輸送機、5 個落料口、輸送帶走廊、輸送帶密封槽、機尾、墻壁，輸送帶走廊連接處擋塵簾、左側大型構筑物構成。3001 帶式輸送機和3002 帶式輸送機共用1 條輸送帶走廊，走廊及走廊內輸送帶與水平面呈20°角。輸送帶走廊內3001 帶式輸送機長約33 m，3002 帶式輸送機長約22 m。車間高3.8 m，輸送帶密封槽上沿距地面2 m，其他幾何建模細節均按照現場實際測量繪制。

1.3 網格劃分及邊界條件和參數

網格劃分在保證計算精度的同時保證運算效率。因此，在2 條帶式輸送機附近及走廊內采用了流體力學細化自由四面體劃分，其他區域采用流體力學較粗自由四面體劃分。網格劃分如圖2，網格質量信息如圖3。

圖2 網格劃分Fig.2 Grid division

圖3 網格質量信息Fig.3 Grid quality statistics

建立網格數共953 617 個，其中四面體數862 873，三角形78 461，邊單元6 274，頂點173，最小單元質量為0.048 18，平均單元質量為0.657 7。由圖2和圖3 可知：網格粗細連續且分布層次清晰，單元質量增長率位于0.4～1 之間，所設定網格質量良好，滿足計算要求。

按照模型參數進行模擬設置，求解模型參數及邊界條件設定如下：①落料誘導氣流速度：0.36 m/s；②粗糙度系數：0.26；③煤流高度：100 mm；④輸送帶運行速度：3.27 m/s；⑤煤塵密度：1.63 kg/m3；⑥空氣密度：1.27 kg/m3；⑦動力黏度：1.814×10-5Pa·s；⑧入口條件：速度入口；⑨出口條件：壓力出口；⑩壁設置：無滑移。

1.4 有效性驗證

本次模型通過風流情況進行有效性驗證，通過對比數值模擬和模型試驗結果，驗證模型有效性。當工作空間內的流場相對穩定時，設置5 個測量點進行驗證。每個測量點測量3 次，并將平均值與模擬結果相應測量點的風流速度數據進行比較。

對比研究表明，測量點的風流速度與模擬結果之間的最大誤差僅為8.34%，這表明數值模型與實際情況是一致的。因此得出該數值模型能準確性。

2 模擬結果

2.1 風流場模擬結果

通過更改誘導氣流[16]大小以及走廊風速進行多次數值模擬，通過模擬得到的風流場流線圖分析影響并行輸送帶運轉系統風流運移規律的主要因素。誘導氣流對并行帶式輸送機運轉系統流場影響對比圖如圖4，走廊風速對并行帶式輸送機運轉系統流場影響對比圖如圖5。

圖4 誘導氣流對并行帶式輸送機運轉系統流場影響對比圖Fig.4 Comparison of the effect of induced airflow on the flow field of a parallel belt conveyor running system

圖5 走廊風速對并行帶式輸送機運轉系統流場影響對比圖Fig.5 Comparison of the effect of corridor wind speed on the flow field of a parallel belt conveyor running system

因不可壓縮流動原理，風流由帶式輸送機走廊內向車間內部灌入時，風流在帶式輸送機走廊靠近準備車間內側至帶式輸送機機尾的輸送帶面及地面處加速，其他區域風流速度較小，且由帶式輸送機走廊漏風口向內風流速度逐漸減小。從圖4 可以看到：當誘導氣流與走廊風速相差不大時，在氣流的共同作用下在3002 帶式輸送機左側和大型構筑物前方形成2 個幾乎一樣大小的渦流；當誘導氣流增大到0.76 m/s 時2 個渦旋氣流均被打破形成不穩定的風流場。由此可知，當誘導氣流變化直接影響并行帶式輸送機運轉系統風流分布，當走廊風速一定時增大誘導氣流流速，可以避免形成渦流場。

從圖5 可以看出：當走廊風速增大時，車間內整體風流場的風速隨之變大；走廊風速增大到0.5 m/s時，當走廊風速遠大于誘導氣流時，系統風流場會在3002 帶式輸送機的左側，大型構筑物前方形成1個單體大渦流的流場，并不會形成雙渦流系統，雙渦流系統被破壞；在并行3001 帶式輸送機機尾處形成不穩定氣流流場。由此可知，當走廊風速直接作用于整個并行帶式輸送機運轉系統的流場，走廊風速越大系統風速越大，并形成1 個大型渦流區，導致系統風流場不穩定。

2.2 粉塵顆粒運移模擬結果

根據并行帶式輸送機運轉系統的風流場的運移規律，在此基礎上，加入流體流動顆粒跟蹤物理場，進行多物理場耦合。在原模型的3001 帶式輸送機、3002 帶式輸送機落料口處進行粒子釋放，進行粉塵粒子污染擴散分析。并行帶式輸送機運轉系統受誘導氣流和走廊風速共同作用會出現單渦流系統、雙渦流系統、無渦流不穩定流場3 種現象。綜合實際風流數據及流場復雜情況針對雙渦流系統進行詳細分析。并行帶式輸送機系統運轉200 s 時煤塵污染擴散模擬結果如圖6。

圖6 并行帶式輸送機系統運轉200 s 時煤塵污染擴散模擬結果Fig.6 Simulation results of coal dust dispersion in parallel belt conveyor system running 200 s

由圖6 可知并行帶式輸送機運行系統煤塵積聚位置包括4 個部分：①3001 帶式輸送機機尾與右側壁面間，煤塵來自其機尾甩動和落料口漏塵；②在2條帶式輸送機中間，煤塵來源為3001 帶式輸送機落料口漏塵、3002 帶式輸送機機尾甩塵、2 條帶式輸送機密封槽沿線漏塵、帶式輸送機走廊連接處漏風揚塵；③帶式輸送機走廊連接處與連接處至3002 帶式輸送機落料口左側，大型構筑物右側圍成的區域，煤塵來自走廊灌風、輸送帶牽引，落料口誘導氣流沖擊揚塵；④3002 帶式輸送機機尾左側，煤塵來自帶式輸送機機尾揚塵和落料口漏塵。

總體來講，煤塵粒度越大擴散能力越弱，30 μm以上煤塵主要集中在2 條帶式輸送機的落料口周圍，向輸送帶牽引方向以0.5 m/s 以下速度向前下側運移，擴散高度在密封槽與輸送帶面縫隙上下0.5 m 左右；粒徑越小，煤塵擴散能力越強，20 μm以下煤塵可擴散至整個車間，懸浮分布在車間中部。在輸送帶面上，煤塵運移速度快，車間內部分大于帶式輸送機走廊內，主要由于帶式輸送機走廊內無密封槽，在走廊內向輸送帶外擴散并受到帶式輸送機走廊內向車間內運移風流的摩擦干擾，速度下降，隨之煤塵運移速度下降為1 m/s 左右，被從輸送帶面上剝離的煤塵主要分布在頂板附近。因此針對并行帶式輸送機運行系統的降塵應主要針對于粉塵擴散嚴重的區域進行控制捕捉，并結合風流場情況進行捕塵系統布置。

3 粉塵防治方案

3.1 噴霧降塵系統布置

并行帶式輸送機運轉系統整體風流主要受到誘導氣流和走廊風速相互影響，對并行帶式輸送機運轉系統粉塵污染進行濕式噴霧除塵系統設置時，要考慮水霧粒子群受并行帶式輸送機系統風流場的影響在煤塵擴散關鍵路徑針對走廊灌風和誘導氣流沖擊，采用順流負壓卷吸和正壓抑制擴散2 種方式。帶式輸送機走廊入口處，輸送帶無密封槽保護，通過霧幕隔塵對渦流粉塵流進行控制，霧幕系統采用高射程高強度噴嘴降低風流場對霧幕的干擾。與此同時加強在粉塵擴散源頭根據不同塵源的污染機理開展點對點覆蓋綜合治理，包括帶式輸送機機尾處的二次揚塵，落料口漏塵等進行不同措施控塵。選煤廠準備車間噴霧降塵系統布置圖如圖7。

圖7 選煤廠準備車間噴霧降塵系統布置圖Fig.7 Layout diagram of spray dust suppression system in preparation workshop of coal preparation plant

如圖7，根據粉塵的粒徑分布和風流分布規律，在帶式運輸機走廊連接處布置2 組霧幕。針對機尾二次揚塵問題在3001、3002 帶式輸送機機尾處布置廣角霧化噴頭對粉塵顆粒進行捕捉，廣角霧化噴頭水霧覆蓋范圍更廣捕塵效率更高。在落料口兩側采用遠程霧化噴頭進行塵源治理，遠程霧化噴頭動力更為強勁可以更好地防止粉塵逸散。在3001 帶式輸送機外側布置遠程霧化噴頭形成霧幕，降低走廊風對系統的影響，降低渦流強度，減少粉塵擴散范圍。

3.2 除塵效果

除塵系統設計完善后，應用于黃玉川選煤廠準備車間并行帶式輸送機運行系統的粉塵防治。在車間選取3 個位置進行粉塵濃度測量，粉塵濃度測量采用了最精確的粉塵采樣-烘干-稱量的方法，選擇帶式輸送機走廊、3002 帶式輸送機機尾處以及3002帶式輸送機落料口附近。粉塵濃度及降塵效率表見表1。

表1 粉塵濃度及降塵效率表Table 1 Dust concentration and dust reduction efficiency

由表1 車間降塵系統運行前后效果可知霧幕控塵系統效果良好，通過計算得出全塵與呼塵降塵效率均達到90%以上，系統運行穩定，降塵效果顯著。

4 結 語

1）并行帶式輸送機運轉系統整體風流場受走廊風速影響較大，走廊風速過大會攜帶粉塵粒子運移帶更遠的范圍，所以針對并行帶式輸送機系統的降塵降低走廊風速是關鍵環節。

2）誘導氣流的大小會改變并行帶式輸送機運轉系統整體的風流場情況，當誘導氣流過小會形成單渦流系統，到誘導氣流過大時可以破壞由走廊氣流引起的渦流，整個運轉系統出現無渦流情況。

3）并行帶式輸送機運行系統中粒徑30 μm 以上煤塵主要集中在2 條輸送帶的落料口周圍；粒徑20 μm 以下煤塵可擴散至整個車間區域，懸浮分布在車間中部。

4）根據風流粉塵運移規律設計車間霧幕控塵系統，該系統在黃玉川選煤廠布置安裝，系統運行后車間內部全塵及呼塵的降塵效率均達到90%以上，改善車間內部環境，為工人健康提供強有力的保障。