大采高綜采工作面負壓除塵微霧凈化裝置應用研究

莫金明,馬 威

(中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400037)

煤炭作為中國基礎能源,為中國綜合國力提升以及國民經濟的增長起到了極大的促進作用[1-2]。中國開采的煤層,按其賦存條件一般可以分為薄煤層、中厚煤層及厚煤層。其中中厚煤層(厚度大于3.5 m)是中國追求開采效益的主體煤層,其儲量約占我國煤炭資源總儲量的44%,其產量比亦將近占全國原煤總產量的50%,具有重要的能源戰略地位[3-4]。厚煤層開采多采用機械程度高、工作面推進快的大采高生產工藝,較傳統綜采工作面開采工藝,具有設備功率高、截深大、產量高、產塵量大、塵源點復雜等特點[5-6]。隨著大采高工藝的推廣,給綜采工作面粉塵防治帶來了新的挑戰。據現場調研,在沒有任何防塵措施的情況下,采煤機截割和移架等工序共同作業時,大采高綜采工作面人員主要作業區域的時間加權總粉塵質量濃度可達500～850 mg/m3,呼吸性粉塵質量濃度可達300～500 mg/m3,嚴重影響了煤礦的安全生產,威脅工人的職業衛生健康[7-8]。

近年來,中國對煤礦粉塵治理給與高度關注,隨著中國特色社會主義進入新時代,人民健康上升為國家優先發展戰略,中國出臺《“健康中國 2030”規劃》、《關于實施健康中國行動的意見》等一系列政策、法規推進健康中國建設[9-10]。同時煤礦智能化重大發展戰略也對礦井粉塵治理提出了更嚴苛的要求。因此,煤礦防塵技術研究仍會是今后很長一段時間內科研工作者的重心工作。目前,在綜采工作面的粉塵防治技術及裝備上,國內外已經取得了較多的成果。如:國外學者BIGU等[11]設計了一種基于荷電水霧技術的靜電除塵器,用來控制礦山坑道中的長壽命放射性粉塵和短壽命氣溶膠濃度,通過實驗室測試,裝置的控塵效果達40%。ARYA等[12]通過對在之前溢流床洗滌器、安裝在采煤機上的灰塵洗滌器等研究的基礎上,為長壁采煤機設計一個類似于連續采煤機的水浸除塵系統。發現并消除了以前嘗試的缺陷。并成功研制了該設備進行了實驗室試驗及井下試驗,試驗結果表明,其平均降塵效率在46%～53%。SILVA等[13]采用了試驗方法研究了氣體速度和液體流量對礦用大尺度文丘里洗滌器壓降的影響。聶文等[14-15]通過建立高度仿真的三維模型,利用數值模擬方法研究了8.8 m大采高綜采工作面風流-粉塵運動規律;同時根據粉塵擴散污染特征基于氣流控塵原理,并提出了采煤機機身空氣幕防塵技術,并研發了粉塵凈化風扇,通過現場效果測試,采煤機司機區域降塵效率達90.47%。陳大偉等[16]采用數值模擬與井下實測的方法對補連塔223 057 m綜采工作面風流、粉塵運移分布規律進行了詳細分析,得出了工作面風流、粉塵詳細分布特征,并以此為依據設計了一種新型除塵系統,包括濕式卷簾、采煤區集塵網和全斷面濕式集塵網。經現場應用結果表明,該系統的整體除塵效率達69.6%。周剛等[17-19]通過數值模擬方法詳細分析了綜采工作面氣流、粉塵的遷移規律,并結合仿真及實測結果研制了一種新型的采煤機用除塵器,工程現場實測表明除塵器能夠有效降低采煤機附近的作業區粉塵質量濃度,總粉塵降塵效率達到66.5%。翟國棟等[20]研制了一種液壓支架用噴霧引射除塵器,并通過實驗室平臺進行了不同結構參數噴嘴的降塵效果試驗,獲得了最佳降塵效果的噴嘴結構參數。最后通過現場應用效果測試,呼吸性粉塵降塵效果較應用前提高91%。胡勝勇等[21]提出了一種有效清潔煤塵空氣的新方法,并研制了由進水管、徑向混合葉輪、水分配板、旋流葉片和脫水器組成的空氣洗滌器,并通過實驗室性能測試,驗證了該空氣洗滌劑的除塵性能。通過在選煤廠現場應用結果表明,該裝置使得廠房內總粉塵質量濃度從118.7 mg/m3降低到3.0 mg/m3,呼吸性粉塵質量濃度從79.2 mg/m3降低到2.2 mg/m3。秦波濤等[22-23]為高效防治煤礦井下綜采工作面粉塵,提出了綜采工作面活性磁化水霧化封閉塵源降塵技術體系,構建了主要由活性劑定量添加系統、磁化裝置、水動力濕式除塵器、負壓卷吸除塵器等組成的綜采工作面高效降塵工藝系統。通過現場工程應用表明,該技術使得綜采工作面總粉塵降塵效率達90.8%,顯著改善了井下人員工作環境。王鵬飛等[24-25]在煤礦用氣水噴霧降塵方面開展了大量研究,建立了氣水噴霧降塵效率的理論計算數學模型,并采用模型實驗考察了供水壓力、供氣壓力等工況參數對氣水噴霧特性及降塵效率的影響。筆者[5,26]也基于流體動力學、多相流等理論提出了大采高綜采工作面采煤機隨機抽塵凈化技術、液壓支架封閉控塵技術并研制了相應裝備。

總結上述研究成果,發現存在以下2個問題:① 現有研究大都針對大采高綜采工作面采煤機滾筒及液壓支架降柱移架附近的高質量濃度粉塵進行治理。但是通過筆者長期煤礦現場實施發現,由于大采高綜采工作面產塵強度大,采場空間大,采煤過程中產生的大量細微粉塵擴散到綜采工作面采場上部空間,并長期浮游于此,不易沉降,嚴重影響采煤工作面上部空間的環境。如果不予治理,其污染范圍會繼續擴散,繼而彌散到人行區域。② 高位浮游粉塵因其粒徑小,普通的噴霧降塵技術難以達到較為理想的粉塵治理效果,各國均無相關針對性治理措施,缺乏相關技術和設備。因此,筆者基于前期機載除塵器的研究思路,提出了負壓除塵及微霧凈化技術及配套設備,來凈化采煤工作面高位含塵氣流,實現高位浮游粉塵治理。

1 負壓除塵及微霧凈化技術原理

負壓除塵及微霧凈化裝置(以下簡稱除塵器)主要由前噴霧段、電機段、導流器、脫水段、污水箱、后噴霧段及保護殼體組成,其具體組成及其技術原理如圖1所示。其工作原理是含塵氣流在負壓作用下受前噴霧段阻截作用與噴霧水滴初步混合,在電機段中高速旋轉葉輪的離心力作用下水滴被破碎成微小的水霧粒子,水霧粒子與含塵氣流充分混合形成煤泥,經導流除塵段煤泥在重力作用下逐漸沉淀,經除塵凈化的含塵氣流形成射流將后噴霧段的微細噴霧擴散至裝置下風側區域,對該區域內的粉塵進行凈化,從而實現了裝置上風側區域負壓除塵凈化,下風側區域的微霧凈化。利用該技術可以同時對進風口和出風口附近的粉塵進行凈化和沉降,大幅提高了裝置的降塵效率。

圖1 負壓除塵及微霧凈化技術原理Fig.1 Technical principle of negative-pressure dust removal and micro-mist purification

2 負壓除塵及微霧凈化裝置數值模擬

2.1 數學模型

綜采工作面風流、粉塵的耦合運動可以看作氣固兩相流,由于在實際流體中,粉塵的體積分數通常小于10%,所以可以將其看作稀疏相,風流屬于連續相,風流流動可以用湍流流動來形容。因此,在求解過程中,綜采工作面粉塵的擴散和風流的湍流流動可以分別用歐拉-拉格朗日模型和k-ε模型求解[18,27-29]。

(1)風流流動數學方程。氣流的質量方程[30-31]可以表示成

(1)

N-S方程(其中流體為不可壓縮):

(2)

其中,ρ為氣流密度,kg/m3;t為時間,s;x、y、z為方向坐標,m;u為氣流速度,m/s;ux、uy、uz為氣流速度在x、y、z方向上的分量m/s;f為外力,N;p為壓力,Pa;為哈密頓算子;2拉普拉斯算子;μ為層流中的黏性系數,Pa·s。

描述湍流流動的2個重要參數分別是湍流動能k以及湍流擴散率ε,k方程的描述見文獻[24]、ε方程的描述見文獻[32-33]。

(2)粉塵流動數學模型。粒子軌跡的數學模型可以看作離散相模型。離散相模型采用DPM模型。在拉格朗日坐標下通過積分顆粒作用力的微分方程進行求解,計算粒子軌跡,從而得到質點運動擴散規律和連續相分布,再通過將統計的流場中的粒子分布轉化為質量濃度,得到了離散相的濃度分布。

顆粒相作用力平衡方程[36-37]為

(3)

虛擬質量力Fvm[15],可以寫成

(4)

其中,Vp為顆粒的體積(默認顆粒為球形),m3。由于流體中存在壓力梯度,因此會產生壓力梯度力行成的力,壓力梯度力的方程可以寫為

(5)

Magnus升力[39]可以寫成

(6)

式中,dp為顆粒直徑,m;ω為顆粒旋轉角速度,rad/s。

Saffman升力[40-41]可以寫成

(7)

綜上所述,顆粒相作用力平衡方程可以寫成

(8)

2.2 物理模型

筆者以國能神東煤炭有限公司補連塔煤礦22408綜采工作面為依托建立三維模型?，F場采煤機選用EKF公司生產的EKF SL1 000/6 659型采煤機,采高3.5～7.1 m;綜采工作面中部架選用ZY18 000/32/70D型支架,支架中間距2 050 mm,移架步距865 mm;綜采工作面配2 046 m3/min的風量時,平均風速為1.21 m/s。根據現場實際情況利用CAD軟件建立計算模型,如圖2所示。

該模型主要由采煤機、液壓支架以及擋煤板等組成。工作面尺寸長×高×寬=270 m×6.8 m×8.0 m,數值模型原點O設置在進風巷煤壁靠底板處,沿風流方向為X軸,采煤工作面推進方向設置Z軸負方向。

圖2 補連塔煤礦22408綜采工作面三維模型Fig.2 Three-dimensional model of 22408 fully-mechanised mining face in Bulianta Coal Mine

2.3 網格劃分、獨立性驗證

為了檢驗此次建立的數值模擬方案及模擬結果的準確性,通過選取3種不同的網格劃分方法進行模型的網格獨立性驗證[42-43]。利用ICEM-CFD網格劃分軟件分別設置A、B、C三種不同網格參數對模型進行網格劃分,得到A的網格數量為12 432 842,B的網格數量為15 065 402,C的網格數量為17 291 017。然后利用3種網格模型結果對22408綜采工作面風速進行模擬,并與現場實測結果進行對比。由于工作面采煤機附近由于斷面受阻,風速變化較大,因此,此次結果值截取了采煤機上風側機身端面上風側6 m及下風側20 m范圍(X=94～120 m)人員呼吸帶截面風速,其結果如圖3所示。

通過對比3種不同網格參數模型的計算結果發現,其風速變化規律基本保持一致,都呈現出先升高、再降低,然后保持平穩,隨后再降低的趨勢。并且波動差值不超過5.9%,因此,可以認為網格是獨立的。另外,對比數值模擬結果與實測結果發現,數值模擬得出的風速變化規律與實測結果基本一致。網格參數B、C的模擬結果更接近于實測結果,因此,通過綜合考慮模型網格總數與計算機的工作能力,選取利用網格參數B進行后文的數值模擬研究。

2.4 模擬參數設置

將劃分好的網格文件導入FLUENT求解器設置邊界條件,幾何模型的邊界條件和粉塵源的參數見表1[44-45]。待風流計算結果收斂后,再加入粉塵顆粒相進行計算,待計算完成后,將結果導入CFD-POST進行定性、定量分析。

圖3 網格獨立性驗證結果Fig.3 Meshing independence verification results

表1 模型邊界條件及粉塵源參數

2.5 除塵器不同風量對工作面風流-粉塵場影響分析

圖4為除塵器在不同風量條件下,Y=4.7 m截面風速分布(X=130～190 m)。從圖4可以看出,隨著除塵器風量的增加,其前端的負壓影響范圍不斷擴大,吸塵效果逐漸增強。而當風量從90 m3/min增加到150 m3/min,其后端有效射程從15 m增加到29 m,再繼續增大除塵器風量,其有效射程無明顯增加。由于負壓微霧除塵器后噴霧的降塵原理主要是利用噴嘴產生的微霧在風流的帶動下,擴散到除塵器下風側區域,對粉塵進行吸附沉降。故除塵器后方有效射程越遠,對其下風側凈化范圍越廣,效果越好。

圖4 除塵器不同風量條件下工作面風速分布Fig.4 Wind speed distribution at the working face under different air volumes of the dust collector

圖5為負壓微霧除塵器不同處理風量時工作面粉塵質量濃度分布變化情況?？紤]到除塵器的影響范圍有限,為了更清楚地展示除塵器對工作面粉塵的影響,本次只截取了采煤高度方向上Y=4.0、4.5、4.7三個平面負壓微霧除塵器前后35 m范圍。從圖5可以看出,隨著高度增加,采煤機滾筒割煤產生的粉塵污染范圍越廣,并且在Y=4.5 m以下空間,采煤機塵源與液壓支架塵源出現明顯的匯集,合并污染現象嚴重。負壓微霧除塵器的安裝對其所在位置前后方粉塵積聚現象有明顯的改善作用,主要是由于除塵器形成的負壓作用,含塵氣流被卷入除塵器內部,通過除塵器凈化最后形成污水排除。另外,經過濾除塵段含有水分的空氣,在射流作用下將后噴霧細小粒徑的水霧擴散至裝置下風流區域。同時,從圖5還發現,隨著除塵器處理風量從90 m3/min增加到150 m3/min時,工作面粉塵污染情況得到改善,特別除塵器附近。然而,當除塵器處理風量從150 m3/min增加到180 m3/min時,除塵器附近風流出現紊亂情況,特別是在除塵器所在平面上風側,還形成了一條長約8 m、質量濃度為320 mg/m3的穩定粉塵質量濃度帶。可能是由于除塵器風量過大,在其所在空間周圍形成了局部不穩定氣流場,導致粉塵擴散。通過上述分析,認為負壓微霧除塵器最佳處理風量在120～150 m3/min,鑒于風量越大,除塵器的總體積也會相應增加。因此,結合現場除塵器可安裝空間,確定負壓微霧除塵器處理風量為120 m3/min。

圖5 除塵器不同風量條件下工作面粉塵質量濃度分布Fig. 5 Dust mass concentration distribution at the working face under different air volumes of the dust collector

2.6 除塵器不同布置間距對工作面風流-粉塵場影響分析

圖6為除塵器不同布置間距條件下工作面Y=4.7 m 截面風速分布(負壓微霧除塵器處理風量為120 m3/min)。從圖6可以看出,當相鄰2臺負壓微霧除塵器布置間距為15、25 m時,除塵器后方的微霧影響范圍明顯超出了除塵器的布置間距,不利于節能、環保發展理念。當相鄰2臺負壓微霧除塵器布置間距為50 m時,除塵器后方的微霧凈化范圍又顯得局促,不能達到連續最佳降塵效果。而當其布置間距為35 m時,認為微霧影響范圍正好可以影響整個工作面,不會出現浪費資源的現象。

圖6 除塵器不同布置間距條件下工作面風速分布Fig.6 Wind speed distribution at the working face under different spacings of the dust collector

圖7為負壓微霧除塵器不同布置間距時工作面粉塵質量濃度分布變化情況(負壓微霧除塵器處理風量為120 m3/min)。本次只截取了采煤高度方向上Y=4.0、4.5、4.7三個平面X=110～265 m。從圖7可以看出,采煤機滾筒割煤產生的粉塵分布比較集中,而液壓支架降柱移架產生的粉塵向下風側擴散的過程比較分散,通過布置負壓微霧除塵器后,工作面粉塵污染好轉,并且發現除塵器布置間距對工作面影響較大。當除塵器布置間距為15 m時,除塵器前后范圍,粉塵質量濃度有所降低,但是工作面整體粉塵擴散嚴重,可能由于除塵器布置間距過小,對原始風流造成擾動,并且在Y=4.7 m截面高質量濃度粉塵積聚嚴重。當布置間距增大25 m時,工作面整體粉塵質量濃度分布得到好轉。相鄰2臺除塵器之間的范圍均無明顯高濃度粉塵存在,且截面高質量濃度粉塵積聚區域有所減少。當布置間距持續增加到35 m時,工作面粉塵質量濃度分布狀態最佳,而布置間距增加到50 m時,粉塵污染較之前加重,且截面高質量濃度粉塵積聚范圍增加。因此,綜合上述研究認為,負壓微霧除塵器最佳布置間距為35 m。

圖7 除塵器不同布置間距條件下工作面粉塵質量濃度分布Fig.7 Dust mass concentration distribution at the working face under different dust collector spacings

3 負壓微霧除塵裝置實驗室性能試驗

3.1 除塵器主要組成部分及參數說明

結合對補連塔煤礦22408綜采工作面液壓支架立柱前方可利用空間,以及前期負壓微霧除塵器最佳處理風量及布置間距研究結果,確定此次負壓微霧除塵器總體尺寸1 800 mm×819 mm×739 mm,主要由前噴霧段、電機段、導流器、脫水段、污水箱、后噴霧段及保護殼體等部分組成,其實物如圖8所示。除塵器設計處理風量為120 m3/min,配套風機選用淄博風機廠生產的YBF2-132S-1。前噴霧噴嘴選用實心錐形噴嘴,噴霧壓力在6 MPa;后噴霧選用空心微霧噴嘴,噴霧壓力2 MPa。負壓微霧除塵器具體技術參數見表2。

圖8 負壓微霧除塵器實物Fig.8 Negative-pressure micro-mist dust collector

3.2 試驗系統

如圖9所示,除塵器性能測試系統主要由粉塵發生器、溫度計、氣壓計、補償微壓計、測試管道、CCZ20粉塵采樣器等部分組成,另外還包括橡皮管、EX324ZH型萬分之一天平等輔助設備。其中,粉塵發生器產生粉塵粒徑范圍0.1～100 μm,質量流率50～1 000 mg/h,測試管道直徑500 mm。搭建如圖9所示的試驗系統,待系統正常運行后,利用CCZ20型粉塵采樣器在測試管道入口、出口處測試其粉塵質量濃度。本系統的搭建及測試方法按照MT 159—2005 《礦用除塵器通用技術條件》國家標準進行[21]。

表2 負壓微霧除塵器技術參數

圖9 負壓微霧除塵器性能測試試驗系統Fig.9 Performance test system for the negative-pressure micro-mist dust collector

3.3 除塵效率測試

在試驗系統正常運轉后,分別在進風處和出口處收集粉塵樣品,利用Bettersize2000(B&E)激光粒度分析儀,進行粉塵粒度分布測試,其結果如圖10所示。

圖10 負壓微霧除塵裝置入、出口處粉塵粒度分布Fig.10 Dust particle size distributions at the inlet and outlet of the negative-pressure micro-mist dust remover

從圖10可以看出,粉塵粒徑分布范圍主要在5～80 μm。粉塵粒度分布測試結果基本與煤礦實際測量結果一致。

然后將CCZ20型粉塵質量濃度采樣器,在試驗系統測試管道的入口和出口上,對應均布取4個點(其中在入口上取測點分別標號為1、2、3、4,對應出口上的5、6、7、8),分別測試其總粉塵和呼吸性粉塵質量濃度。

利用濾膜稱重法得出粉塵質量,然后利用式(9)分別計算出相應點的粉塵質量濃度。粉塵質量濃度測試時,采樣流量20 L/min、采樣時間2 min,粉塵質量濃度測試操作完全按照CCZ20采樣器說明書規定進行。

(9)

式中,c為粉塵質量濃度,mg/m3;M2為采集粉塵后的濾膜質量,mg;M1為采集粉塵前的濾膜質量,mg;Q為采樣流量,L/min;T為采樣時間,min。

通過測得的除塵器入口和出口總粉塵和呼吸性粉塵質量濃度,利用式(10)和式(11)分別計算除塵器對總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率。

(10)

(11)

式中,η1為總粉塵降塵效率,%;η2為呼吸性粉塵降塵效率,%;c1為入口平面粉塵質量濃度,mg/m3;c2為出口平面粉塵質量濃度,mg/m3。

測試結果如圖11所示,可以看出,此除塵器對總粉塵的平均降塵效率達98.31%,對呼吸性粉塵的平均降塵效率達95.29%,除塵器除塵性能較好。

圖11 負壓微霧除塵器降塵性能測試結果Fig.11 Test results of dust reduction performance of the negative-pressure micro-mist dust collector

4 現場應用

為了檢驗此次研發的除塵器現場應用效果,在國能集團神東煤炭有限公司補連塔煤礦22408綜采工作面進行了現場工業性試驗。除塵器固定在液壓支架立柱前方,裝置吸塵口正對風流方向、出風口朝向下風側,供水管路從支架引出、污水利用軟管引至工作面底板、電源從支架內取電,電源電纜沿支架頂部布置。相鄰2臺裝置之間間隔35 m,現場安裝效果如圖12所示。

圖12 負壓微霧除塵器現場應用效果Fig.12 Field application scenes of the negative-pressure micro-mist dust collector

在保證負壓除塵微霧凈化技術實際降塵效果得到充分驗證的同時,為了減小現場測試工作量,此次選取了布置在99號支架位置上的除塵器作為參考對象,測試了該除塵器所在位置(即99號液壓支架)斷面及下風側分別間隔2 m的3個斷面,距離支架人行底板高度分別為1.5、2.5、3.5 m的9個測點粉塵質量濃度,其測點布置如圖13所示。

圖13 采樣點布置斷面示意Fig.13 Sampling point layout section

測試時,仍采用CCZ20型粉塵濃度采樣器,采樣流量為20 L/min,測試總粉塵時,采樣時間設置為2 min,測試呼吸性粉塵時采樣時間設置為4 min,每個點測試3次,取平均值,以保證測得數據的可靠性。測試結果見表3。

由表3可以看出,負壓除塵及微霧凈化裝置對工作面總粉塵降塵效率達80%以上,對呼吸性粉塵的降塵效率在70%以上,工作面人行區人員呼吸帶總粉塵質量濃度降低到15.3 mg/m3以下,呼吸性粉塵質量濃度降低到10.3 mg/m3以下。

由此可見,通過負壓除塵微霧凈化裝置的應用,有效解決了工作面浮游粉塵積聚污染問題,對于改善工作面環境質量,安全礦井的創建起到了積極的作用。

表3 負壓除塵微霧凈化裝置的粉塵質量濃度測試結果

5 結 論

(1)針對大采高綜采工作面采場上部空間細微粉塵長時間懸浮,無法及時治理的問題,創新提出了一種集支架頂梁抽塵凈化與風送微霧除塵新方法。即利用負壓除塵微霧凈化裝置形成的強負壓,吸入上風側含塵氣流,并與前噴霧初步混合;水滴在高速旋轉葉輪的作用下被破碎成微小的水霧粒子,水霧粒子與含塵氣流充分混合形成煤泥,在重力作用下逐漸沉淀,經除塵凈化的含塵氣流形成射流,將后噴霧段的微細噴霧擴散至裝置下風側區域,對該區域內的粉塵進行凈化,從而實現了裝置上風側區域負壓除塵凈化,下風側區域的微霧凈化。

(2)通過數值模擬實驗詳細分析負壓微霧凈化裝置關鍵工藝參數對工作面風流粉塵運移分布的影響,確定了負壓微霧凈化裝置最佳處理風量為120 m3/min,最佳布置間距為35 m。以此為依據,自主研發了負壓除塵微霧凈化裝置,并自主搭建除塵器性能測試系統對研制的除塵裝置進行除塵性能測試,結果表明:該裝置對總粉塵、呼吸性粉塵的平均降塵效率分別達到98.31%、95.29%。

(3)在國能集團神東補連塔煤礦22408大采高綜采工作面現場應用結果表明,負壓除塵微霧凈化裝置對工作面總粉塵降塵效率達80%以上,呼吸性粉塵的降塵效率在70%以上。工作面人行區人員呼吸帶總粉塵質量濃度降低到15.3 mg/m3以下,呼吸性粉塵質量濃度降低到10.3 mg/m3以下,對工作面粉塵污染情況起到了極大的改善作用。

(4)本研究成果為大采高綜采工作面高位浮游粉塵治理提供了新的解決方法,為改善現場作業環境條件,助力煤礦企業安全生產,保障工人身體健康提供了新思路。