破碎機粉塵數值模擬及除塵器的選擇

張 龍

（華陽集團新景公司洗煤廠， 山西 陽泉 045000）

0 引言

煤炭破碎為選煤工藝的關鍵環節，其將煤炭粒度減小至合理范圍之內，以保證后續的分選效果。破碎機為對煤炭進行破碎的關鍵設備，其在實際破碎過程中會產生大量的煤塵和粉塵。雖然在現場已經布置了大量的除塵設備，但是由于種種原因并未達到預期的治理效果，導致現場的粉塵濃度依然很大[1-5]。本文將基于CFD 數值模擬軟件對破碎機現場尤其是破碎機設備落煤管和導料槽附近的粉塵移動規律與濃度進行研究，為除塵器的選型提供依據和參考。

1 破碎機粉塵數值模擬

針對選煤廠破碎機落煤管和導料槽粉塵運動規律和濃度分布的研究，需要掌握現場粉塵的受力。在實際生產中，破碎機所產生的煤塵或粉塵受到兩類作用力的影響，包括無關的作用力和相關的作用力，具體包括重力、阻力、熱泳力、附加質量力及壓力梯度力等。

1.1 粉塵產生機理

結合理論和實踐對破碎機周圍所產生粉塵的機理進行分析，可歸結為如下幾點：

1.1.1 粉塵產生的內因

煤炭在破碎過程中，旨在將煤炭的粒度降低為25 mm 以下。隨著煤炭顆粒度的降低，其表面積增大，從而加劇了煤炭顆粒中水分的蒸發,導致其含水率降低，進而在破碎機導料槽和落煤管附近產生了大量的煤塵或粉塵。

1.1.2 誘導風加劇粉塵現象

為了解決破碎機堵煤的問題，將其內部結構中的篩板截割了一半,從而導致破碎的煤炭顆粒直接落入落煤管中，加劇了破碎機落煤管和導料槽處風流的壓力和流量，從而加劇了周圍的粉塵現象。

1.1.3 封堵增加粉根源

在實際破碎過程中，由于長時間的煤流對托輥的支架進行沖擊，從而導致出現一定的彈性變形。在彈性變形的作用力下使得破碎機導料槽和輸送皮帶之間出現了縫隙，破碎機內部所產生的粉塵從縫隙中溢出到現場。

總的來講，影響選煤廠破碎車間現場粉塵濃度的主要因素，包括破碎機本身的破碎方式和所要求破碎煤炭的顆粒直徑、周圍環境的溫濕度和風速等因素。

1.2 粉塵數值模擬邊界條件的確定

結合破碎機實際生產中產生粉塵機理的分析結果以及粉塵的離散相運動的數學模型，同時對選煤廠破碎機落煤管和導料槽粉塵的相關數據進行實測。基于上述基礎設定合理的破碎機粉塵數值模型的參數及相關邊界條件，如表1 所示。

表1 粉塵源參數設定結果

針對粉塵特性的數值模擬仿真，設定計算步長為50 000 步，時間步長為0.01。

1.3 粉塵數值模擬仿真結果

在上述邊界條件和仿真參數合理設計的基礎上，分別對破碎機落煤管導料槽內和落煤管導料槽外的粉塵特性進行數值模擬分析。

1.3.1 破碎機落煤管導料槽內粉塵特性仿真分析

破碎機落煤管導料槽內粉塵特性仿真結果如圖1 所示。

圖1 破碎機落煤管導料槽內粉塵特性（g/cm3）仿真結果

由圖1 可知，破碎機將煤炭進行破碎處理后，在自身重力和煤炭下落所產生的誘導風的作用下粉塵沿著落煤管下落，而且落煤管處的濃度也最高；當破碎后的煤炭落到導料槽后，在誘導風的作用下粉塵濃度沿著導料槽長度的增加而逐漸降低。

1.3.2 破碎機落煤管導料槽外粉塵特性仿真分析

破碎機落煤管導料槽外粉塵特性仿真結果如圖2 所示。

圖2 破碎機落煤管導料槽外仿真濃度（g/cm3）分布特性

由圖2 可知，對于外部而言，粉塵通過導料槽的縫隙和左右兩個開口傳播至外部空間中。根據仿真計算可知：外部環境周圍的粉塵質量濃度最高可達310 mg/m3；對周圍環境實際測量可知，粉塵質量濃度最高可達313 mg/m3。由此說明，本次仿真結果準確。

2 破碎機除塵器的選擇及效果評估

2.1 破碎機除塵器的選型

為解決破碎機所導致周圍環境粉塵濃度超標影響作業人員身心健康和導致設備可靠性低的問題，需要破碎機配套相應有效的除塵設備。除塵器可分為干式除塵器和濕式除塵器。其中，干式除塵器包括質量旋風除塵器、電除塵器、袋式除塵器等。針對破碎機落煤管和導料槽周圍環境粉塵特點，本工程選用除塵效率較高的袋式除塵器擬達到預定的除塵效果。

濾料為除塵器的關鍵，為保證設備最終的除塵效果，為袋式除塵器配套具有較強柔性、韌性的結構質體作為其濾料。本工程選用微孔覆膜濾料。

根據“1.3”中的仿真結果中的粉塵最高濃度，結合風量、過濾面積、風壓等參數的計算結果，要求所配套的除塵器的關鍵指標如下：有效壓力大于65 MPa，風量控制在10 080 m3/h 左右。

結合上述計算結果，本工程最終所選擇的除塵器的型號為LFD-70 系列，并為該型除塵器配套微孔覆膜濾料。LFD-70 系列除塵器的關鍵參數指標如表2所示。

表2 LFD-70 系列除塵器關鍵技術指標

2.2 除塵器除塵效果評估

將上述所選型的除塵器根據相關方法安裝于破碎機導料槽的周圍，并對加裝除塵器后落煤管導料槽外的粉塵特性進行仿真分析和實測分析，對應的效果評估結果如表3 所示。

表3 除塵器除塵效果評估

實踐應用表明，在除塵器的作用下破碎機落煤管導料槽內形成負壓，導致導料槽內的粉塵濃度無法溢出至周圍環境。經過實際測量，采用除塵器后周圍環境的粉塵質量濃度平均值為6 mg/m3，與數值模擬仿真結果值相近。說明，所選型除塵器可對現場粉塵濃度進行有效處理。

3 結語

煤炭洗選工序中的破碎工藝為其關鍵環節，其對后續的分選效果具有十分重要的意義。在實際生產中，破碎機將煤炭破碎為預定直徑的顆粒，在其重力作用和誘導風的共同作用下使得落煤管中粉塵濃度達到最大；同時對應導料槽外周圍環境的粉塵質量濃度高達310 mg/m3；為此，本文結合相關理論計算為其配套了LFD-70 系列的袋式除塵器，并且經實測和仿真可知，增加除塵器后現場粉塵質量濃度平均值為6 mg/m3，該指標低于國家的標準要求，即對粉塵得到了有效的抑制。