露天煤礦道路雙側(cè)管路噴霧降塵數(shù)值模擬研究

劉志華 劉樹(shù)棟 石踐 鄒天旭 王惠杰 王闖 趙曉亮

（1.內(nèi)蒙古電投能源股份有限公司北露天煤礦，內(nèi)蒙古 通遼 029200；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

1 引言

露天煤礦自卸卡車道路運(yùn)輸粉塵是露天煤礦最大的粉塵污染來(lái)源，占礦區(qū)產(chǎn)塵總量的70%～90%［1－2］，具有陣發(fā)性、瞬時(shí)性、間斷性及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?yán)щy的開(kāi)放源特點(diǎn)。運(yùn)輸?shù)缆樊a(chǎn)生的粉塵大面積擴(kuò)散，不僅會(huì)對(duì)礦區(qū)周邊環(huán)境空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響、損耗采裝運(yùn)輸設(shè)備，還會(huì)使工作人員作業(yè)效率嚴(yán)重降低，更容易引起從業(yè)人員出現(xiàn)塵肺病等組織病變［3-6］，同時(shí)還會(huì)降低卡車能見(jiàn)度，成為煤礦安全運(yùn)輸?shù)臐撛诎踩[患。

濕式噴霧降塵是最有效的粉塵防治技術(shù)之一，既適用于受限空間，又適用于開(kāi)放空間。濕式噴霧降塵效率取決于噴霧系統(tǒng)的噴嘴孔徑、壓力、流量等關(guān)鍵參數(shù)。國(guó)外學(xué)者Wild，Tafreshi 等［7-8］采用激光衍射法對(duì)霧滴中顆粒的尺寸分布進(jìn)行測(cè)量，并分析了噴嘴形狀對(duì)水射流霧化效果的影響；李金龍、周剛等［9-10］確定了采煤工作面高壓噴霧噴嘴的直徑、壓力等工作參數(shù)，并得出了降塵霧滴粒徑最佳范圍。上述噴霧系統(tǒng)參數(shù)的研究多基于實(shí)驗(yàn)研究，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬相對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究具有可實(shí)現(xiàn)模擬多種工況且信息可視化的優(yōu)點(diǎn)。劉琳霞、馮振、王卓然等［11-13］采用FLUENT 軟件分別對(duì)綜掘工作面、綜采工作面的自激振蕩噴嘴、高壓組合噴嘴及旋流混合式噴嘴的直徑、擴(kuò)張角和喉嘴距等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究；郭江江、陶然等［14-15］分別采用數(shù)值模擬與理論分析、理論仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，對(duì)供水壓力、球閥、噴嘴最優(yōu)結(jié)構(gòu)及自動(dòng)化參數(shù)進(jìn)行了分析。目前噴霧降塵研究主要集中于井工煤礦，相關(guān)露天煤礦的研究較少，尤其是關(guān)于露天煤礦卡車路面噴霧降塵研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

本研究以霍林河北露天煤礦卡車路面架設(shè)雙側(cè)管路噴霧系統(tǒng)作為研究對(duì)象，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，建立卡車路面雙側(cè)管路噴霧模型，分析噴嘴架設(shè)高度、入射角度、噴嘴孔徑及噴灑量等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)卡車路面土壤含水率、降塵效果的影響，確定卡車路面雙側(cè)管路噴霧系統(tǒng)最佳優(yōu)化方案，為露天煤礦卡車道路粉塵科學(xué)防治提供理論依據(jù)。

2 數(shù)值模型構(gòu)建

數(shù)值模擬是優(yōu)化濕式噴霧工藝參數(shù)的有效手段。以北露天煤礦運(yùn)輸體積最大、裝載能力最強(qiáng)的NET200 自卸運(yùn)輸卡車作為研究對(duì)象建立幾何模型，如圖1。卡車外形尺寸為15.6 m×8.69 m×6.37 m，車體自重為202.68 t，前后車輪距離為6.35 m，最大車速為30 m/s。

圖1 網(wǎng)格邊界層與加密區(qū)設(shè)置

充分考慮卡車運(yùn)輸?shù)膭?dòng)態(tài)產(chǎn)塵特征，將卡車周圍空氣視為連續(xù)相，粉塵顆粒視為離散相，車身周圍流場(chǎng)簡(jiǎn)化為氣—固兩相流，采用Euler－Lagrange 方法［16］展開(kāi)求解運(yùn)算，因?yàn)榉橡ば粤黧w動(dòng)力學(xué)Navier－Stokes 方程連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，不考慮熱量交換［17］，選擇雷諾平均N－S（RANS）法和湍流的（RNG）κ－ε 模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算［18］，得到模型求解方程如下。

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

輸運(yùn)方程：

式中，ρ 為流體的密度，kg/m；t 為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；μ 為流體的動(dòng)力黏度；ui，uj分別為連續(xù)相在x 和y 方向的速度，m/s；xi，xj分別為顆粒在x 和y 方向的坐標(biāo)，m；Si為顆粒流阻力，N。

選用SOLID WORKS 建立幾何模型，以北露天煤礦運(yùn)輸主干道工作面的實(shí)際情況為依據(jù)，設(shè)置為矩形外流域，其總長(zhǎng)、高度和寬度分別為590，30，34 m，外界風(fēng)流的入口和出口設(shè)置在兩端面；將車頭前端的頂點(diǎn)假設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，上風(fēng)側(cè)到下風(fēng)側(cè)的距離假設(shè)為X 坐標(biāo)，地面到頂端的距離假設(shè)為Y 坐標(biāo)，車頭前端頂點(diǎn)到兩側(cè)壁面的距離假設(shè)為Z 坐標(biāo)，其最大值分別設(shè)為240，30，17 m。參照露天礦運(yùn)輸路面狀況和相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，卡車最大行駛速度為8.0 m/s，自然風(fēng)速不超過(guò)5.0 m/s，確定FLUENT數(shù)值模擬的相關(guān)邊界條件，見(jiàn)表1。

表1 模型參數(shù)及邊界條件

在FLUENT 軟件中選用DPM 離散相來(lái)模擬霧滴和顆粒相互碰撞，選項(xiàng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)平均值（Mesh Node Average）可以將包裹的作用分布到鄰近的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，使得包裹對(duì)流動(dòng)求解器的作用在相鄰單元之間更加平穩(wěn)地分配，能有效降低DPM 模型模擬的網(wǎng)格依賴性，保證計(jì)算精度并增加計(jì)算量。每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上平均變量公式為：

式中，N 為包裹中顆粒的數(shù)量；k 為顆粒累積kernel函數(shù)中的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量。其中kernel 函數(shù)模型選用nodes－per－cell 公式計(jì)算：

3 卡車路面雙側(cè)管路噴霧系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 卡車路面雙側(cè)噴嘴的設(shè)置

NET200 自卸運(yùn)輸卡車是北露天礦卡車運(yùn)輸?shù)缆返淖畲笠苿?dòng)式塵源，產(chǎn)塵濃度大且揚(yáng)塵范圍廣，極易隨風(fēng)擴(kuò)散，高質(zhì)量濃度范圍的粉塵大部分集中在運(yùn)輸卡車周圍。考慮氣流會(huì)對(duì)下風(fēng)向位置造成粉塵污染，道路雙側(cè)均應(yīng)設(shè)置噴嘴且噴嘴規(guī)格應(yīng)滿足：噴霧噴灑空間范圍應(yīng)大于卡車揚(yáng)塵范圍；在較高捕捉效率前提下，噴嘴噴出的霧滴直徑與呼吸性粉塵直徑能夠精準(zhǔn)匹配。

考慮噴嘴射程和流量限制，幾何模型中每側(cè)以5 m 的間距配置5 個(gè)噴嘴，為防止噴灑區(qū)域重疊，設(shè)置雙側(cè)噴嘴交叉錯(cuò)位安裝，噴嘴噴霧呈扇形噴淋。具體布置方式如圖2所示。

圖2 卡車路面雙側(cè)噴嘴安裝幾何圖

噴嘴噴射角度是影響噴霧范圍和效果的重要參數(shù)，其設(shè)置原則應(yīng)根據(jù)運(yùn)輸卡車周圍粉塵濃度分布范圍與揚(yáng)塵高度來(lái)確定，既要盡可能實(shí)現(xiàn)對(duì)地面揚(yáng)塵范圍的全覆蓋，又要保證其噴射高度高于揚(yáng)塵高度，使噴霧能夠觸及揚(yáng)塵區(qū)域。具體優(yōu)化過(guò)程如圖3所示。

圖3 噴嘴入射角的布置示意

為保證噴霧霧場(chǎng)覆蓋卡車，提高捕集粉塵效率，在距離地面水平高度h 處設(shè)置噴嘴架，使車輪兩側(cè)與車的后方渦流區(qū)域在粉塵濃度最高分布范圍內(nèi)，因此噴嘴架設(shè)高度應(yīng)滿足保證噴霧霧場(chǎng)范圍高度大于自卸卡車的揚(yáng)塵高度（H），并且噴嘴與地面水平夾角為θ2，應(yīng)滿足霧滴最大噴射距離點(diǎn)落在卡車揚(yáng)塵范圍寬度（X）外側(cè)。

3.2 最佳入射角度的確定

噴嘴與地面夾角是影響噴霧覆蓋范圍的關(guān)鍵參數(shù)，夾角不同，其所受風(fēng)流的影響也有所差異，為保證合理的噴霧覆蓋范圍，分別設(shè)置夾角θ2數(shù)值為10°，30°，45°，60°模擬噴霧狀態(tài)，結(jié)合北露天煤礦現(xiàn)場(chǎng)工況，設(shè)置平均風(fēng)速為5 m/s，噴霧質(zhì)量流率均設(shè)置為0.25 kg/s，考察在風(fēng)流影響下霧場(chǎng)覆蓋范圍。當(dāng)噴嘴與地面夾角呈10°時(shí)，噴嘴與地面夾角過(guò)小易使噴射距離較遠(yuǎn)，霧場(chǎng)范圍不能完全覆蓋卡車揚(yáng)塵范圍寬度；當(dāng)噴嘴與地面夾角呈45°時(shí)，霧場(chǎng)范圍集中在道路兩側(cè)，且噴嘴產(chǎn)生的霧滴在卡車附近風(fēng)流較大時(shí)容易被風(fēng)流吹散；當(dāng)噴嘴與地面夾角呈30°時(shí)，霧場(chǎng)對(duì)卡車揚(yáng)塵范圍具有較好的覆蓋。由于風(fēng)流外流場(chǎng)作用，下風(fēng)側(cè)水霧未能較好覆蓋地面，隨著距離增加風(fēng)流逐漸穩(wěn)定。因此考慮風(fēng)流對(duì)霧場(chǎng)的影響和霧場(chǎng)覆蓋最大化，確定噴嘴與地面最佳入射角度為30°。

3.3 最佳噴嘴孔徑的確定

噴嘴直徑是影響液滴破碎程度的重要因素。為探討噴嘴直徑對(duì)降塵效果的影響，模擬在相同的噴嘴壓力下，分別選用孔徑為8，9，10，11，12 mm 5種規(guī)格噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬，捕捉粉塵和呼吸性粉塵的霧滴有效粒徑范圍分別為40～160 μm 和15～70 μm［19］。5 種噴嘴孔徑所對(duì)應(yīng)的霧滴粒徑分布如圖4 所示。

圖4 霧滴粒徑分布

5 種規(guī)格的噴嘴噴出的霧滴粒徑在40～160 μm范圍的所占比例均高于80%，5種噴嘴在15～70 μm范圍的霧滴所占比例分別為36.16%，38.98%，60.21%，48.25%，38.79%，隨噴嘴孔徑增加，15～70 μm 范圍的霧滴占比呈先增加后降低趨勢(shì)，5 種噴嘴噴霧平均粒徑分別為88.78，84.96，59.92，71.88，85.06 μm，其中，10 mm 孔徑噴嘴的平均霧化粒徑范圍與捕捉呼吸性粉塵最佳霧滴15～70 μm 范圍吻合良好。當(dāng)噴嘴孔徑越小時(shí)，夾帶氣流越小，液滴破碎度越低，平均粒徑越大；當(dāng)噴嘴過(guò)大時(shí)，液體壓力降低，小霧滴之間相互碰撞凝聚為大霧粒，導(dǎo)致大霧粒占比分?jǐn)?shù)較高。

在噴嘴架水平高度設(shè)為1 m 時(shí)，統(tǒng)計(jì)截面z=0 m（卡車司機(jī)處），呼吸性粉塵顆粒（斯托克斯粒徑≤5 μm，PM5）在5 種不同規(guī)格噴嘴噴霧降塵前后的數(shù)量變化。發(fā)現(xiàn)未進(jìn)行噴霧降塵時(shí)，呼吸性粉塵主要集中在卡車司機(jī)位置空間，大量懸浮于空氣中。噴霧降塵后，粉塵顆粒數(shù)量顯著降低，司機(jī)處風(fēng)流紊亂，粉塵無(wú)規(guī)律地自由擴(kuò)散，導(dǎo)致粉塵濃度梯度變化不均，5 種不同規(guī)格孔徑噴嘴對(duì)應(yīng)的司機(jī)處空間粉塵數(shù)量有不同程度的下降。其中10 mm 孔徑噴嘴降塵最多，主要因?yàn)槠潇F滴粒徑分布范圍與粉塵粒徑分布范圍匹配程度好，霧滴粒徑主要以15～70 μm 之間的占比最高，捕捉司機(jī)室位置呼吸性粉塵的效果最好。綜上，確定卡車路面雙側(cè)管路噴霧系統(tǒng)噴嘴最佳孔徑為10 mm。

3.4 最佳噴霧量的確定

采集、測(cè)定北露天煤礦卡車路面巖土粉塵平均含水率為0.41%，為研究路面含水量對(duì)產(chǎn)塵濃度的影響，通過(guò)粉塵培養(yǎng)皿噴霧實(shí)驗(yàn)，測(cè)得0.05，0.10，0.15，0.20 L/m24 種不同灑水量對(duì)應(yīng)的粉塵含水率分別為2.15%，3.31%，4.25%，5.56%。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，結(jié)合噴嘴最優(yōu)孔徑10 mm，水密度103kg/m3，噴嘴最優(yōu)速度50 m/s，經(jīng)測(cè)試得出滿足以上4 種噴霧量要求的質(zhì)量流率分別為1.27，2.50，3.80，5.00 kg/s。將不同含水率下對(duì)應(yīng)的粉塵密度與粒徑分布作為基礎(chǔ)參數(shù)，并將原始路面粉塵顆粒鋪設(shè)源設(shè)為0.01 kg/s，設(shè)置車速、風(fēng)速分別為8 m/s 和5 m/s，數(shù)值模擬不同噴霧量路面粉塵質(zhì)量濃度變化，如圖5 所示。

圖5 不同含水率粉塵濃度沿程變化情況

由圖5 可知，卡車道路雙側(cè)噴霧系統(tǒng)能有效降低外流場(chǎng)的粉塵濃度，隨著噴霧量的增加，路面產(chǎn)塵濃度從原始的7.32 mg/m3逐漸降低至3.70，2.33，1.41，0.83 mg/m3，4 種狀態(tài)下路面全塵均低于《煤礦安全規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4 mg/m3，沿程擴(kuò)散距離降低至10 m 以下，4 種噴霧量狀態(tài)對(duì)應(yīng)的降塵效率分別是49.43%，68.16%，80.71%，88.63%，其中灑水量為0.2 L/m2時(shí)，粉塵質(zhì)量濃度下降幅度最顯著，降塵效果最好。考慮到噴霧量過(guò)大造成地面濕滑，在具有較大坡度的卡車道路構(gòu)成卡車側(cè)滑隱患，同時(shí)考慮節(jié)水經(jīng)濟(jì)成本，綜合前人研究“當(dāng)露天礦道路土壤含水率大于等于4.0%時(shí)，粉塵質(zhì)量濃度能夠?qū)崿F(xiàn)達(dá)標(biāo)”的成果，確定北露天卡車路面雙側(cè)噴霧系統(tǒng)最佳噴霧量為0.15 L/m2。

4 結(jié)論

（1）北露天煤礦卡車路面產(chǎn)塵機(jī)理分析結(jié)果表明，重型卡車輪胎在垂直方向上對(duì)干燥巖土的高負(fù)荷碾壓破碎、在切向方向上高速離心拋灑以及卡車負(fù)壓誘導(dǎo)氣流對(duì)車體周圍粉塵的二次卷吸是露天礦卡車道路主要產(chǎn)塵原因。

（2）卡車路面噴霧降塵可行性分析結(jié)果表明，北露天煤礦卡車路面粉塵原始含水率0.41%，遠(yuǎn)低于有效控制路面粉塵地面含水率臨界值4.0%，干燥特性明顯；粒徑5.80～100 μm 范圍內(nèi)占比約為68%，細(xì)微粒徑顆粒物占比較高。穩(wěn)定保持道路巖土含水率能夠從產(chǎn)塵源頭大幅度削減卡車輪胎對(duì)道路產(chǎn)塵貢獻(xiàn)，也是卡車道路源頭防塵的最重要因素。

（3）北露天煤礦卡車路面雙側(cè)噴霧系統(tǒng)數(shù)值模擬結(jié)果表明，考慮風(fēng)流對(duì)霧場(chǎng)的影響和霧場(chǎng)覆蓋最大化原則下，當(dāng)噴嘴與地面夾角為30 °時(shí)，雙側(cè)噴霧系統(tǒng)形成霧場(chǎng)，對(duì)卡車揚(yáng)塵覆蓋效果最佳；5 種不同規(guī)格孔徑噴嘴降塵模擬結(jié)果顯示，卡車司機(jī)位置空間粉塵濃度最低時(shí)，對(duì)應(yīng)的噴嘴孔徑為10 mm，此時(shí)霧滴粒徑分布范圍與粉塵粒徑分布范圍的匹配程度較好。

（4）卡車路面雙側(cè)噴霧系統(tǒng)噴霧量對(duì)卡車產(chǎn)塵濃度數(shù)值模擬結(jié)果表明，適當(dāng)增加路面巖體含水率能夠有效削減路面產(chǎn)塵濃度；綜合露天煤礦道路達(dá)標(biāo)控塵限值及節(jié)水效應(yīng)，確定北露天煤礦卡車路面雙側(cè)噴霧系統(tǒng)的最佳噴霧量為0.15 L/m2。