木瓜煤礦煤倉倉頂控塵技術(shù)數(shù)值模擬研究

董文杰，支剛保

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 木瓜煤礦，山西 呂梁 033000)

木瓜煤礦煤倉倉頂控塵技術(shù)數(shù)值模擬研究

董文杰，支剛保

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 木瓜煤礦，山西 呂梁 033000)

為了有效治理霍州煤電集團(tuán)木瓜煤礦煤倉倉頂粉塵污染嚴(yán)重的問題，對木瓜煤礦輸煤系統(tǒng)和煤倉污染規(guī)律進(jìn)行研究。通過現(xiàn)場測試及觀察分析，得出煤倉頂部粉塵逸散規(guī)律。通過氣固兩相流理論和數(shù)值模擬仿真技術(shù)，模擬煤倉頂部控塵技術(shù)的控塵機(jī)理，并對負(fù)壓抽塵方案進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。結(jié)果表明：木瓜煤礦煤倉上設(shè)置負(fù)壓抽塵并延長導(dǎo)料槽長度可有效控制粉塵逸出。

粉塵污染；導(dǎo)料槽；煤倉倉頂；負(fù)壓抽塵

由于煤炭輸送過程中會產(chǎn)生大量粉塵，因此輸煤系統(tǒng)的煤礦粉塵污染最嚴(yán)重，其中煤倉作為煤礦輸運(yùn)系統(tǒng)中最后一個(gè)環(huán)節(jié)，也是整個(gè)輸煤系統(tǒng)中粉塵污染較為嚴(yán)重的地點(diǎn)之一。如何有效治理煤倉粉塵污染，減少其對工作人員身體健康的危害和周圍環(huán)境的破壞？當(dāng)前，針對煤倉粉塵治理研究還比較少，本文以霍州煤電集團(tuán)木瓜煤礦為研究對象，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)測試和觀察，結(jié)合煤塵逸散的數(shù)值模擬，提出負(fù)壓抽塵與延長密封導(dǎo)料槽的綜合除塵方案，并通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用，驗(yàn)證方案的可行性，本文的研究為其他煤礦煤倉的粉塵治理提供了參考價(jià)值。

1 木瓜煤礦煤倉頂部粉塵污染測試

木瓜煤礦設(shè)計(jì)產(chǎn)量為1.2 Mt/a，目前輸煤系統(tǒng)為10-209采煤工作面→10-209皮帶順槽→皮帶運(yùn)輸巷→940運(yùn)輸斜巷→101、103皮帶走廊→煤倉→汽車運(yùn)輸，其中煤炭運(yùn)輸量為800 t/h，皮帶長度為155 m，帶式輸送機(jī)提升高度為38 m，膠帶寬度為1 000 mm，膠帶速度為2.5 m/s.由于煤倉頂部作業(yè)人員少，無任何防塵措施，導(dǎo)致煤倉頂部粉塵污染嚴(yán)重超出國家標(biāo)準(zhǔn)。

為了準(zhǔn)確評價(jià)該區(qū)域粉塵對作業(yè)人員的危害，本文對煤倉頂部的粉塵濃度進(jìn)行測量，其中相關(guān)數(shù)據(jù)測量重點(diǎn)包括每個(gè)發(fā)塵部位的全塵濃度與可呼吸性粉塵的濃度。

1) 測量原理。

采集一定質(zhì)量的氣體，其中夾雜著煤塵，而后使其通過事先預(yù)備的濾膜，這時(shí)粉塵被阻留在上面，因?yàn)闉V膜質(zhì)量是經(jīng)過測定的量，第二次測量之后的質(zhì)量減去第一次測量的質(zhì)量可計(jì)算出濾膜殘留煤塵的質(zhì)量。

2) 測量方法：濾膜質(zhì)量法與光電直讀測塵法。

a) 濾膜質(zhì)量法。

濾膜法的具體步驟：事先預(yù)備好一定張數(shù)的濾膜然后對其稱量質(zhì)量；以實(shí)際作業(yè)場所依次選定采樣部位，然后實(shí)施采樣；把采集來的樣本用專用器械進(jìn)行烘干，再次測量其質(zhì)量；最后根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算，然后對誤差進(jìn)行檢驗(yàn)。

b) 光電直讀法。

光電直讀法測試能夠?qū)舛冗M(jìn)行測量應(yīng)用的原理是光電散射，換句話說，煤塵顆粒經(jīng)過強(qiáng)光的照射會反射一定量的光，而這些光的強(qiáng)度與煤塵顆粒的濃度呈現(xiàn)一定程度的線性關(guān)系，通過凸透鏡形成的光束將其看做是并列的，穿過濾紙到達(dá)硅光電池上。在這個(gè)過程中，從微安表可以讀出光電流大小變化，所以利用實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)煤塵濃度變化與光電流變化的關(guān)系，簡便地得出煤塵濃度。

對101和201機(jī)頭(即煤倉頂部)進(jìn)行粉塵濃度、呼吸性粉塵濃度等數(shù)據(jù)測試，粉塵濃度為280 mg/m3和呼吸性粉塵濃度為24 mg/m3，其粉塵分散度見表1.

表1 木瓜礦煤倉頂部粉塵分散度表

由表1可知，煤倉頂部的粉塵污染非常嚴(yán)重。因此，必須采取一種有效的控塵方案。本文通過數(shù)值模擬仿真技術(shù)對煤倉頂部控塵方案進(jìn)行模擬，研究負(fù)壓抽塵除塵的控塵機(jī)理及效果。

2 毛煤倉倉頂粉塵運(yùn)移數(shù)值模擬

粉塵能否運(yùn)動(dòng)主要是受到氣流運(yùn)動(dòng)的影響，因此，在研究粉塵運(yùn)移規(guī)律的時(shí)候主要通過氣固兩相流理論進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。以下為相關(guān)數(shù)學(xué)模型：

1) 氣體運(yùn)動(dòng)方程。

將空氣介質(zhì)視為不可壓縮黏性流體，假設(shè)溫度保持不變。

空氣的連續(xù)性方程為：

·Ug=0

(1)

式中：

Ug—?dú)怏w運(yùn)動(dòng)速度矢量，m/s.

氣體的流體運(yùn)動(dòng)動(dòng)量守恒方程為：

(2)

式中：

ρg—?dú)怏w密度，kg/m3；

t—時(shí)間，s；

F—單位體積氣體受到的質(zhì)量力，N/m3；

p—?dú)怏w的壓力，Pa；

μ—?dú)怏w的動(dòng)力黏性，Pa·s.

2) 粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)方程。

單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)方程可以由經(jīng)典的牛頓定律得出：

(3)

式中：

mp—粉塵的質(zhì)量，kg；

Up—粉塵的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；

F1—粉塵在氣流中所受的阻力，N；

F2—粉塵所受的重力，N；

F3—粉塵所受的浮力，N；

F4—粉塵所受的其它作用力，N.

3 粉塵治理技術(shù)方案優(yōu)化

煤倉是從煤層開采到運(yùn)輸?shù)妮斆合到y(tǒng)中最后一個(gè)環(huán)節(jié)，由于輸運(yùn)的物料通過皮帶機(jī)運(yùn)輸?shù)矫簜}頂部落入倉內(nèi)，其高速下落的物料對倉內(nèi)的空氣持續(xù)擠壓，導(dǎo)致倉內(nèi)空氣形成上升氣流。由于上升氣流與下落的煤塵相沖擊，使煤塵更加細(xì)化，并伴隨上升氣流向上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致煤倉頂部下料系統(tǒng)粉塵污染非常嚴(yán)重。并且當(dāng)前煤礦對煤倉頂部的粉塵治理認(rèn)識不到位，無控塵降塵裝置，因此，煤倉頂部皮帶下料處成為煤倉區(qū)域粉塵污染最為嚴(yán)重的地點(diǎn)。

通過對煤倉頂部的粉塵測試和觀察分析，提出延長煤倉頂部皮帶導(dǎo)料槽長度，并設(shè)置負(fù)壓抽塵裝置的綜合控塵方案。

3.1 煤倉頂部101皮帶設(shè)導(dǎo)料槽方案

為了能有效降低木瓜煤礦煤倉頂部的粉塵污染，并減少投資成本。首先對煤倉頂部皮帶僅安裝密封導(dǎo)料槽進(jìn)行了研究。皮帶僅安裝導(dǎo)料槽后，整個(gè)煤倉倉內(nèi)煤塵運(yùn)動(dòng)和煤塵濃度分布的模擬圖見圖1. 從圖1可以看出，在煤倉內(nèi)部由于落煤產(chǎn)生的沖擊波，造成煤塵向上運(yùn)動(dòng)，在安裝密封導(dǎo)料槽后，使煤塵被密封到皮帶輸送機(jī)內(nèi)，大大減少了煤倉頂部皮帶走廊的粉塵污染。

圖1 安設(shè)導(dǎo)料槽的煤倉內(nèi)煤塵運(yùn)動(dòng)、濃度分布模擬圖

煤倉頂部僅安設(shè)導(dǎo)料槽的皮帶走廊粉塵濃度分布圖見圖2. 從圖2可以看出，粉塵濃度在27～58mg/m3，較之前的280mg/m3的粉塵濃度大大降低，證明將煤倉頂部皮帶安設(shè)導(dǎo)料槽密封可以有效降低粉塵污染，但同時(shí)可以看出，僅安裝導(dǎo)料槽的粉塵濃度仍然超出國家規(guī)定的作業(yè)場所粉塵濃度標(biāo)準(zhǔn)，所以該方案雖然大大減少粉塵濃度，但還未達(dá)到徹底控塵的要求，因此還需結(jié)合其他除塵方式，進(jìn)行綜合除塵。

圖2 安設(shè)導(dǎo)料槽煤倉頂皮帶走廊煤塵濃度分布模擬圖

3.2 煤倉頂部皮帶安設(shè)導(dǎo)料槽和除塵器方案

由于僅安設(shè)導(dǎo)料槽無法滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，在安設(shè)導(dǎo)料槽的基礎(chǔ)上，增設(shè)負(fù)壓抽塵裝置，即單體布袋除塵器。煤倉頂部皮帶安設(shè)導(dǎo)料槽和除塵器后的倉內(nèi)煤塵運(yùn)動(dòng)和濃度分布模擬圖見圖3.

圖3 安設(shè)導(dǎo)料槽、除塵器煤倉內(nèi)煤塵運(yùn)動(dòng)、濃度模擬圖

從模擬結(jié)果可以看出，由于除塵器產(chǎn)生的負(fù)壓和落煤產(chǎn)生的上升氣流共同作用，粉塵由倉內(nèi)向上運(yùn)移，并全部收集到單體布袋除塵器內(nèi)；倉內(nèi)煤塵濃度明顯下降，頂部濃度為2 500～3 000mg/m3，表明單體袋式除塵器的安裝有明顯的控塵效果。

煤倉頂部皮帶走廊安設(shè)導(dǎo)料槽和袋式除塵器后的作業(yè)空間煤塵濃度分布模擬圖見圖4. 可以看出，在安裝導(dǎo)料槽的基礎(chǔ)上加設(shè)除塵器可大大降低作業(yè)空間粉塵濃度，濃度值為10mg/m3左右。通過模擬結(jié)果可知，密封導(dǎo)料槽和袋式除塵器的雙重作用，可以完全將皮帶機(jī)頭和皮帶機(jī)進(jìn)行密封，除塵器形成的負(fù)壓有效控制氣流對導(dǎo)料槽粉塵的沖擊，控制粉塵向外飛揚(yáng)，因此該控塵方案是有效可行的。

圖4 安設(shè)導(dǎo)料槽、除塵器煤倉頂煤塵濃度分布模擬圖

本文通過對煤倉頂部皮帶輸送機(jī)加設(shè)導(dǎo)料槽和除塵器進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示，粉塵濃度大大降低。在現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)過程中，效果更佳，煤倉頂部皮帶機(jī)加設(shè)導(dǎo)料槽和除塵器后的粉塵濃度經(jīng)測試為：5mg/m3，達(dá)到了國家對作業(yè)場所粉塵濃度的要求，證明該方案的可行性。

4 結(jié) 論

煤倉作為輸煤系統(tǒng)中重要環(huán)節(jié)，其煤倉倉頂?shù)钠ё呃仁欠蹓m污染最嚴(yán)重的區(qū)域之一。本文通過現(xiàn)場測試和觀察分析，并結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)對煤倉頂部粉塵治理方案進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論：

1) 通過現(xiàn)場測試與觀察得出煤倉頂部粉塵污染原因?yàn)椋河捎诿簜}落煤是一個(gè)高落差落煤的過程，其中的落料破碎、沖擊波風(fēng)流和誘導(dǎo)氣流相互耦合，造成粉塵隨上升氣流向倉口逸散，并且木瓜煤礦煤倉頂部皮帶輸送系統(tǒng)無任何防塵措施，導(dǎo)致煤倉頂部走廊粉塵污染嚴(yán)重。

2) 通過氣固兩相流理論和數(shù)值模擬技術(shù)，分別對煤倉頂部皮帶僅安設(shè)導(dǎo)料槽和除塵器配合導(dǎo)料槽的綜合除塵進(jìn)行數(shù)值模擬，得出安設(shè)導(dǎo)料槽和除塵器聯(lián)合降塵的綜合除塵方案能有效治理煤倉頂部粉塵污染，通過現(xiàn)場應(yīng)用，粉塵治理可以達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。

3) 由于數(shù)值模擬技術(shù)的局限性，本文所涉及的模擬仿真中數(shù)值和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)值還有一定的誤差，今后的主要研究方向?qū)⑹茄芯繑?shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

[1] 荊德吉，葛少成，劉 劍.歐拉-歐拉模型的落煤塔控塵技術(shù)研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，22(10):126-132.

[2] 葛少成，齊慶杰，邵良杉.選煤廠毛煤倉倉頂粉塵析出機(jī)理與控制技術(shù)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,26(3):325-327.

[3] 葛少成,齊慶杰,邵良杉.毛煤倉下粉塵污染原因及處理[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,26(4):485-487.

[4] 葛少成，邵良杉，齊慶杰.選煤廠轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)除塵方案模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,26(6):805-808.

[5] 馬云東,郭昭華,趙二夫.選煤廠粉塵產(chǎn)出機(jī)理及綜合治理方案研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,21(4):507-509.

[6] 荊德吉，葛少成.閉環(huán)回旋控塵技術(shù)的三維數(shù)值模擬研究[J].中國安全科學(xué)生產(chǎn)技術(shù)，2015，11(3):79-84.

[7] 紀(jì)俊紅,郭仁寧,李銳平.城市生活垃圾風(fēng)力分選中流場的數(shù)值模擬[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,24(S2):278-280.

[8] 荊德吉，葛少成.閉環(huán)回旋控塵技術(shù)的三維數(shù)值模擬研究[J].中國安全科學(xué)生產(chǎn)技術(shù)，2015，11(3):79-84.

[9] 岑可法,樊建人.工程氣固多項(xiàng)流動(dòng)的理論及計(jì)算[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1990:448-491.

[10] 荊德吉，葛少成，劉 劍，等.破碎站粉塵逸散規(guī)律及降塵技術(shù)的數(shù)值模擬及其應(yīng)用，環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2013,7(9)：3494-3500.

Numerical Simulation Research on Dust Control Technology in Top of Coalbunker in Mugua Coal Mine

DONG Wenjie, ZHI Gangbao

In order to effectively control the serious dust pollution problem of coal storage in the coalbunker in Huaguzhou Coal and Electricity Group, the pollution character of coal carrying system and coal bunker in MuGua coalmine is studied. By the field testing and observational analysis, the dust spread routines on the top of the coal bunker is obtained. Based on the theory of gas-solid two-phase flow and numerical simulation, the mechanism of dust control on the top of coal bunker is simulated, and the negative pressure dust extraction scheme is applied in the field. The results show that by the combination of negative pressure dust extraction method and the length extension of the material guiding trench, the dust escape in the coal bunker could be effectively controlled.

Dust pollution; Material guiding trench; Top of coal bunker; Negative pressure dust extraction

2016-09-08

董文杰(1971—)男，山西鄉(xiāng)寧人，1994年畢業(yè)于山西省煤炭工業(yè)學(xué)校，工程師，主要從事煤礦采煤、通風(fēng)技術(shù)及管理工作

(E-mail)dwj5663938@163.com

TD714

B

1672-0652(2016)10-0008-03