噴漿機(jī)濕式除塵器防粘技術(shù)研究

丁志權(quán)，李德文，謝俊生

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045008)

錨噴工作面作為煤礦井下作業(yè)的重要場(chǎng)所，其高效、安全、有序的作業(yè)過程對(duì)礦井生產(chǎn)意義重大[1-3]。錨噴工作面噴漿作業(yè)會(huì)產(chǎn)生較高濃度的水泥粉塵，潮式噴漿時(shí)噴漿機(jī)周圍的粉塵質(zhì)量濃度可達(dá)600 mg/m3[4-5]。水泥粉塵不同于煤塵和巖塵，其具有極強(qiáng)的粘結(jié)性，治理難度大[6-7]。廣泛應(yīng)用于煤礦井下采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)場(chǎng)所的濕式除塵器[8-11]，在用于錨噴工作面除塵時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的水泥粉塵粘結(jié)除塵器器壁、濾網(wǎng)等問題，除塵器難以正常運(yùn)行。為解決此問題，蔣云國[12]曾經(jīng)針對(duì)除塵器葉輪水泥粉塵粘結(jié)問題進(jìn)行了研究，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決了葉輪輪轂的水泥粉塵粘結(jié)問題；趙文彬等[13]通過對(duì)強(qiáng)粘接性焦煤粉塵特性開展研究，提高了焦煤粉塵的降塵效率。筆者擬通過對(duì)不同風(fēng)速條件下除塵器內(nèi)部粉塵沉積規(guī)律進(jìn)行模擬研究，找出最佳抽塵風(fēng)速；提出解決濕式除塵器水泥粉塵粘結(jié)問題的方法，然后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 濕式除塵器的工作原理及粉塵粘結(jié)原因分析

1.1 除塵器結(jié)構(gòu)及工作原理

針對(duì)煤礦井下錨噴工作面上料濕式除塵器進(jìn)行模擬研究。該濕式除塵器的結(jié)構(gòu)類似于孔口除塵器[14]，主要由外殼、濾網(wǎng)、噴霧裝置、脫水器、空氣引射器等組成，其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。其中，濾網(wǎng)為一個(gè)長470 mm、寬400 mm的矩形鋼絲網(wǎng)(共2層，網(wǎng)孔尺寸為250 μm)，面積為0.188 m2，與抽塵管道軸線成60°夾角布置；空氣引射器入口內(nèi)壁面積為0.09 m2。

1—抽塵管道；2—進(jìn)水口；3—濾網(wǎng)；4—空氣引射器；5—導(dǎo)流板；6—排污口；7—脫水器。

濕式除塵器工作原理：在空氣引射器產(chǎn)生的負(fù)壓作用下，含塵氣流通過進(jìn)氣口被抽入除塵器箱體內(nèi)，在流經(jīng)由噴嘴噴出并經(jīng)導(dǎo)流板形成的水幕水霧時(shí)，水泥粉塵與水霧顆粒經(jīng)過慣性碰撞、攔截及擴(kuò)散等作用混合后，大部分被濾網(wǎng)攔截，并在重力作用下順著濾網(wǎng)流至排污口排出，另有一小部分細(xì)微粉塵通過濾網(wǎng)進(jìn)入后方空間，最后經(jīng)過脫水被再次凈化除去。

1.2 水泥粉塵粘結(jié)原因分析

由于濾網(wǎng)不能將含塵氣流中的全部粉塵除凈，一小部分細(xì)微粉塵及從縫隙“逃逸”過去的粉塵漂浮在濾網(wǎng)后方空間，將會(huì)沉積粘附在除塵器內(nèi)壁和濾網(wǎng)上，如果清理不及時(shí)，則將導(dǎo)致除塵器阻力增大，降低空氣引射器抽塵能力，最終導(dǎo)致除塵效率下降。

分析可知，水泥粉塵自身的物理化學(xué)特性，以及沉積在物體表面后不能及時(shí)得到清除，是濕式除塵器產(chǎn)生水泥粉塵粘結(jié)的重要原因。

2 基于Fluent軟件的流場(chǎng)模擬結(jié)果與分析

計(jì)算流體力學(xué)軟件[15]作為新型研究流體力學(xué)的技術(shù)工具，因其具有功能齊全、使用方便、安全快捷等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天、航海及其他許多涉及流體力學(xué)研究的領(lǐng)域[16-18]。在除塵器流場(chǎng)模擬方面，應(yīng)用Fluent模擬軟件可以更好地解決除塵器一些設(shè)計(jì)上的不足[19-20]，為優(yōu)化除塵器結(jié)構(gòu)提供技術(shù)支撐。筆者采用Fluent模擬軟件，針對(duì)除塵器的箱體部分進(jìn)行模擬研究，并對(duì)濾網(wǎng)和空氣引射器入口內(nèi)壁部分粉塵沉積量進(jìn)行分析。

對(duì)濾網(wǎng)和空氣引射器入口內(nèi)壁的粉塵沉積量進(jìn)行量化處理。以濾網(wǎng)正中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，坐標(biāo)軸設(shè)置如圖2所示。

1—濾網(wǎng)；2—空氣引射器入口；3—排污口。

通過計(jì)算不同x處沿垂直于x方向上的沉積粉塵總量，得到不同風(fēng)速條件下濾網(wǎng)和空氣引射器入口內(nèi)壁的粉塵沉積質(zhì)量分布規(guī)律，如圖3～4所示。

圖3 不同風(fēng)速條件下濾網(wǎng)粉塵沉積質(zhì)量分布規(guī)律

圖4 不同風(fēng)速條件下空氣引射器入口內(nèi)壁粉塵沉積質(zhì)量分布規(guī)律

由圖3可見，濾網(wǎng)沿x軸負(fù)方向粉塵沉積質(zhì)量要少于沿x軸正方向，從左至右，當(dāng)?shù)竭_(dá)中間位置時(shí)，粉塵沉積質(zhì)量明顯增大，之后基本穩(wěn)定，總體呈增大趨勢(shì)；隨著風(fēng)速增大，濾網(wǎng)的粉塵沉積質(zhì)量增大。

由圖4可見，粉塵沉積質(zhì)量從左至右先突降，然后逐漸升高；當(dāng)風(fēng)速增大到1.5 m/s時(shí)，粉塵沉積質(zhì)量達(dá)到最大；在風(fēng)速增大至2.0 m/s時(shí)，粉塵沉積量反而有所下降。

綜合圖3、圖4分析得出，要想同時(shí)將除塵器濾網(wǎng)和空氣引射器入口內(nèi)壁的粉塵沉積質(zhì)量控制在一個(gè)較低的水平，濕式除塵器入口風(fēng)速應(yīng)取1.0 m/s 左右。

在風(fēng)速為1.0 m/s的情況下，濾網(wǎng)和空氣引射器入口內(nèi)壁的全部粉塵粘結(jié)質(zhì)量分別為2.11、0.42 kg。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 最佳風(fēng)速的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由圓盤給料機(jī)、測(cè)塵管道、水泵、風(fēng)機(jī)、除塵器箱體等組成，如圖5所示。

1—圓盤給料機(jī)；2—噴槍；3—測(cè)塵管道；4—U型管壓力計(jì)；5—導(dǎo)流板；6—水壓調(diào)節(jié)閥；7—流量計(jì)；8—水泵；9—風(fēng)機(jī)；10—沖洗噴嘴；11—濾網(wǎng)；12—排污口。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)風(fēng)速為1.0 m/s左右時(shí)粉塵沉積量最少，因此設(shè)置實(shí)驗(yàn)風(fēng)速分別為0.8、1.0、1.2、1.5 m/s；圓盤給料機(jī)的質(zhì)量流量為 1 g/s(與模擬設(shè)置相同)。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，打開噴嘴供水閥并調(diào)節(jié)水壓至所需值。在實(shí)驗(yàn)持續(xù)10 min后，分別測(cè)量濾網(wǎng)及對(duì)應(yīng)空氣引射器入口內(nèi)壁的粉塵粘結(jié)質(zhì)量，結(jié)果見表1。

設(shè)不同風(fēng)速條件下濾網(wǎng)粉塵粘結(jié)質(zhì)量為ml，i(i為風(fēng)速值)，由表1中數(shù)據(jù)可以看出：濾網(wǎng)粉塵粘結(jié)質(zhì)量ml，0.8>ml，1.0>ml，1.2>ml，1.5；又設(shè)空氣引射器入口內(nèi)壁粉塵粘結(jié)質(zhì)量為mr，i(i為風(fēng)速值)，空氣引射器入口內(nèi)壁粉塵粘結(jié)質(zhì)量mr，1.2>mr，1.5>mr，1.0>mr，0.8。綜合來看，風(fēng)速為1.0 m/s時(shí)粉塵粘結(jié)質(zhì)量較低。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本相符，所以最佳的風(fēng)速為1.0 m/s左右。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果

采用噴霧和外加緩凝劑的方式，擬解決水泥粉塵粘結(jié)濾網(wǎng)及空氣引射器入口內(nèi)壁的問題。一是在除塵器濾網(wǎng)后方加上2個(gè)不同方向的沖洗噴嘴，以噴霧的方式捕集粉塵，并及時(shí)沖洗濾網(wǎng)和空氣引射器入口內(nèi)壁上粘結(jié)的粉塵；二是在噴霧水中加入緩凝劑葡萄糖酸鈉，以延長潤濕的水泥粉塵固化時(shí)間，從而便于及時(shí)將粉塵沖洗凈化。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

采用圖5所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展?jié)袷匠龎m器防粘技術(shù)研究，主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)圓盤給料機(jī)按照質(zhì)量流量為1 g/s供給水泥粉塵，粉塵在風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓抽吸作用下通過測(cè)塵管道進(jìn)入除塵器箱體，風(fēng)速為1.0 m/s左右；

2)打開左、右水壓調(diào)節(jié)閥6，中間閥關(guān)閉，實(shí)驗(yàn)時(shí)間10 min，取粘結(jié)粉塵進(jìn)行稱重；

3)在步驟2)中條件不變的情況下，調(diào)節(jié)沖洗噴嘴水壓調(diào)節(jié)閥，通過流量計(jì)7得出不同流量下的粉塵粘結(jié)量，確定最佳的噴霧流量；

4)在步驟3)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果下，在噴霧水中添加葡萄糖酸鈉溶液，溶液中葡萄糖酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%、0.5%、1.0%、1.5%，測(cè)量在不同葡萄糖酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)的粉塵粘結(jié)質(zhì)量；

5)在步驟3)、步驟4)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果下，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量粉塵粘結(jié)質(zhì)量。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1)通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出濾網(wǎng)、空氣引射器入口內(nèi)壁粉塵粘結(jié)質(zhì)量與噴霧流量的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 粉塵粘結(jié)質(zhì)量與噴霧流量的關(guān)系曲線

由圖6可知，粉塵的粘結(jié)質(zhì)量隨著噴霧流量的增加先降低后趨于平緩，在噴霧流量為2.5 L/min時(shí)，濾網(wǎng)及空氣引射器入口內(nèi)壁2個(gè)位置的粉塵粘結(jié)質(zhì)量都降至較低水平，且隨著噴霧流量的繼續(xù)增加而降低幅度很小。可以得出，最佳的噴霧流量為 2.5 L/min，選用的噴嘴參數(shù)如表2所示。

表2 噴嘴的技術(shù)參數(shù)

2)在噴霧流量為2.5 L/min的條件下，實(shí)驗(yàn)得出濾網(wǎng)、空氣引射器入口內(nèi)壁粉塵粘結(jié)質(zhì)量與葡萄糖酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 粉塵粘結(jié)質(zhì)量與葡萄糖酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線

由圖7可知，粉塵粘結(jié)質(zhì)量隨著葡萄糖酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先降低后趨于平緩，在葡萄糖酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，濾網(wǎng)及空氣引射器入口內(nèi)壁2個(gè)位置的粉塵粘結(jié)質(zhì)量都降至較低水平，且隨著葡萄糖酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加而幾乎不再下降。可以得出，最佳的葡萄糖酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%。

3)一般而言，粉塵粘結(jié)質(zhì)量將隨著時(shí)間的推移而增大，為此進(jìn)行了粉塵粘結(jié)質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 粉塵粘結(jié)質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系曲線

由圖8可見，粉塵粘結(jié)質(zhì)量隨著時(shí)間的推移開始時(shí)微有增加，之后基本不變，保持穩(wěn)定。

在除塵器濾網(wǎng)后方加上2個(gè)不同方向的沖洗噴嘴、在噴霧水中加入葡萄糖酸鈉這兩種防粘措施實(shí)施后，濾網(wǎng)和空氣引射器入口內(nèi)壁的粉塵粘結(jié)質(zhì)量分別由1.87、0.15 kg降至0.010、0.005 kg，分別下降了99.5%、99.3%，防粘效果較好。

4 結(jié)論

1)通過數(shù)值模擬，得到了不同風(fēng)速條件下濕式除塵器濾網(wǎng)和空氣引射器入口內(nèi)壁的粉塵沉積規(guī)律，由此優(yōu)選出除塵器抽塵風(fēng)速為1.0 m/s左右，并通過實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證；

2)采用噴霧及外加緩凝劑葡萄糖酸鈉的方式，解決了水泥粉塵粘結(jié)濾網(wǎng)和空氣引射器入口內(nèi)壁的問題，并確定了最佳的技術(shù)參數(shù)：每個(gè)沖洗噴嘴的噴霧流量為2.5 L/min、添加溶液中的葡萄糖酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%；

3)采用噴霧及外加緩凝劑的防粘技術(shù)方案，使?jié)袷匠龎m器濾網(wǎng)和空氣引射器入口內(nèi)壁的水泥粉塵粘結(jié)質(zhì)量分別下降了99.5%、99.3%，并且隨著時(shí)間的推移，粉塵粘結(jié)質(zhì)量再無明顯增加，有效解決了粉塵粘結(jié)問題。