潮式噴射機(jī)控除塵技術(shù)數(shù)值模擬研究

魯軻，龔小兵

(中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司，重慶 400039)

0 引 言

錨噴網(wǎng)支護(hù)是煤礦井下巷道最常采用的一次支護(hù)，混凝土噴射技術(shù)在我國(guó)煤礦井下巷道錨噴網(wǎng)支護(hù)作業(yè)中應(yīng)用較為普遍[1-4]。目前混凝土噴射機(jī)主要類型有轉(zhuǎn)子式噴射機(jī)、泵送式噴射機(jī)和葉輪式噴射機(jī)等，其中轉(zhuǎn)子混凝土噴射機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、易操作維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦井下混凝土噴射作業(yè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用[5-7]。但是采用轉(zhuǎn)子混凝土噴射機(jī)進(jìn)行潮式噴漿作業(yè)過程中，由于缺乏相應(yīng)配套上料及控除塵設(shè)備[8]，在噴射機(jī)人工上料和工作過程中會(huì)有大量粉塵從上料口和噴射機(jī)機(jī)身縫隙隨氣流擴(kuò)散到巷道，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的粉塵污染[9-10]。噴射機(jī)運(yùn)行過程中無防塵措施狀況下其粉塵質(zhì)量濃度一般在200～500 mg/m3，而錨噴工作面粉塵以水泥塵為主，水泥塵中呼吸性粉塵含量達(dá)20%左右[11]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我國(guó)《煤礦作業(yè)場(chǎng)所職業(yè)病危害防治規(guī)定》中的要求，對(duì)操作人員的身體健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

針對(duì)轉(zhuǎn)子式噴射機(jī)上料口和機(jī)身周圍產(chǎn)塵質(zhì)量濃度過大問題，本文提出一種基于負(fù)壓引射技術(shù)的噴射機(jī)上料及控除塵方案，設(shè)計(jì)控塵罩對(duì)噴射機(jī)機(jī)身和自動(dòng)上料裝置進(jìn)行密封，通過環(huán)縫式空氣引射器產(chǎn)塵的負(fù)壓將噴射機(jī)機(jī)身和上料口產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行抽吸并處理。采用FLUENT軟件對(duì)控塵罩內(nèi)的流場(chǎng)分布及粉塵運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，確定最佳的負(fù)壓參數(shù)并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 潮式噴射機(jī)控除塵系統(tǒng)

潮式噴射機(jī)在工作過程中，采用人工上料方式，上料口會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，同時(shí)機(jī)身縫隙連接處會(huì)有粉塵隨氣流飛出，粉塵擴(kuò)散到巷道中會(huì)嚴(yán)重污染巷道內(nèi)的作業(yè)空間。為了對(duì)上料口和機(jī)身縫隙處的粉塵進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)封閉結(jié)構(gòu)對(duì)上料口和機(jī)身縫隙處的粉塵進(jìn)行控制，同時(shí)采用濕式除塵器對(duì)粉塵進(jìn)行凈化處理。濕式除塵器通過環(huán)縫式空氣引射器產(chǎn)生負(fù)壓，對(duì)含塵氣流進(jìn)行微負(fù)壓抽吸。上料口和機(jī)身縫隙處的負(fù)壓大小對(duì)除塵效果影響較大，為了研究除塵器最佳的抽吸風(fēng)量和負(fù)壓對(duì)潮式噴射機(jī)控塵效果的影響，本文通過Fluent對(duì)潮式噴射機(jī)控除塵系統(tǒng)進(jìn)行模擬，擬找出最佳的控除塵技術(shù)參數(shù)。試驗(yàn)整機(jī)如圖1所示，除塵裝置結(jié)構(gòu)見圖2，本裝置使用PC6U型轉(zhuǎn)子式混凝土噴射機(jī)，未改進(jìn)前上料高度達(dá)到1.2 m。采用刮板輸送機(jī)上料后，上料高度僅0.4 m，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；采用控塵罩對(duì)刮板輸送機(jī)和PC6U型轉(zhuǎn)子式混凝土噴射機(jī)進(jìn)行密封處理,并通過除塵器中的環(huán)縫式空氣引射器產(chǎn)生的負(fù)壓進(jìn)行抽吸,防止粉塵擴(kuò)散，含塵氣流通過除塵器進(jìn)行凈化處理，最后進(jìn)行脫水處理并排出。

1-噴射機(jī);2-控塵罩;3-除塵器;4-刮板輸送機(jī)

1-噴射機(jī)抽塵管道；2-刮板機(jī)抽塵管道；3-噴嘴；4-過濾網(wǎng)；5-沖洗噴嘴；6-環(huán)縫式空氣引射器；7-脫水器；8-排污口

為了取得最佳的潮式噴射機(jī)控塵效果，對(duì)上料口和機(jī)身縫隙處不同負(fù)壓的控塵效果進(jìn)行模擬研究，以找出最佳的負(fù)壓參數(shù)。

2 數(shù)值模型建立及邊界條件設(shè)置

2.1 潮式噴射機(jī)模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)潮式噴射機(jī)除塵系統(tǒng)的外形尺寸及結(jié)構(gòu)建立數(shù)值模擬模型，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，省略對(duì)流場(chǎng)影響較小的結(jié)構(gòu)，模型結(jié)構(gòu)見圖3。模型網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共劃分約6×106個(gè)網(wǎng)格。

圖3 潮式噴射機(jī)數(shù)值模型示意圖

模型入口1模擬噴射機(jī)上料口，入口2和入口3模擬噴射機(jī)機(jī)身縫隙，F(xiàn)AN采用Exhaust Fan邊界條件模擬引射器產(chǎn)生的負(fù)壓效果，濕式除塵器腔體內(nèi)設(shè)置捕塵面，模擬濕式除塵器的除塵作用。

2.2 模型及邊界條件設(shè)置

在ANSYS ICEM CFD中初步設(shè)置該幾何模型的邊界條件后，將該模型導(dǎo)入FLUENT進(jìn)一步設(shè)置求解類型、噴射源參數(shù)、湍流模型、離散相模型等計(jì)算模型參數(shù)設(shè)置，分別如表1～3所示。其中，由于氣固兩相流是不可壓縮的，采用非耦合隱式求解法[12]。采用離散型模型準(zhǔn)確描述流場(chǎng)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，在拉格朗日坐標(biāo)下模擬流場(chǎng)中的粉塵顆粒，采用k-ε湍流模型求解混合相的動(dòng)量方程、第2相的體積分?jǐn)?shù)方程以及相對(duì)速度的代數(shù)表示，離散方法采用有限體積法，在考慮湍流對(duì)離散相軌跡的影響時(shí)主要考慮顆粒運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，選擇隨機(jī)軌跡模型[13-15]。

表1 模型基本設(shè)定

表2 離散相參數(shù)設(shè)定

表3 工作面粒子噴射源參數(shù)設(shè)定

模型入口1設(shè)置為Pressure Inlet邊界條件，入口2和入口3設(shè)置為Velocity Inlet邊界條件，濕式除塵器腔體內(nèi)部設(shè)置為Exhaust Fan邊界條件，出口設(shè)置為Outlet邊界條件，其余設(shè)置為壁面邊界條件[16-17]。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 不同負(fù)壓條件下粉塵質(zhì)量濃度云圖

設(shè)置Exhaust Fan邊界條件負(fù)壓分別為1 000，1 300，1 600，1 900，2 200 Pa，對(duì)模型中的流場(chǎng)分布及粉塵分布進(jìn)行模擬研究，通過數(shù)值模擬軟件計(jì)算至模型收斂，得到數(shù)值模擬結(jié)果。對(duì)不同負(fù)壓條件下上料刮板機(jī)腔體和噴射機(jī)控塵罩內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度分布流場(chǎng)云圖進(jìn)行截取，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同負(fù)壓條件下粉塵質(zhì)量濃度分布云圖

通過模擬結(jié)果可知，Exhaust Fan邊界條件負(fù)壓設(shè)置為1 000 Pa時(shí)，上料刮板機(jī)腔體和噴射機(jī)控塵罩內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度較高，受到的抽吸作用較小，仍有大量粉塵殘留在上料刮板機(jī)腔體和噴射機(jī)控塵罩內(nèi)；Exhaust Fan邊界條件負(fù)壓設(shè)置為1 300 Pa時(shí)，上料刮板機(jī)腔體和噴射機(jī)控塵罩內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度減小，此時(shí)控塵效果較好。

3.2 模擬結(jié)果分析

在刮板機(jī)內(nèi)部中心線上設(shè)置10個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)布置見圖5。對(duì)不同負(fù)壓條件的采樣點(diǎn)粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖6。

圖5 采樣點(diǎn)布置示意圖

圖6 粉塵質(zhì)量濃度采樣結(jié)果對(duì)比

對(duì)不同負(fù)壓條件的采樣點(diǎn)進(jìn)行粉塵質(zhì)量濃度采樣，可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)壓為1 000 Pa時(shí)，上料刮板機(jī)腔體內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度為300～350 mg/m3；負(fù)壓增大到1 300 Pa時(shí)，1號(hào)和2號(hào)采樣點(diǎn)粉塵質(zhì)量濃度仍較高，3號(hào)～10號(hào)采樣點(diǎn)粉塵質(zhì)量濃度已經(jīng)降低到50 mg/m3以下，控塵效果較好；同時(shí)由圖6可以看出，負(fù)壓繼續(xù)增大，控塵效果變化已不明顯。數(shù)值模擬結(jié)果表明，基于負(fù)壓引射技術(shù)的噴射機(jī)上料及控除塵裝置可以有效控制上料口和噴射機(jī)機(jī)身粉塵擴(kuò)散問題。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為考察潮式噴射機(jī)上料及控除塵裝置的實(shí)際應(yīng)用效果，在重慶南桐礦業(yè)有限責(zé)任公司紅巖煤礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，以考察設(shè)備在煤礦現(xiàn)場(chǎng)的使用性能，主要對(duì)設(shè)備的除塵效果進(jìn)行驗(yàn)證。

試驗(yàn)地點(diǎn)位于紅巖煤礦運(yùn)輸大巷。巷道采用錨桿支護(hù)形式，斷面為圓弧拱形，凈寬4.6 m，墻高2.1 m，拱高1.15 m，掘進(jìn)面面積13.68 m2，凈面積11.47 m2。采用對(duì)旋式局部通風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)，風(fēng)量124 m3/min。

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)上料及控除塵裝置的控塵效果進(jìn)行考察。壓風(fēng)管路為除塵器內(nèi)部的環(huán)縫式空氣引射器提供壓縮空氣，噴射機(jī)上料及控除塵裝置使用除塵器內(nèi)部的環(huán)縫式空氣引射器產(chǎn)生的負(fù)壓對(duì)上料口和機(jī)身縫隙處的含塵氣流進(jìn)行抽吸，并在除塵器內(nèi)部采用濕式過濾除塵方式對(duì)粉塵進(jìn)行處理，處理過后的氣流排入巷道中。分別對(duì)引射器負(fù)壓為1 000，1 300，1 600 Pa時(shí)的除塵效果進(jìn)行測(cè)試。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參照?qǐng)D7，現(xiàn)場(chǎng)布置2個(gè)粉塵質(zhì)量濃度采樣點(diǎn)，分別為噴射機(jī)上料口處和噴射機(jī)下風(fēng)側(cè)5 m處，參照GBZ/T192.1-2007 《工作場(chǎng)所空氣中粉塵測(cè)定》中的粉塵質(zhì)量濃度測(cè)試方法，對(duì)2個(gè)測(cè)點(diǎn)位置處應(yīng)用上料及控除塵裝置前后的粉塵濃度進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)采集的粉塵樣品進(jìn)行粒度分析。每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試2組，結(jié)果取平均值，計(jì)算應(yīng)用上料及控除塵裝置前后的總粉塵濃度和呼吸性粉塵濃度。測(cè)試結(jié)果見表4～5。

表4 噴射機(jī)上料口處粉塵質(zhì)量濃度測(cè)試結(jié)果

1-噴漿管；2-噴射機(jī)及控塵罩；3-除塵器；4-刮板輸送機(jī)；5-鐵軌；6-排水溝；7-壓風(fēng)管；8-主供水管；9-耙渣機(jī)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，應(yīng)用上料及控除塵裝置后，噴射機(jī)上料口處和下風(fēng)側(cè)5 m處粉塵質(zhì)量濃度得到了有效控制，適當(dāng)增大引射器負(fù)壓可以提高降塵效率：引射器負(fù)壓為1 300 Pa時(shí)，噴射機(jī)上料口處總粉塵降塵效率達(dá)到了89.35%，呼吸性粉塵降塵效率達(dá)到了90.38%；噴射機(jī)下風(fēng)側(cè)5 m處總粉塵降塵效率達(dá)到了85.83%，呼吸性粉塵降塵效率達(dá)到了86.98%以上；負(fù)壓增大到1 600 Pa時(shí)，降塵效率提高已不明顯。

5 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

(1)基于負(fù)壓引射技術(shù)的噴射機(jī)上料及控除塵裝置可以有效控制上料口和噴射機(jī)機(jī)身粉塵擴(kuò)散問題。

表5 噴射機(jī)下風(fēng)側(cè)5 m處粉塵質(zhì)量濃度測(cè)試結(jié)果

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，負(fù)壓為1 300 Pa時(shí)，上料刮板機(jī)腔體和噴射機(jī)控塵罩內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度較小，降低到50 mg/m3以下，取得了較好的控塵效果。

(3)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，應(yīng)用上料及控除塵裝置后，噴射機(jī)上料口處和下風(fēng)側(cè)5 m處粉塵質(zhì)量濃度得到了有效控制，適當(dāng)增大引射器負(fù)壓可以提高降塵效率。引射器負(fù)壓為1 300 Pa時(shí)，噴射機(jī)上料口處總粉塵降塵效率和呼吸性粉塵降塵效率分別達(dá)到了89.35%和90.38%；噴射機(jī)下風(fēng)側(cè)5 m處總粉塵降塵效率和呼吸性粉塵降塵效率分別達(dá)到了85.83%和86.98%；負(fù)壓增大到1 600 Pa時(shí)，降塵效率提高已不明顯。