選煤廠并行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)煤塵污染規(guī)律研究

荊德吉，馬紀(jì)闖，張 天，任帥帥

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（遼寧工程技術(shù)大學(xué)），遼寧 阜新 123000）

近些年選煤廠粉塵污染問題日益嚴(yán)重，造成選煤廠粉塵污染的原因主要是生產(chǎn)作業(yè)過程中帶式輸送機(jī)運(yùn)輸產(chǎn)生的大量粉塵。粉塵對(duì)人體傷害極大，長期處于高濃度的煤塵作業(yè)環(huán)境中的職工人員極易罹患?jí)m肺病[1-2]，給工作人員的身心健康造成了極大的影響，嚴(yán)重者甚至危及生命，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。粉塵不僅僅對(duì)人員造成傷害同時(shí)對(duì)設(shè)備也會(huì)造成損壞，粉塵附著在設(shè)備表面加快設(shè)備的磨損度，減少設(shè)備的使用壽命[4]。綜上分析，對(duì)選煤廠帶式輸送機(jī)運(yùn)輸過程的粉塵治理研究至關(guān)重要。

目前，眾多學(xué)者對(duì)粉塵的治理進(jìn)行大量研究。陳曦等[5]模擬了不同誘導(dǎo)氣流條件下霧滴粒徑的分布特性，確定了誘導(dǎo)氣流對(duì)噴霧降塵的影響規(guī)律；陳舉師等[6]建立了運(yùn)輸巷相似模型，發(fā)現(xiàn)巷道平均風(fēng)速及輸送帶運(yùn)行速度是影響粉塵濃度分布的2 大主要因素；朱鵬等[7]通過對(duì)不同邊界條件下的粉塵分布運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到輸送帶運(yùn)行速度越大粉塵濃度越高；劉威等[8]對(duì)運(yùn)輸巷道粉塵運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，確定了巷道內(nèi)粉塵運(yùn)移規(guī)律，巷道內(nèi)粉塵濃度大小與輸送帶運(yùn)行速度成正比；楊澤安等[9]通過對(duì)綜掘工作面風(fēng)流、煤塵和噴霧液滴進(jìn)行耦合數(shù)值模擬，得到煤塵和噴霧液滴在風(fēng)流作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；魏德寧等[10]通過相似實(shí)驗(yàn)研究了巷道風(fēng)速條件、帶式輸送機(jī)運(yùn)輸速度和煤料含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素對(duì)運(yùn)輸巷粉塵污染情況的影響；王鵬飛等[11]、馬威[12]研究了氣水噴霧霧化特性及降塵效率，分析了粉塵中位徑及粒徑分布指數(shù)對(duì)降塵效率的影響；FANG 等[13]通過噴霧降塵實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同粒徑細(xì)水霧的主要捕塵階段不同；曹廣遠(yuǎn)等[14]基于微米級(jí)水霧降塵技術(shù)原理研制了煤礦井下巷道內(nèi)降塵設(shè)備，發(fā)現(xiàn)微米級(jí)水霧降塵技術(shù)相對(duì)于普通噴淋水幕具有更好的降塵效果。

盡管很多學(xué)者針對(duì)帶式輸送機(jī)的粉塵治理進(jìn)行大量研究，但并未針對(duì)并行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性研究。大多數(shù)選煤廠均存在并行帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，因此對(duì)于并行帶式輸送機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的粉塵污染研究變得尤為重要。為此，對(duì)影響并行帶式輸送機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)風(fēng)流場(chǎng)的因素進(jìn)行分析，確定并行帶式輸送機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的風(fēng)流及粉塵運(yùn)移規(guī)律，為選煤廠的粉塵治理提供理論依據(jù)。

1 并行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型

黃玉川選煤廠并行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)風(fēng)流沿輸送帶走廊經(jīng)連接處吹向車間內(nèi)部，車間生產(chǎn)過程中，風(fēng)流經(jīng)過人行走廊門口、吊裝口及門窗向外流出。同時(shí)由樓上向下落料將二樓少部分氣流誘導(dǎo)至一樓與環(huán)境風(fēng)流混合共同組成背景風(fēng)流場(chǎng)。據(jù)此根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)CFD 與離散元DEM 原理，依據(jù)背景風(fēng)流穩(wěn)態(tài)計(jì)算與顆粒粒子追蹤的方法，在COMSOL 軟件中采用湍流與顆粒運(yùn)動(dòng)模塊進(jìn)行建模和模擬。

根據(jù)氣固兩相流理論，按照牛頓第二定律展開對(duì)粉塵進(jìn)行系統(tǒng)的受理分析，建立選煤廠準(zhǔn)備車間粉塵顆粒動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)[15]：

式中：mp為粉塵的質(zhì)量，mg；t 為時(shí)間，s；up為粉塵速度，m/s；Fg為粉塵重力，N；Ff為粉塵在空氣中的浮力，N；Fd為粉塵受到的曳力，N；Fx為其他作用力，N。

通常k-ε 湍流模型是一種較好收斂和精度較高的湍流模型，其控制方程分為：

湍流動(dòng)能方程（k 方程）：

湍流能量耗散率方程（ε 方程）：

式中：ρ 為氣體密度，kg/m3；k 為湍動(dòng)能，m2/s2；ε為湍動(dòng)能耗散率，m2/s3；u 為風(fēng)速，m/s；μ 為層流黏度，Pa·s；μT為湍流黏度系數(shù)，Pa·s；σk為k 方程的湍流普朗特?cái)?shù)，σk=1.0；Pk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能生成項(xiàng)；σε為ε 的普朗系數(shù)，σε=1.3；Cε1、Cε2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，Cε1=1.44，Cε2=1.92。

1.2 物理模型

并行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的幾何模型圖如圖1。

圖1 并行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的幾何模型圖Fig.1 Geometric model diagram of a parallel belt conveyor running system

建立的幾何模型由2 條帶式輸送機(jī)、5 個(gè)落料口、輸送帶走廊、輸送帶密封槽、機(jī)尾、墻壁，輸送帶走廊連接處擋塵簾、左側(cè)大型構(gòu)筑物構(gòu)成。3001 帶式輸送機(jī)和3002 帶式輸送機(jī)共用1 條輸送帶走廊，走廊及走廊內(nèi)輸送帶與水平面呈20°角。輸送帶走廊內(nèi)3001 帶式輸送機(jī)長約33 m，3002 帶式輸送機(jī)長約22 m。車間高3.8 m，輸送帶密封槽上沿距地面2 m，其他幾何建模細(xì)節(jié)均按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量繪制。

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件和參數(shù)

網(wǎng)格劃分在保證計(jì)算精度的同時(shí)保證運(yùn)算效率。因此，在2 條帶式輸送機(jī)附近及走廊內(nèi)采用了流體力學(xué)細(xì)化自由四面體劃分，其他區(qū)域采用流體力學(xué)較粗自由四面體劃分。網(wǎng)格劃分如圖2，網(wǎng)格質(zhì)量信息如圖3。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division

圖3 網(wǎng)格質(zhì)量信息Fig.3 Grid quality statistics

建立網(wǎng)格數(shù)共953 617 個(gè)，其中四面體數(shù)862 873，三角形78 461，邊單元6 274，頂點(diǎn)173，最小單元質(zhì)量為0.048 18，平均單元質(zhì)量為0.657 7。由圖2和圖3 可知：網(wǎng)格粗細(xì)連續(xù)且分布層次清晰，單元質(zhì)量增長率位于0.4～1 之間，所設(shè)定網(wǎng)格質(zhì)量良好，滿足計(jì)算要求。

按照模型參數(shù)進(jìn)行模擬設(shè)置，求解模型參數(shù)及邊界條件設(shè)定如下：①落料誘導(dǎo)氣流速度：0.36 m/s；②粗糙度系數(shù)：0.26；③煤流高度：100 mm；④輸送帶運(yùn)行速度：3.27 m/s；⑤煤塵密度：1.63 kg/m3；⑥空氣密度：1.27 kg/m3；⑦動(dòng)力黏度：1.814×10-5Pa·s；⑧入口條件：速度入口；⑨出口條件：壓力出口；⑩壁設(shè)置：無滑移。

1.4 有效性驗(yàn)證

本次模型通過風(fēng)流情況進(jìn)行有效性驗(yàn)證，通過對(duì)比數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證模型有效性。當(dāng)工作空間內(nèi)的流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，設(shè)置5 個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量3 次，并將平均值與模擬結(jié)果相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的風(fēng)流速度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

對(duì)比研究表明，測(cè)量點(diǎn)的風(fēng)流速度與模擬結(jié)果之間的最大誤差僅為8.34%，這表明數(shù)值模型與實(shí)際情況是一致的。因此得出該數(shù)值模型能準(zhǔn)確性。

2 模擬結(jié)果

2.1 風(fēng)流場(chǎng)模擬結(jié)果

通過更改誘導(dǎo)氣流[16]大小以及走廊風(fēng)速進(jìn)行多次數(shù)值模擬，通過模擬得到的風(fēng)流場(chǎng)流線圖分析影響并行輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)風(fēng)流運(yùn)移規(guī)律的主要因素。誘導(dǎo)氣流對(duì)并行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)流場(chǎng)影響對(duì)比圖如圖4，走廊風(fēng)速對(duì)并行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)流場(chǎng)影響對(duì)比圖如圖5。

圖4 誘導(dǎo)氣流對(duì)并行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)流場(chǎng)影響對(duì)比圖Fig.4 Comparison of the effect of induced airflow on the flow field of a parallel belt conveyor running system

圖5 走廊風(fēng)速對(duì)并行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)流場(chǎng)影響對(duì)比圖Fig.5 Comparison of the effect of corridor wind speed on the flow field of a parallel belt conveyor running system

因不可壓縮流動(dòng)原理，風(fēng)流由帶式輸送機(jī)走廊內(nèi)向車間內(nèi)部灌入時(shí)，風(fēng)流在帶式輸送機(jī)走廊靠近準(zhǔn)備車間內(nèi)側(cè)至帶式輸送機(jī)機(jī)尾的輸送帶面及地面處加速，其他區(qū)域風(fēng)流速度較小，且由帶式輸送機(jī)走廊漏風(fēng)口向內(nèi)風(fēng)流速度逐漸減小。從圖4 可以看到：當(dāng)誘導(dǎo)氣流與走廊風(fēng)速相差不大時(shí)，在氣流的共同作用下在3002 帶式輸送機(jī)左側(cè)和大型構(gòu)筑物前方形成2 個(gè)幾乎一樣大小的渦流；當(dāng)誘導(dǎo)氣流增大到0.76 m/s 時(shí)2 個(gè)渦旋氣流均被打破形成不穩(wěn)定的風(fēng)流場(chǎng)。由此可知，當(dāng)誘導(dǎo)氣流變化直接影響并行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)風(fēng)流分布，當(dāng)走廊風(fēng)速一定時(shí)增大誘導(dǎo)氣流流速，可以避免形成渦流場(chǎng)。

從圖5 可以看出：當(dāng)走廊風(fēng)速增大時(shí)，車間內(nèi)整體風(fēng)流場(chǎng)的風(fēng)速隨之變大；走廊風(fēng)速增大到0.5 m/s時(shí)，當(dāng)走廊風(fēng)速遠(yuǎn)大于誘導(dǎo)氣流時(shí)，系統(tǒng)風(fēng)流場(chǎng)會(huì)在3002 帶式輸送機(jī)的左側(cè)，大型構(gòu)筑物前方形成1個(gè)單體大渦流的流場(chǎng)，并不會(huì)形成雙渦流系統(tǒng)，雙渦流系統(tǒng)被破壞；在并行3001 帶式輸送機(jī)機(jī)尾處形成不穩(wěn)定氣流流場(chǎng)。由此可知，當(dāng)走廊風(fēng)速直接作用于整個(gè)并行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的流場(chǎng)，走廊風(fēng)速越大系統(tǒng)風(fēng)速越大，并形成1 個(gè)大型渦流區(qū)，導(dǎo)致系統(tǒng)風(fēng)流場(chǎng)不穩(wěn)定。

2.2 粉塵顆粒運(yùn)移模擬結(jié)果

根據(jù)并行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的風(fēng)流場(chǎng)的運(yùn)移規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，加入流體流動(dòng)顆粒跟蹤物理場(chǎng)，進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合。在原模型的3001 帶式輸送機(jī)、3002 帶式輸送機(jī)落料口處進(jìn)行粒子釋放，進(jìn)行粉塵粒子污染擴(kuò)散分析。并行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)受誘導(dǎo)氣流和走廊風(fēng)速共同作用會(huì)出現(xiàn)單渦流系統(tǒng)、雙渦流系統(tǒng)、無渦流不穩(wěn)定流場(chǎng)3 種現(xiàn)象。綜合實(shí)際風(fēng)流數(shù)據(jù)及流場(chǎng)復(fù)雜情況針對(duì)雙渦流系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。并行帶式輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)200 s 時(shí)煤塵污染擴(kuò)散模擬結(jié)果如圖6。

圖6 并行帶式輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)200 s 時(shí)煤塵污染擴(kuò)散模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of coal dust dispersion in parallel belt conveyor system running 200 s

由圖6 可知并行帶式輸送機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)煤塵積聚位置包括4 個(gè)部分：①3001 帶式輸送機(jī)機(jī)尾與右側(cè)壁面間，煤塵來自其機(jī)尾甩動(dòng)和落料口漏塵；②在2條帶式輸送機(jī)中間，煤塵來源為3001 帶式輸送機(jī)落料口漏塵、3002 帶式輸送機(jī)機(jī)尾甩塵、2 條帶式輸送機(jī)密封槽沿線漏塵、帶式輸送機(jī)走廊連接處漏風(fēng)揚(yáng)塵；③帶式輸送機(jī)走廊連接處與連接處至3002 帶式輸送機(jī)落料口左側(cè)，大型構(gòu)筑物右側(cè)圍成的區(qū)域，煤塵來自走廊灌風(fēng)、輸送帶牽引，落料口誘導(dǎo)氣流沖擊揚(yáng)塵；④3002 帶式輸送機(jī)機(jī)尾左側(cè)，煤塵來自帶式輸送機(jī)機(jī)尾揚(yáng)塵和落料口漏塵。

總體來講，煤塵粒度越大擴(kuò)散能力越弱，30 μm以上煤塵主要集中在2 條帶式輸送機(jī)的落料口周圍，向輸送帶牽引方向以0.5 m/s 以下速度向前下側(cè)運(yùn)移，擴(kuò)散高度在密封槽與輸送帶面縫隙上下0.5 m 左右；粒徑越小，煤塵擴(kuò)散能力越強(qiáng)，20 μm以下煤塵可擴(kuò)散至整個(gè)車間，懸浮分布在車間中部。在輸送帶面上，煤塵運(yùn)移速度快，車間內(nèi)部分大于帶式輸送機(jī)走廊內(nèi)，主要由于帶式輸送機(jī)走廊內(nèi)無密封槽，在走廊內(nèi)向輸送帶外擴(kuò)散并受到帶式輸送機(jī)走廊內(nèi)向車間內(nèi)運(yùn)移風(fēng)流的摩擦干擾，速度下降，隨之煤塵運(yùn)移速度下降為1 m/s 左右，被從輸送帶面上剝離的煤塵主要分布在頂板附近。因此針對(duì)并行帶式輸送機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的降塵應(yīng)主要針對(duì)于粉塵擴(kuò)散嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行控制捕捉，并結(jié)合風(fēng)流場(chǎng)情況進(jìn)行捕塵系統(tǒng)布置。

3 粉塵防治方案

3.1 噴霧降塵系統(tǒng)布置

并行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)整體風(fēng)流主要受到誘導(dǎo)氣流和走廊風(fēng)速相互影響，對(duì)并行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)粉塵污染進(jìn)行濕式噴霧除塵系統(tǒng)設(shè)置時(shí)，要考慮水霧粒子群受并行帶式輸送機(jī)系統(tǒng)風(fēng)流場(chǎng)的影響在煤塵擴(kuò)散關(guān)鍵路徑針對(duì)走廊灌風(fēng)和誘導(dǎo)氣流沖擊，采用順流負(fù)壓卷吸和正壓抑制擴(kuò)散2 種方式。帶式輸送機(jī)走廊入口處，輸送帶無密封槽保護(hù)，通過霧幕隔塵對(duì)渦流粉塵流進(jìn)行控制，霧幕系統(tǒng)采用高射程高強(qiáng)度噴嘴降低風(fēng)流場(chǎng)對(duì)霧幕的干擾。與此同時(shí)加強(qiáng)在粉塵擴(kuò)散源頭根據(jù)不同塵源的污染機(jī)理開展點(diǎn)對(duì)點(diǎn)覆蓋綜合治理，包括帶式輸送機(jī)機(jī)尾處的二次揚(yáng)塵，落料口漏塵等進(jìn)行不同措施控塵。選煤廠準(zhǔn)備車間噴霧降塵系統(tǒng)布置圖如圖7。

圖7 選煤廠準(zhǔn)備車間噴霧降塵系統(tǒng)布置圖Fig.7 Layout diagram of spray dust suppression system in preparation workshop of coal preparation plant

如圖7，根據(jù)粉塵的粒徑分布和風(fēng)流分布規(guī)律，在帶式運(yùn)輸機(jī)走廊連接處布置2 組霧幕。針對(duì)機(jī)尾二次揚(yáng)塵問題在3001、3002 帶式輸送機(jī)機(jī)尾處布置廣角霧化噴頭對(duì)粉塵顆粒進(jìn)行捕捉，廣角霧化噴頭水霧覆蓋范圍更廣捕塵效率更高。在落料口兩側(cè)采用遠(yuǎn)程霧化噴頭進(jìn)行塵源治理，遠(yuǎn)程霧化噴頭動(dòng)力更為強(qiáng)勁可以更好地防止粉塵逸散。在3001 帶式輸送機(jī)外側(cè)布置遠(yuǎn)程霧化噴頭形成霧幕，降低走廊風(fēng)對(duì)系統(tǒng)的影響，降低渦流強(qiáng)度，減少粉塵擴(kuò)散范圍。

3.2 除塵效果

除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)完善后，應(yīng)用于黃玉川選煤廠準(zhǔn)備車間并行帶式輸送機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的粉塵防治。在車間選取3 個(gè)位置進(jìn)行粉塵濃度測(cè)量，粉塵濃度測(cè)量采用了最精確的粉塵采樣-烘干-稱量的方法，選擇帶式輸送機(jī)走廊、3002 帶式輸送機(jī)機(jī)尾處以及3002帶式輸送機(jī)落料口附近。粉塵濃度及降塵效率表見表1。

表1 粉塵濃度及降塵效率表Table 1 Dust concentration and dust reduction efficiency

由表1 車間降塵系統(tǒng)運(yùn)行前后效果可知霧幕控塵系統(tǒng)效果良好，通過計(jì)算得出全塵與呼塵降塵效率均達(dá)到90%以上，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，降塵效果顯著。

4 結(jié) 語

1）并行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)整體風(fēng)流場(chǎng)受走廊風(fēng)速影響較大，走廊風(fēng)速過大會(huì)攜帶粉塵粒子運(yùn)移帶更遠(yuǎn)的范圍，所以針對(duì)并行帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的降塵降低走廊風(fēng)速是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2）誘導(dǎo)氣流的大小會(huì)改變并行帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)整體的風(fēng)流場(chǎng)情況，當(dāng)誘導(dǎo)氣流過小會(huì)形成單渦流系統(tǒng)，到誘導(dǎo)氣流過大時(shí)可以破壞由走廊氣流引起的渦流，整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)無渦流情況。

3）并行帶式輸送機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)中粒徑30 μm 以上煤塵主要集中在2 條輸送帶的落料口周圍；粒徑20 μm 以下煤塵可擴(kuò)散至整個(gè)車間區(qū)域，懸浮分布在車間中部。

4）根據(jù)風(fēng)流粉塵運(yùn)移規(guī)律設(shè)計(jì)車間霧幕控塵系統(tǒng)，該系統(tǒng)在黃玉川選煤廠布置安裝，系統(tǒng)運(yùn)行后車間內(nèi)部全塵及呼塵的降塵效率均達(dá)到90%以上，改善車間內(nèi)部環(huán)境，為工人健康提供強(qiáng)有力的保障。