大柳塔三盤區(qū)露天礦煤塵旋風除塵特性的數(shù)值模擬研究

摘 要：露天煤礦的生產(chǎn)中會產(chǎn)生大量的煤塵，為研究煤塵在旋風除塵設備中的運動規(guī)律，使用數(shù)值模擬的方法進行研究。研究結果表明，隨著入口氣流速度的增加，高壓區(qū)域的壓力在增加，整個高壓場的分布在下移，高壓區(qū)域的面積在增加。從旋風除塵設備的下部到上部，都存在著1個條形的壓力條帶，隨著入口氣流速度的增加，“擺尾狀”的擺動更加明顯，呈現(xiàn)明顯的S型曲線。隨著入口氣流速度的增加，內(nèi)部的顆粒群條帶在變寬，且顆粒群條帶和除塵設備內(nèi)部壁面第一次接觸的拐點在上移，顆粒群的條帶更加清晰可視，螺旋運動的螺距在減小。

關鍵詞：露天礦；旋風除塵；流場特性；數(shù)值模擬；煤塵

中圖分類號：TD714 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0070-04

Abstract： A large amount of coal dust will be produced in the production of open-pit coal mine. In order to study the movement law of coal dust in cyclone dedusting equipment， the method of numerical simulation is used. The results show that with the increase of the inlet air velocity， the pressure in the high pressure area increases， the distribution of the whole high pressure field moves downward， and the area of the high pressure area increases. There is a pressure strip from the lower part of the cyclone dedusting equipment to the upper part of the cyclone dedusting equipment. With the increase of inlet air velocity， the "swinging tail" swing becomes more obvious， showing an obvious S-shaped curve. With the increase of the inlet air velocity， the internal particle band becomes wider， and the inflection point of the first contact between the particle band and the inner wall of the dedusting equipment is moving upward， the band of the particle group is more visible， and the pitch of the spiral motion is decreasing.

Keywords： open-pit mine; cyclone dedusting; flow field characteristics; numerical simulation; coal dust

在我國露天煤礦的生產(chǎn)作業(yè)過程中，會產(chǎn)生大量的粉塵[1-3]。這些粉塵在空氣中的分布范圍很廣、滯留時間較長，具有顆粒微小、開放性以及質(zhì)量細小等特點，這會污染露天煤礦周圍的環(huán)境，煤礦中含有的多種重金屬（比如鉛、銅、鎘等）會對動植物產(chǎn)生毒副作用，一定程度上會打破生態(tài)平衡[4]，更有甚者會嚴重影響礦工的身體健康，礦工長期大量吸入粉塵，會得矽肺病或塵肺病等各種職業(yè)病，影響家庭幸福?？諝庵械拿旱V微粒，會加速露天采礦機械和車輛的磨損。粉塵污染已經(jīng)影響到生態(tài)平衡，礦工的身體健康以及設備的正常生產(chǎn)作業(yè)，這些都會影響到煤礦企業(yè)的整體社會效益和經(jīng)濟效益，影響和制約了煤礦企業(yè)的長期可持續(xù)發(fā)展。因此，如何有效控制和降低露天煤礦粉塵的濃度，對于改善礦區(qū)周圍的生態(tài)環(huán)境，提升礦工的幸福指數(shù)以及引領煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都有非常重大的現(xiàn)實意義。

旋風除塵設備其內(nèi)部結構較簡單，設備成本低，分離效率較高，有較強的應用場景[5]，但是旋風除塵設備內(nèi)部的氣固兩相流的運動特性比較復雜。常規(guī)是采用實驗的方式，對煤塵顆粒的運動以及分離效率進行測定和評估，但對于旋風除塵設備內(nèi)部完整的氣固流動過程的湍流特性很難獲取到，而數(shù)值模擬的方式是一種全新的研發(fā)方法[6-7]。基于氣體和煤塵顆粒兩相流，通過旋風流體對煤塵顆粒和氣體的慣性離心力的不同，進而影響其運動軌跡，最終實現(xiàn)氣體和煤塵顆粒的分離。研究煤礦顆粒的運動規(guī)律，對除塵機理進行量化的科學分析，以便評價旋風除塵的除塵效率，為露天煤礦粉塵的治理提供科學的理論依據(jù)。

1 大柳塔三盤區(qū)露天煤礦的基本情況

大柳塔三盤區(qū)地處陜北黃土高原之北側，毛烏素沙漠東南緣，地勢是北高南低，中間高而東西低。大部屬于風沙堆積地貌， 沙丘、沙壟和沙坪交錯分布。東西兩部溝壑縱橫， 切割強烈，溝谷兩側基巖裸露，生態(tài)環(huán)境比較脆弱。

大柳塔三盤區(qū)露天煤礦，位于大柳塔井煤田的東南部，其屬于大柳塔三盤區(qū)的一部分，東邊鄰近大海則煤礦，西邊鄰近雙溝。北部是以大柳塔三盤區(qū)集中大巷保護煤柱線為界，西部是以三盤區(qū)2-2煤火燒區(qū)邊界護煤柱線為界，南部是以三盤區(qū)2-2煤火燒區(qū)邊界護煤柱線、大柳塔井田邊界保護煤柱為界，東部是以月芽渠地方煤礦邊界線、三盤區(qū)2-2煤最低可采線、2-2煤火燒區(qū)邊界護煤柱線、大柳塔井田邊界保護煤柱為界。整個露天煤礦，其長約4.79 km，寬約1.44～2.83 km，煤底板2境界總面積8.19 km2。規(guī)劃露天開采區(qū)總面積約9.40 km2，露天規(guī)劃區(qū)境界內(nèi)資源總儲是38.23 Mt，其中可采儲33.06 Mt，儲量備用系數(shù)1.1。

2 旋風除塵設備的工作原理

旋風除塵設備的工作原理比較簡單[8]，如圖1所示。當含有煤塵的空氣從進口處進入除塵設備的內(nèi)部，在設備的約束限制下，煤塵空氣的運動軌跡就會從直線運動變成弧線的圓周運動，氣體和煤塵顆粒兩相流中密度大的一相（即煤塵固體顆粒），因為其受到了較大的離心力作用，就會先和除塵設備的內(nèi)壁面接觸，這時在重力以及慣性的作用下，會直接沿內(nèi)壁面下落，通過旋渦罩，最終進入到除塵設備底部的灰斗中；而氣體和煤塵顆粒兩相流中密度小的一相（即氣相），會采用同樣的方式，從相同的入口進入到除塵設備的內(nèi)部，當氣流到達底部位置時，由于圓柱到圓錐的收縮以及氣流自身密度小的原因，會在除塵設備的底部形成內(nèi)旋流并會向上運動，并通過上端的空氣出口排出到大氣中。

3 旋風除塵設備的內(nèi)部湍流特性研究

3.1 除塵設備內(nèi)部湍流特性的建模

使用CFD軟件進行建模分析，考慮到旋風除塵設備的內(nèi)部是旋流運動占有優(yōu)勢的運動，因此采用了RNG K-ε的雙方程湍流數(shù)學模型中的Swirl Dominated Flow數(shù)學模型，這種模型是基于氣相的氣體為連續(xù)的介質(zhì)，而固相的煤塵顆粒則是作為離散的體系。RNG K-ε的雙方程湍流模型主要是考慮了動量的傳遞，忽略了熱量的傳遞。

氣體介質(zhì)的連續(xù)性方程，表述如下。

式中：下標g為基于氣相的氣體；t為湍流運動的時間；？準為氣體的體積分數(shù)；？籽為氣體的密度；為氣體的速度向量。

氣體介質(zhì)的動量守恒方程，表述如下。

， （2）

式中：下標S為基于固相的煤礦顆粒；P為氣體的壓力；為黏性應力張量；？茁為氣固兩相流之間的拽力系數(shù)；常規(guī)的重力加速度的向量。

采用Gambit軟件，建立了三維旋風分離設備的模型，并劃分出網(wǎng)格，劃分后的網(wǎng)格示意圖如圖2所示。

3.2 除塵設備內(nèi)部湍流特性的數(shù)值模擬

3.2.1 壓力場分布的數(shù)值仿真模擬

實際生產(chǎn)作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，不同的入口氣流速度，旋風除塵設備的分離效率會有較大的差異，因此，對入口的不同氣流速度下進行了壓力場的數(shù)值仿真，壓力場分布的數(shù)值仿真模擬如圖3所示。

由圖3可知，①不同的入口氣流速度下，旋風除塵設備的壓力場分布規(guī)律是趨于一致的，壓力沿著軸向垂直方向的變化不明顯，即速度變化較??；壓力沿著徑向水平方向的變化明顯，即速度變化較大。②不同的入口氣流速度下，在旋風除塵設備的下部和上部，都有一個壓力條帶，隨著氣流速度的變大，條帶的擺動軌跡更加明顯。③在設備的排氣出口以及圓錐形底部的灰斗位置處，均存在一個負壓區(qū)域，且隨著入口氣流速度的增加，負壓區(qū)域明顯增大并在垂直方向進行拉伸，如圖3的虛線圓形所標記的。④壓力場的高壓區(qū)域，都存在于除塵設備的壁面位置附近，且隨著入口氣流速度的增加，高壓區(qū)域的壓力在增加，整個高壓場的分布在下移，高壓區(qū)域的面積在增加。

3.2.2 不同的入口氣流速度下的切線速度分布模擬

切線方向的速度是由顆粒所受的離心力所決定的，在顆粒和氣體的分離過程中起著決定性的作用。在3.2.1中，壓力沿著徑向水平方向變化明顯，為了更好地研究除塵設備內(nèi)部的速度特性，分別選取了4個橫截面（即0.5R，1R，1.5R，2.5R），研究了這4個截面的切線速度分布情況，其中截面示意圖如圖4所示，速度分布圖如圖5所示。

由圖5可知，①在4個不同的截面位置處，切線速度的分布情況都大體相當，均呈現(xiàn)M狀；從旋風除塵設備的中心沿徑向到壁面位置處，速度都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在壁面位置附近，切線方向的速度最小。②在最上面的截面位置處（即0.5R的截面位置處），切線速度沿著旋風除塵設備中心軸線是對稱的，且對稱性很好；不同入口氣流速度下，切線速度的分布規(guī)律在徑向方向上均趨于一致。③對比4個橫截面（即0.5R，1R，1.5R，2.5R）的切線速度分布情況，最大的切線速度隨著截面位置的下移趨于減小，且均隨著入口氣流速度的增加而增加。

3.2.3 不同的入口氣流速度下的煤塵顆粒群運動軌跡的數(shù)值模擬

煤塵顆粒群在進入到旋風除塵設備內(nèi)部之后，在離心分離力的作用下，會靠近壁面位置附近進行螺旋運動，圖6顯示了入口風速是12.5 m/s時，旋風除塵設備內(nèi)部顆粒流態(tài)隨著時間的分布情況，從數(shù)值模擬的結果來看，①煤塵顆粒群在進入到除塵設備之后，大部分顆粒都會沿著壁面從上向下運動，在到達設備下部的圓錐形的灰斗位置處之后，被集中收集。②在0.9 s時，煤塵顆粒可以從入口到達出口位置處，在2 s之后，整個煤塵顆粒群的運動趨于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。③由于圓錐位置的空間較圓筒位置縮小，顆粒群在上部的圓筒位置處的下降角度大于下部的圓錐位置。

圖7為不同的入口氣流速度下旋風除塵設備內(nèi)部的煤塵顆粒群流態(tài)穩(wěn)態(tài)模擬圖，從圖7中可知，①隨著入口的氣流速度的增加，旋風除塵設備內(nèi)部的顆粒群條帶運動軌跡在變寬（如圖7上標記的雙箭頭所示），且顆粒群條帶軌跡和除塵設備的內(nèi)壁面接觸的拐點在向上移動，顆粒群的運動軌跡看起來更加清晰，在下部的圓錐灰斗位置處的螺距減小的現(xiàn)象更加明顯。②在入口氣流速度較小時（即5 m/s時），其受到的離心力較小，當其進入旋風除塵設備內(nèi)部時，受到的旋流影響比較小，這就導致了沿著軸向方向上，煤塵群顆粒分布的條帶比較窄，煤塵顆粒群在分離空間內(nèi)停留的時間短，不利于除塵效率的提升。③在入口氣流速度適中時（即10 m/s和12.5 m/s時），其受到的離心力較大，當其進入旋風除塵設備內(nèi)部時，會加速其向壁面的運動，煤塵顆粒群在除塵設備的中部聚集比較多，停留的時間增加，在壁面區(qū)域進行螺旋運動之后，有利于煤塵顆粒群的運動，比較利于除塵效率的提升。④在入口氣流速度較大時（即15 m/s時），其受到的離心力很大，遠大于自身的重力和浮力，使得離心力的分量在徑向和軸向的方向上均達到最大值，這就會造成顆粒群條帶分散波動不集中，反而不利于煤塵顆粒群的運動，不利于除塵效率的提升。

4 結論

1）不同的入口氣流速度下，旋風除塵設備的壓力場分布規(guī)律是趨于一致的，壓力沿著軸向垂直方向的變化不明顯，即速度變化較??；壓力沿著徑向水平方向的變化明顯，即速度變化較大；且隨著入口氣流速度的增加，高壓區(qū)域的壓力在增加，整個高壓場的分布在下移，高壓區(qū)域的面積在增加。

2）不同的入口氣流速度下，旋風除塵設備的切線速度的分布情況都大體相當，均呈現(xiàn)M狀；從旋風除塵設備的中心沿徑向到壁面位置處，速度都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在壁面位置附近，切線方向的速度最小，切線速度的分布規(guī)律在徑向方向上均趨于一致。

3）不同的入口氣流速度下，旋風除塵設備的顆粒群條帶分布規(guī)律也在變化，隨著入口氣流速度的增加，除塵設備內(nèi)部的顆粒群的分布條帶在逐漸變寬，且顆粒群條帶軌跡和除塵設備的內(nèi)壁面第一次接觸的拐點在逐漸靠上移動，顆粒群的條帶變得更加清晰，整個螺旋運動的螺距呈現(xiàn)出減小的趨勢。

參考文獻：

[1] 羅懷廷，周偉，劉宇，等.露天煤礦冬季坑底粉塵污染特征及影響因素[J].深圳大學學報（理工版），2020，37（6）：637-644.

[2] 徐占金，王毅.露天煤礦粉塵危害與起塵機理及其治理措施[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2019（23）：1-4.

[3] 胡成功，趙奇.露天煤礦破碎站粉塵無組織排放治理方案研究[J].中國煤炭，2020，46（4）：57-61.

[4] 李玉潔，趙娜，曹月娥，等.露天煤礦煤粉沉降對礦區(qū)周邊主要植物的生理影響[J].生態(tài)學報，2018，38（22）：8129-8138.

[5] 吳劍.除塵系統(tǒng)中旋風除塵器與布袋除塵器的型式與配置[J].中國鑄造裝備與技術，2020，55（5）：5-9.

[6] 陳巨輝，張宗云，陳紀元，等.流化床旋風分離除塵器結構優(yōu)化及數(shù)值模擬[J].哈爾濱理工大學學報，2020，25（3）：109-115.

[7] 郗元，霍浩，代巖，等.旋風除塵器最優(yōu)化設計及CFD數(shù)值驗證[J].機械設計與制造，2018（8）：33-35，40.

[8] 李小敏.旋風除塵器的結構設計[J].現(xiàn)代制造技術與裝備，2021，57（6）：86-88.