新型礦用濕式除塵器的研究與動(dòng)態(tài)模擬

宋智瀛 李飛航 馬 飛 賈瑞清

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

新型礦用濕式除塵器的研究與動(dòng)態(tài)模擬

宋智瀛 李飛航 馬 飛 賈瑞清

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

結(jié)合綜采工作面粉塵濃度分布和濕式除塵機(jī)理，對(duì)新型礦用濕式除塵器進(jìn)行了介紹，該濕式除塵器具有體積小以及安裝和維修方便等特點(diǎn)，能夠除掉0.1μm以上的塵粒。重點(diǎn)對(duì)蜂窩擾流濾芯的設(shè)計(jì)、工作原理以及提高除塵效率的方法進(jìn)行了分析，最后通過3D Studio Max軟件動(dòng)態(tài)模擬了濕式除塵器的工作過程，為除塵器的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論依據(jù)。

濕式除塵器 蜂窩擾流濾芯 除塵機(jī)理 動(dòng)態(tài)模擬

煤炭粉塵是我國煤礦五大災(zāi)害（瓦斯、頂板、粉塵、水災(zāi)、火災(zāi)）之一，其危害性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是井下工人吸入直徑小于5μm的呼吸性粉塵后所引起的塵肺病，二是直徑小于1 mm的粉塵具有潛在的爆炸可能性，其中最嚴(yán)重的危害就是塵肺病。目前，全國塵肺病報(bào)告人數(shù)已超72萬人，其中62%集中在煤炭行業(yè)，每年死于塵肺病的煤礦工人人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同期生產(chǎn)事故的死亡人數(shù)，煤礦塵肺病防治形勢(shì)十分嚴(yán)峻。針對(duì)這一現(xiàn)象，除了采取對(duì)煤層注水、濕式打眼以及粉塵檢測(cè)等綜合防塵措施，還需對(duì)井下工作環(huán)境配備除塵裝置。

常用的除塵裝置主要分為機(jī)械式、過濾式、濕式和電除塵器。其中，濕式除塵器適于捕集非纖維性粉塵，尤其針對(duì)過濾易燃、易爆及高溫氣體，非常適合煤礦井下應(yīng)用，因此設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于井下綜采工作面的新型濕式蜂窩濾芯除塵器，該除塵器具有體積小以及安裝和維修方便等特點(diǎn)。

1　綜采工作面粉塵濃度分布情況介紹

我國煤礦采煤工作面是產(chǎn)塵量最大的作業(yè)場(chǎng)所，綜采工藝中的破煤、落煤和裝煤等工序是產(chǎn)生煤塵的主要來源，產(chǎn)塵量約占礦井產(chǎn)塵量60%以上。在地質(zhì)條件和通風(fēng)狀況基本相同的情況下，若不采取防塵措施，綜采工作面作業(yè)地點(diǎn)的粉塵濃度為2500～3000 mg/m3，即便在采取噴霧灑水和煤層注水等除塵措施后，綜采面的粉塵濃度仍可達(dá)到1000 mg/m3以上。醫(yī)學(xué)研究已經(jīng)證明，生產(chǎn)性粉塵中的游離二氧化硅（SiO2）是導(dǎo)致塵肺病的主要礦物成分，因此在各國的礦山安全規(guī)程中，對(duì)作業(yè)環(huán)境空氣中粉塵濃度（mg/m3）容許值的規(guī)定都是以粉塵中游離二氧化硅含量值為依據(jù)。我國 《煤礦安全規(guī)程》第739條中規(guī)定:作業(yè)場(chǎng)所空氣中粉塵（總粉塵、呼吸性粉塵）濃度應(yīng)符合表1要求。而在實(shí)際生產(chǎn)中，綜采工作面的粉塵濃度大大超過國家有關(guān)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，因此在采煤工作面開展除塵裝置的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

表1　作業(yè)場(chǎng)所空氣中粉塵濃度標(biāo)準(zhǔn)

2　濕式除塵機(jī)理

在濕式除塵器中主要依靠工作介質(zhì)水來捕集夾雜在空氣中的粉塵，水與粉塵顆粒的接觸方式主要有水滴、水膜和氣泡這3種方式，在實(shí)際應(yīng)用的除塵器中，可能兼具其中2種或3種全有的方式。

依靠介質(zhì)水捕集塵粒的機(jī)理很多，常用除塵器主要利用的是慣性碰撞、布朗擴(kuò)散和攔截進(jìn)行粉塵捕集。其中慣性碰撞是針對(duì)較大顆粒的粉塵在跟隨著氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于其自身的慣性，接近液滴的塵粒不會(huì)隨著氣流前進(jìn)，而是脫離氣體流線并碰撞在液滴上，從而被液滴捕獲；布朗擴(kuò)散是針對(duì)粒徑較小的粉塵隨著氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于布朗擴(kuò)散的作用，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡與流線不一致而沉降在液滴上，擴(kuò)散主要對(duì)粒徑小于1μm的粉塵起作用，粒徑越小則布朗擴(kuò)散越強(qiáng)烈；攔截則是不考慮粉塵顆粒的慣性，沿流線運(yùn)動(dòng)的粉塵不僅能在其流線與液滴相交處被捕獲，而且當(dāng)流線與液滴表面距離在顆粒半徑范圍以內(nèi)，粉塵與液滴接觸也可被捕獲。

本文所提出的新型礦用濕式蜂窩濾芯除塵器就是依據(jù)碰撞-攔截-沉降模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究的。

3　新型礦用濕式除塵器的研究

3.1除塵器的設(shè)計(jì)

濕式蜂窩濾芯除塵器主要由軸流風(fēng)機(jī)、噴水裝置、蜂窩擾流濾芯、脫水濾網(wǎng)、導(dǎo)流板和污水收集裝置等部件組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1　濕式蜂窩濾芯除塵器結(jié)構(gòu)組成

由圖1可以看出，風(fēng)量大小的控制是通過調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)扇葉的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)；進(jìn)風(fēng)口采用畢托管測(cè)速儀來測(cè)量風(fēng)速，噴嘴噴水方向與氣流方向一致，以減小除塵器的內(nèi)部壓降；脫水濾網(wǎng)去除空氣中的水滴和粉塵顆粒，污水流入集污槽進(jìn)行集中處理，以防止二次污染。

濕式除塵器中最核心的組成部分就是400 mm長的蜂窩擾流濾芯，蜂窩擾流濾芯3D模型如圖2所示。

圖2　蜂窩擾流濾芯3D模型

由圖2可以看出，蜂窩是指濾芯內(nèi)部由許多呈六邊形的金屬薄板通過擾流柱連接組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，相鄰擾流柱夾角為120°，并交叉排列；擾流是指含塵氣流在擾流圓柱后形成的卡門渦街對(duì)于（平板）邊界層產(chǎn)生的擾動(dòng)作用。組裝好的濕式蜂窩擾流濾芯除塵器的樣機(jī)如圖3所示。

3.2蜂窩濾芯除塵效率分析

為了便于研究，蜂窩濾芯模型簡(jiǎn)化后如圖4所示。

由圖4可見，將單一通路六邊形濾芯的當(dāng)量直徑設(shè)為?，經(jīng)過計(jì)算即為其內(nèi)接圓直徑，薄板內(nèi)壁水膜厚度均值為δ。假設(shè)在圖中a處氣體的微團(tuán)粉塵濃度為C，長度為d x，運(yùn)動(dòng)到b位置時(shí)，一部分塵粒會(huì)被濾芯壁面厚度為δ的水膜所捕集，根據(jù)

圖3　濕式除塵器樣機(jī)

圖4　蜂窩濾芯模型

質(zhì)量守恒方程得出式（1）:

其中:C——入口a處的粉塵濃度，mg/m3；

?——蜂窩擾流濾芯當(dāng)量直徑，m；

d x——a處氣體微團(tuán)長度，m；

t——?dú)怏w微團(tuán)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，s；

δ——蜂窩濾芯壁面的水膜厚度，m。

對(duì)式（1）整理，解微分方程得式（2）:

式中:c——初始?xì)怏w濃度，mg/m3。

式中:β——濾芯水膜厚度與濾芯當(dāng)量直徑之比。

蜂窩濾芯除塵效率η表示為:

式中:η——蜂窩濾芯除塵效率，%。

從以上公式可以看出，有2種方式可以提高除塵器的除塵效率，一種是增加粉塵氣體在蜂窩濾芯內(nèi)部的接觸時(shí)間，另一種是增大濾芯壁面水膜厚度δ與?的比值。當(dāng)入口風(fēng)速一定時(shí)，粉塵在濾芯中的停留時(shí)間主要取決于濾芯長度，式（4）中粉塵濃度與時(shí)間t是指數(shù)關(guān)系，當(dāng)t增大到一定值時(shí)，濃度C會(huì)變化很小，而且濾芯過長會(huì)使除塵器的通風(fēng)量減小，工作效率降低，體積變大會(huì)導(dǎo)致制造成本的增加，因此濾芯存在一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)的長度值，通過試驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的濾芯長度為400 mm。

4　新型礦用濕式除塵器工作原理與動(dòng)態(tài)模擬

4.1新型礦用濕式除塵器工作原理

新型礦用濕式除塵用水通過噴嘴向蜂窩擾流濾芯噴水，在其壁面和濾芯內(nèi)的擾流柱表面形成一層連續(xù)的水膜。當(dāng)含塵空氣通過蜂窩狀濾芯時(shí)，大粒徑的顆粒依靠其自身較大的慣性效應(yīng)撞擊在擾流柱或蜂窩擾流濾芯壁面，被這些表面所附著的水膜捕集；對(duì)于粒徑小且跟隨性較好的顆粒，會(huì)隨著氣體繞過擾流柱，并在其后面形成卡門渦街，強(qiáng)化多相流渦團(tuán)間的作用，增強(qiáng)粉塵顆粒的擴(kuò)散效應(yīng)，增加顆粒被濾芯壁面和擾流柱表面水膜捕集的幾率，達(dá)到提高除塵效率的目的。由于連續(xù)不斷地噴水，將在蜂窩擾流濾芯表面的形成新的水膜，使除塵器本身具有了自清潔的能力。

4.2新型礦用濕式除塵器動(dòng)態(tài)模擬

為了清晰地演示濕式除塵器內(nèi)部的工作過程，通過Solid Works軟件進(jìn)行除塵器的實(shí)體建模，將三維模型導(dǎo)入3D Studio Max軟件中實(shí)現(xiàn)除塵器工作的動(dòng)畫仿真，該仿真過程主要包括風(fēng)機(jī)排風(fēng)段、噴嘴噴水與蜂窩濾芯除塵、脫水段和污水收集段，除塵過程動(dòng)態(tài)模擬如圖5所示。通過3D Studio max軟件對(duì)除塵過程的動(dòng)態(tài)模擬，增強(qiáng)除塵視覺效果，使除塵過程一目了然。

5　結(jié)論

濕式除塵與干式除塵相比具有設(shè)備投資少、構(gòu)造簡(jiǎn)單及凈化效率高等特點(diǎn)，能夠去除掉0.1μm以上的塵粒，而且在除塵過程中還具有降溫冷卻、增加濕度和凈化有毒易燃?xì)怏w等作用，適用于處理與水不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的各類粉塵，但在冬季使用時(shí)需考慮防凍問題。結(jié)合濕式除塵理論，通過對(duì)新式濕式除塵器的研究與過濾效率的分析得出以下結(jié)論，為除塵器的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論依據(jù)。

（1）新式濕式除塵器的除塵效率主要不是取決于粉塵的潤濕性，而是取決于所有到達(dá)液滴表面或者進(jìn)入并穿過液滴，或者黏附在液滴表面的塵粒的數(shù)量。

圖5　除塵過程動(dòng)態(tài)模擬

（2）新式濕式除塵器在除塵過程中需保證充足的噴水量，以便形成連續(xù)的水膜捕集空氣中的粉塵，并沖走含塵污水到集污槽。由于除塵過程中需要大量用水，因此在設(shè)計(jì)和使用中特別注意了污水的處理和循環(huán)再利用問題。

（3）蜂窩濾芯中的擾流柱后面產(chǎn)生的卡門渦街提高了含塵氣體的湍流強(qiáng)度，增加了濾芯表面水膜與氣體的接觸厚度，提高了粉塵被捕集的幾率。

（4）增加濾芯長度可以延長除塵時(shí)間并能夠提高除塵效率，但濃度與時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系，當(dāng)時(shí)間達(dá)到一定值時(shí)，濃度減小不明顯，而且會(huì)使除塵器體積變大，使通風(fēng)量減小，因此應(yīng)合理選擇濾芯長度。

［1］ 劉毅，蔣仲安，蔡衛(wèi)等.綜采工作面粉塵濃度分布的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2006（4）

［2］ 李東曉.煤礦粉塵監(jiān)測(cè)技術(shù)討論［J］.工況自動(dòng)化，2011（4）

［3］ 劉志強(qiáng).全國煤礦塵肺病報(bào)告人數(shù)已超44萬［N］.人民日?qǐng)?bào)，2015-02-07（02）

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［5］ 宋富美，李季.我國煤礦塵肺病現(xiàn)狀及預(yù)防對(duì)策研究［J］.煤礦安全，2014（5）

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［7］ 趙繼云，張德生，張子榮等.綜采工作面粉塵綜合防治技術(shù)研究［J］.煤礦機(jī)械，2008（2）

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［11］ 劉社育，蔣仲安，金龍哲.濕式除塵器除塵機(jī)理的理論分析［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998（1）

（責(zé)任編輯 王雅琴）

Study and dynamic simulation on a new type of mine wet scrubber

Song Zhiying，Li Feihang，Ma Fei，Jia Ruiqing
（School of Mechanical Electronic and Information Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

The authors introduced a new type of mine wet scrubber，by combining dust concentration distribution of full-mechanized coal mining face and mechanism of wet dust removal. The wet scrubber has characteristics of small volume，easy to install and maintain and can remove dust particles which size were larger than 0.1μm.The authors also focused on designing and working principle of honeycomb filter，and analyzed methods of improving dust collection efficiency.Finally，according to 3ds Max software，working process of wet scrubber were dynamic simulated which providing theoretical foundation of further optimization on wet scrubber.

wet scrubber，honeycomb filter，dedust mechanism，dynamic simulation

TD714.4

A

宋智瀛（1985-），男，遼寧錦州人，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）在讀博士研究生，主要研究方向?yàn)榈V井除塵設(shè)備研究。