劉潤軍

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

研究人員幾乎將所有注意力集中在地下工作場所煤塵的控制和處理上，對地面上的煤塵控制理論和技術(shù)的研究還不夠充分。煤礦主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器逸出的煤塵是造成工業(yè)廣場環(huán)境質(zhì)量下降的主要污染源。為提高綠色采煤技術(shù)和改善煤礦環(huán)境質(zhì)量，對主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器的技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行研究具有重要的實(shí)踐意義和環(huán)境效益。

1 仿真模型的建立

物理模型煤礦主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器的物理模型起源于筆者工作的實(shí)例煤礦。物理模型的大小如圖1中（1-1）所示。主扇擴(kuò)散器截面積5.5m×3.2m=17.6m2。

圖1 物理模型的構(gòu)建與示意

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，主粉體擴(kuò)散器逃逸并排入大氣環(huán)境的煤塵量大，粒度分布寬，最大直徑大于5×10-3m。這些由主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器氣流攜帶的煤顆粒隨排氣擴(kuò)散，然后通過重力緩慢沉降到地面。沉降的煤顆粒直接污染了興東煤礦的工業(yè)廣場。

為提高工業(yè)廣場的環(huán)境質(zhì)量，直接排入大氣環(huán)境的煤顆粒數(shù)量減少是處理煤塵的有效途徑。而且為了盡可能減少對礦山系統(tǒng)的影響，控制設(shè)備的電阻必須降低到設(shè)備的能耗限制。因此，在慣性分離和重力沉降的應(yīng)用中，設(shè)計(jì)了煤礦主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器兩種控制煤粉。物理模型如圖1中（1-2）所示。

2 模擬結(jié)果

數(shù)值模擬和結(jié)果分析兩種類型的防塵設(shè)備的物理模型由Gambit3.23構(gòu)建和網(wǎng)格化。在應(yīng)用FLUENT6.3軟件包時(shí)，湍流模型為Realizable k-ε，耦合算法為SIMPLE，差分格式為第一上風(fēng)，并且空氣進(jìn)氣速度條件的初始值依次為8 m/s和10 m/s。FLUENT6.3研究了兩種防塵設(shè)備的數(shù)值模擬。結(jié)果如圖2所示。

圖2 物理模型壓力和速度云圖仿真示意

煤礦無擋板主扇擴(kuò)散器防塵裝置的速度分布有4個(gè)特點(diǎn)：

1）在主扇擴(kuò)散器中，下區(qū)速度較高，上行區(qū)域的速度很低。

2）在主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器內(nèi)，導(dǎo)葉附近區(qū)域的速度較高，遠(yuǎn)離導(dǎo)葉的區(qū)域速度較低。

3）從擴(kuò)散器出口到主風(fēng)扇擴(kuò)散器的腔體區(qū)域，擴(kuò)散器出口附近區(qū)域的速度較高，遠(yuǎn)離擴(kuò)散器出口區(qū)域的速度較低。

4）在該型腔區(qū)域內(nèi)，腔體區(qū)域上部低速區(qū)域范圍較大，下部腔體區(qū)域低速區(qū)域范圍較小。通過對圖2的綜合分析，8 m/s和10 m/s邊界條件的數(shù)值模擬情況下的兩個(gè)速度分布是相似的。

在下頁圖3中，煤礦無擋板主扇擴(kuò)散器防塵設(shè)備的空間流線分布具有4個(gè)特點(diǎn)：

1）在整個(gè)防塵設(shè)備區(qū)，流出區(qū)有8個(gè)。

2）導(dǎo)葉具有明顯的流動干擾效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)流量周邊。

3）整個(gè)區(qū)域內(nèi)存在明顯的流動漩渦，周邊流動影響較強(qiáng)。

圖3 物理模型流場仿真示意

4）整個(gè)區(qū)域周圍有流動分區(qū)，周圍有3個(gè)大尺寸分區(qū)。

不完全封閉擋板主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器防塵裝置的速度分布具有4個(gè)特點(diǎn)：

1）在主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器中，下部區(qū)域的速度較高，速度上升區(qū)域較低。

2）在主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器內(nèi)，導(dǎo)葉附近區(qū)域的速度較高，遠(yuǎn)離導(dǎo)葉的區(qū)域速度較低。

3）從擴(kuò)散器出口到主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器的腔體區(qū)域，擴(kuò)散器出口附近區(qū)域的速度較高，遠(yuǎn)離擴(kuò)散器出口區(qū)域的速度較低。

4）在這個(gè)腔體區(qū)域內(nèi)，腔體區(qū)域的低速區(qū)域范圍較大，下腔體區(qū)域的低速區(qū)域范圍較小。

不完全封閉擋板主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器控塵裝置的空間流線分布具有4個(gè)特點(diǎn)：

1）在整個(gè)防塵設(shè)備區(qū)，流出區(qū)有8個(gè)。

2）導(dǎo)葉有明顯的實(shí)現(xiàn)了流動干涉和流動周圍的影響。

3）整個(gè)區(qū)域內(nèi)存在明顯的流動漩渦，周邊流動影響較強(qiáng)。

4）整個(gè)區(qū)域周圍有流動分區(qū)，周圍有3個(gè)大尺寸分區(qū)。通過綜合分析，8 m/s和10 m/s邊界條件的數(shù)值模擬實(shí)例的兩個(gè)空間流線分布相似。

為了研究兩種防塵設(shè)備的能耗，采用面積加權(quán)平均法對兩臺設(shè)備的進(jìn)口壓力值和出口壓力值進(jìn)行了分析可以看出，兩臺設(shè)備的進(jìn)口和出口的總壓力值和靜壓值是相似的。所以兩臺設(shè)備的能耗值是相似的。此外，兩臺設(shè)備對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響相似，加入阻力值低于73 Pa。

煤顆粒的數(shù)值模擬和防塵效果分析在FLUENT6.3對控制設(shè)備的數(shù)值模擬研究中，邊界條件如下：當(dāng)空氣進(jìn)氣速度初值為10 m/s時(shí)，初始值離散相的入口速度值為8 m/s，離散相的質(zhì)量為42.56 g/s；空氣進(jìn)口初速度為8 m/s時(shí)，離散相入口速度初值為6 m/s，離散相質(zhì)量為42.56 g/s；離散相為煤顆粒群，符合Rosin-Rammler分布，最大直徑為0.12 mm，最小直徑為0.02 mm，平均直徑為0.079 mm，擴(kuò)散系數(shù)為3.676；對空氣短期迭代500次，再加上1次離散相，模擬了空氣離散短語的耦合計(jì)算；通過這種方式，對兩種防塵設(shè)備的數(shù)值模擬進(jìn)行了研究。隨著空氣進(jìn)口速度的增加和煤顆粒速度的增加，煤粉從控制設(shè)備逃逸的概率變高，控塵效率降低。對于兩種防塵設(shè)備，無擋板的主風(fēng)機(jī)散流器低于不完全封閉擋板的主風(fēng)機(jī)散流器，且防塵效率與進(jìn)風(fēng)速度關(guān)系不大。由此可見，設(shè)備結(jié)構(gòu)特征的控塵效果是關(guān)鍵。

3 無擋板主風(fēng)扇散流器的應(yīng)用

通過以上分析，結(jié)果顯示：就流動分布而言，閉式擋板擴(kuò)散器優(yōu)于無擋板式；就能量消耗而言，閉式擋板擴(kuò)散器低于無擋板；就總粉塵的防塵系數(shù)而言，在進(jìn)口速度為8 m/s的條件下，兩者的差值為9.48，在10 m/s的入口速度下，兩者的差值為5.00。雖然閉式擋板式擴(kuò)散器性能系數(shù)比非擋板式擴(kuò)散器高，但是閉式擋板式擴(kuò)散器的構(gòu)造比非擋板式擴(kuò)散器更為復(fù)雜。綜合考慮，本次風(fēng)扇擴(kuò)散器的改造應(yīng)用無擋板擴(kuò)散器。圖4顯示了完成無擋水?dāng)U散器的結(jié)構(gòu)改造前后粉塵污染情況。

圖4 風(fēng)散擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)改造前后控制粉塵對比

4 結(jié)語

煤礦主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器防塵設(shè)備的應(yīng)用是工業(yè)廣場煤塵治理的有效途徑。增加主散流器周圍流量，可以增加煤粉慣性分離的概率和煤塵重力沉降的概率。因此，非改造型主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器的除塵效率低于無擋板主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器的除塵設(shè)備，非擋板設(shè)備的除塵效率低于不完全封閉擋板，另外，無擋板設(shè)備與不完全封閉擋板之間的能耗相差不多。從以上角度來看，圍繞角區(qū)測量增加流量是繼續(xù)提高主扇擴(kuò)散器控制煤粉效率的一種途徑。