李永恩 徐洋 蔣卓

（1、國家能源集團國源電力有限公司，北京 100032 2、國家衛(wèi)生健康委職業(yè)安全衛(wèi)生研究中心，北京 102300 3、遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000）

近年內(nèi)，由于國民經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，能源需求尤其是基礎(chǔ)能源煤炭的需求逐年增加，因而造成了煤炭市場持續(xù)的“供不應(yīng)求”的局面，為國內(nèi)煤炭企業(yè)的迅速發(fā)展提供了良好的機遇。隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，西部經(jīng)濟發(fā)展突飛猛進，尤其是內(nèi)蒙古自治區(qū)西部鄂爾多斯地區(qū)依靠豐富的煤炭資源優(yōu)勢，迅速成為我國新興的煤炭生產(chǎn)基地。

隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，選煤廠的煤塵污染問題導(dǎo)致工作人員患塵肺病的比例增加[1]，該病是我國最常見的職業(yè)病，且很難治愈，截止2020 年底各類職業(yè)病新病例19428 例，其中職業(yè)性塵肺病15898 例，占比81.83%，其中有1800 人死于該病，所以粉塵污染對于從事相關(guān)領(lǐng)域工作人員身體的損害是有目共睹的，治理刻不容緩。此外，粉塵除了可能引起煤塵及煤塵瓦斯爆炸事故對人體的危害外，還能加快機械磨損，縮短精密設(shè)備的使用壽命，以及降低作業(yè)環(huán)境的能見度，給安全生產(chǎn)帶來潛在的安全隱患。

劉緒玉[2]等人研究綜放工作面以及液壓支架的自動化噴霧技術(shù)，這時的自動噴霧技術(shù)是隨著采煤設(shè)備的開啟而開啟的，沒有很強的針對性，工作粗放，效率低下。馬駿[3]基于信息化礦山建設(shè)進行了智能化除塵系統(tǒng)的設(shè)計，此時的控制技術(shù)和理論成系統(tǒng)化，王開青[4]等人設(shè)計了電力載波通訊的噴霧降塵控制系統(tǒng)，對噴霧控制技術(shù)做了進一步的優(yōu)化和補充。

選煤廠在煤塊的洗選運輸過程中會產(chǎn)生大量的粉塵[5-8]，隨著風(fēng)流的牽引逸散到空氣中，嚴重污染周圍的環(huán)境，由于工作區(qū)域的復(fù)雜性，以及受各種不穩(wěn)定因素的影響，至今沒有較好的除塵措施可以徹底解決洗選環(huán)節(jié)粉塵污染問題[9-12]。本研究以選煤廠篩分車間1-7 樓的各種設(shè)備、粉塵污染源進行深入的調(diào)查，找到高濃度產(chǎn)塵點和粉塵積聚位置[13，14]，對擴散過程的關(guān)鍵位置進行系統(tǒng)的普查，對各塵源點做好了粉塵的采樣，開展煤塵綜合治理技術(shù)的研究。發(fā)展粉塵濃度在線監(jiān)測及噴霧降塵技術(shù)，對于提高我國的污染源監(jiān)測水平和煤礦管理水平、促進技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展都具有重要的意義[15，16]。

1 粉塵產(chǎn)塵點測量和特性實驗研究

1.1 粉塵游離二氧化硅含量測定實驗

根據(jù)科學(xué)研究證明，引起塵肺病的主要礦物成分是呼吸性粉塵中游離二氧化硅。因此，在當今世界的煤礦安全法規(guī)中，工作場所中最高粉塵濃度的允許值（mg/m3）是基于粉塵中游離二氧化硅的含量而定的。采用國家標準《作業(yè)場所空氣中粉塵測定方法》GB5748-85 進行測定，測試原理為：硅酸鹽溶于加熱的焦磷酸而石英幾乎不溶，以質(zhì)量法測定粉塵中游離二氧化硅的含量（焦磷酸法）。根據(jù)濾膜直徑為75mm 的采樣方法，將工作人員活動的“呼吸帶”附近懸浮的粉塵最大流量收集約0.2g，帶回實驗室通過錐型燒瓶（50ml）；量筒（25ml）；燒杯（200～400ml）；玻璃漏斗和漏斗架；溫度計（0～360℃）；電爐（可調(diào)）；高溫電爐（附溫度控制器）；瓷堝坩或鉑坩堝（25ml，帶蓋）；坩堝鉗或鉑尖坩堝鉗；干燥器（內(nèi)盛變色硅膠）；分析天平（重量為0.0001g）；瑪瑙研缽；定量濾紙（慢速）；pH 試紙等實驗設(shè)備進行測量，測定結(jié)果如表1 所示。

表1 黃玉川粉塵游離二氧化硅含量測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果可得到黃玉川選煤廠篩分樓粉塵游離SiO2含量總體小于10%，經(jīng)過計算可知該廠房工作時最高允許呼吸性粉塵濃度為2.5mg/m3。

1.2 主要產(chǎn)塵點測量

研究的篩分車間為一整棟作業(yè)樓，一共7 層樓，剖面圖如圖1 所示，原煤通過運輸皮帶進入篩分車間7 樓，經(jīng)過車間內(nèi)的原煤分級篩系統(tǒng)，一層一層的向下篩分，粉塵顆粒從原煤上剝離，經(jīng)過風(fēng)流、重力、曳力的作用向整個車間擴散。

圖1 選煤廠主廠房剖面圖

對整個廠房進行粉塵測量，得到粉塵濃度如表2 所示，測量得到一樓粉塵較其他樓層嚴重，尤其其中的末煤運輸皮帶，末煤相較于塊煤，發(fā)塵量更大，所以我們以末煤運輸皮帶為研究對象研究其粉塵逸散規(guī)律。

表2 各測點粉塵質(zhì)量濃度

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

依據(jù)選煤廠的篩分車間一樓3001 膠帶運輸機作為研究對象，研究落料漏塵于膠帶運行牽引共同作用下的煤塵逸散污染規(guī)律。膠帶機位于篩分廠房一樓，作業(yè)場所是一個室內(nèi)空間，該空間高度為3.8m，皮帶長31m，上下皮帶距離為0.6m，導(dǎo)料槽長20m，寬2m，高0.8m，利用COMSOL 軟件的有限元模擬方法建立的3001 膠帶機幾何模型如圖2 所示。

圖2 3001 膠帶幾何模型

2.2 數(shù)學(xué)模型

氣固顆粒兩相流按照粉塵濃度高低可劃分為稀疏流和稠密流，數(shù)值模擬方法隨之不同。煤廠的產(chǎn)塵空間結(jié)構(gòu)可分為兩部分，一部分為作業(yè)人員所處的場所，即“作業(yè)空間”，這一部分粉塵濃度在500mg/m3以內(nèi)，可以忽略煤塵顆粒間的相互作用力以及顆粒對壁面的碰撞作用，宜采用粉塵顆粒運動耦合Euler稀相模型。

氣固兩相流的微分方程組采用滑移擴散模型，用時平均法通過層流兩相流方程推導(dǎo)出紊流兩相流的時均方程組：氣相連續(xù)性方程：

式中：ugi，upi分別為i 坐標方向(x，y，z)上氣相、顆粒相的速度分量，m/s；Sp為塵源發(fā)塵而引起的顆粒相源項，kg/s；Sg為氣相的源項，kg/s，Sg=-Sp；ρp，ρg分別為氣相、顆粒相的表觀密度，kg/m3，ρp與ρg的關(guān)系為：

式中：μef為氣相的有效動力粘性系數(shù)，kg/m·s，μef=μ+μT；μ 為空氣的動力粘性系數(shù)，kg/m·s；μT氣相的紊流動力粘性系數(shù)，kg/m·s；trk為顆粒動量傳遞的馳豫時間常數(shù)。

2.3 邊界條件設(shè)定

3003 皮帶的工作過程是煤料由入料口進入導(dǎo)料槽，在經(jīng)由皮帶運輸至下一個環(huán)節(jié)，入料口的誘導(dǎo)風(fēng)流經(jīng)過現(xiàn)場測試范圍是0.5m/s-0.6m/s，所以在模型參數(shù)的設(shè)定中，入口一（入料口）的風(fēng)流設(shè)定為0.56m/s；皮帶的移動速度經(jīng)過詢問現(xiàn)場的工作人員得到3.27m/s，所以將模型中皮帶滑動壁的設(shè)定速度為3.27m/s，且方向沿x 軸正方向。

2.4 模擬結(jié)果與分析

落料管導(dǎo)料槽的噴塵究其原因主要是由誘導(dǎo)風(fēng)流造成的。落料從上方轉(zhuǎn)載點引入的大量誘導(dǎo)風(fēng)流，在導(dǎo)料槽內(nèi)形成高壓氣體，導(dǎo)料槽內(nèi)壓力分布所示，產(chǎn)生了24MPa 的正壓力。如圖3所示煤塵主要在落料點周圍5m 內(nèi)分布，且粒徑越小越能懸浮在空氣中，主要在5～10 微米的呼吸性煤塵分布在1～2m 內(nèi)，恰好處于工作人員常規(guī)呼吸帶范圍，對工人危害極大。而15～20微米煤塵則分布在0～3m 空間內(nèi)，大量于落料口下方沉積，但受到慣性力的作用，擴散距離遠分布廣，污染范圍大。

圖3 落料轉(zhuǎn)載煤塵逸散規(guī)律數(shù)值模擬煤塵粒徑分布

如圖3、4 所示，可以看出粉塵彌散在一定的范圍區(qū)域內(nèi)。在X 軸正方向0-10m 這個區(qū)段內(nèi)，粉塵跟隨皮帶向前運動在5m的時候發(fā)生漏塵現(xiàn)象，這一區(qū)域內(nèi)受到了落料揚塵與皮帶運行時共同作用力，粉塵大量向兩側(cè)擴散，呈V 型區(qū)域，這一區(qū)域粉塵擴散濃度大且較為集中。在10-30m 這個區(qū)段內(nèi)粉塵擴散主要依靠皮帶運輸時的揚塵，粉塵跟隨篩分車間的風(fēng)流場力運動，可以看出5～10 微米煤塵比10 微米以上煤塵更易跟隨氣流流線運動，這主要是因為重力的作用，大于10 微米的粉塵隨重力作用沉降，而小于10 微米以下的粉塵由于質(zhì)量較輕會隨著風(fēng)流場擴散。從圖中可以看出80s 時擴散距離可達30m。在風(fēng)流流線方向污染范圍大。所以需要對污染漏塵的地方進行有效的除塵，以期達到對粉塵的有效降除。

3 智能化除塵系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)主要的功能是進行現(xiàn)場粉塵濃度的監(jiān)測，當濃度超標后，及時進行噴霧降塵，提高降塵效果，改善生產(chǎn)環(huán)境，避免安全隱患。并進行現(xiàn)場煙霧的監(jiān)測，實時分析現(xiàn)場是否具有煤炭的自燃現(xiàn)象。針對黃玉川煤礦選煤廠的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)情況，采用基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化粉塵監(jiān)控預(yù)警及控制系統(tǒng)，整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖5。

通過主控制器實現(xiàn)對粉塵濃度的采集、煙霧傳感器數(shù)據(jù)的采集，由于控制模塊需要模擬量輸入，因此需要將粉塵濃度傳感器輸出的200-1000Hz 頻率信號轉(zhuǎn)換為模擬量，然后送入控制器模塊進行判斷，當粉塵濃度超過4mg/m3，驅(qū)動電磁閥，打開通氣管道和和通水管道，開啟噴霧降塵。當粉塵濃度低于限值的時候，控制器關(guān)閉電磁閥，停止噴霧。

監(jiān)控界面可對粉塵濃度、煙霧濃度的實時檢測值進行判斷，監(jiān)控畫面中會出現(xiàn)噴霧狀態(tài)，若粉塵濃度或煙霧濃度無法通過噴霧設(shè)備降低到正常值，監(jiān)控畫面會產(chǎn)生危險報警。

圖6 是軟件監(jiān)控界面圖。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)歷史趨勢圖界面效果圖

對于生產(chǎn)工藝中易于出塵的區(qū)域進行重點布控，實時監(jiān)測粉塵濃度、煙霧狀態(tài)，并基于有線傳輸+無線傳輸?shù)姆绞?，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的物聯(lián)，構(gòu)建可靠的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，為開展粉塵綜合監(jiān)控提供基礎(chǔ)。進一步，將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行遠程傳輸，送至監(jiān)控中心，對現(xiàn)場所有測點信息進行綜合分析，確保全廠粉塵監(jiān)控的有效性與系統(tǒng)運行的可靠性。

4 工程實例

設(shè)計好噴霧系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)后進行噴霧設(shè)備的安裝和調(diào)試，霧幕整體呈現(xiàn)半透明狀，是由于霧幕霧滴動力足，霧滴運動速度快，這表明其煤塵的捕集能力突出。煤塵治理前后濃度如表3 所示。

表3 煤塵治理前后對比數(shù)據(jù)

因此該系統(tǒng)就降塵功能而言，它能夠有效的破壞含塵氣流場的分布，令雙膠帶干涉中的煤塵運移、渦流、積聚現(xiàn)象得以消除，在塵源擴散初始路徑將煤塵捕集，并且有效覆蓋包裹塵源點，令粉塵擴散被消弭在源頭。達到了國內(nèi)外先進水平，實現(xiàn)了設(shè)計的要求，綜合降塵效果超過85%。另外，系統(tǒng)耗水量極低、好氣量更少，全系統(tǒng)響應(yīng)能力強、控制方式簡單，效果突出，在節(jié)能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了安全和環(huán)保。

5 結(jié)論

5.1 開展了選煤廠篩分樓的粉塵質(zhì)量濃度普查，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)得到作業(yè)場所全塵濃度和呼吸性粉塵濃度都嚴重超標，一樓的粉塵污染最嚴重，粉塵濃度范圍在90mg/m3～180mg/m3，呼吸性粉塵濃度在13mg/m3～57.3mg/m3。

5.2 基于一樓3003 膠帶運輸機進行COMSOL 的仿真模擬，得到粉塵主要是由落料誘導(dǎo)正壓噴塵、機尾甩塵以及轉(zhuǎn)載點揚塵轉(zhuǎn)載造成，機尾處、膠帶中部、膠帶走廊污染情況最嚴重。

5.3 根據(jù)粉塵污染的規(guī)律設(shè)計智能噴霧降塵系統(tǒng)，現(xiàn)場安裝有粉塵濃度傳感器和和煙霧傳感器，實時監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)，當粉塵質(zhì)量濃度超過4mg/m3，通過智能控制板控制氣水兩路電磁閥的開閉，從而控制噴霧裝置的開閉。

5.4 通過降塵前后粉塵質(zhì)量濃度對比，綜合降塵效果達到85%，在塵源擴散初始路徑將煤塵捕集，并且有效覆蓋包裹塵源點，實現(xiàn)設(shè)計要求。