除塵風機離心除塵器除塵數值模擬與應用

郭秀廷 郭增樂 李繼春 李淑玉 陳 琛

（1.潞安集團環能股份有限公司，山西 長治 046103；2.中國礦業大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京 100083；3.潞安集團 通風處，山西 長治 046299）

0 引言

粉塵是煤礦五大災害之一。粉塵不僅在一定條件下會爆炸，造成大量人員傷亡和財產損失，而且會引發塵肺病，塵肺病是危害煤礦工人身體健康最嚴重的職業病。為防止粉塵爆炸，為煤礦工人創造一個安全健康的職業環境，粉塵治理一直是煤礦企業安全工作的重點。掘進工作面是煤礦井下主要產塵源之一，掘進巷的通風除塵系統是針對掘進面截割時的產塵量大而應用的有效除塵技術。大同煤礦集團公司燕子山礦掘進工作面采用粉塵綜合治理技術，其粉塵治理技術主要包括：綜掘機內外噴霧降塵，煤層注水和使用濕式除塵風機除塵。目前燕子山礦掘進工作面濕式除塵風機除塵效率較低，巷道空氣環境中粉塵含量較高。為提高掘進工作面濕式除塵風機除塵效率，改善巷道環境，需要對原有的濕式除塵風機離心除塵器進行改造設計，對除塵器螺旋擋板間距這一關鍵數值進行模擬研究。國內對掘進巷道通風除塵系統的研究主要有數值模擬研究、工程應用研究和設備研發研究，胡方坤[1]進行了長壓短抽全巖綜掘面通風除塵的粉塵運移數值模擬研究，馬成民等人[2-5]進行了濕式除塵風機在綜掘工作面的應用研究，陳虎[6]進行了礦用濕式除塵風機的研制，趙海鳴[7]對濕式除塵風機三相除塵運行參數進行了研究，鄧敬亮[8]進行了離心風機全三維數值模擬及優化設計研究。本文以大同煤礦集團公司燕子山礦粉塵專項治理為工程背景，基于計算流體力學軟件Fluent，應用數值模擬的方法，以濕式離心除塵風機應用關鍵參數為研究對象，對含塵風流經過不同結構參數的離心除塵器的除塵效率進行研究，為除塵風機除塵器改造設計提供數據參考，為提高礦井巷道粉塵防治技術水平提供了支持。

1 研究背景及除塵風機關鍵參數構建

1.1 工程背景

燕子山礦位于大同煤田西北邊緣，設計生產能力400萬噸/年，服務年限70年。燕子山礦煤炭分層較多，每層煤的合并地點多，在采掘過程中會產生大量粉塵。燕子山礦粉塵治理采用預防與治理相結合的辦法，需要對產塵機理、粉塵預防與粉塵治理等方面進行研究，形成適合燕子山礦的粉塵綜合治理辦法。燕子山礦在掘進面粉塵綜合治理中采用綜掘機防塵、煤層注水和通風除塵技術。在通風除塵方面，需要對除塵風機離心除塵器除塵規律進行研究，為除塵風機的設計與選擇提供指導原則。

1.2 除塵器物理模型與網格劃分

離心除塵器結構是影響除塵風機除塵效率的關鍵因素，離心除塵器內部為螺旋擋板，在擋板作用下，含塵風流通過除塵器時會進行螺旋狀運動，其中粉塵在旋轉運動產塵離心力的作用下沿徑向方向運動，撞擊除塵器的筒壁，被筒壁捕獲，從而達到除塵目的。離心除塵器的設計參數包括除塵器外殼半徑、除塵段長度、螺旋擋板間距、內芯體半徑和螺旋通道數。本文選取螺旋擋板間距這一參數對降塵效果的影響進行研究。

除塵器外形為圓柱形，內部為螺旋結構擋板。除塵器外殼直徑為0.8m，除塵器總長度為2.7m，其中螺旋段軸向長度1.5m，螺旋部分距左端面0.7m，距右端面0.5m，螺旋擋板間距為0.3m，螺旋通道為1個，以除塵器中心軸線為內芯體中軸線建立螺旋擋板，擋板厚度忽略不計。根據以上除塵器結構參數，本文用Gambit軟件對除塵器建立物理模型，采用四面體網格劃分網格，除塵器物理模型及網格劃分情況，如圖1，網格總數量為58692個。

圖1 除塵器幾何模型及網格劃分圖Fig.1 Geometric model and mesh dividing chart of dust collector

2 除塵器除塵過程的數學描述及邊界條件

2.1 數學模型

本文利用Fluent對模型進行數值計算，檢查網格后選擇數學模型。實際應用中，除塵器內部氣流為氣—液—固多相流動。為簡化計算，在除塵器除塵模擬中，不考慮水霧存在，只模擬粉塵與空氣運動情況。模擬連續相介質為空氣，離散相介質為粉塵。在計算中將空氣運動視為理想不可壓縮流體定常流動。

因除塵器內部流體為旋轉流動狀態，流線曲率大，因此在模擬過程中選擇湍流模型為RNGk-ε湍流方程[9]，即

k方程：

式中：

κ—湍動能，J；

ε—湍流動能耗散率；

t—時間，s；

ui—流速沿i軸方向的分量，m/s；

αk和αε—k方程和ε方程的湍流特朗普數，αk=αε=1.39；

μeff—有效粘度，μeff=μ+μt；

μ—空氣動力粘度，N/m2·s；

μt—湍流粘度

Cμ—系數，Cμ=0.0845；

Gκ—平均速度梯度產生的湍動能，J；

Gb—浮力引起的湍動能，不可壓縮流體Gb取0；

YM—可壓縮湍流中脈動膨脹對總擴散的影響，不可壓縮流體YM取0；

C1ε、C2ε、C3ε—系數，C1ε=1.42，C2ε=1.68，C3ε=1.75。

除塵器中的粉塵顆粒運動采用DPM離散方法進行描述[10]，對x方向的顆粒運動方程為：

式中：

ρp—粉塵顆粒密度，kg/m3；

up—粉塵顆粒在x軸方向運動速度，m/s；

gx—重力加速度在x軸方向的分量，m/s2；

FD(u-up)—空氣對粉塵顆粒單位質量曳力，其中為空氣動力粘度，N/m2·s；dp為粉塵顆粒直徑，m；CD為曳力系數，Re為相對雷諾數；

Fx—作用力或單位顆粒質量引起的附加加速度項，m/s2。

2.2 邊界條件與其它參數設置

邊界條件設模型左端面為粉塵和空氣兩相流速度入口，入口速度取0.3 ～3.9m/s，模型右端面設為自由出口，其他壁面與螺旋擋板設為固體壁面（材質為鋼），噴射源類型為面噴射，阻力特征為球型顆粒，粉塵材質為低揮發分煤，粒徑分布為R-R分布，最小粒徑0.000001mm，最大粒徑0.0001mm，中位徑0.000059mm，分布指數2.42，粉塵擴散模型為隨機軌道模型。計算步長設為15000，時間步長設0.01。

3 除塵模擬結果

圖2為除塵器入口風流速度1.9m/s、除塵器直徑為0.8m、長度為2.7m、螺距為0.3m時的粉塵運移軌跡的數值模擬結果。圖2中，粉塵流動過程呈現螺旋狀，入口處粉塵濃度較大，出口處粉塵濃度較小，粉塵在隨風流運動過程因離心作用被壁面捕捉。

圖2 粉塵流動軌跡Fig.2 The trajectory of dust movement

為分析流入除塵螺旋的不同風速對除塵效果的影響，在直徑為0.8m、長度為2.7m、螺距為0.3m等條件相同情況下，在0.3～3.9m/s范圍內改變除塵器入口處風流速度再進行降塵模擬，圖3為不同風流速度與對應除塵效率變化關系曲線。通過圖3可知，螺旋入口風速從0.3m/s增加到1.9m/s時，除塵效率曲線呈現快速上升趨勢，除塵效率顯著提高，而當螺旋入口風速大于1.9m/s時，曲線變化逐漸趨于平緩，隨著風速的增加，除塵效率沒有得到顯著提升。因此，除塵器入口風速取1.9m/s時既可達到較好的除塵效果，又具有較好的經濟效益。

圖3 除塵效率隨入口空氣流速的變化關系Fig.3 The relationship between dust removal efficiency and inlet air velocity

為了進一步分析不同螺距下的除塵效果，以獲得最大除塵效率時的螺距，從而合理設計濕式離心除塵器的內部結構。通過改變螺距，對不同螺距情況進行模擬，可以得到螺距變化與除塵效率之間的關系。螺距從0.1m變到0.9m時，風速取1.9m/s，其他邊界條件相同。不同螺距與除塵效率之間的關系，如圖4。通過圖4可以看出，螺距從0.1m～0.3m時，除塵效率曲線為上升階段，隨著螺距的增加，除塵效率逐漸增加，當螺距大于0.3m時，曲線開始呈下降趨勢，隨著螺距的增加，除塵效率降低。因此，螺距設為0.3m較為合適，此時的除塵率最高。

圖4 除塵效率隨螺距的變化關系Fig.4 The relationship between dust removal efficiency and pitch

4 應用

燕子山礦綜掘工作面使用KCS濕式除塵風機設計螺旋擋板間距0.3m，除塵風機安裝在綜掘機皮帶支架上，隨工作面向前掘進而前移。除塵風機的風筒進風口設置在距離綜掘機機頭5m處并且風筒進風口超前掘進司機處2m，壓入式局部通風機出風口布置在巷道右側并超前除塵風機進風口3m處。用GH100直讀式粉塵儀對除塵風機使用前后粉塵進行測定，下表所示為綜掘面使用除塵風機前后粉塵濃度測量情況，使用設計后的濕式除塵風機，其降塵效率可達96.7%，除塵效果顯著。

表 除塵風機使用前后粉塵濃度測量情況Tab. Measurement of dust concentration before and after using of dust removal fan

5 結論

本文應用計算流體動力學軟件Fluent對除塵風機的離心除塵器除塵過程進行數值模擬研究。結果表明：

（1）含塵風流以螺旋線運動軌跡通過除塵風機離心除塵器后，風流含塵量明顯降低，離心除塵器能有效除塵；除塵器內部螺旋擋板間距是影響除塵效率的重要因素，在風流速度為1.9m/s條件下，當除塵器螺旋擋板間距為0.3m時，除塵效果最好，螺旋擋板間距過小或過大都會導致除塵器除塵效率降低。

（2）離心除塵器入口處風流速度對除塵效率有影響，入口風流速度從0.3m/s到1.9m/s之間增加時，除塵效率隨除塵器入口風流速度的增加而快速增加，當風流速度大于1.9m/s時，隨風流速度的增加，除塵效率趨于穩定。

（3）綜掘工作面實踐表明設計使用除塵器螺旋擋板間距為0.3m的濕式除塵風機降塵效率可達96.7%，除塵效果顯著。