噴漿機濕式除塵器防粘技術研究

丁志權，李德文，謝俊生

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045008)

錨噴工作面作為煤礦井下作業的重要場所，其高效、安全、有序的作業過程對礦井生產意義重大[1-3]。錨噴工作面噴漿作業會產生較高濃度的水泥粉塵，潮式噴漿時噴漿機周圍的粉塵質量濃度可達600 mg/m3[4-5]。水泥粉塵不同于煤塵和巖塵，其具有極強的粘結性，治理難度大[6-7]。廣泛應用于煤礦井下采煤、掘進、運輸等作業場所的濕式除塵器[8-11]，在用于錨噴工作面除塵時，會出現明顯的水泥粉塵粘結除塵器器壁、濾網等問題，除塵器難以正常運行。為解決此問題，蔣云國[12]曾經針對除塵器葉輪水泥粉塵粘結問題進行了研究，通過結構優化解決了葉輪輪轂的水泥粉塵粘結問題；趙文彬等[13]通過對強粘接性焦煤粉塵特性開展研究，提高了焦煤粉塵的降塵效率。筆者擬通過對不同風速條件下除塵器內部粉塵沉積規律進行模擬研究，找出最佳抽塵風速；提出解決濕式除塵器水泥粉塵粘結問題的方法，然后通過實驗進行驗證。

1 濕式除塵器的工作原理及粉塵粘結原因分析

1.1 除塵器結構及工作原理

針對煤礦井下錨噴工作面上料濕式除塵器進行模擬研究。該濕式除塵器的結構類似于孔口除塵器[14]，主要由外殼、濾網、噴霧裝置、脫水器、空氣引射器等組成，其結構及工作原理如圖1所示。其中，濾網為一個長470 mm、寬400 mm的矩形鋼絲網(共2層，網孔尺寸為250 μm)，面積為0.188 m2，與抽塵管道軸線成60°夾角布置；空氣引射器入口內壁面積為0.09 m2。

1—抽塵管道；2—進水口；3—濾網；4—空氣引射器；5—導流板；6—排污口；7—脫水器。

濕式除塵器工作原理：在空氣引射器產生的負壓作用下，含塵氣流通過進氣口被抽入除塵器箱體內，在流經由噴嘴噴出并經導流板形成的水幕水霧時，水泥粉塵與水霧顆粒經過慣性碰撞、攔截及擴散等作用混合后，大部分被濾網攔截，并在重力作用下順著濾網流至排污口排出，另有一小部分細微粉塵通過濾網進入后方空間，最后經過脫水被再次凈化除去。

1.2 水泥粉塵粘結原因分析

由于濾網不能將含塵氣流中的全部粉塵除凈，一小部分細微粉塵及從縫隙“逃逸”過去的粉塵漂浮在濾網后方空間，將會沉積粘附在除塵器內壁和濾網上，如果清理不及時，則將導致除塵器阻力增大，降低空氣引射器抽塵能力，最終導致除塵效率下降。

分析可知，水泥粉塵自身的物理化學特性，以及沉積在物體表面后不能及時得到清除，是濕式除塵器產生水泥粉塵粘結的重要原因。

2 基于Fluent軟件的流場模擬結果與分析

計算流體力學軟件[15]作為新型研究流體力學的技術工具，因其具有功能齊全、使用方便、安全快捷等特點，被廣泛應用于航天、航海及其他許多涉及流體力學研究的領域[16-18]。在除塵器流場模擬方面，應用Fluent模擬軟件可以更好地解決除塵器一些設計上的不足[19-20]，為優化除塵器結構提供技術支撐。筆者采用Fluent模擬軟件，針對除塵器的箱體部分進行模擬研究，并對濾網和空氣引射器入口內壁部分粉塵沉積量進行分析。

對濾網和空氣引射器入口內壁的粉塵沉積量進行量化處理。以濾網正中心為坐標原點O，坐標軸設置如圖2所示。

1—濾網；2—空氣引射器入口；3—排污口。

通過計算不同x處沿垂直于x方向上的沉積粉塵總量，得到不同風速條件下濾網和空氣引射器入口內壁的粉塵沉積質量分布規律，如圖3～4所示。

圖3 不同風速條件下濾網粉塵沉積質量分布規律

圖4 不同風速條件下空氣引射器入口內壁粉塵沉積質量分布規律

由圖3可見，濾網沿x軸負方向粉塵沉積質量要少于沿x軸正方向，從左至右，當到達中間位置時，粉塵沉積質量明顯增大，之后基本穩定，總體呈增大趨勢；隨著風速增大，濾網的粉塵沉積質量增大。

由圖4可見，粉塵沉積質量從左至右先突降，然后逐漸升高；當風速增大到1.5 m/s時，粉塵沉積質量達到最大；在風速增大至2.0 m/s時，粉塵沉積量反而有所下降。

綜合圖3、圖4分析得出，要想同時將除塵器濾網和空氣引射器入口內壁的粉塵沉積質量控制在一個較低的水平，濕式除塵器入口風速應取1.0 m/s 左右。

在風速為1.0 m/s的情況下，濾網和空氣引射器入口內壁的全部粉塵粘結質量分別為2.11、0.42 kg。

3 實驗驗證

3.1 最佳風速的實驗驗證

實驗測試系統由圓盤給料機、測塵管道、水泵、風機、除塵器箱體等組成，如圖5所示。

1—圓盤給料機；2—噴槍；3—測塵管道；4—U型管壓力計；5—導流板；6—水壓調節閥；7—流量計；8—水泵；9—風機；10—沖洗噴嘴；11—濾網；12—排污口。

根據數值模擬結果可知，當風速為1.0 m/s左右時粉塵沉積量最少，因此設置實驗風速分別為0.8、1.0、1.2、1.5 m/s；圓盤給料機的質量流量為 1 g/s(與模擬設置相同)。實驗開始時，打開噴嘴供水閥并調節水壓至所需值。在實驗持續10 min后，分別測量濾網及對應空氣引射器入口內壁的粉塵粘結質量，結果見表1。

設不同風速條件下濾網粉塵粘結質量為ml，i(i為風速值)，由表1中數據可以看出：濾網粉塵粘結質量ml，0.8>ml，1.0>ml，1.2>ml，1.5；又設空氣引射器入口內壁粉塵粘結質量為mr，i(i為風速值)，空氣引射器入口內壁粉塵粘結質量mr，1.2>mr，1.5>mr，1.0>mr，0.8。綜合來看，風速為1.0 m/s時粉塵粘結質量較低。

實驗結果與數值模擬結果基本相符，所以最佳的風速為1.0 m/s左右。

3.2 實驗步驟及結果

采用噴霧和外加緩凝劑的方式，擬解決水泥粉塵粘結濾網及空氣引射器入口內壁的問題。一是在除塵器濾網后方加上2個不同方向的沖洗噴嘴，以噴霧的方式捕集粉塵，并及時沖洗濾網和空氣引射器入口內壁上粘結的粉塵；二是在噴霧水中加入緩凝劑葡萄糖酸鈉，以延長潤濕的水泥粉塵固化時間，從而便于及時將粉塵沖洗凈化。

3.2.1 實驗步驟

采用圖5所示的實驗系統開展濕式除塵器防粘技術研究，主要實驗步驟如下：

1)圓盤給料機按照質量流量為1 g/s供給水泥粉塵，粉塵在風機產生的負壓抽吸作用下通過測塵管道進入除塵器箱體，風速為1.0 m/s左右；

2)打開左、右水壓調節閥6，中間閥關閉，實驗時間10 min，取粘結粉塵進行稱重；

3)在步驟2)中條件不變的情況下，調節沖洗噴嘴水壓調節閥，通過流量計7得出不同流量下的粉塵粘結量，確定最佳的噴霧流量；

4)在步驟3)的實驗結果下，在噴霧水中添加葡萄糖酸鈉溶液，溶液中葡萄糖酸鈉的質量分數分別為0.2%、0.5%、1.0%、1.5%，測量在不同葡萄糖酸鈉質量分數時的粉塵粘結質量；

5)在步驟3)、步驟4)的實驗結果下，繼續進行實驗，測量粉塵粘結質量。

3.2.2 實驗結果

1)通過實驗測試，得出濾網、空氣引射器入口內壁粉塵粘結質量與噴霧流量的關系，如圖6所示。

圖6 粉塵粘結質量與噴霧流量的關系曲線

由圖6可知，粉塵的粘結質量隨著噴霧流量的增加先降低后趨于平緩，在噴霧流量為2.5 L/min時，濾網及空氣引射器入口內壁2個位置的粉塵粘結質量都降至較低水平，且隨著噴霧流量的繼續增加而降低幅度很小。可以得出，最佳的噴霧流量為 2.5 L/min，選用的噴嘴參數如表2所示。

表2 噴嘴的技術參數

2)在噴霧流量為2.5 L/min的條件下，實驗得出濾網、空氣引射器入口內壁粉塵粘結質量與葡萄糖酸鈉質量分數的關系，如圖7所示。

圖7 粉塵粘結質量與葡萄糖酸鈉質量分數的關系曲線

由圖7可知，粉塵粘結質量隨著葡萄糖酸鈉質量分數的增加先降低后趨于平緩，在葡萄糖酸鈉質量分數為1.0%時，濾網及空氣引射器入口內壁2個位置的粉塵粘結質量都降至較低水平，且隨著葡萄糖酸鈉質量分數的繼續增加而幾乎不再下降。可以得出，最佳的葡萄糖酸鈉質量分數為1.0%。

3)一般而言，粉塵粘結質量將隨著時間的推移而增大，為此進行了粉塵粘結質量與時間的關系實驗，結果如圖8所示。

圖8 粉塵粘結質量與時間的關系曲線

由圖8可見，粉塵粘結質量隨著時間的推移開始時微有增加，之后基本不變，保持穩定。

在除塵器濾網后方加上2個不同方向的沖洗噴嘴、在噴霧水中加入葡萄糖酸鈉這兩種防粘措施實施后，濾網和空氣引射器入口內壁的粉塵粘結質量分別由1.87、0.15 kg降至0.010、0.005 kg，分別下降了99.5%、99.3%，防粘效果較好。

4 結論

1)通過數值模擬，得到了不同風速條件下濕式除塵器濾網和空氣引射器入口內壁的粉塵沉積規律，由此優選出除塵器抽塵風速為1.0 m/s左右，并通過實驗得到了驗證；

2)采用噴霧及外加緩凝劑葡萄糖酸鈉的方式，解決了水泥粉塵粘結濾網和空氣引射器入口內壁的問題，并確定了最佳的技術參數：每個沖洗噴嘴的噴霧流量為2.5 L/min、添加溶液中的葡萄糖酸鈉質量分數為1.0%；

3)采用噴霧及外加緩凝劑的防粘技術方案，使濕式除塵器濾網和空氣引射器入口內壁的水泥粉塵粘結質量分別下降了99.5%、99.3%，并且隨著時間的推移，粉塵粘結質量再無明顯增加，有效解決了粉塵粘結問題。