輸煤皮帶機尾粉塵氣動射霧除塵探討

邵剛超

（山西焦煤西山煤電東曲礦， 山西 古交 030200）

引言

現(xiàn)如今，社會生產的機械化程度不斷加深，輸煤過程中的粉塵產出量逐漸增多，由此形成的污染問題隨之加劇。而粉塵不僅會引發(fā)煤塵爆炸、影響作業(yè)空間的能見度、加快機器損耗速度，還容易使現(xiàn)場工作人員患上塵肺病。所以，加強對粉塵治理的研究，具有必要性。

1 輸煤皮帶粉塵

如果依靠人力傳送煤炭，不僅對勞動力有較大的需要，還會耗費諸多財力。在現(xiàn)代化的生產活動中，機械化模式已經(jīng)深入各領域，使用皮帶機進行煤炭輸送，可保障基本效率。但因為輸煤量較大，皮帶機運行中煤炭會與皮帶之間不斷發(fā)生摩擦，由此產生粉塵，并直接分散到所處空間中。在輸煤皮帶機長期運行中，其機尾持續(xù)甩塵，使得附近的粉塵質量濃度不斷提高，能達到400 mg/m3。而大量的粉塵，既降低了工作空間的環(huán)境質量，又對現(xiàn)場工作人員的身體造成嚴重損害[1]。

2 氣動射霧除塵運行原理

2.1 工作原理

在此種除塵系統(tǒng)中，涉及兩套管路，各自負責壓力與壓水，二者直接在噴嘴的位置連接。實際運行中，會把水體通過加壓處理，達到0.1～0.2 MPa 的程度，下一步是為保障最終射霧的質量，需要水體運用過濾裝置處理，確保其不攜帶任何雜質，最終由相應管路流出。而空氣需加壓到0.2～0.3 MPa，利用進一步凈化處理，從對應管路噴出，直接把水流分散成水霧，并經(jīng)過相連的霧化噴嘴射到工作場所中。而后在相對靜態(tài)空氣的撕裂中，完成二次破碎。在此類系統(tǒng)下，能短時間噴射出大量霧滴，各粒徑不會超過10 μm，直接輸送到粉塵區(qū)域。一個噴頭能發(fā)出的霧長在3～10 m。基于粒子碰撞理論，和機尾粉塵顆粒尺寸接近的霧滴，能發(fā)揮出最佳的捕塵效果，粉塵在和霧滴接觸后，發(fā)生碰撞及凝并，在自重的作用下，迅速發(fā)生沉積。對于尺寸較大的粉塵顆粒，利用微霧構成飽和濕空氣環(huán)境，快速生產晶核，也能完成沉積。

2.2 多相流模型

根據(jù)顆粒群的運動情況，可借助對顆粒運動軌跡的分析，提煉出所在顆粒群大體上的運動規(guī)律。而單一顆粒運動狀態(tài)，能結合牛頓第二定律確定其表達式，具體如下：

式中：mpi為單一顆粒的質量，kg；upi為顆粒相速度，m/s；FD為曳力，kg/s；ug為空氣速度，m/s；FA為浮力，kg·m/s2；FB為重力，kg·m/s2；μ 為空氣動力黏度，kg/（m·s）；ρpi為顆粒相密度，kg/m3；dpi為顆粒相直徑，m；CD為曳力系數(shù)；Re 為顆粒的雷諾數(shù)；ρg為空氣密度，kg/m3；Vpi為單一顆粒的體積，m3。

按照TAB 的破碎原理，粉塵的氣動物化模型能歸納成：

式中：CF、CK均是無量綱數(shù)，根據(jù)相關試驗結果，分別取1/3、8；ρp1為液滴的密度，kg/m3；k 為湍流動能，kg·m/s2；r 為液滴的半徑，m；mp1為單一液滴的質量，kg；σ為液體的表面張力，kg·m/s2；dp1為液滴的直徑，m。

3 皮帶機尾粉塵污染與氣動射霧除塵

3.1 粉塵污染

在實際分析中，需完成皮帶機尾的建模處理，將皮帶運行速度參數(shù)設定成2.5 m/s。通過顆粒運動的軌跡圖，確定顆粒分布狀態(tài)，結合輸煤皮帶機的工作特點，仿真模擬的顆粒尺寸范圍在1～200 μm 之間。通過非穩(wěn)態(tài)下的迭代運算，最終確定在第6 秒時，形成基本的平衡狀態(tài)，機尾附近的粉塵質量濃度沒有明顯的改變。皮帶處于載煤運輸狀態(tài)中，會有大量較細小的煤塵堆積在皮帶上，從落料管開始至機頭的轉載點處，都屬于載煤皮帶，其表面會附著煤塵。而且在其機尾處的皮帶，一般屬于裸皮帶。如果在其表面沉積過多的煤塵，則會在皮帶機開始工作中，在有振動的區(qū)域，形成飛揚現(xiàn)象。直到機尾滾筒的位置，粉塵會受到其本身自重引起的慣性，以及機尾滾筒產生的離心力雙重影響下，出現(xiàn)飛揚的情況。經(jīng)過對輸煤皮帶機現(xiàn)場工作環(huán)境的分析，因為皮帶的實際長度較大，如果直接通過人工在皮帶通道地面上移動，進行煤塵清理，將全部集中在回程皮帶處，會加重機尾區(qū)域的粉塵污染。根據(jù)粉塵運動軌跡的整體模擬能發(fā)現(xiàn)，輸煤皮帶機上的粉塵污染，主要出現(xiàn)在落料管與機尾部分，特別是后者附近。在不進行任何除塵防護手段的情況下，實際粉塵質量濃度能達到400 mg/m3左右。

本文選擇對相應區(qū)域的粉塵質量濃度與氣體流速實施測試，把測試數(shù)據(jù)和模擬信息進行對照，以此評估模型的準確性。針對皮帶機尾處的情況，選擇風流狀態(tài)較穩(wěn)定的區(qū)域，設置5 個測試點，與滾筒之間相距0.4m，圍繞滾筒進行扇形分布，各相鄰測試點相距0.5 m。通過比較實測和模擬信息，確定數(shù)字化模型的可用性。以某次試驗為例，單就風流參數(shù)來看，各個測試點的數(shù)據(jù)表現(xiàn)分別是：1 號測點，實測風速是0.15 m/s，模擬值為0.16 m/s，風流質量濃度的實測值和模擬值分別為412 mg/m3和400 mg/m3；2 號測點，實測風速是0.17 m/s，模擬值為0.18 m/s，風流質量濃度的實測值和模擬值分別為405 mg/m3和398 mg/m3；3 號測點，實測風速是0.19 m/s，模擬值為0.18 m/s，風流質量濃度的實測值和模擬值分別為396 mg/m3和395 mg/m3；4 號測點，實測風速是0.21 m/s，模擬值為0.22 m/s，風流質量濃度的實測值和模擬值分別為385 mg/m3和387 mg/m3；5 號測點，實測風速是0.22 m/s，模擬值為0.23 m/s，風流質量濃度的實測值和模擬值分別為376 mg/m3和379 mg/m3。通過各點的數(shù)據(jù)比較來看，實測值和模擬值的誤差不大，基本滿足所需標準。

3.2 甩塵控制

把機尾處的裸皮帶直接密封起來，在罩內實施氣動射霧處理。基于多相流的非穩(wěn)態(tài)模擬，設置射霧除塵的各項參數(shù)。霧化液滴規(guī)格需在10 μm 以內，實現(xiàn)在耗用最低射霧量的情況下，粉塵能迅速沉降。按照該要求標準，水壓設置成0.1 MPa；氣壓參數(shù)設置成0.3 MPa；單個噴頭的流量是0.6 L/min；封閉罩中的噴霧總量是0.36 L/min。由于射出的是超細霧，所以不必考慮作業(yè)溫度偏低時，皮帶結冰移位的問題。等到密閉罩中的粉塵質量濃度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)后，可仿真模擬射霧除塵的過程。在罩中的空氣達到飽和狀態(tài)時，空間中會產生霧池，此時液滴和粉塵接觸，會在后者表面快速凝集與滲透，起到控塵的效果[2]。

3.3 除塵效果

以某選煤廠為例，其年產量在1 500 萬t。在除塵整改之前，其利用較普通的噴霧處理方法，皮帶機尾的粉塵質量濃度處于23～160 mg/m3之間，并且具有呼吸性的粉塵部分，質量濃度也達到2～28 mg/m3。根據(jù)其生產活動情況，每日針對機尾除塵的管理，會消耗掉95 t 左右的水。而改用氣動射霧除塵方法，其工作場所內的粉塵質量濃度被壓縮到1.5～3.6 mg/m3，呼吸性的粉塵質量濃度僅有原本的1/10，一般被控制在0.2～1.3 mg/m3區(qū)間內。另外，用水量上也實現(xiàn)大幅度降低，日均用水量只有4.5 t。

由此來看，和普通噴霧除塵相比較，氣動射霧除塵方法射出液滴的動能更強，而且捕塵效果更佳。在該類除塵系統(tǒng)中，液滴尺寸始終被控制在10 μm以內，保障射出超細的水霧，使得在單位時間內的噴出水量減少。其不僅提高了除塵的效果，還降低了除塵付出的代價。

4 結語

機尾產生粉塵污染的來源主要是附著于表面的浮塵，借助滾筒離心力與風流的雙重作用，使浮塵飛揚起來。在應用氣動射霧除塵中，應注意構建封閉環(huán)境，以保障捕塵效果。實際除塵時，可結合皮帶長度及粉塵濃度等條件，合理調節(jié)射霧的流量與壓力。