破碎機(jī)粉塵數(shù)值模擬及除塵器的選擇

張 龍

（華陽集團(tuán)新景公司洗煤廠， 山西 陽泉 045000）

0 引言

煤炭破碎為選煤工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其將煤炭粒度減小至合理范圍之內(nèi)，以保證后續(xù)的分選效果。破碎機(jī)為對煤炭進(jìn)行破碎的關(guān)鍵設(shè)備，其在實(shí)際破碎過程中會產(chǎn)生大量的煤塵和粉塵。雖然在現(xiàn)場已經(jīng)布置了大量的除塵設(shè)備，但是由于種種原因并未達(dá)到預(yù)期的治理效果，導(dǎo)致現(xiàn)場的粉塵濃度依然很大[1-5]。本文將基于CFD 數(shù)值模擬軟件對破碎機(jī)現(xiàn)場尤其是破碎機(jī)設(shè)備落煤管和導(dǎo)料槽附近的粉塵移動規(guī)律與濃度進(jìn)行研究，為除塵器的選型提供依據(jù)和參考。

1 破碎機(jī)粉塵數(shù)值模擬

針對選煤廠破碎機(jī)落煤管和導(dǎo)料槽粉塵運(yùn)動規(guī)律和濃度分布的研究，需要掌握現(xiàn)場粉塵的受力。在實(shí)際生產(chǎn)中，破碎機(jī)所產(chǎn)生的煤塵或粉塵受到兩類作用力的影響，包括無關(guān)的作用力和相關(guān)的作用力，具體包括重力、阻力、熱泳力、附加質(zhì)量力及壓力梯度力等。

1.1 粉塵產(chǎn)生機(jī)理

結(jié)合理論和實(shí)踐對破碎機(jī)周圍所產(chǎn)生粉塵的機(jī)理進(jìn)行分析，可歸結(jié)為如下幾點(diǎn)：

1.1.1 粉塵產(chǎn)生的內(nèi)因

煤炭在破碎過程中，旨在將煤炭的粒度降低為25 mm 以下。隨著煤炭顆粒度的降低，其表面積增大，從而加劇了煤炭顆粒中水分的蒸發(fā),導(dǎo)致其含水率降低，進(jìn)而在破碎機(jī)導(dǎo)料槽和落煤管附近產(chǎn)生了大量的煤塵或粉塵。

1.1.2 誘導(dǎo)風(fēng)加劇粉塵現(xiàn)象

為了解決破碎機(jī)堵煤的問題，將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的篩板截割了一半,從而導(dǎo)致破碎的煤炭顆粒直接落入落煤管中，加劇了破碎機(jī)落煤管和導(dǎo)料槽處風(fēng)流的壓力和流量，從而加劇了周圍的粉塵現(xiàn)象。

1.1.3 封堵增加粉根源

在實(shí)際破碎過程中，由于長時(shí)間的煤流對托輥的支架進(jìn)行沖擊，從而導(dǎo)致出現(xiàn)一定的彈性變形。在彈性變形的作用力下使得破碎機(jī)導(dǎo)料槽和輸送皮帶之間出現(xiàn)了縫隙，破碎機(jī)內(nèi)部所產(chǎn)生的粉塵從縫隙中溢出到現(xiàn)場。

總的來講，影響選煤廠破碎車間現(xiàn)場粉塵濃度的主要因素，包括破碎機(jī)本身的破碎方式和所要求破碎煤炭的顆粒直徑、周圍環(huán)境的溫濕度和風(fēng)速等因素。

1.2 粉塵數(shù)值模擬邊界條件的確定

結(jié)合破碎機(jī)實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)生粉塵機(jī)理的分析結(jié)果以及粉塵的離散相運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)對選煤廠破碎機(jī)落煤管和導(dǎo)料槽粉塵的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測。基于上述基礎(chǔ)設(shè)定合理的破碎機(jī)粉塵數(shù)值模型的參數(shù)及相關(guān)邊界條件，如表1 所示。

表1 粉塵源參數(shù)設(shè)定結(jié)果

針對粉塵特性的數(shù)值模擬仿真，設(shè)定計(jì)算步長為50 000 步，時(shí)間步長為0.01。

1.3 粉塵數(shù)值模擬仿真結(jié)果

在上述邊界條件和仿真參數(shù)合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別對破碎機(jī)落煤管導(dǎo)料槽內(nèi)和落煤管導(dǎo)料槽外的粉塵特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1.3.1 破碎機(jī)落煤管導(dǎo)料槽內(nèi)粉塵特性仿真分析

破碎機(jī)落煤管導(dǎo)料槽內(nèi)粉塵特性仿真結(jié)果如圖1 所示。

圖1 破碎機(jī)落煤管導(dǎo)料槽內(nèi)粉塵特性（g/cm3）仿真結(jié)果

由圖1 可知，破碎機(jī)將煤炭進(jìn)行破碎處理后，在自身重力和煤炭下落所產(chǎn)生的誘導(dǎo)風(fēng)的作用下粉塵沿著落煤管下落，而且落煤管處的濃度也最高；當(dāng)破碎后的煤炭落到導(dǎo)料槽后，在誘導(dǎo)風(fēng)的作用下粉塵濃度沿著導(dǎo)料槽長度的增加而逐漸降低。

1.3.2 破碎機(jī)落煤管導(dǎo)料槽外粉塵特性仿真分析

破碎機(jī)落煤管導(dǎo)料槽外粉塵特性仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 破碎機(jī)落煤管導(dǎo)料槽外仿真濃度（g/cm3）分布特性

由圖2 可知，對于外部而言，粉塵通過導(dǎo)料槽的縫隙和左右兩個(gè)開口傳播至外部空間中。根據(jù)仿真計(jì)算可知：外部環(huán)境周圍的粉塵質(zhì)量濃度最高可達(dá)310 mg/m3；對周圍環(huán)境實(shí)際測量可知，粉塵質(zhì)量濃度最高可達(dá)313 mg/m3。由此說明，本次仿真結(jié)果準(zhǔn)確。

2 破碎機(jī)除塵器的選擇及效果評估

2.1 破碎機(jī)除塵器的選型

為解決破碎機(jī)所導(dǎo)致周圍環(huán)境粉塵濃度超標(biāo)影響作業(yè)人員身心健康和導(dǎo)致設(shè)備可靠性低的問題，需要破碎機(jī)配套相應(yīng)有效的除塵設(shè)備。除塵器可分為干式除塵器和濕式除塵器。其中，干式除塵器包括質(zhì)量旋風(fēng)除塵器、電除塵器、袋式除塵器等。針對破碎機(jī)落煤管和導(dǎo)料槽周圍環(huán)境粉塵特點(diǎn)，本工程選用除塵效率較高的袋式除塵器擬達(dá)到預(yù)定的除塵效果。

濾料為除塵器的關(guān)鍵，為保證設(shè)備最終的除塵效果，為袋式除塵器配套具有較強(qiáng)柔性、韌性的結(jié)構(gòu)質(zhì)體作為其濾料。本工程選用微孔覆膜濾料。

根據(jù)“1.3”中的仿真結(jié)果中的粉塵最高濃度，結(jié)合風(fēng)量、過濾面積、風(fēng)壓等參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，要求所配套的除塵器的關(guān)鍵指標(biāo)如下：有效壓力大于65 MPa，風(fēng)量控制在10 080 m3/h 左右。

結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，本工程最終所選擇的除塵器的型號為LFD-70 系列，并為該型除塵器配套微孔覆膜濾料。LFD-70 系列除塵器的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 LFD-70 系列除塵器關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

2.2 除塵器除塵效果評估

將上述所選型的除塵器根據(jù)相關(guān)方法安裝于破碎機(jī)導(dǎo)料槽的周圍，并對加裝除塵器后落煤管導(dǎo)料槽外的粉塵特性進(jìn)行仿真分析和實(shí)測分析，對應(yīng)的效果評估結(jié)果如表3 所示。

表3 除塵器除塵效果評估

實(shí)踐應(yīng)用表明，在除塵器的作用下破碎機(jī)落煤管導(dǎo)料槽內(nèi)形成負(fù)壓，導(dǎo)致導(dǎo)料槽內(nèi)的粉塵濃度無法溢出至周圍環(huán)境。經(jīng)過實(shí)際測量，采用除塵器后周圍環(huán)境的粉塵質(zhì)量濃度平均值為6 mg/m3，與數(shù)值模擬仿真結(jié)果值相近。說明，所選型除塵器可對現(xiàn)場粉塵濃度進(jìn)行有效處理。

3 結(jié)語

煤炭洗選工序中的破碎工藝為其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其對后續(xù)的分選效果具有十分重要的意義。在實(shí)際生產(chǎn)中，破碎機(jī)將煤炭破碎為預(yù)定直徑的顆粒，在其重力作用和誘導(dǎo)風(fēng)的共同作用下使得落煤管中粉塵濃度達(dá)到最大；同時(shí)對應(yīng)導(dǎo)料槽外周圍環(huán)境的粉塵質(zhì)量濃度高達(dá)310 mg/m3；為此，本文結(jié)合相關(guān)理論計(jì)算為其配套了LFD-70 系列的袋式除塵器，并且經(jīng)實(shí)測和仿真可知，增加除塵器后現(xiàn)場粉塵質(zhì)量濃度平均值為6 mg/m3，該指標(biāo)低于國家的標(biāo)準(zhǔn)要求，即對粉塵得到了有效的抑制。