綜掘工作面雙葉旋流濕式除塵器設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：綜掘工作面；噴霧除塵；濕式除塵器；雙旋流葉片；結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化；響應(yīng)曲面法

中圖分類號：TD714.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

隨著我國煤礦采掘機(jī)械化水平提高，掘進(jìn)工作面作業(yè)產(chǎn)塵量成倍增加，由此引發(fā)的礦工塵肺職業(yè)病的新發(fā)病例數(shù)、累計(jì)病例數(shù)和死亡病例數(shù)居高不下，煤塵爆炸事故也時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅井下工作人員的身體健康和生命安全[1-4]。為解決綜掘工作面粉塵污染嚴(yán)重的問題，通風(fēng)降塵、噴霧除塵等措施已被應(yīng)用于煤礦粉塵治理。濕式除塵器因其具有體積小、除塵效率高的特點(diǎn)，成為綜掘工作面常用的除塵手段之一[5-7]。

近年來，相關(guān)學(xué)者針對綜掘工作面濕式除塵器開展了廣泛的研究工作。李剛等[8]研發(fā)了一種移動(dòng)式礦用濕式振弦旋流除塵器，實(shí)驗(yàn)研究了該除塵器的除塵效率和阻力特性，得出了除塵器運(yùn)行時(shí)的最佳風(fēng)速范圍。江丙友等[9]將空氣霧化噴嘴與濕式除塵器相結(jié)合，搭建試驗(yàn)平臺開展降塵試驗(yàn)，得到了降塵系統(tǒng)的最佳參數(shù)組合。S. Kurella等[10]提出了一種多級雙流篩板濕式除塵器，實(shí)驗(yàn)研究了不同液體速率、氣體速率和入口參數(shù)條件下的除塵性能變化。鄧有凡等[11]以KCS?180D濕式除塵器為對象，實(shí)驗(yàn)研究了過濾單元位置、濾網(wǎng)參數(shù)、脫水器參數(shù)對除塵器性能的影響，優(yōu)化結(jié)構(gòu)后提高了濕式除塵器的除塵效率與脫水效率。王海橋等[12]設(shè)計(jì)了一種礦用濕式多通道軸向離心除塵裝置，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與選型，得到了該除塵裝置的最優(yōu)尺寸與性能參數(shù)。Hu Shengyong等[13]設(shè)計(jì)了一種礦用濕式洗滌器，在不同進(jìn)水量條件下實(shí)驗(yàn)研究了徑向混合葉輪不同葉片數(shù)量對洗滌器降塵效果的影響，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水量為1.35 m3/h、葉片數(shù)為16 時(shí)除塵效率最高。現(xiàn)有研究在濕式除塵器的除塵機(jī)理、相關(guān)參數(shù)對裝置性能的影響等方面取得了許多理論成果，為開發(fā)新型礦用濕式除塵技術(shù)及裝置奠定了良好的基礎(chǔ)。

本文基于現(xiàn)有研究成果，針對目前礦用除塵器除塵效率低等問題，設(shè)計(jì)了一種雙葉旋流濕式除塵器，通過仿真分析葉片與噴霧參數(shù)對除塵器除塵效率的影響，得到最佳參數(shù)方案，并搭建除塵實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了該除塵器的除塵效果。

1除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前濕式除塵器基本結(jié)構(gòu)包括噴霧供水系統(tǒng)、配套除塵風(fēng)機(jī)、捕塵裝置、進(jìn)風(fēng)口、風(fēng)筒等[14]。本文根據(jù)功能設(shè)計(jì)法，將除塵器劃分為除塵結(jié)構(gòu)、噴霧結(jié)構(gòu)和除霧結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行優(yōu)選方案設(shè)計(jì)。

常用的除塵結(jié)構(gòu)中，過濾式結(jié)構(gòu)中的濾網(wǎng)易被污泥堵塞，導(dǎo)致風(fēng)阻變大，除塵效率降低；文丘里式除塵結(jié)構(gòu)能耗較高；水霧荷電除塵結(jié)構(gòu)成本較高，且多為精細(xì)化結(jié)構(gòu)，不便于維修[15]；旋流式除塵結(jié)構(gòu)除塵效率高，壓力損失較小，成本較低。因此，選用外殼為圓柱形的旋流式除塵結(jié)構(gòu)，采用雙葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行旋流除塵，提高除塵器內(nèi)部空間利用率，同時(shí)提供較大的離心力，使粉塵、霧滴混合更加充分，提高除塵效果。

噴霧結(jié)構(gòu)安裝在除塵器進(jìn)口處時(shí)，可使噴霧均勻分布在整個(gè)除塵器中；安裝在除塵器中部或出口處時(shí)，霧滴顆粒在除塵器內(nèi)的分布范圍較小且濃度不均，減少了霧滴與粉塵顆粒在風(fēng)流中的混合接觸時(shí)間，導(dǎo)致除塵效率下降。因此，將噴霧結(jié)構(gòu)安裝于除塵器進(jìn)口處。

除霧結(jié)構(gòu)根據(jù)原理不同可分為過濾式、離心式、撞擊式3 種。過濾式除霧結(jié)構(gòu)風(fēng)壓損失小，使用方便，但在氣體流速較大時(shí)脫水效率較低，甚至無法分離；離心式除霧結(jié)構(gòu)的脫水效率較低；撞擊式除霧結(jié)構(gòu)不受處理風(fēng)量大小限制，尺寸變化范圍較大。因此，選用撞擊式除霧結(jié)構(gòu)。

基于上述方案設(shè)計(jì)的雙葉旋流濕式除塵器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要包括環(huán)狀噴霧裝置、雙旋流葉片、折流除霧板。噴霧裝置環(huán)形布置于旋流葉片前端，噴霧方向?yàn)轫橈L(fēng)方向。雙旋流葉片由2 個(gè)形狀和旋向相同的葉片組成。折流除霧板由多個(gè)波紋折流板層層堆疊而成。在旋流區(qū)與脫水區(qū)下方設(shè)有污水槽。進(jìn)風(fēng)口位于除塵器前端，電動(dòng)機(jī)安裝在雙旋流葉片中間，除塵器進(jìn)出口處均安裝粉塵傳感器。

雙葉旋流濕式除塵器結(jié)合了噴霧降塵、旋流除塵及慣性分離三重除塵機(jī)理。含塵污風(fēng)受抽風(fēng)筒負(fù)壓作用進(jìn)入除塵器內(nèi)部，由環(huán)狀噴霧裝置噴霧潤濕。粉塵與霧滴在霧化區(qū)初步混合碰撞，形成霧狀塵水，之后受雙旋流葉片的離心作用，在旋流區(qū)螺旋前進(jìn)并進(jìn)一步混合和吸附，形成質(zhì)量較大的塵霧顆粒。這些塵霧顆粒在離心力的作用下遠(yuǎn)離軸心，與除塵器內(nèi)壁碰撞并附著在其表面，在重力作用下形成污水流進(jìn)入污水槽。在脫水區(qū)，風(fēng)流與塵霧因折流除霧板的攔截作用而迅速分離，實(shí)現(xiàn)空氣凈化，最終清潔干燥的風(fēng)流從出風(fēng)口排出。

雙葉旋流濕式除塵器初始參數(shù)見表1。

2除塵器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1數(shù)值模型建立

濕式除塵器主要依靠旋流離心作用使粉塵與霧滴充分接觸，葉片與噴霧參數(shù)對其除塵效率的影響最大。因此，本文僅考慮這2 種關(guān)鍵參數(shù)，適當(dāng)簡化模型。濕式除塵器直徑為1 m，長度為2 m。利用SolidWorks 軟件建立雙葉旋流濕式除塵器三維物理模型，如圖2（a）所示，其中OXYZ 為除塵器物理坐標(biāo)系，O點(diǎn)位于除塵器出口截面中心點(diǎn)。采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式，結(jié)果如圖2（b）所示。

采用Fluent 件和EDEM軟件進(jìn)行模型耦合計(jì)算，研究除塵器內(nèi)部風(fēng)流、粉塵和霧滴顆粒的運(yùn)動(dòng)。Fluent軟件中控制方程選用realizable k?ε 模型與standard wall function壁面函數(shù)，使用SIMPLE算法耦合速度?壓力，壓力方程采用Standard 離散格式，其他方程均采用二階迎風(fēng)格式；空氣為連續(xù)相，收斂殘差為1.0×10^?4。EDEM 軟件中霧滴與粉塵顆粒為離散相， 相互獨(dú)立存在， 均為圓球形， 時(shí)間步長為8.0×10^?6。通過計(jì)算捕獲粉塵顆粒數(shù)與跟蹤粉塵顆粒數(shù)的比值得到濕式除塵器的除塵效率。具體噴霧及粉塵參數(shù)分別見表2、表3。

基于上述參數(shù)設(shè)置，對除塵器物理模型分別劃分104.43萬、121.89萬、168.59萬3種網(wǎng)格方案，以除塵器內(nèi)部（X=0.3 m，Y=0.3 m，Z=0～2 m）風(fēng)速為依據(jù)，對網(wǎng)格模型進(jìn)行獨(dú)立性檢驗(yàn)。參考位置的風(fēng)速模擬結(jié)果如圖3 所示。可看出3 種網(wǎng)格數(shù)量下風(fēng)速分布曲線幾乎重合。本研究需在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)兼顧計(jì)算效率，因此選擇104.43 萬網(wǎng)格方案進(jìn)行后續(xù)數(shù)值計(jì)算。該方案下網(wǎng)格單元平均質(zhì)量為0.840。

2.2數(shù)值模擬

2.2.1噴霧參數(shù)對除塵效率的影響

將噴霧壓力、噴嘴口徑作為變量，通過數(shù)值模擬方式分析除塵器的除塵效率變化規(guī)律，進(jìn)而確定變量合理取值范圍。數(shù)值模擬結(jié)果如圖4 所示。

從圖4 可看出，隨著噴霧壓力、噴嘴口徑增大，除塵器的除塵效率均呈先增大后減小趨勢。分析可知較小的噴霧壓力對霧滴的破碎作用有限，因此噴嘴噴出的噴霧粒徑較大，對較小粒徑的細(xì)微粉塵捕捉能力有限，而隨著噴霧壓力增大，霧滴粒徑減小，對粉塵的捕捉能力增強(qiáng)，除塵器的除塵效率得以提高，但當(dāng)噴霧壓力上升到一定程度后，霧滴顆粒運(yùn)動(dòng)速度加快，與粉塵的結(jié)合能力下降，導(dǎo)致除塵效率降低；噴嘴口徑較小時(shí)，較小粒徑的噴霧顆粒在運(yùn)動(dòng)過程中蒸發(fā)消散，難以有效作用于粉塵顆粒，導(dǎo)致除塵效率較低，噴嘴口徑增大時(shí)，噴霧顆粒粒徑增大，與粉塵顆粒的粘附效應(yīng)增強(qiáng)，除塵效率得以提高，但當(dāng)噴嘴口徑過大時(shí)，由于噴霧壓力不變，噴出的霧滴顆粒運(yùn)動(dòng)速度相對較小，沖擊慣性較大，不利于捕捉小粒徑粉塵，導(dǎo)致除塵效率降低。

綜合分析后，選取噴霧壓力為1.5～2.5 MPa，噴嘴口徑為1.8～2.2 mm，此時(shí)除塵效率均大于88%，除塵效果顯著。

2.2.2葉片參數(shù)對除塵效率的影響

將葉片安裝角和葉片轉(zhuǎn)速作為變量，通過數(shù)值模擬方式分析除塵器除塵效率變化規(guī)律，進(jìn)而確定變量合理取值范圍。數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

從圖5 可看出，隨著除塵器葉片安裝角、葉片轉(zhuǎn)速增大，除塵效率均呈先增大后減小趨勢。分析可知葉片安裝角較小時(shí)，葉片有效做功面積較小，除塵效率較低，隨著安裝角增大，葉片做功能力增強(qiáng)，使得除塵效率提高，但安裝角進(jìn)一步增大會(huì)使除塵器內(nèi)部氣流旋轉(zhuǎn)效果減弱，多數(shù)粉塵顆粒被直接吹出除塵器，降低除塵效率；葉片轉(zhuǎn)速越大，氣流速度和旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度越大，有助于更高效地捕捉和分離粉塵，從而提高除塵效率，但葉片轉(zhuǎn)速過大會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部氣流紊亂，不利于粉塵分離，使得除塵效率降低。

綜合分析后，選取葉片安裝角為30～50°，葉片轉(zhuǎn)速為1250～ 1750 r/min， 此時(shí)除塵效率均大于85%，除塵效果較好。

2.3參數(shù)優(yōu)化

針對選取的除塵器關(guān)鍵參數(shù)，采用響應(yīng)曲面法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。基于Box?Behnken方法設(shè)計(jì)四因素三水平方案，見表4，其中A為葉片安裝角，B為葉片轉(zhuǎn)速，C為噴霧壓力，D為噴嘴口徑。采用Design?Expert 軟件設(shè)計(jì)24種方案，基于除塵器數(shù)值模型（圖3）進(jìn)行模擬，結(jié)果見表5，其中R 為除塵效率。

根據(jù)表5 中數(shù)據(jù)，利用Design?Expert 軟件建立響應(yīng)值（除塵效率R）關(guān)于葉片安裝角A、葉片轉(zhuǎn)速B、噴霧壓力C 和噴嘴口徑D 的二次回歸方程，即響應(yīng)曲面模型：

采用方差分析法驗(yàn)證該模型的可靠性，結(jié)果見表6。可看出除塵器響應(yīng)曲面模型的顯著性檢驗(yàn)值Plt;0.05，說明回歸效果顯著，除塵器除塵效率模擬值與預(yù)測值之間有較好的擬合度；失擬項(xiàng)＞0.05，說明預(yù)測值與模擬值之間的誤差小，預(yù)測精度高；因素A，C 對除塵效率R 影響的顯著性檢驗(yàn)值P＜0.05，說明葉片安裝角與噴霧壓力對除塵效率的影響顯著；因素B，D對R影響的P＞0.05，說明葉片轉(zhuǎn)速與噴嘴口徑對除塵效率的影響不顯著；交互項(xiàng)AB，AC 和二次項(xiàng)A²，B₂，C²，D² 對R 影響的P＜0.05，說明上述因素對除塵效率的影響具有顯著的交互作用；交互項(xiàng)AD，BC，BD，CD對R影響的P＞0.05，說明上述因素對除塵效率影響不存在顯著的交互作用。分析可知4 個(gè)因素對除塵效率的影響排序?yàn)槿~片安裝角gt;噴霧壓力gt;葉片轉(zhuǎn)速gt;噴嘴口徑，即葉片安裝角和噴霧壓力對除塵器除塵效率影響較大，葉片轉(zhuǎn)速與噴嘴口徑對除塵效率影響較小。

以除塵器除塵效率最高為目標(biāo)， 在Design?Expert 軟件中利用RSM 數(shù)值優(yōu)化功能對響應(yīng)曲面模型進(jìn)行優(yōu)化，可得除塵器最佳參數(shù)方案為葉片安裝角37.266°、葉片轉(zhuǎn)速1547.799 r/min、噴霧壓力1.927MPa、噴嘴口徑1.986mm，該方案下除塵效率預(yù)測值為96.199%。為便于制作樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)，本文取葉片安裝角37°， 葉片轉(zhuǎn)速1550r/min， 噴霧壓力1.9MPa，噴嘴口徑2mm。

3仿真分析

根據(jù)濕式除塵器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果， 采用SolidWorks軟件對除塵器各結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模及組合裝配，所得除塵器虛擬樣機(jī)如圖6 所示。

基于除塵器優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真。除塵器內(nèi)部風(fēng)速及粉塵場仿真結(jié)果如圖7 所示，其中流線形狀表示風(fēng)速大小及分布，球狀顆粒表示粉塵濃度及分布。經(jīng)計(jì)算，除塵器除塵效率為97.21%，與響應(yīng)曲面模型預(yù)測值之間的誤差為1.011%（主要由葉片與噴霧參數(shù)近似取值導(dǎo)致），在可接受范圍內(nèi)。

根據(jù)某礦綜掘工作面實(shí)際條件建立仿真模型。巷道斷面為寬6m、高4m的矩形，巷道總長40m。掘進(jìn)機(jī)長10m，寬2.9m，高1.8m。仿真模型如圖8所示，參數(shù)設(shè)置見表2、表3。

對安裝除塵器前后巷道內(nèi)粉塵場進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖9 所示。可看出未安裝除塵器時(shí)，巷道內(nèi)粉塵覆蓋范圍廣且粉塵濃度較大，特別是在巷道回風(fēng)側(cè)人員活動(dòng)區(qū)域；安裝除塵器后，巷道回風(fēng)側(cè)行人呼吸帶粉塵濃度大幅降低，工作環(huán)境得到有效改善。

4實(shí)驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證除塵器除塵效果，搭建除塵實(shí)驗(yàn)平臺，如圖10所示。該平臺主體包括除塵器與通風(fēng)管道，配置了粉塵發(fā)生裝置和粉塵傳感器。

在除塵實(shí)驗(yàn)平臺上測試除塵器的除塵效果。為消除偶然因素影響，進(jìn)行4組重復(fù)實(shí)驗(yàn)。記錄1—4號測點(diǎn)處的粉塵濃度，并計(jì)算除塵效率，結(jié)果見表7。

從表7可看出，4組數(shù)據(jù)誤差較小，主要由粉塵發(fā)生裝置的隨機(jī)性導(dǎo)致。測試得到的除塵效率平均值為94.80%，與仿真值的最大誤差為3.91%，驗(yàn)證了除塵器具有較好的除塵效果。

采用響應(yīng)曲面法模擬實(shí)驗(yàn)方案1—10的參數(shù)設(shè)置，在除塵實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行測試，并與響應(yīng)曲面模型預(yù)測值進(jìn)行對比，結(jié)果如圖11所示。可看出各方案中響應(yīng)曲面模型預(yù)測值與實(shí)測值誤差較小，置信度均在95% 左右，驗(yàn)證了該模型具有較好的擬合度和較高的預(yù)測精度。

基于課題組前期搭建的綜掘工作面巷道相似模擬平臺[20-21]，對除塵器模型機(jī)進(jìn)行測試，如圖12所示。

在模擬巷道回風(fēng)側(cè)行人呼吸帶高度安裝7個(gè)粉塵傳感器， 其中距斷面1～3m 處每隔0.5m 布置1個(gè)傳感器，3～5m 每隔1m 布置1個(gè)傳感器，采集應(yīng)用除塵器前后巷道中的粉塵濃度。各個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行5次重復(fù)測試，取平均值以減小誤差，結(jié)果如圖13所示。可看出未應(yīng)用除塵器時(shí)，巷道回風(fēng)側(cè)行人呼吸帶高度的粉塵濃度為441.29 mg/m³，應(yīng)用后降低至269.14 mg/m³，降幅達(dá)39.0%，表明該除塵器可顯著降低巷道粉塵濃度，改善巷道工作環(huán)境。

5結(jié)論

1）結(jié)合噴霧降塵與旋流除塵原理，提出了一種綜掘工作面雙葉旋流濕式除塵器，根據(jù)功能樹法設(shè)計(jì)了其總體結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬與響應(yīng)曲面法確定了該除塵器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為葉片安裝角37°， 轉(zhuǎn)速1550 r/min，噴霧壓力1.9MPa，噴霧口徑2mm。

2）除塵器除塵效率仿真值為97.21%，實(shí)測均值為94.80%，實(shí)測值與仿真值的最大誤差為3.91%，驗(yàn)證了該除塵器的除塵效果。

3）在模擬巷道中應(yīng)用該除塵器后，巷道回風(fēng)側(cè)行人呼吸帶高度的平均粉塵濃度由應(yīng)用前的441.29 mg/m³ 降低至269.14 mg/m³，降幅達(dá)39.0%。