基于气固两相流的带式输送机转载点控尘技术研究＊

张有狮 荆德吉 贺龙祥 李利东

（1.霍州煤电集团责任有限公司，山西省霍州市，031400；2.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁省阜新市，123000）

随着煤矿产量的不断提高，在煤矿生产运输过程中散发出来的各种有害物也随之增加，致使作业环境受到严重污染和破坏，危害工作人员的健康及生产的正常运行，而在煤矿生产运输过程中，带式输送机转载点的粉尘污染非常严重。当前各研究机构对煤矿粉尘污染的研究多以掘进工作面和采煤工作面为主，在仅有的针对转载点粉尘扩散规律和防治的研究中，也只是针对一种控尘方案的治理研究，目前没有针对负压除尘和喷雾除尘方案进行对比研究，不能很好地提供两种除尘方案的应用比对状况。本文以霍州煤电集团木瓜煤矿为研究对象，通过现场数据测试及气固两相流的欧拉—欧拉模型对两种除尘方案进行数值模拟，并结合现场实际应用试验，对两种除尘方案在转载点的除尘技术进行了研究。在模型的建立过程中将粉尘颗粒或者雾滴拟作为一种连续介质，通过模拟两种不同相之间的运动，反映粉尘颗粒或者雾滴的运动状态。通过本文对负压除尘和喷雾除尘两种除尘方案的对比研究，可为霍州煤电木瓜煤矿输煤系统的粉尘治理方式提供理论依据及参考价值。

1 木瓜矿转载点粉尘特性

霍州煤电集团木瓜煤矿设计产量为1.2 Mt／a，在生产输送过程中，以带式输送机为主要运输方式。本文主要针对筛分车间到储煤仓之间的两组并行带式输送机机尾转载区域为粉尘治理研究对象，两组胶带编号分别为101胶带与201胶带。两组带式输送机型号一致，运输量为800t／h，长度为155m，带式输送机提升高度为38m，煤的松散容重为1000 kg／m3，带式输送机工作制度为330d／a，胶带宽度为1m，胶带速度为2.5m／s。

由于木瓜煤矿输煤系统建设较早，未对输煤系统采取任何防尘措施，导致转载点处粉尘污染非常大。对101和201机尾转载区域进行粉尘浓度、呼吸性粉尘浓度、粉尘分散度等数据测试，其中粉尘浓度和呼吸性粉尘浓度分别为280 mg／m3和24mg／m3。以101 和201转载点进行数值建模与模拟，并通过在该点的两种控尘方案的数值模拟比对以及两组带式输送机转载点控尘实际应用情况，研究负压除尘与喷雾除尘的控尘机理及效果。

2 数学模型建立

粉尘颗粒运动为气固两相流运动，本文采用气固两相流中的二流体模型对粉尘运动进行数学建模。二流体模型的基本思想就是把流体相和分散相都看成是充满整个流场的连续介质，针对两相分别写出质量、动量和能量守恒方程，通过相界面的相互作用 （动量、能量和质量交换）把两组方程耦合到一起。

（1）连续性方程

ρp——相密度，kg／m3；

αp——空隙率。

（2）动量平衡

针对粉尘颗粒的模拟是多流体颗粒模型描述气固混合物流动的过程。在这个过程中，颗粒相应力计算是应用颗粒动力学理论通过颗粒运动中的应力、粘性和压力等颗粒相运动的相关参数建立的。根据现场实际情况，在不考虑提升力和虚拟质量力的情况下，流体相的动量方程表达式为：

颗粒相的动量守恒方程表达式为：

αf——气相体积分数；

αs——颗粒相体积分数；

ρf——气相密度，kg／m3；

ρs——颗粒相密度，kg／m3；→vf——气相速度，m／s；

→vs——颗粒相速度，m／s；

Kps——相间作用系数；

p——压力项，Pa；

τ——张量剪切应力，Pa。

（3）曳力系数

为了描述相之间的动量交换，曳力系数被应用。模拟软件中有不同的曳力系数计算模型应用于气固两相流的计算中，本文选择Syamlal和O'brien曳力模型，其两相流动量交换表达式为：

式中：vr，s——末速度，m／s；

ds——颗粒粒径，m；

Res——雷诺数；

CD——曳力系数。

（4）固相数学模型

固体相，即粉尘颗粒相的计算模型是通过结合动力学理论颗粒流 （KTGF）计算出固体相参数等得出。固相压力表示颗粒之间相互作用，其表达式为：

式中：ess——恢复系数；

g0，ss——颗粒径向分布系数；

Θs——颗粒温度，℃。

3 转载点粉尘逸散数值模拟

通过comsol模拟软件，应用上述数学模型对转载点粉尘污染进行模拟仿真。首先对木瓜煤矿101转载点区域进行数学几何模型构造，101胶带走廊全长为60m，原密封导料槽长度为10m，宽度为1.2m，落料管距导料槽4.5m，几何模型如图1所示。为了能更快捷的计算和真实反映现场实际状况，对101胶带几何模型设置划分为5432个六面体网格。

图1 101胶带几何模型

图2 101胶带空间粉尘浓度扩散图 （t=30s）

转载点产尘主要原因是落煤伴随诱导风流，冲击到胶带受料处产生向四周扩散的冲击气流造成粉尘迅速扩散。通过数值模拟软件对煤尘颗粒在落料管内的运移轨迹进行模拟，如图3所示。

图3 101转载点粉尘颗粒运动轨迹图

由图2、图3可以看出，粉尘颗粒下落到胶带处迅速向两侧冲击，由于机尾侧为完全密封空间，含尘气流冲击到后侧挡板后形成回旋气流。而在输煤口侧，煤尘颗粒随气流大量向外冲击，形成喷尘现象。

通过现场实测与观察，结合对粉尘颗粒运动及浓度扩散的数值模拟，分析出转载点粉尘扩散主要受落煤诱导风流、皮带牵引气流、碰撞冲击气流等影响，具体原因分析如下：

胶带运载煤块到胶带机头部位，开始向下一层带式输送机坠落。煤块在落煤管中高速下降时，带动周围空气产生随煤块一起下降的气流称为落煤诱导气流。在煤流下降过程中，下落煤块与风流存在速度差，在风流的摩擦作用下，粘附在煤块表面的微小粉尘会受气流影响而脱离，形成煤流尘化现象。煤流在落料管内以自由落体规律下降，下落过程中煤块受气流影响发生翻动、跳跃、腾空及不连续运动，并且相互挤压碰撞产生一部分煤尘，高速下落的煤流随诱导气流撞击到底部胶带表面形成碰撞冲击气流，小颗粒煤块及煤尘随冲击气流向四周冲击，堆积在胶带上的煤堆受下落煤流的强大冲击，使煤块破碎尘化，并随冲击气流向四周飞扬。下层带式输送机运转时，胶带周围气流会随着胶带运动形成牵引风流，随胶带运动的煤流和牵引风流存在一定速度差，导致吸附在煤块表面上的煤在摩擦力的作用下与煤流产生相对运动，煤尘随牵引气流运行，形成煤尘在胶带附近向外逸散。转载点由于煤流下落剥离产尘、冲击碰撞产尘和胶带运行牵引产尘等原因，致使转载区域在无控尘技术的情况下粉尘污染非常严重，并且该区域经常有工作人员巡视，对人体健康带来极大的危害。

4 转载点控尘技术研究

4.1 负压控尘技术数值模拟研究

首先通过数值模拟技术，结合负压除尘特性，研究转载点的控尘技术。负压控尘是以大粒径粉尘颗粒在导料槽内沉降、小粒径粉尘颗粒被吸入到除尘器，粉尘颗粒在导料槽出口处无扩散为原则，并根据木瓜煤矿101胶带走廊空间的实际情况，故将负压除尘器设置在落料管前端1m 处，以便更好地达到除尘效果，提高除尘效率。在模拟过程中，由于将负压除尘器设置为吸风装置，故在数值计算后将不显示除尘器，仅显示粉尘颗粒运动的运动轨迹，转载点安装负压除尘器的几何模型如图4所示。

图4 转载点负压控尘几何模型图

安装负压除尘器后大颗粒粉尘在导料槽内逐渐沉降，小颗粒粉尘被吸入负压除尘器。负压除尘器的吸风不可过大，过大的风量会将随胶带运行的粉尘颗粒吸起，造成滤袋负荷增加，因此能够消除落料冲击点产生的正压为除尘风量的基本原则，转载点导料槽内粉尘颗粒运动轨迹如图5所示。

图5 负压控尘后颗粒轨迹运行图

由图5可知，粉尘颗粒完全被负压除尘器吸入，粉尘颗粒无法向导料槽出煤口处喷尘，因此密封负压控尘技术很好地降低了胶带受料处粉尘的污染。

4.2 喷雾控尘技术数值模拟研究

为了更好研究控尘机理和不同控尘技术的工程应用，以木瓜煤矿201转载点为喷雾控尘技术研究应用对象。

基于气固两相流理论，对201转载点喷雾情况进行数值模拟仿真，判断喷嘴安装位置的正确性。不同时刻物料下落释放不同粒径的粉尘颗粒，空间步长取100mm 迭代解算。经过若干次模拟得到导料槽的合理长度为6300 mm，微雾喷嘴安装位置为距离下料管边缘500mm 和3500mm，喷嘴孔径为0.2mm。喷雾控尘喷头布置如图6所示。

图6 喷雾控尘喷头布置图

对雾滴颗粒扩散模拟应用欧拉—欧拉法，将雾滴颗粒看作拟流体运动，导料槽内喷雾过程二维模拟图如图7、图8 所示。由图7、图8 可以看出，雾滴颗粒扩散迅速，2.2s后雾滴颗粒即将充满导料槽除尘空间，9.6s后完全充满整个导料槽。说明喷雾控尘可在10s内将导料槽布满水雾，起到抑制粉尘扩散的作用。

图7 喷雾过程 （t=2.2s）

5 负压与喷雾控尘现场应用对比

根据对负压控尘和喷雾控尘的理论研究及数值模拟分析，分别在霍州煤电集团木瓜煤矿101、201转载点进行了应用试验研究。

在101转载点处采用覆膜扁布袋除尘器，设计有效压力为90Pa，风量为14200m3／h，滤袋采用聚四氟乙烯 （PTFE）微孔覆膜滤料制成。该除尘器具有体积小、重量轻、不占用建筑面积等优点，并且可将过滤灰尘直接振打到胶带上，利于回收。在导料槽密封处采用双密封带密封，有效抑制粉尘在导料槽两侧向外逸散。

在201皮带转运点处采用喷雾除尘方案，所选喷雾方式为气水两路喷雾除尘，系统主要包括矿用螺杆式空压机、主管道过滤器、储气罐、水泵及空气雾化喷嘴。喷嘴分散安装在弓形导料槽上，喷嘴孔径为0.2mm，每个喷头水流量为0.65L／min。

图8 喷雾过程 （t=9.6s）

分别对木瓜煤矿101和201胶带的负压除尘和喷雾除尘现场试验的成本和除尘效率进行了对比，其中负压除尘系统一次性投资为35万元，维护费用预计为1.5万元／a，经测试其除尘效率为96%，而喷雾除尘系统的一次性投资为20万元，维护费用预计2.5 万元／a，除尘效率达到98%。通过对比可知负压除尘系统和喷雾除尘系统都有很好的除尘效率，但是从成本对比，可看出喷雾除尘系统的成本较低，并且木瓜煤矿输煤系统所在区域不会受冬天结冰影响，故建议在木瓜煤矿其他产尘点均采用气水两路喷雾的方式进行喷雾降尘。

6 结论

针对木瓜煤矿带式输送机转载点粉尘污染严重的问题，分别提出了负压除尘和喷雾除尘技术治理方案，并分别以101和201转载点为数值模拟与工程应用的对象，对其所应用控尘机理进行深入研究和分析，得出以下结论：

（1）通过气固两相流理论的欧拉—欧拉方程建立针对粉尘颗粒运动的数学模型，为转载点粉尘逸散规律及各控尘机理的数值模拟提供理论依据。

（2）利用comsol数值模拟软件，对转载点粉尘扩散进行了三维数值模拟，通过模拟结果分析出转载点粉尘逸散规律，为转载点的粉尘治理提供参考。

（3）分别对负压除尘和喷雾除尘的除尘机理进行数值模拟。负压除尘模拟结果显示负压除尘有效将粉尘颗粒抽入除尘器中，控制粉尘向外逸散；喷雾除尘模拟结果显示雾滴颗粒能够迅速充满整个导料槽内，抑制粉尘向外扩散。两种方案的数值模拟证明负压除尘和喷雾除尘均能起到控尘作用，减少转载点的粉尘污染。

（4）通过对负压除尘和喷雾除尘在木瓜煤矿的试点应用，验证了两种方案的除尘效果及数值模拟的可靠性。在对比两种方案的应用成本后，建议选用喷雾除尘作为整个矿井的除尘方式。

［1］ 金龙哲，蒋仲安，潘大勇等.掘进巷道中粉尘分布规律的实验研究 ［J］.煤炭科学技术，2001 （3）

［2］ 金龙哲，李晋平，孙玉福等.矿井粉尘防治技术［M］.北京：科学出版社，2010

［3］ 葛少成，邵良杉，齐庆杰.选煤厂转运点除尘方案模拟优化设计 ［J］.辽宁工程技术大学学报，2007（6）

［4］ 车得福，李会雄 .多相流及其应用 ［M］ .西安：西安交通大学出版社，2007

［5］ 荆德吉，葛少成，刘剑.欧拉—欧拉模型的落煤塔控尘技术研究 ［J］ .中国安全科学学报，2012（10）

［6］ 武国平，刘蒙林，李金山等.大型露天煤矿选煤厂生产过程粉尘综合治理的技术实践 ［J］ .中国煤炭，2007 （9）

［7］ 蔡涛.封闭式选煤车间滤筒除尘器的改进研究与应用 ［J］.中国煤炭，2014 （2）

［8］ 胡方坤，陆新晓，王德明等.基于CFD 数值模拟分析综掘工作面粉尘迁移规律研究 ［J］ .中国煤炭，2012 （6）