莫金明,马 威
(中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037)
煤炭作为中国基础能源,为中国综合国力提升以及国民经济的增长起到了极大的促进作用[1-2]。中国开采的煤层,按其赋存条件一般可以分为薄煤层、中厚煤层及厚煤层。其中中厚煤层(厚度大于3.5 m)是中国追求开采效益的主体煤层,其储量约占我国煤炭资源总储量的44%,其产量比亦将近占全国原煤总产量的50%,具有重要的能源战略地位[3-4]。厚煤层开采多采用机械程度高、工作面推进快的大采高生产工艺,较传统综采工作面开采工艺,具有设备功率高、截深大、产量高、产尘量大、尘源点复杂等特点[5-6]。随着大采高工艺的推广,给综采工作面粉尘防治带来了新的挑战。据现场调研,在没有任何防尘措施的情况下,采煤机截割和移架等工序共同作业时,大采高综采工作面人员主要作业区域的时间加权总粉尘质量浓度可达500～850 mg/m3,呼吸性粉尘质量浓度可达300～500 mg/m3,严重影响了煤矿的安全生产,威胁工人的职业卫生健康[7-8]。
近年来,中国对煤矿粉尘治理给与高度关注,随着中国特色社会主义进入新时代,人民健康上升为国家优先发展战略,中国出台《“健康中国 2030”规划》、《关于实施健康中国行动的意见》等一系列政策、法规推进健康中国建设[9-10]。同时煤矿智能化重大发展战略也对矿井粉尘治理提出了更严苛的要求。因此,煤矿防尘技术研究仍会是今后很长一段时间内科研工作者的重心工作。目前,在综采工作面的粉尘防治技术及装备上,国内外已经取得了较多的成果。如:国外学者BIGU等[11]设计了一种基于荷电水雾技术的静电除尘器,用来控制矿山坑道中的长寿命放射性粉尘和短寿命气溶胶浓度,通过实验室测试,装置的控尘效果达40%。ARYA等[12]通过对在之前溢流床洗涤器、安装在采煤机上的灰尘洗涤器等研究的基础上,为长壁采煤机设计一个类似于连续采煤机的水浸除尘系统。发现并消除了以前尝试的缺陷。并成功研制了该设备进行了实验室试验及井下试验,试验结果表明,其平均降尘效率在46%～53%。SILVA等[13]采用了试验方法研究了气体速度和液体流量对矿用大尺度文丘里洗涤器压降的影响。聂文等[14-15]通过建立高度仿真的三维模型,利用数值模拟方法研究了8.8 m大采高综采工作面风流-粉尘运动规律;同时根据粉尘扩散污染特征基于气流控尘原理,并提出了采煤机机身空气幕防尘技术,并研发了粉尘净化风扇,通过现场效果测试,采煤机司机区域降尘效率达90.47%。陈大伟等[16]采用数值模拟与井下实测的方法对补连塔223 057 m综采工作面风流、粉尘运移分布规律进行了详细分析,得出了工作面风流、粉尘详细分布特征,并以此为依据设计了一种新型除尘系统,包括湿式卷帘、采煤区集尘网和全断面湿式集尘网。经现场应用结果表明,该系统的整体除尘效率达69.6%。周刚等[17-19]通过数值模拟方法详细分析了综采工作面气流、粉尘的迁移规律,并结合仿真及实测结果研制了一种新型的采煤机用除尘器,工程现场实测表明除尘器能够有效降低采煤机附近的作业区粉尘质量浓度,总粉尘降尘效率达到66.5%。翟国栋等[20]研制了一种液压支架用喷雾引射除尘器,并通过实验室平台进行了不同结构参数喷嘴的降尘效果试验,获得了最佳降尘效果的喷嘴结构参数。最后通过现场应用效果测试,呼吸性粉尘降尘效果较应用前提高91%。胡胜勇等[21]提出了一种有效清洁煤尘空气的新方法,并研制了由进水管、径向混合叶轮、水分配板、旋流叶片和脱水器组成的空气洗涤器,并通过实验室性能测试,验证了该空气洗涤剂的除尘性能。通过在选煤厂现场应用结果表明,该装置使得厂房内总粉尘质量浓度从118.7 mg/m3降低到3.0 mg/m3,呼吸性粉尘质量浓度从79.2 mg/m3降低到2.2 mg/m3。秦波涛等[22-23]为高效防治煤矿井下综采工作面粉尘,提出了综采工作面活性磁化水雾化封闭尘源降尘技术体系,构建了主要由活性剂定量添加系统、磁化装置、水动力湿式除尘器、负压卷吸除尘器等组成的综采工作面高效降尘工艺系统。通过现场工程应用表明,该技术使得综采工作面总粉尘降尘效率达90.8%,显著改善了井下人员工作环境。王鹏飞等[24-25]在煤矿用气水喷雾降尘方面开展了大量研究,建立了气水喷雾降尘效率的理论计算数学模型,并采用模型实验考察了供水压力、供气压力等工况参数对气水喷雾特性及降尘效率的影响。笔者[5,26]也基于流体动力学、多相流等理论提出了大采高综采工作面采煤机随机抽尘净化技术、液压支架封闭控尘技术并研制了相应装备。
总结上述研究成果,发现存在以下2个问题:① 现有研究大都针对大采高综采工作面采煤机滚筒及液压支架降柱移架附近的高质量浓度粉尘进行治理。但是通过笔者长期煤矿现场实施发现,由于大采高综采工作面产尘强度大,采场空间大,采煤过程中产生的大量细微粉尘扩散到综采工作面采场上部空间,并长期浮游于此,不易沉降,严重影响采煤工作面上部空间的环境。如果不予治理,其污染范围会继续扩散,继而弥散到人行区域。② 高位浮游粉尘因其粒径小,普通的喷雾降尘技术难以达到较为理想的粉尘治理效果,各国均无相关针对性治理措施,缺乏相关技术和设备。因此,笔者基于前期机载除尘器的研究思路,提出了负压除尘及微雾净化技术及配套设备,来净化采煤工作面高位含尘气流,实现高位浮游粉尘治理。
负压除尘及微雾净化装置(以下简称除尘器)主要由前喷雾段、电机段、导流器、脱水段、污水箱、后喷雾段及保护壳体组成,其具体组成及其技术原理如图1所示。其工作原理是含尘气流在负压作用下受前喷雾段阻截作用与喷雾水滴初步混合,在电机段中高速旋转叶轮的离心力作用下水滴被破碎成微小的水雾粒子,水雾粒子与含尘气流充分混合形成煤泥,经导流除尘段煤泥在重力作用下逐渐沉淀,经除尘净化的含尘气流形成射流将后喷雾段的微细喷雾扩散至装置下风侧区域,对该区域内的粉尘进行净化,从而实现了装置上风侧区域负压除尘净化,下风侧区域的微雾净化。利用该技术可以同时对进风口和出风口附近的粉尘进行净化和沉降,大幅提高了装置的降尘效率。
图1 负压除尘及微雾净化技术原理Fig.1 Technical principle of negative-pressure dust removal and micro-mist purification
2.1 数学模型
综采工作面风流、粉尘的耦合运动可以看作气固两相流,由于在实际流体中,粉尘的体积分数通常小于10%,所以可以将其看作稀疏相,风流属于连续相,风流流动可以用湍流流动来形容。因此,在求解过程中,综采工作面粉尘的扩散和风流的湍流流动可以分别用欧拉-拉格朗日模型和k-ε模型求解[18,27-29]。
(1)风流流动数学方程。气流的质量方程[30-31]可以表示成
(1)
N-S方程(其中流体为不可压缩):
(2)
其中,ρ为气流密度,kg/m3;t为时间,s;x、y、z为方向坐标,m;u为气流速度,m/s;ux、uy、uz为气流速度在x、y、z方向上的分量m/s;f为外力,N;p为压力,Pa;为哈密顿算子;2拉普拉斯算子;μ为层流中的黏性系数,Pa·s。
描述湍流流动的2个重要参数分别是湍流动能k以及湍流扩散率ε,k方程的描述见文献[24]、ε方程的描述见文献[32-33]。
(2)粉尘流动数学模型。粒子轨迹的数学模型可以看作离散相模型。离散相模型采用DPM模型。在拉格朗日坐标下通过积分颗粒作用力的微分方程进行求解,计算粒子轨迹,从而得到质点运动扩散规律和连续相分布,再通过将统计的流场中的粒子分布转化为质量浓度,得到了离散相的浓度分布。
颗粒相作用力平衡方程[36-37]为
(3)
虚拟质量力Fvm[15],可以写成
(4)
其中,Vp为颗粒的体积(默认颗粒为球形),m3。由于流体中存在压力梯度,因此会产生压力梯度力行成的力,压力梯度力的方程可以写为
(5)
Magnus升力[39]可以写成
(6)
式中,dp为颗粒直径,m;ω为颗粒旋转角速度,rad/s。
Saffman升力[40-41]可以写成
(7)
综上所述,颗粒相作用力平衡方程可以写成
(8)
2.2 物理模型
笔者以国能神东煤炭有限公司补连塔煤矿22408综采工作面为依托建立三维模型。现场采煤机选用EKF公司生产的EKF SL1 000/6 659型采煤机,采高3.5～7.1 m;综采工作面中部架选用ZY18 000/32/70D型支架,支架中间距2 050 mm,移架步距865 mm;综采工作面配2 046 m3/min的风量时,平均风速为1.21 m/s。根据现场实际情况利用CAD软件建立计算模型,如图2所示。
该模型主要由采煤机、液压支架以及挡煤板等组成。工作面尺寸长×高×宽=270 m×6.8 m×8.0 m,数值模型原点O设置在进风巷煤壁靠底板处,沿风流方向为X轴,采煤工作面推进方向设置Z轴负方向。
图2 补连塔煤矿22408综采工作面三维模型Fig.2 Three-dimensional model of 22408 fully-mechanised mining face in Bulianta Coal Mine
2.3 网格划分、独立性验证
为了检验此次建立的数值模拟方案及模拟结果的准确性,通过选取3种不同的网格划分方法进行模型的网格独立性验证[42-43]。利用ICEM-CFD网格划分软件分别设置A、B、C三种不同网格参数对模型进行网格划分,得到A的网格数量为12 432 842,B的网格数量为15 065 402,C的网格数量为17 291 017。然后利用3种网格模型结果对22408综采工作面风速进行模拟,并与现场实测结果进行对比。由于工作面采煤机附近由于断面受阻,风速变化较大,因此,此次结果值截取了采煤机上风侧机身端面上风侧6 m及下风侧20 m范围(X=94～120 m)人员呼吸带截面风速,其结果如图3所示。
通过对比3种不同网格参数模型的计算结果发现,其风速变化规律基本保持一致,都呈现出先升高、再降低,然后保持平稳,随后再降低的趋势。并且波动差值不超过5.9%,因此,可以认为网格是独立的。另外,对比数值模拟结果与实测结果发现,数值模拟得出的风速变化规律与实测结果基本一致。网格参数B、C的模拟结果更接近于实测结果,因此,通过综合考虑模型网格总数与计算机的工作能力,选取利用网格参数B进行后文的数值模拟研究。
2.4 模拟参数设置
将划分好的网格文件导入FLUENT求解器设置边界条件,几何模型的边界条件和粉尘源的参数见表1[44-45]。待风流计算结果收敛后,再加入粉尘颗粒相进行计算,待计算完成后,将结果导入CFD-POST进行定性、定量分析。
图3 网格独立性验证结果Fig.3 Meshing independence verification results
表1 模型边界条件及粉尘源参数
2.5 除尘器不同风量对工作面风流-粉尘场影响分析
图4为除尘器在不同风量条件下,Y=4.7 m截面风速分布(X=130～190 m)。从图4可以看出,随着除尘器风量的增加,其前端的负压影响范围不断扩大,吸尘效果逐渐增强。而当风量从90 m3/min增加到150 m3/min,其后端有效射程从15 m增加到29 m,再继续增大除尘器风量,其有效射程无明显增加。由于负压微雾除尘器后喷雾的降尘原理主要是利用喷嘴产生的微雾在风流的带动下,扩散到除尘器下风侧区域,对粉尘进行吸附沉降。故除尘器后方有效射程越远,对其下风侧净化范围越广,效果越好。
图4 除尘器不同风量条件下工作面风速分布Fig.4 Wind speed distribution at the working face under different air volumes of the dust collector
图5为负压微雾除尘器不同处理风量时工作面粉尘质量浓度分布变化情况。考虑到除尘器的影响范围有限,为了更清楚地展示除尘器对工作面粉尘的影响,本次只截取了采煤高度方向上Y=4.0、4.5、4.7三个平面负压微雾除尘器前后35 m范围。从图5可以看出,随着高度增加,采煤机滚筒割煤产生的粉尘污染范围越广,并且在Y=4.5 m以下空间,采煤机尘源与液压支架尘源出现明显的汇集,合并污染现象严重。负压微雾除尘器的安装对其所在位置前后方粉尘积聚现象有明显的改善作用,主要是由于除尘器形成的负压作用,含尘气流被卷入除尘器内部,通过除尘器净化最后形成污水排除。另外,经过滤除尘段含有水分的空气,在射流作用下将后喷雾细小粒径的水雾扩散至装置下风流区域。同时,从图5还发现,随着除尘器处理风量从90 m3/min增加到150 m3/min时,工作面粉尘污染情况得到改善,特别除尘器附近。然而,当除尘器处理风量从150 m3/min增加到180 m3/min时,除尘器附近风流出现紊乱情况,特别是在除尘器所在平面上风侧,还形成了一条长约8 m、质量浓度为320 mg/m3的稳定粉尘质量浓度带。可能是由于除尘器风量过大,在其所在空间周围形成了局部不稳定气流场,导致粉尘扩散。通过上述分析,认为负压微雾除尘器最佳处理风量在120～150 m3/min,鉴于风量越大,除尘器的总体积也会相应增加。因此,结合现场除尘器可安装空间,确定负压微雾除尘器处理风量为120 m3/min。
图5 除尘器不同风量条件下工作面粉尘质量浓度分布Fig. 5 Dust mass concentration distribution at the working face under different air volumes of the dust collector
2.6 除尘器不同布置间距对工作面风流-粉尘场影响分析
图6为除尘器不同布置间距条件下工作面Y=4.7 m 截面风速分布(负压微雾除尘器处理风量为120 m3/min)。从图6可以看出,当相邻2台负压微雾除尘器布置间距为15、25 m时,除尘器后方的微雾影响范围明显超出了除尘器的布置间距,不利于节能、环保发展理念。当相邻2台负压微雾除尘器布置间距为50 m时,除尘器后方的微雾净化范围又显得局促,不能达到连续最佳降尘效果。而当其布置间距为35 m时,认为微雾影响范围正好可以影响整个工作面,不会出现浪费资源的现象。
图6 除尘器不同布置间距条件下工作面风速分布Fig.6 Wind speed distribution at the working face under different spacings of the dust collector
图7为负压微雾除尘器不同布置间距时工作面粉尘质量浓度分布变化情况(负压微雾除尘器处理风量为120 m3/min)。本次只截取了采煤高度方向上Y=4.0、4.5、4.7三个平面X=110～265 m。从图7可以看出,采煤机滚筒割煤产生的粉尘分布比较集中,而液压支架降柱移架产生的粉尘向下风侧扩散的过程比较分散,通过布置负压微雾除尘器后,工作面粉尘污染好转,并且发现除尘器布置间距对工作面影响较大。当除尘器布置间距为15 m时,除尘器前后范围,粉尘质量浓度有所降低,但是工作面整体粉尘扩散严重,可能由于除尘器布置间距过小,对原始风流造成扰动,并且在Y=4.7 m截面高质量浓度粉尘积聚严重。当布置间距增大25 m时,工作面整体粉尘质量浓度分布得到好转。相邻2台除尘器之间的范围均无明显高浓度粉尘存在,且截面高质量浓度粉尘积聚区域有所减少。当布置间距持续增加到35 m时,工作面粉尘质量浓度分布状态最佳,而布置间距增加到50 m时,粉尘污染较之前加重,且截面高质量浓度粉尘积聚范围增加。因此,综合上述研究认为,负压微雾除尘器最佳布置间距为35 m。
图7 除尘器不同布置间距条件下工作面粉尘质量浓度分布Fig.7 Dust mass concentration distribution at the working face under different dust collector spacings
3.1 除尘器主要组成部分及参数说明
结合对补连塔煤矿22408综采工作面液压支架立柱前方可利用空间,以及前期负压微雾除尘器最佳处理风量及布置间距研究结果,确定此次负压微雾除尘器总体尺寸1 800 mm×819 mm×739 mm,主要由前喷雾段、电机段、导流器、脱水段、污水箱、后喷雾段及保护壳体等部分组成,其实物如图8所示。除尘器设计处理风量为120 m3/min,配套风机选用淄博风机厂生产的YBF2-132S-1。前喷雾喷嘴选用实心锥形喷嘴,喷雾压力在6 MPa;后喷雾选用空心微雾喷嘴,喷雾压力2 MPa。负压微雾除尘器具体技术参数见表2。
图8 负压微雾除尘器实物Fig.8 Negative-pressure micro-mist dust collector
3.2 试验系统
如图9所示,除尘器性能测试系统主要由粉尘发生器、温度计、气压计、补偿微压计、测试管道、CCZ20粉尘采样器等部分组成,另外还包括橡皮管、EX324ZH型万分之一天平等辅助设备。其中,粉尘发生器产生粉尘粒径范围0.1～100 μm,质量流率50～1 000 mg/h,测试管道直径500 mm。搭建如图9所示的试验系统,待系统正常运行后,利用CCZ20型粉尘采样器在测试管道入口、出口处测试其粉尘质量浓度。本系统的搭建及测试方法按照MT 159—2005 《矿用除尘器通用技术条件》国家标准进行[21]。
表2 负压微雾除尘器技术参数
图9 负压微雾除尘器性能测试试验系统Fig.9 Performance test system for the negative-pressure micro-mist dust collector
3.3 除尘效率测试
在试验系统正常运转后,分别在进风处和出口处收集粉尘样品,利用Bettersize2000(B&E)激光粒度分析仪,进行粉尘粒度分布测试,其结果如图10所示。
图10 负压微雾除尘装置入、出口处粉尘粒度分布Fig.10 Dust particle size distributions at the inlet and outlet of the negative-pressure micro-mist dust remover
从图10可以看出,粉尘粒径分布范围主要在5～80 μm。粉尘粒度分布测试结果基本与煤矿实际测量结果一致。
然后将CCZ20型粉尘质量浓度采样器,在试验系统测试管道的入口和出口上,对应均布取4个点(其中在入口上取测点分别标号为1、2、3、4,对应出口上的5、6、7、8),分别测试其总粉尘和呼吸性粉尘质量浓度。
利用滤膜称重法得出粉尘质量,然后利用式(9)分别计算出相应点的粉尘质量浓度。粉尘质量浓度测试时,采样流量20 L/min、采样时间2 min,粉尘质量浓度测试操作完全按照CCZ20采样器说明书规定进行。
(9)
式中,c为粉尘质量浓度,mg/m3;M2为采集粉尘后的滤膜质量,mg;M1为采集粉尘前的滤膜质量,mg;Q为采样流量,L/min;T为采样时间,min。
通过测得的除尘器入口和出口总粉尘和呼吸性粉尘质量浓度,利用式(10)和式(11)分别计算除尘器对总粉尘和呼吸性粉尘的降尘效率。
(10)
(11)
式中,η1为总粉尘降尘效率,%;η2为呼吸性粉尘降尘效率,%;c1为入口平面粉尘质量浓度,mg/m3;c2为出口平面粉尘质量浓度,mg/m3。
测试结果如图11所示,可以看出,此除尘器对总粉尘的平均降尘效率达98.31%,对呼吸性粉尘的平均降尘效率达95.29%,除尘器除尘性能较好。
图11 负压微雾除尘器降尘性能测试结果Fig.11 Test results of dust reduction performance of the negative-pressure micro-mist dust collector
为了检验此次研发的除尘器现场应用效果,在国能集团神东煤炭有限公司补连塔煤矿22408综采工作面进行了现场工业性试验。除尘器固定在液压支架立柱前方,装置吸尘口正对风流方向、出风口朝向下风侧,供水管路从支架引出、污水利用软管引至工作面底板、电源从支架内取电,电源电缆沿支架顶部布置。相邻2台装置之间间隔35 m,现场安装效果如图12所示。
图12 负压微雾除尘器现场应用效果Fig.12 Field application scenes of the negative-pressure micro-mist dust collector
在保证负压除尘微雾净化技术实际降尘效果得到充分验证的同时,为了减小现场测试工作量,此次选取了布置在99号支架位置上的除尘器作为参考对象,测试了该除尘器所在位置(即99号液压支架)断面及下风侧分别间隔2 m的3个断面,距离支架人行底板高度分别为1.5、2.5、3.5 m的9个测点粉尘质量浓度,其测点布置如图13所示。
图13 采样点布置断面示意Fig.13 Sampling point layout section
测试时,仍采用CCZ20型粉尘浓度采样器,采样流量为20 L/min,测试总粉尘时,采样时间设置为2 min,测试呼吸性粉尘时采样时间设置为4 min,每个点测试3次,取平均值,以保证测得数据的可靠性。测试结果见表3。
由表3可以看出,负压除尘及微雾净化装置对工作面总粉尘降尘效率达80%以上,对呼吸性粉尘的降尘效率在70%以上,工作面人行区人员呼吸带总粉尘质量浓度降低到15.3 mg/m3以下,呼吸性粉尘质量浓度降低到10.3 mg/m3以下。
由此可见,通过负压除尘微雾净化装置的应用,有效解决了工作面浮游粉尘积聚污染问题,对于改善工作面环境质量,安全矿井的创建起到了积极的作用。
表3 负压除尘微雾净化装置的粉尘质量浓度测试结果
(1)针对大采高综采工作面采场上部空间细微粉尘长时间悬浮,无法及时治理的问题,创新提出了一种集支架顶梁抽尘净化与风送微雾除尘新方法。即利用负压除尘微雾净化装置形成的强负压,吸入上风侧含尘气流,并与前喷雾初步混合;水滴在高速旋转叶轮的作用下被破碎成微小的水雾粒子,水雾粒子与含尘气流充分混合形成煤泥,在重力作用下逐渐沉淀,经除尘净化的含尘气流形成射流,将后喷雾段的微细喷雾扩散至装置下风侧区域,对该区域内的粉尘进行净化,从而实现了装置上风侧区域负压除尘净化,下风侧区域的微雾净化。
(2)通过数值模拟实验详细分析负压微雾净化装置关键工艺参数对工作面风流粉尘运移分布的影响,确定了负压微雾净化装置最佳处理风量为120 m3/min,最佳布置间距为35 m。以此为依据,自主研发了负压除尘微雾净化装置,并自主搭建除尘器性能测试系统对研制的除尘装置进行除尘性能测试,结果表明:该装置对总粉尘、呼吸性粉尘的平均降尘效率分别达到98.31%、95.29%。
(3)在国能集团神东补连塔煤矿22408大采高综采工作面现场应用结果表明,负压除尘微雾净化装置对工作面总粉尘降尘效率达80%以上,呼吸性粉尘的降尘效率在70%以上。工作面人行区人员呼吸带总粉尘质量浓度降低到15.3 mg/m3以下,呼吸性粉尘质量浓度降低到10.3 mg/m3以下,对工作面粉尘污染情况起到了极大的改善作用。
(4)本研究成果为大采高综采工作面高位浮游粉尘治理提供了新的解决方法,为改善现场作业环境条件,助力煤矿企业安全生产,保障工人身体健康提供了新思路。
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