新型矿用湿式除尘器的研究与动态模拟

宋智瀛 李飞航 马 飞 贾瑞清

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京市海淀区，100083）

新型矿用湿式除尘器的研究与动态模拟

宋智瀛 李飞航 马 飞 贾瑞清

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京市海淀区，100083）

结合综采工作面粉尘浓度分布和湿式除尘机理，对新型矿用湿式除尘器进行了介绍，该湿式除尘器具有体积小以及安装和维修方便等特点，能够除掉0.1μm以上的尘粒。重点对蜂窝扰流滤芯的设计、工作原理以及提高除尘效率的方法进行了分析，最后通过3D Studio Max软件动态模拟了湿式除尘器的工作过程，为除尘器的进一步优化提供理论依据。

湿式除尘器 蜂窝扰流滤芯 除尘机理 动态模拟

煤炭粉尘是我国煤矿五大灾害（瓦斯、顶板、粉尘、水灾、火灾）之一，其危害性主要表现在两个方面，一是井下工人吸入直径小于5μm的呼吸性粉尘后所引起的尘肺病，二是直径小于1 mm的粉尘具有潜在的爆炸可能性，其中最严重的危害就是尘肺病。目前，全国尘肺病报告人数已超72万人，其中62%集中在煤炭行业，每年死于尘肺病的煤矿工人人数远远高于同期生产事故的死亡人数，煤矿尘肺病防治形势十分严峻。针对这一现象，除了采取对煤层注水、湿式打眼以及粉尘检测等综合防尘措施，还需对井下工作环境配备除尘装置。

常用的除尘装置主要分为机械式、过滤式、湿式和电除尘器。其中，湿式除尘器适于捕集非纤维性粉尘，尤其针对过滤易燃、易爆及高温气体，非常适合煤矿井下应用，因此设计了一种应用于井下综采工作面的新型湿式蜂窝滤芯除尘器，该除尘器具有体积小以及安装和维修方便等特点。

1　综采工作面粉尘浓度分布情况介绍

我国煤矿采煤工作面是产尘量最大的作业场所，综采工艺中的破煤、落煤和装煤等工序是产生煤尘的主要来源，产尘量约占矿井产尘量60%以上。在地质条件和通风状况基本相同的情况下，若不采取防尘措施，综采工作面作业地点的粉尘浓度为2500～3000 mg/m3，即便在采取喷雾洒水和煤层注水等除尘措施后，综采面的粉尘浓度仍可达到1000 mg/m3以上。医学研究已经证明，生产性粉尘中的游离二氧化硅（SiO2）是导致尘肺病的主要矿物成分，因此在各国的矿山安全规程中，对作业环境空气中粉尘浓度（mg/m3）容许值的规定都是以粉尘中游离二氧化硅含量值为依据。我国 《煤矿安全规程》第739条中规定:作业场所空气中粉尘（总粉尘、呼吸性粉尘）浓度应符合表1要求。而在实际生产中，综采工作面的粉尘浓度大大超过国家有关卫生标准，因此在采煤工作面开展除尘装置的研究具有重要的现实意义。

表1　作业场所空气中粉尘浓度标准

2　湿式除尘机理

在湿式除尘器中主要依靠工作介质水来捕集夹杂在空气中的粉尘，水与粉尘颗粒的接触方式主要有水滴、水膜和气泡这3种方式，在实际应用的除尘器中，可能兼具其中2种或3种全有的方式。

依靠介质水捕集尘粒的机理很多，常用除尘器主要利用的是惯性碰撞、布朗扩散和拦截进行粉尘捕集。其中惯性碰撞是针对较大颗粒的粉尘在跟随着气流运动时，由于其自身的惯性，接近液滴的尘粒不会随着气流前进，而是脱离气体流线并碰撞在液滴上，从而被液滴捕获；布朗扩散是针对粒径较小的粉尘随着气流运动时，由于布朗扩散的作用，颗粒运动轨迹与流线不一致而沉降在液滴上，扩散主要对粒径小于1μm的粉尘起作用，粒径越小则布朗扩散越强烈；拦截则是不考虑粉尘颗粒的惯性，沿流线运动的粉尘不仅能在其流线与液滴相交处被捕获，而且当流线与液滴表面距离在颗粒半径范围以内，粉尘与液滴接触也可被捕获。

本文所提出的新型矿用湿式蜂窝滤芯除尘器就是依据碰撞-拦截-沉降模型进行设计和研究的。

3　新型矿用湿式除尘器的研究

3.1除尘器的设计

湿式蜂窝滤芯除尘器主要由轴流风机、喷水装置、蜂窝扰流滤芯、脱水滤网、导流板和污水收集装置等部件组成，其结构组成如图1所示。

图1　湿式蜂窝滤芯除尘器结构组成

由图1可以看出，风量大小的控制是通过调节轴流风机扇叶的转速来实现；进风口采用毕托管测速仪来测量风速，喷嘴喷水方向与气流方向一致，以减小除尘器的内部压降；脱水滤网去除空气中的水滴和粉尘颗粒，污水流入集污槽进行集中处理，以防止二次污染。

湿式除尘器中最核心的组成部分就是400 mm长的蜂窝扰流滤芯，蜂窝扰流滤芯3D模型如图2所示。

图2　蜂窝扰流滤芯3D模型

由图2可以看出，蜂窝是指滤芯内部由许多呈六边形的金属薄板通过扰流柱连接组成的蜂窝状结构，相邻扰流柱夹角为120°，并交叉排列；扰流是指含尘气流在扰流圆柱后形成的卡门涡街对于（平板）边界层产生的扰动作用。组装好的湿式蜂窝扰流滤芯除尘器的样机如图3所示。

3.2蜂窝滤芯除尘效率分析

为了便于研究，蜂窝滤芯模型简化后如图4所示。

由图4可见，将单一通路六边形滤芯的当量直径设为ø，经过计算即为其内接圆直径，薄板内壁水膜厚度均值为δ。假设在图中a处气体的微团粉尘浓度为C，长度为d x，运动到b位置时，一部分尘粒会被滤芯壁面厚度为δ的水膜所捕集，根据

图3　湿式除尘器样机

图4　蜂窝滤芯模型

质量守恒方程得出式（1）:

其中:C——入口a处的粉尘浓度，mg/m3；

ø——蜂窝扰流滤芯当量直径，m；

d x——a处气体微团长度，m；

t——气体微团运动的时间，s；

δ——蜂窝滤芯壁面的水膜厚度，m。

对式（1）整理，解微分方程得式（2）:

式中:c——初始气体浓度，mg/m3。

式中:β——滤芯水膜厚度与滤芯当量直径之比。

蜂窝滤芯除尘效率η表示为:

式中:η——蜂窝滤芯除尘效率，%。

从以上公式可以看出，有2种方式可以提高除尘器的除尘效率，一种是增加粉尘气体在蜂窝滤芯内部的接触时间，另一种是增大滤芯壁面水膜厚度δ与ø的比值。当入口风速一定时，粉尘在滤芯中的停留时间主要取决于滤芯长度，式（4）中粉尘浓度与时间t是指数关系，当t增大到一定值时，浓度C会变化很小，而且滤芯过长会使除尘器的通风量减小，工作效率降低，体积变大会导致制造成本的增加，因此滤芯存在一个比较经济的长度值，通过试验后，实验室设计的滤芯长度为400 mm。

4　新型矿用湿式除尘器工作原理与动态模拟

4.1新型矿用湿式除尘器工作原理

新型矿用湿式除尘用水通过喷嘴向蜂窝扰流滤芯喷水，在其壁面和滤芯内的扰流柱表面形成一层连续的水膜。当含尘空气通过蜂窝状滤芯时，大粒径的颗粒依靠其自身较大的惯性效应撞击在扰流柱或蜂窝扰流滤芯壁面，被这些表面所附着的水膜捕集；对于粒径小且跟随性较好的颗粒，会随着气体绕过扰流柱，并在其后面形成卡门涡街，强化多相流涡团间的作用，增强粉尘颗粒的扩散效应，增加颗粒被滤芯壁面和扰流柱表面水膜捕集的几率，达到提高除尘效率的目的。由于连续不断地喷水，将在蜂窝扰流滤芯表面的形成新的水膜，使除尘器本身具有了自清洁的能力。

4.2新型矿用湿式除尘器动态模拟

为了清晰地演示湿式除尘器内部的工作过程，通过Solid Works软件进行除尘器的实体建模，将三维模型导入3D Studio Max软件中实现除尘器工作的动画仿真，该仿真过程主要包括风机排风段、喷嘴喷水与蜂窝滤芯除尘、脱水段和污水收集段，除尘过程动态模拟如图5所示。通过3D Studio max软件对除尘过程的动态模拟，增强除尘视觉效果，使除尘过程一目了然。

5　结论

湿式除尘与干式除尘相比具有设备投资少、构造简单及净化效率高等特点，能够去除掉0.1μm以上的尘粒，而且在除尘过程中还具有降温冷却、增加湿度和净化有毒易燃气体等作用，适用于处理与水不发生化学反应的各类粉尘，但在冬季使用时需考虑防冻问题。结合湿式除尘理论，通过对新式湿式除尘器的研究与过滤效率的分析得出以下结论，为除尘器的进一步优化提供理论依据。

（1）新式湿式除尘器的除尘效率主要不是取决于粉尘的润湿性，而是取决于所有到达液滴表面或者进入并穿过液滴，或者黏附在液滴表面的尘粒的数量。

图5　除尘过程动态模拟

（2）新式湿式除尘器在除尘过程中需保证充足的喷水量，以便形成连续的水膜捕集空气中的粉尘，并冲走含尘污水到集污槽。由于除尘过程中需要大量用水，因此在设计和使用中特别注意了污水的处理和循环再利用问题。

（3）蜂窝滤芯中的扰流柱后面产生的卡门涡街提高了含尘气体的湍流强度，增加了滤芯表面水膜与气体的接触厚度，提高了粉尘被捕集的几率。

（4）增加滤芯长度可以延长除尘时间并能够提高除尘效率，但浓度与时间呈指数关系，当时间达到一定值时，浓度减小不明显，而且会使除尘器体积变大，使通风量减小，因此应合理选择滤芯长度。

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（责任编辑 王雅琴）

Study and dynamic simulation on a new type of mine wet scrubber

Song Zhiying，Li Feihang，Ma Fei，Jia Ruiqing
（School of Mechanical Electronic and Information Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

The authors introduced a new type of mine wet scrubber，by combining dust concentration distribution of full-mechanized coal mining face and mechanism of wet dust removal. The wet scrubber has characteristics of small volume，easy to install and maintain and can remove dust particles which size were larger than 0.1μm.The authors also focused on designing and working principle of honeycomb filter，and analyzed methods of improving dust collection efficiency.Finally，according to 3ds Max software，working process of wet scrubber were dynamic simulated which providing theoretical foundation of further optimization on wet scrubber.

wet scrubber，honeycomb filter，dedust mechanism，dynamic simulation

TD714.4

A

宋智瀛（1985-），男，辽宁锦州人，中国矿业大学（北京）在读博士研究生，主要研究方向为矿井除尘设备研究。