选煤厂给料机粉尘逸散规律及治理技术研究

秦文秀 陈 曦 葛少成 任 意

(1. 内蒙古自治区煤田地质局153勘探队，内蒙古自治区呼和浩特市，010010；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；3.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁省阜新市，123000)

★ 煤炭科技·加工转化 ★

选煤厂给料机粉尘逸散规律及治理技术研究

秦文秀1陈 曦2,3葛少成2,3任 意2,3

(1. 内蒙古自治区煤田地质局153勘探队，内蒙古自治区呼和浩特市，010010；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；3.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁省阜新市，123000)

为了更好地治理选煤厂暗道给料机处的粉尘污染问题，以中煤平朔木瓜界选煤厂133暗道给料机下料处作为研究对象，采用离散相模型的粒子追踪技术获得了给料机处粉尘颗粒的扩散规律，提出以布袋除尘方式作为治理方案。分析结果表明，煤块间的挤压、摩擦及对落煤点的冲击作用会产生大量的粉尘，其粉尘浓度为40～190 mg/m3；导料槽由于布袋除尘器的负压作用，会产生一个负压腔，有效地缓解了因物料下落导致的正压所带来的影响，阻断了作业空间的煤尘逸散。现场实践表明，133暗道给料机安装布袋除尘器后，4个测点的全尘与呼吸性粉尘质量浓度的最低降尘率分别达到了91.41%和92.25%。

袋式除尘器 给料机 转载点 气固两相流 数值模拟

AbstractIn order to better control the dust pollution problem of coal feeder in coal preparation plant taking the feeding position of 133 covert channel feeder in China Coal Pingshuo Muguajie coal preparation plant as study object, the diffusion rule of dust granular around coal feeder was achieved by using particle tracer technique based on discrete phase model, the treatment scheme of bag dust-cleaning way was put forward. Analysis results showed that the extrusion and friction between coal briquettes and the impact effect on coal feeding position would both produce a large amount of dust, and the dust concentration was 40～190 mg/m3; under the effect of negative pressure of bag-type dust collector, the feed channel formed a negative pressure cavity, which effectively counteracted the positive pressure caused by material falling and eliminated the dust diffusion in work space. The field practice showed that after installing a bag-type dust collector in 133 covert channel feeder, the minimum dust fall rates of total dust mass concentration and respirable dust mass concentration at 4 measure points reached 91.41% and 92.25% respectively.

Keywordsbag-type dust collector, feeder, transfer point, gas-solid two-phase flow, numerical simulation

由于原煤破碎、运输、下料、筛分和洗选等工艺的复杂性，粉尘污染问题一直是选煤厂的一项重大技术难题，也是国内外共同关注与重点攻关的难题之一。给料机是选煤厂运输过程的核心部件，其布置在缓冲仓下部带式输送机和储煤仓下的暗道处，通过振动给料的方式将煤料从缓冲仓或储煤场中连续、定量且均匀地传到带式输送机上。在煤料转载的过程中，粉尘会受到煤流下落冲击波的作用而产生大量诱导的气流，进而携带大量粉尘四处逸散，粉尘浓度最高可达3000 mg/m3，严重污染了作业空间。相关资料表明，我国是世界上接触粉尘和患尘肺病人数最多的国家，据中国疾病预防控制中心发布的1950-2015年全国各省市报告中职业病就有749970例，这其中包括尘肺病676541例，死亡149110例，其中62%集中在煤炭这一行业。

现阶段，国内外学者就此问题展开了大量的研究，然而，带式输送机运输粉尘污染的问题仍然未得到很好的解决。国内部分专家对粉尘的扩散和运移规律做了较为深入的研究，并根据菲克定律和玻尔兹曼假设研究了粉尘颗粒物在空气中的扩散和碰撞等现象，构建了粉尘颗粒物在紊流中的碰撞模型和弥散模型；国外专家则在前人研究的基础上总结了粉尘颗粒在空气中的运移、飞扬和沉降等运动机理，并以此为依托创建了可以运用有限差分法求解的一维稳态状态下的颗粒对流扩散方程。基于此，以中煤平朔木瓜界选煤厂133暗道给料机为研究对象，运用计算流体力学离散相模型中的粒子跟踪方法对给料机运行过程中粉尘的扩散规律进行模拟研究，提出以布袋除尘方式作为治理方案。

1 给料机处粉尘产生原因

选煤厂的生产工序非常繁多，包括原煤破碎、运输、转载、加工等众多工艺，在每个生产工序中，给料机都占据着重要的作用。在暗道给料机处，因为物料作自由落体运动而引起空气流动形成气流，存在的气流包括由带式输送机向前运动引起的牵引流、煤流下落运动引起的诱导空气流以及它们共同作用引起的剪切压缩气流，这些气流作用在煤块之上，使煤块表面的粉尘颗粒飘散起来，从而造成粉尘污染。

影响暗道给料机处粉尘浓度的主要因素有：一是来煤水分含量较低；二是带式输送机的运输速率过快，带式输送机头尾落差较大；三是通风系统的安装和设计不符合要求，达不到现场除尘的要求；四是给料溜槽设计不合理。

2 数学模型

本研究对原煤暗道粉尘浓度分布规律进行数值模拟时，将空气视为连续相，采用欧拉方法模拟直至迭代收敛，然后在流场中特定源点上引入大量的颗粒进行耦合计算，在每一轮离散相计算过程中，Fluent计算颗粒的同时更新每一个流体单元内的相间动量、热量和质量交换项，然后，这些交换项就会作用到随后的连续相的计算。同时，考虑平均密度的变化而忽略密度脉动的影响，但需写出可压湍流平均流动的控制方程。

连续方程见式(1)：

(1)

式中：ρ——空气密度，kg/m3；

Ui——流体在xi方向的速度，m/s；

xi——轴向坐标，m。

动量方程见式(2)：

(2)

式中：Uj——流体在xj方向的速度，m/s；

μ——空气动力黏度，N·S/m2；

xj——径向坐标，m；

β——膨胀系数，取1.1，无量纲；

g——重力加速度，m/s2；

T0——参考温度，K；

T——环境空气温度，K。

能量方程见式(3)：

(3)

式中：h——空气定压比焓，J/kg；

λ——空气热导率，W/m·K；

cp——空气比定压热熔，J/kg·K；

SH——热源，W。

组分方程见式(4)：

(4)

式中：C——组分浓度，%；

σc——传质Schmidt数，通常取1；

SC——组分浓度源，kg/s。

根据作用在颗粒上力平衡的原则，给出颗粒在拉格朗日坐标下的运动方程见式(5)和式(6)：

(5)

式中：upi——颗粒速度，m/s；

Fi——在i方向所有施加于颗粒的单位质量力，N；

ρp——颗粒密度，kg/m3；

CD——曳力系数；

ui——空气速度，m/s；

up——颗粒速度，m/s；；

Re——颗粒雷诺数；

Fai——作用在颗粒上的其他外力，N。

3 数值模拟结果及分析

3.1 给料机粉尘逸散规律数值模拟

共有8台给料机设置在木瓜界选煤厂133带式输送机运输巷道内，在实际情况中单次给料仅启动1～2台给料机。本文以气固两相流理论为基础，用数值模拟的方法分析在133带式输送机巷道输煤过程中给料造成煤粉污染的问题。133带式输送机巷道治理前给料机在运行100 s、200 s和400 s时的煤尘逸散浓度分布图分别如图1、图2和图3所示。

图1 133带式输送机暗道治理前给料机在运行100 s时煤尘逸散浓度分布图

图2 133带式输送机暗道治理前给料机在运行200 s时煤尘逸散浓度分布图

由图1～图3可以看出，当133带式输送机作业空间中没有除尘设备时，落料管和导料槽中的煤块在彼此碰撞、挤压、相互摩擦及对落煤区域的冲击过程中产生了大量粉尘，同时因该位置的给料机的损毁较为严重，在原来的料槽中尘无法完全的自然沉降，其粉尘浓度范围大约在40～190 mg/m3，致使暗道内粉尘浓度上升，严重的污染了作业空间。

图3 133带式输送机暗道治理前给料机在运行400 s时煤尘逸散浓度分布图

3.2 袋式除尘设备除尘效果数值模拟

煤下落过程中由于受重力作用，对给料机产生了很大的压力。这样的压力即使有密闭的导料槽进行抑制，仍然有大量的粉尘逸出。根据以上分析，使用密封材料对133暗道给料机破损位置进行了处理，同时延长导料槽的导料长度，并在延长后的导料槽内增加2台袋式除尘器，使其中的粉尘浓度大幅度下降，且除尘器产生的负压有效地抵消了煤下落的正压，将粉尘极大程度的控制于导料槽内。

改造后133带式输送机暗道密封除尘空间压力分布灰度图如图4所示，改造后133带式输送机暗道密封除尘空间内速度分布灰度图如图5所示。

图4 改造后133带式输送机暗道密封除尘空间压力分布灰度图

由图4和图5可以看出，在布袋除尘器的负压作用下，整个导料槽形成一个负压腔，有效地解决了由物料下落引起的正压所带来的影响，较好地解决了煤尘向作用空间逸散。

加装除尘器后133带式输送机分别在100 s、200 s和400 s时的煤尘浓度分布图如图6、图7和图8所示。

图5 改造后133带式输送机暗道密封除尘空间内速度分布灰度图

图6 治理后133带式输送机在100 s时的煤尘浓度分布图

图7 治理后133带式输送机在200 s时的煤尘浓度分布图

图8 治理后133带式输送机在400 s时的煤尘浓度分布图

由图6～图8可以看出，安装布袋除尘器后，粉尘质量浓度降低明显，按照煤尘污染治理要求，使作业空间内煤尘浓度小于10 mg/m3。

4 现场应用

4.1 现场安装

中煤平朔木瓜界选煤厂133暗道给料机处粉尘污染情况严重，目前没有任何除尘方式，不仅严重损害人身健康，还增加了清灰工人的工作量。因此，根据研究成果，将布袋除尘器安装在133暗道给料机，其方案布置如图9所示，布袋除尘器的现场应用如图10所示。

图9 133暗道除尘方案布置图

图10 现场应用图

4.2 实测结果分析

为了验证布袋除尘器的降尘效果，现场测试了安装布袋除尘器前后133暗道机尾各测点的全尘质量浓度和呼吸性粉尘质量浓度，袋式除尘器安装前后不同测点粉尘浓度见表1。

表1 袋式除尘器安装前后不同测点粉尘浓度 mg/m3

由表1可以看出，安装布袋除尘器后，133暗道4个测点处的粉尘浓度均有了明显的降低，全尘浓度与呼吸性粉尘浓度的降尘率分别为91.41%和92.25%，表明对于给料机给料运行造成的粉尘逸散污染，布袋除尘设备的应用使作业空间粉尘浓度大幅下降，证明了数值模拟结果的正确性。

5 结论

本文通过对带式输送机转载点处产尘机理的研究，并且以中煤平朔木瓜界133带式输送机为例，建立对应的数学计算模型，用数值模拟的方法对转载点处进行模拟，得到以下结论：

(1)通过对带式输送机转载点处产尘原因机理以及粉尘扩散规律的研究，选择合适的除尘设备，并且根据对此处的数值模拟所得到的数据确定除尘器位置，优化各个技术参数，提出设计合理行之有效地治理粉尘污染的法案。

(2)应用先进的测试方法、设备、测量仪器，测量了木瓜界选煤厂133输煤带式输送机作业空间改造前后的粉尘浓度，通过前后数据对比，得出所提出的治理方案是科学合理且高效可行的，具有很好的应用价值。

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(责任编辑 王雅琴)

Studyondustdiffusionmechanismandcontroltechnologyofcoalfeederincoalpreparationplant

Qin Wenxiu1, Chen Xi2,3, Ge Shaocheng2,3, Ren Yi2,3

(1. No. 153 Exploration Brigade, Coal Geological Bureau of the Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot, Inner Mongolia 010010, China; 2.College of Safety Science and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning 123000, China; 3. Key Laboratory of Mine Thermo-Motive Disaster and Prevention, Ministry of Education, Fuxin, Liaoning 123000, China)

TD714.4

A

国家自然科学基金项目资助(70572070) ，辽宁省教育厅科技研究项目资助(705720702009A345)

秦文秀，陈曦，葛少成等. 选煤厂给料机粉尘逸散规律及治理技术研究[J].中国煤炭，2017，43(9):93-97. Qin Wenxiu，Chen Xi，Ge Shaocheng，et al. Study on dust diffusion mechanism and control technology of coal feeder in coal preparation plant [J].China Coal，2017，43(9):93-97.

秦文秀(1967-)，女，内蒙古呼和浩特人，高级机电工程师，主要从事煤矿安全、煤矿化工等方面的研究。